Optik Network (Genel)

1. Giriş

Mevcut transmisyon sistemlerinde bakır kullanımından dolayı meydana gelen sınırlamalar optik teknolojinin uygulanması ile aşılmaya çalışmaktadır. Optik teknoloji günümüzde güvenirliliğini kanıtlamanın yanında ekonomik olduğunu da ispatlamıştır. Ayrıca bu iki üstünlüğün yanında yeni haberleşme ağı seçenekleri ve anahtarlama teknikleri de sunmaktadır. Yazıda bu uygulamalar anlatılırken transmisyon planlamasında önemli bir faktör olan güç marjı da gözönüne alınmış ve optik uygulamalar üzerindeki olası kısıtlamalar değerlendirilmiştir.

Bir transmisyon hattı en genelde iki kapılı bir elektronik devredir (Bak. Şekil 1.). Böyle bir devrede, toplam elektriksel güç kaybı hesaplanırken (1) nolu matematiksel ifade kullanılır (askari güç aktarımı için seri empedans Z₀'ın hattın giriş empedansına uyumlu olduğu kabul edilmektedir.

Şekil 1.

G = 20 log ( U₀ / 2 U₁ ) - 10 log ( Z₀ / Z₁ )     [ 1 ]

U₀ : Giriş gerilimi U₁: çıkış gerilimi Z₀ : Seri empedans Z₁ : Paralel empedans Log : Log₁₀

(1) nolu ifade 2 tel prensibine göre optik bir hatta uygulanırsa (Bak. Şekil 2.) güç kaybı aşağıdaki eşdeğeri elde edilir.

Şekil 2.

L_dB: Fiber kabloda harcanan güç M : Modülasyon katsayısı

G = 20 log ( R₀ r M / ( R₀ + R_L ) ) - 2 L_dB + 10 log ( R_L / R_i )      [2]

P_T : Fiber kabloya aktarılan güç = MU₀ / (R_S+R_i )

P_pd : Fiber kablodan alınan güç r : Fotodiyodun responsitivisi R_S : Sinyal kaynağı iç direnci R_i : Vericinin iç direnci

Şekil 2.'deki genel amaçlı optik alıcı-verici için 2 nolu ifadeye göre güç hesaplaması yapılırsa fiber kablodaki kayıplar hariç toplam kazanç -15 dB "elektriksel" (-7.5 dB "optik") civarında olur. Buna 10 km uzunluğunda, konnektör dahil fiber kablodaki kayıplarda eklenirse (10 km x 0.4 dB/km + 2 x 0.5 dB = 5 dB "optik") toplam kazanç optik olarak -12.5 dB'ye ulaşır. Böyle bir sistemde BER = 10^-9 ve 1.2 Gb/s hızında veri transmisyonu için alıcı duyarlılığının yaklaşık 30 dB olduğu gözününe alındığında sistemde geriye 17.5 dB'lik kullanılabilir güç kalır. Bu marj içinde kalacak şekilde, mevcut sistemin güç planı bozulmadan, diğer bir değişle santral giriş-çıkış sinyal seviyeleri (CCITT'ye göre 0 dB) korunarak yeni optik uygulamalar yapılabilir. Güç marjının yeterli olmadığı durumlarda ise fiber yükselteç kullanımı ile uygulamaya olanak sağlanabilir.

CCITT standartlarına göre transmisyonda toplam güç kaybı için (Elektronik+Optik) üst sınır 36 dB'dir. Bu miktardaki kayıp, akustik olarak ses sinyallerinin kaynağından 3 m uzaktan işitilmesine eş değerdir. Transmisyon planlaması yapılırken bu standartlara göre transmisyon hattı üç bölüme ayrılır. Bu bölümler ve bunlara ayrılan harcalanabilir güç miktarları şöyledir ;

a- Gönderici Kısım (Ulusal) <21 dB
b- Uluslararası Bağlantı <3 dB
c- Alıcı Kısım (Ulusal) <12 dB

Ulusal işleticiler (telefon şirketleri) bu sınırlar içerisinde serbest bırakılmış olup haberleşme ağı tasarımlarını gereksinimleri doğrultusunda ve imkanları ölçüsünde yapabilmektedir. CCITT tarafından önerilen bu sınırları gösteren grafik Ek-1'de verilmiştir [2].

2. Optik Haberleşme

Bu çalışmanın amacı optik teknolojisinde meydana gelen gelişmeler ışığında Ulusal Transmisyon yapısında yapılabilecek yenileştirmeleri gözden geçirmektir. Bunu yaparken de haberleşme ağını yapısal olarak aşağıdaki gibi üç bölüme ayırmak uygun olacaktır. Böylece hem CCITT standartlarına hemde teknolojik gelişmelerin yönüne sadık kalmış oluruz.

1- Santral Ağı (Core Network)
2- Abone Ağı (Access Network)
3- Uzak Mesafe Ağı (Long Distance)

2.1- Santral Ağı

Türk PTT'sinde santral ağı noktadan noktaya (point-to-point) yapısındadır. Bu yapı dahilinde kalarak veya değişik ağ yapısı kullanarak yapılabilecek yenişleştirmeler şunlar olabilir.

1- İki Yönlü Transmisyon (Bidirectional Transmission)
2- Çift Dalga Boyunda (1310-1550 nm) Transmisyon (Duplex Transmission)
3- WDM
4- Optik Anahtarlama (Optical Cross Connect)

Son iki yenileştirme uygulamasının önümüzdeki beş yıl içinde gerçekleşeceği tahmin edilmektedir. Bu uygulamalar gerçekleştiğinde böylece tümden optik transmisyonun temel ögesi olan "Transparent" santral ağ yapısı meydana gelecektir.

2.1.1- İki Yönlü Transmıiyon

Bu sistemde yüksek yönlendirmeli, düşük kayıplı planer coupler kullanımı ile tek fiber kablo üzerinden aynı dalga boyunda gidiş-geliş trafiğini sağlamak mümkündür (Bak. Şekil 3.). Ayrıca her iki yöndeki transmisyon hızları da birbirinden bağımsız olabilmektedir. Böylece bir sistemde ek güç gereksinimini 10 dB civarında olup, bu miktar kullanılabilir optik güç marjı içerisindedir.

Şekil 3.

Uygulamada coupler'lar santral giriş çıkışlarındaki, laserdiyot ve fotodiyod ile fiber hattın arasına eklenir. Tamamen pasif eleman olan coupler'lar haberleşme sinyalini etkilemezler.

Böyle bir uygulamanın sonucunda mevcut sistemdeki fiber kablonun yarısı kullanılarak aynı kapasitede transmisyon sağlanabilecektir. Diğer yandan yeni döşenecek uzun hatlarda fiber kablo maliyeti de yarıyarıya azalacaktır. şöyleki bugünkü piyasa koşullarında herbir coupler'ın maliyeti 300 $ civarındadır. Bu maliyet 1.5 $/m olan fiber kablo fiyatı ile karşılaştırıldığında fazladan kullanılacak coupler'ların maliyeti yaklaşık 400m fiber kablo maliyetine karşılık gelir. Bu durumda 400 m'nin üzerindeki fiber hatlar için iki yönlü transmisyon daha ekonomik olmaktadır.

2.1.2- çıFT DALGA BOYUNDA (1310-1550 nm) TRANSMıSYON

WDM (Wavelength Division Multiplexing) (dalga boyu paylaştırmalı çoklayıcı sistem) coupler kullanarak aynı yönde ve iki ayrı dalgaboyunda transmisyonu gerçekleştirmek mümkündür (Bak. Şekil 4.).

Şekil 4.

Şekil 5.'de ise gene WDM kullanarak zıt yönde ve iki ayrı dalgaboyunda (1310 nm'de gidiş 1550 nm'de geliş olacak şekilde) çift yönlü transmisyon yapılabilir.

Her iki yöntemde de pasif elemanlardaki güç kaybı da dahil harcanacak güç optik güç marjından daha azdır.

Çift dalgaboyunda transmisyon sisteminin santral ağında uygulamanın başlıca iki avantajı olabilir. Birinci avantaj, santraller arası transmisyon kapasite artırımı gereksiniminde santral çıkışının (trunk out) bir üst transmisyon hızına çıkarılması yerine (34 Mb/s'den 140 Mb/s'ye) bu ilave kapasiteden doğan transmisyon farklı dalgaboyunda optik çıkış ile aynı hızda (34 Mb/s "1310 nm" de ve 34 Mb/s "1550 nm"de) veya alt hızlarda (örneğin 34 Mb/s "1310 nm"de ve 8 Mb/s "1550 nm"de) sağlanabilir. Böyle bir uygulamanın bugünkü piyasa koşullarında maliyeti bir üst transmisyon düzeyine geçilmesinden daha az olacaktır.

Bu uygulamanın ikinci avantajı, sınırlı transparent santral sisteminin (tam transparent santral ağına geçiş) oluşturulmasıdır. Şekil 6.'da iki santralden oluşan sistemde yeni kurulacak C santralına ulaşmak için günümüzde iki yol izlenmektedir. A'dan çıkan transmisyon paketi ya B'de açılarak C'ye ait haberleşme bir alt transmisyon hızında C'ye aktarılır, yada A-C arasına yeni, direk bir hat döşemek gerekir. çift dalgaboyunda transmisyon uygulaması ile bu sistem daha verimli ve ekonomik olarak gerçekleştirilebilir. şöyleki Şekil 7.'de olduğu gibi A'dan C'ye gönderilecek transmisyon 1550 nm dalgaboyundaki optik verici ve bir WDM coupler ile istenilen hızda A-B santralları arasındaki mevcut, 1310 nm'deki transmisyon hattına eklenir. 1550 nm'deki bu transmisyon B'ye geldiğinde işlem görmeden (sinyal paketi açılmadan) ikinci bir WDM coupler ile bypass yapılarak B-C arasındaki fiber hatta aktarılır. Böylece ilk etapda, A-C hattının tesisinde A-B arasındaki mevcut hattan faydalanılmış olur. Ayrıca B-C santralları arasında yapılacak transmisyon da (1310 nm'de ve istenilen hızda) üçüncü bir WDM coupler ile 1550 nm'deki A-C transmisyon hattının ikinci kısmını oluşturan B-C arasındaki fiber üzerinden sağlanabilir.

Sonuçta A,B,C santralları arasında bir ring meydana getirilmiş olur.

Bu yapıdaki transmisyon için fazladan kullanılan malzeme üç adet WDM coupler olup (çift yönlü transmisyon için ayrıca dört adet planer coupler'da eklemek gerekecektir) bugünkü maliyeti 1200 $ civarındadır. Buna karşılık AC hattı hiç döşenmeyecek ayrıca B santralında sinyal paketi açılmayacağı için çoklayıcı (demux) maliyeti ortadan kalkacaktır.

A-B, A-C ve B-C santralleri arasındaki haberleşme birbirinden bağımsız olduğu için mevcut kapasite daha gerçekçi olarak kullanılabilecektir. Sonuçta örnekte verilen 1200 $'lık maliyetin çok üzerinde bir tasarruf sağlamak mümkün olacaktır.

Şekil 6.

Şekil 7. /P>

Her iki uygulamada fazladan harcanacak optik güç 2dB'den daha az olacaktır. Ancak aynı dalgaboyları için iki yönlü transmisyon yapılmak istenirse WDM coupler'lardan sonra iki adet yönlendirmeli coupler eklenmesi gerekir. Bu durumda ise fazladan harcanak güç 10 dB'den az olacaktır. Trunk sistemlerinin optik güçleri bunu karşılayabilecek düzeyde olup trunk çıkış gücünün yetmeyeceği durumlarda daha güçlü laserdiyod kullanılarak bu sınır maksimum 5-10dB'ye kadar artırılarak sorun çözülebilir.

2.1.3. WDM Uygulaması

WDM uygulamasında farklı dalgaboylarında optik vericilerle tek fiber kablo üzerinden haberleşme ağı oluşturulabilir. çift dalgaboylu (1310-1550 nm) transmisyon temelde WDM'in sınırlı bir uygulamasıdır. Ayrıca WDM uygulaması ile transparent santral yapısına da geçilmiş olunacaktır. Böylece yüksek hızda transmisyon için başka bir seçenekte ortaya çıkar. şöyleki günümüzde 2.5 Gb/s hızda transmisyon uygulamaya girmiştir, fakat bunun üzerindeki hızlar için laserdiyod teknolojisinde çözülmesi gereken pekçok ciddi problemler vardır. Bu problemlerin çözümünü beklemeden WDM uygulaması ile 10 Gb/s'lik hıza çıkmak mümkündür. Dört ayrı dalgaboyunda 2.5 Gb/s'lik çıkışlar optik olarak çoklanarak 10 Gb/s'lik transmisyon hızına ulaşılabilir (Bak. Şekil 8.).

Şekil 8.'deki halka tipi WDM uygulamasında herbir santral girişinde, o santral için saptanan dalgaboyundaki optik sinyal filtre vasıtasıyla ayrıştırılarak elektronik katmana aktarılır ve orada çözümlenir.

Şekil 8. Optik halka ağı

Bus sistemi için ise Şekil 9.'daki yapı örnek verilebilir. Her iki sistemde de santral sayısı 4 ile sınırlandırılıp PDH uygulaması mümkün olduğu gibi nx155 Mb/s veya daha üst hızlarda SDH uygulaması da olanaklıdır.

Şekil 9.

Düşük (4nm) ve yüksek (100 MHz) yoğunluklu WDM çalışmaları, RACE programı kapsamında uygulama aşamasına gelmiştir. Dolayısıyla gerçekleştirilecek çift Dalgaboyu çalışması ilerideki WDM uygulamaları için de başlangıç teşkil edecektir.

2.1.4. Optik Çapraz Bağlantı

Gene RACE programı kapsamında olan optik çapraz bağlantı çalışması ile tamamıyle optik transmisyon uygulamasına geçmek mümkün olacaktır. Bu uygulamada optik anahtarlama ile değişik hızlardaki transmisyon sinyalleri çoklayıcıya gerek kalmadan trafiğin gerektirdiği yönlere aktarılabilecektir.

Şekil 10'da 4x4'lük bir optik çapraz bağlantı temsili olarak gösterilmiştir. Sistem başlıca 16 adet LiNbO3 optik kristal ve bir ağ işletim sisteminden meydana gelmektedir. Bir nolu kapıya gelen haberleşme paketi işletim sistemi programına göre 5,6,7,8 nolu kapılardan birine yönlendirilecektir. Sistem WDM uygulamasının aksine zaman paylaşım prensibine göre çalışmaktadır.

Şekil 10.

2.2. Abone Ağı

Geniş band talebi ve haberleşme ağında esneklik gereksinimi optik teknolojisinin abone hattında uygulanma zorunluluğunu doğurmuştur. Günümüzde dolaba kadar fiber (fiber to the curb veya fiber in the loop) uygulaması pekçok ülkede başarı ile sürmektedir. Bunun nedeni fiber optiğin getirmiş olduğu servis avantajlarının yanı sıra kuruluş ve bakım maliyetlerinin de mevcut sistemlerle rekabet edebilecek durumda olmasıdır. Ayrıca önümüzdeki on yılda teknolojinin gelişmesi ve piyasanın büyümesi göz önüne alındığında abone ağında optik sistemlerin kullanımı mevcut bakır sistemlerden daha da ekonomik hale gelecektir.

CCITT tarafından abone ağı için belirlenen güç marjı 7dB'dir. Santral ağındakinin aksine abone ağında elektronik yükseltici kullanarak bu marjı artırmak mümkün değildir. Bu durumda hat uzunluğu (Remote Terminale kadar) ya 7 dB'lik marj tarafından belirlenecek ya da optik yükselticiler kullanılarak güç kayıpları telafi edilecektir.

Optik abone ağında kullanılacak olan uzak terminale ve optik dağıtım şebekesi (Optical Distribution Frame) yeni birimlerdir. Bunları kullanarak 2Mb/s veya daha üst düzeylerdeki mux ve demux işlemleri abone tarafından yapılıp, transmisyon fiber kablo ile santrala iletilir veya santraldan gelen 2 Mb/s'lik transmisyon uzak terminal vasıtasıyla abonelere dağıtılır (Bak. Şekil 11).

Şekil 11.

>Uzak terminalden sonra bakır kablo kullanılacak ise mevcut güç marjı yeterli olacaktır. CATV veya point to noktadan çok noktaya transmisyon uygulamalarında ise fiber yükselteç kullanımı gerekecektir. Abone ağında diğer bir uygulamada esnek abone ağıdır (Flexible Access Network) . çok seçenekli olan bu uygulamada değişik hızlarda mux, demux işlemleri ve trafik kontrolü mevcut santral ağının dışında, abone tarafından yapılır (Bak. Şekil 12). Bir çeşit küçük çaplı ağ oluşturan böyle bir sistem de aynı zamanda mevcut santral ağı da kullanılarak ağ dışındaki aboneye ulaşabilmektedir. özel bir ağ iletişim ile çalışan bu sistem hem uzak terminallerinden hemde kiralık hatlardan gelen haberleşme ve veri sinyallerini yönlendirir.

Şekil 12.

Yukarıda anlatmış olduğumuz sistemler geniş bir abone ağının parçalarını meydana getirebilecek, sınırlı uygulama alanına yönelik küçük sistemlerdir. Bu özelliklerinden dolayı AR-GE bünyesinde gerçekleştirilebilirler. Bu kapsamda yapılabilecek başlıca çalışmalar flexible mux ve demux sistemleri, ağ işletim sistemi, uzak terminele ve optik dağıtım sistemlerinin prototiplerinin üretilmesi olabilir.

2.3. Uzak Mesafe Ağı

Şehirlerarası haberleşme ağı temelde radyolink hatlardan oluşmaktadır. Optik haberleşme ancak büyük kentler arasında vardır. Bu hatlar 1310 nm dalgaboyunda ve 40-50 km aralıklarla yerleştirilen tekrarlayıcılardan meydana gelmiştir. Son yapılan uygulama ile 1550 nm dalgaboyuna geçilerek tekrarlayıcılar arası uzaklık artırılmaya çalışılmaktadır.

Bu ağda yapılabilecek yerleştirmeler başlıca iki konuda olabilir. Bunlar santral ağında da anlatılan iki yönlü ve çift dalga boyunda transmisyon ve tekrarlayıcıları ortadan kaldırarak, kesintisiz transmisyon sağlayacak olan fiber yükselteç kullanımıdır.

Fiber Yükselteç (EDFA)

1550 nm transmiyonda kullanılabilen (1310 nm uygulamarıda gerçekleşmek üzere) fiber yükselteçler (EDFA=Erbium Dopped Fiber Amplifier) haberleşmeyi kesintiye uğratmadan (sinyal paketi açılmadan) taşıyıcı sinyale 20-30 dB'ye varan güç aktarmak amacıyla kullanılır (Bak. Şekil 13).

Şekil 13.

Optik alıcı ve verici arasına yerleştirilecek bir dizi fiber yükselteç ile oldukça uzun mesafelerde kesintisiz transmisyon sağlanabilir (örneğin 6 adet fiber yükseltici ile Ankara-ıstanbul arası geçilebilir). Fiber yükselteçlerin kurulmaları çok kolaydır. Optik gücün zayıfladığı noktalarda hat kesilerek ile sisteme ilave edilirler.

Fiber yükselteç teknolojisi günümüzde bilinen ve kolayca gerçekleştirilebilecek seviyededir. Sistem olarak alındığında fiyatı 30.000 $ civarında olmasına rağmen AR-GE, Fiber Optik laboratuarında yarı fiyatına imal edilebilir.

3. Sonuç

CCITT standartlarında belirlenen güç marjları içerisinde kalarak pasif ve aktif optik elemanlarının kullanımı ile mevcut telekomünikasyon sistemin veriminin artırılması ve daha ekonomik hale getirilmesi mümkündür. Ayrıca AR-GE bünyesinde yapılacak bu çalışmalar sonucu oluşacak teknik kadro ve sağlanacak bilgi birikimi ile Genel Müdürlük bünyesine ilgili birimlere yeni sistemlerin planlanması aşamasında danışmanlık yapılabilir.

Ek - 1 Transmisyonda Güç Sınırları