کابل مخابراتی چیست؟

تعاریف، نقش محوری و سیر تاریخی کابل‌های مخابراتی

شبکه‌های ارتباطی، ستون فقرات جامعه دیجیتال مدرن را تشکیل می‌دهند و بدون وجود زیرساخت‌های فیزیکی انتقال داده، امکان‌پذیر نیستند. کابل‌ مخابراتی، به عنوان عروق اصلی این زیرساخت، وظیفه حیاتی انتقال حجم عظیمی از اطلاعات را در سراسر جهان بر عهده دارد. شناخت ماهیت، عملکرد و تکامل این کابل‌ها برای درک عمیق فناوری‌های ارتباطی ضروری است.

تعریف جامع کابل مخابراتی و تمایز آن با کابل برق

کابل‌های مخابراتی، که در ادبیات تخصصی با نام کابل‌های ارتباطی نیز شناخته می‌شوند، نوع خاصی از کابل‌ها هستند که منحصراً برای انتقال اطلاعات و برقراری ارتباطات مختلف طراحی شده‌اند. وظیفه محوری این کابل‌ها، فراهم کردن بستر انتقال ارتباطات صوتی، داده‌ای، تصویری و سیگنال‌های رسانه‌ای است. در مقابل، کابل‌های برقی صرفاً برای انتقال انرژی الکتریکی استفاده می‌شوند و ساختار و مشخصات فنی آن‌ها برای مدیریت ولتاژ و جریان بالا بهینه‌سازی شده است. از مهم‌ترین و رایج‌ترین انواع کابل‌های مخابراتی، می‌توان به کابل تلفن (که در آن انتقال صوت و داده انجام می‌گیرد) و کابل‌های شبکه (برای انتقال دیتا) اشاره کرد.

در یک شبکه مخابراتی، هر مسیری که در آن انتقال اطلاعات انجام می‌پذیرد، «لینک» (Link) نامیده می‌شود. این لینک می‌تواند از جنس‌های مختلفی ساخته شده باشد، شامل سیم مسی، کابل کواکسیال یا فیبر نوری. یکی از نقاط کلیدی در زیرساخت‌های تلفنی، MDF (Main Distribution Frame) است که به عنوان رابط بین مرکز تلفن و خطوط مشترکین قرار گرفته و ارتباطات را ساماندهی می‌کند. پیشرفت‌های فناوری ارتباطی همواره در مسیر افزایش کیفیت و سرعت کابل‌های مخابراتی حرکت کرده است.

تاریخچه و سیر تحول فناوری کابل‌های ارتباطی

تاریخچه تولید سیم و کابل به طور کلی، از جمله کابل‌های مخابراتی، به سال ۱۸۳۰ بازمی‌گردد⁴ در ابتدا، سیم‌ها صرفاً از هادی مسی تشکیل شده بودند و فاقد عایق بودند، که این موضوع خطرات ناشی از برق‌گرفتگی را با فراگیر شدن صنعت برق افزایش می‌داد. نقطه عطف در این صنعت، اختراع عایق‌کاری بود.

• انقلاب عایق‌کاری: در سال ۱۸۷۶، ایده تولید کابل با روکش لاستیکی تحقق یافت. در این فرآیند، رشته‌های سیم مسی به هم تابیده می‌شدند و با نوعی کائوچوی طبیعی به نام گوتاپرچا عایق می‌گردیدند. ساختار اولیه شامل پیچیدن یک ماده عایقی گیاهی به دور رسانا، خشک کردن آن در دمای بالا و آغشته کردن آن به مواد روغنی یا موم بود. در نهایت، با استفاده از سرب، کابل روکش می‌شد.
• کشف مواد جدید و ولتاژ بالا: در سال ۱۸۸۷، باکلیت به عنوان یک عایق ارزان‌تر کشف شد. همزمان با باز شدن راه شبکه‌های با ولتاژ بالاتر، نیاز به عایق‌های مقاوم‌تر افزایش یافت. در سال ۱۸۹۸، نخستین کابل ۱۰ کیلووات سه‌رشته‌ای برای شبکه‌های برق متناوب سه‌فاز تولید شد.
• عصر پلیمرها و کابل‌های خشک: با بهره‌گیری از مواد پلیمری نظیر PVC، PE (پلی‌اتیلن) و EPR، دامنه فعالیت صنعت کابل‌سازی گسترش یافت. در سال ۱۹۵۳، کابل خشک با عایق پلی‌اتیلن کراس لینک (XLPE) توسط جنرال الکتریک تولید شد.⁴ این ماده که از پلی‌اتیلن گرما-نرم (ترموپلاستیک) به دست می‌آید، امکان ساخت کابل‌های با ولتاژ بسیار بالا را برای اولین بار فراهم کرد.
• ورود فیبر نوری: تحول نهایی و مدرن در این حوزه، گذار از هادی‌های مسی به فیبر نوری بود. تاریخچه تکامل فیبر نوری، از آزمایش‌های اولیه تا نقش محوری آن در شبکه‌های مدرن، نشان‌دهنده تلاش برای دستیابی به پهنای باند بالاتر و مسافت‌های طولانی‌تر است.

ساختار فیزیکی مشترک کابل‌های مخابراتی

ساختار کابل مخابراتی، چه از نوع مسی و چه از نوع نوری، شامل اجزای حفاظتی و انتقال‌دهنده است که تضمین‌کننده عملکرد پایدار آن در محیط‌های مختلف است. از جمله مشخصات فنی که هنگام خرید باید مورد توجه قرار گیرند عبارتند از: جنس هسته، عایق، روکش و روکش بیرونی.

• هسته کابل (رسانا): وظیفه اصلی انتقال سیگنال را بر عهده دارد. در کابل‌های مسی از مس یا آلومینیوم و در فیبر نوری از شیشه یا پلاستیک بسیار نازک تشکیل شده است.
• عایق (Insulation): لایه‌ای است که هادی‌ها را از یکدیگر و از محیط بیرون جدا می‌کند. جنس آن می‌تواند از PVC، سیلیکون، یا پلی‌اتیلن باشد.
• حفاظت و بازرسی: بازرسی ساختار کابل شامل بررسی دقیق قطر تک‌رشته و میزان تابیدگی رسانا، ضخامت متوسط و نازک‌ترین نقطه عایق اکسترود شده، و همچنین بازرسی پوشش‌هایی مانند زره، نوار آلومینیومی یا سیم مسی محافظ است.
• روکش بیرونی (Sheath): غلاف نهایی که کابل را در برابر آسیب‌های فیزیکی، مواد شیمیایی و شرایط جوی محافظت می‌کند. روکش‌ها ممکن است دارای ویژگی‌های خاصی مانند مقاومت در برابر آتش‌سوزی، ضد رطوبت بودن یا داشتن مهار برای مقاومت در برابر کشش باشند.

کابل‌های مسی: ساختار، انواع و محدودیت‌های فیزیکی

کابل‌های مسی، اگرچه در بسیاری از شبکه‌های هسته با فیبر نوری جایگزین شده‌اند، اما همچنان نقش حیاتی در لایه‌های دسترسی (Access Layer)، شبکه‌های تلفنی قدیمی و شبکه‌های محلی (LAN) ایفا می‌کنند. هسته این کابل‌ها از زوج سیم‌های به هم تابیده تشکیل شده است که این تابیدگی نقش کلیدی در کاهش تداخل دارد.

کابل‌های زوج به هم تابیده (Twisted Pair) و انواع حفاظت

کابل‌های زوج به هم تابیده رایج‌ترین نوع کابل‌های مسی مخابراتی و شبکه هستند. این کابل‌ها با هدف کاهش تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) و نویز داخلی (Crosstalk) طراحی شده‌اند.

کابل‌های بدون شیلد (UTP)

UTP (Unshielded Twisted Pair) شامل چهار زوج سیم مسی به هم تابیده است که هیچ لایه محافظ فلزی یا شیلدی ندارند.

• مزایا و کاربرد: به دلیل عدم وجود شیلد اضافی، این کابل‌ها ارزان‌تر بوده، نصب آسان‌تری دارند و انعطاف‌پذیر هستند. UTP پرکاربردترین نوع کابل در شبکه‌های کامپیوتری محلی، سیم‌کشی تلفن و سیستم‌های نظارتی است.
• مشخصات فنی: کابل‌های UTP در تمامی گروه‌های Cat (مانند Cat5e تا Cat8) قابل تولید هستند و مغزی آن‌ها معمولاً از جنس مس است.

کابل‌های شیلددار و فویل‌دار (STP، FTP، SFTP)

در محیط‌هایی که تداخلات الکترومغناطیسی بالا است، از کابل‌های دارای شیلد (Shield) یا فویل (Foil) استفاده می‌شود تا سیگنال در برابر نویز محافظت شود.

• STP (Shielded Twisted Pair): دارای یک شیلد بافته شده فلزی در زیر روکش بیرونی است.
• FTP (Foiled Twisted Pair): دارای یک فویل آلومینیومی کلی در زیر روکش بیرونی است.
• SFTP (Shielded Foiled Twisted Pair): این نوع کابل پیشرفته‌تر است و دارای یک شیلد بافته شده (S) در زیر روکش بیرونی است و علاوه بر آن، هر زوج سیم نیز به صورت جداگانه با فویل (FTP) پیچیده شده است.
• کاربرد: این کابل‌ها که دارای مقاومت بالایی در برابر نویز و تداخل هستند، گزینه‌ای مناسب برای شبکه‌های صنعتی، مراکز داده و سیستم‌های امنیتی محسوب می‌شوند.

پدیده تضعیف (Attenuation) و محدودیت ذاتی کابل‌های مسی

یکی از مهم‌ترین عواملی که گذار به فیبر نوری را در مخابرات اجتناب‌ناپذیر کرده است، محدودیت‌های ذاتی فیزیکی کابل‌های مسی در انتقال سیگنال در فواصل طولانی است. این محدودیت با پدیده تضعیف سیگنال (Attenuation) مشخص می‌شود.

مکانیزم تضعیف سیگنال

تضعیف به کاهش قدرت سیگنال در طول مسیر انتقال اشاره دارد. این پدیده در هر سه نوع سیگنال الکتریکی، الکترومغناطیسی و نوری رخ می‌دهد، اما تأثیر آن در کابل‌های مسی بسیار شدیدتر است.

• علت در کابل مسی: مقاومت فیزیکی سیم‌های مسی باعث می‌شود بخشی از انرژی سیگنال الکتریکی به شکل گرما هدر رود. هرچه طول کابل و میزان مقاومت سیم بیشتر باشد، سیگنال انرژی بیشتری از دست داده و ضعیف‌تر می‌شود؛ به طوری که در مقصد ممکن است “خوانش‌ناپذیر” شود.
• اندازه‌گیری: تضعیف بر حسب دسی بل (dB) یا ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود و معمولاً بر حسب دسی بل در واحد طول (مانند ۱۰۰۰ فوت یا کیلومتر) مشخص می‌گردد. هر چه این مقدار کمتر باشد، کارایی کابل بیشتر است.

پیامدهای فنی محدودیت مس

در شبکه‌های پرسرعت اترنت (مانند Cat5e و Cat6)، حداکثر مسافت مجاز برای کابل مسی معمولاً ۱۰۰ متر است. پس از این مسافت، سیگنال به قدری ضعیف می‌شود که نمی‌تواند به طور مؤثر منتقل شود. برای غلبه بر این محدودیت، از تکرارکننده‌ها (Repeaters) استفاده می‌شود تا قدرت سیگنال افزایش یابد. با این حال، استفاده مکرر از تقویت‌کننده‌ها باعث کند شدن سرعت سیگنال بین نقاط انتهایی و افزایش تأخیر (Latency) می‌شود.

تحلیل تخصصی گذار فناوری: محدودیت فیزیکی ناشی از تضعیف (که در فواصل ۱۰۰ تا ۵۰۰ متری رخ می‌دهد) مهم‌ترین عامل فنی است که مقیاس‌پذیری شبکه‌های بزرگ را با کابل مسی منتفی می‌کند. این محدودیت ذاتی، برخلاف فیبر نوری که می‌تواند تا ۱۲۰ کیلومتر را بدون تقویت‌کننده طی کند و تلفات ناچیزی دارد، نیروی محرک اصلی پشت پذیرش گسترده فیبر نوری و معماری‌های FTTx است.

کابل‌های کواکسیال (Coaxial)

کابل کواکسیال یا هم محور، یکی دیگر از انواع کابل‌های مخابراتی است که در گذشته به طور گسترده در شبکه‌های داده، ارتباطات آنالوگ و تلویزیون کابلی استفاده می‌شد.

• ساختار: کابل کواکسیال از یک هادی مسی مرکزی (کانال گرد) تشکیل شده که توسط یک لایه عایق پوشانده می‌شود و سپس یک محافظ فلزی بافته شده (شیلد) که معمولاً از ترکیب مس و آلومینیوم است، آن را احاطه می‌کند.
• انواع تخصصی:
  • کواکسیال هارد لاین (Hard-line): دارای محافظ مقاوم برای اتصال ترانسمیتور به آنتن.
  • کواکسیال تریاکسیال (Triaxial): این نوع مقاوم‌ترین کابل کواکسیال است و برای محافظت بیشتر در برابر تداخل، دارای سه لایه محافظ است (کاربرد ویژه در سیستم‌های ویدئویی).
  • کواکسیال ریجید لاین (Rigid-line): شامل دو کانال مسی غیرقابل تاشو که برای مصارف داخلی و اتصال بین ترانسمیتورهای قوی فرکانس رادیویی استفاده می‌شود.

طبقه‌بندی کابل‌های مسی بر اساس محیط استقرار (Indoor/Outdoor)

کابل‌های مخابراتی مسی بر اساس محیط نصب به دو دسته کلی داخلی (Indoor) و خارجی (Outdoor) تقسیم می‌شوند. این تقسیم‌بندی نه تنها بر جنس روکش، بلکه بر ساختار هسته و لایه‌های حفاظتی نیز تأثیر می‌گذارد.

کابل‌های مسی بیرونی (Outdoor Copper Cables)

کابل‌های بیرونی (معمولاً مشکی رنگ) برای تحمل شرایط سخت محیطی مانند تغییرات شدید دما (از منفی ۴۰ تا مثبت ۸۰ درجه سانتی‌گراد)، رطوبت، کشش و آسیب‌های فیزیکی طراحی شده‌اند.

کابل‌های ژله‌فیلد (Gel-Filled)

کابل‌های ژله‌فیلد در برابر نفوذ آب و رطوبت مقاومت بسیار بالایی دارند و برای محیط‌های زیرزمینی یا کانال‌ها طراحی شده‌اند.²⁰ ژله مخصوص (لایه ژل گرم) به طور کامل هسته سیم‌ها را پوشش می‌دهد.

1. کابل ژله‌فیلد خاکی (BFC – Buried Field Cable):
   • کاربرد: برای دفن مستقیم در خاک یا محیط‌های خاکی زیرزمینی.
   • ساختار فنی: شامل هادی مسی، عایق، ژله گرم، نوار پلی‌استر، نوار آلومینیوم (که برای مسدودسازی نفوذ آب حیاتی است) و روکش خارجی است. این کابل‌ها در تعداد زوج‌های بالا (۱۰ تا ۲۴۰۰ زوج) تولید می‌شوند و از مرکز مخابراتی تا کافو استفاده می‌گردند.
2. کابل ژله‌فیلد کانالی (CFC – Conduit Field Cable):
   • کاربرد: مشابه BFC، اما برای نصب در داخل کانال‌ها، داکت‌ها و لوله‌های زیرزمینی.

کابل‌های ایرکور (Air-Core)

1. کابل ایرکور کانالی (CUC – Conduit Air Core):
   • کاربرد: عمدتاً بین مراکز مخابراتی و در کانال‌ها استفاده می‌شود.
   • ویژگی: هسته این کابل فاقد ژله است و از طریق سیستم‌های هواگذاری (Air Pressurization) محافظت می‌شود. پس از نصب، هوای فشرده خشک به داخل کابل تزریق می‌شود تا از ورود رطوبت جلوگیری کند.

نکته مهندسی در انتخاب کابل‌های زیرزمینی: انتخاب بین کابل‌های ژله‌فیلد (BFC/CFC) و ایرکور (CUC) یک تصمیم مهندسی با پیامدهای عملیاتی است. کابل‌های ژله‌فیلد یک محافظت غیرفعال (Passive) در برابر آب ارائه می‌دهند. در مقابل، کابل‌های ایرکور محافظت فعال (Active) را از طریق هواگذاری مستمر طلب می‌کنند. این ساختار (ایرکور)، با وجود عدم نیاز به ژل، فرآیندهای نگهداری پیچیده‌تری را برای شرکت‌های مخابراتی تحمیل می‌کند که باید به طور مداوم فشار هوا را کنترل کنند تا از نفوذ رطوبت جلوگیری شود.

کابل‌های هوایی

1. کابل هوایی ساده (AC – Aerial Cable):
   • کاربرد: برای اتصال پست تلفن به مشترکین (کابل مشکی رایج در محیط‌های شهری).
   • ویژگی: روکش آن از جنس پلی‌اتیلن بوده و تعداد زوج سیم‌های آن معمولاً کمتر از ۲۰۰ زوج است.
2. کابل هوایی مهاردار (SSC – Self-Supporting Cable):
   • کاربرد: عمدتاً در شبکه‌های مخابراتی محلی و روستایی که در فضای باز بر روی تیرهای نگهدارنده نصب می‌شوند.
   • ویژگی فنی: برای جلوگیری از خمش زیاد کابل و افزایش مقاومت در برابر کشش و صدمات فیزیکی، یک سیم فولادی گالوانیزه (مهاردار) به صورت موازی در ساختار آن تعبیه شده است.

کابل‌های مسی داخلی (Indoor Copper Cables)

کابل‌های داخلی (معمولاً طوسی رنگ) برای محیط‌های کنترل شده داخل ساختمان استفاده می‌شوند.

• کابل توزیع MDF: این کابل‌ها جهت ارتباط بین اتاق کابل تا MDF (توزیع اصلی) استفاده می‌شوند. ساختار آن‌ها شبیه کابل هوایی ساده است، با این تفاوت که معمولاً دارای عایق و روکش از جنس PVC هستند.
• سیم رانژه: سیم تلفن تک زوج است که در درجه اول برای ارتباط بین پورت‌های ترمینال‌های کروز استفاده می‌شود.
• تقسیم‌بندی بر اساس زوج: کابل‌های مخابراتی در تعداد زوج‌های مختلف (۲، ۴، ۶، ۱۰، ۱۵، ۲۰ زوج و بالاتر) تولید می‌شوند که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب هستند، از اتصال گوشی تلفن به پریز (۲ زوج) تا سیستم‌های تلفن اداری متوسط (۱۰ زوج).

استانداردها و رمزگشایی کابل‌های مسی (Cat و رنگ‌بندی)

در مهندسی مخابرات، استانداردسازی کابل‌ها برای تضمین سازگاری، عملکرد و تسهیل فرآیندهای نصب و عیب‌یابی حیاتی است.

استاندارد رنگ‌بندی زوج سیم‌های مخابراتی

در کابل‌های مخابراتی مسی که تعداد زوج سیم‌های زیادی دارند، رنگ‌بندی به عنوان یک سیستم کدگذاری عمل می‌کند تا تکنسین‌ها بتوانند زوج‌ها را به درستی در ترمینال‌ها (رانژه) شناسایی و متصل کنند.

• سیستم دوگانه رنگ: استاندارد رنگ‌بندی سیم تلفن بر اساس ترکیب رنگ‌های اصلی (سفید، قرمز، زرد، بنفش) با رنگ‌های فرعی صورت می‌گیرد. این سیستم امکان تفکیک تا ۲۵ زوج سیم را فراهم می‌کند.
• کاربرد در ظرفیت‌های بالا: در کابل‌های بیرونی (Outdoor) که ممکن است تا ۳۸۰۰ زوج سیم داشته باشند، نحوه چینش و رنگ‌بندی زیرمجموعه‌های ۱۰۰ زوجی در کابل اصلی، به تسهیل پروسه عیب‌یابی در میدان کمک شایانی می‌کند.
• TIA/EIA-568: این استاندارد همچنین رنگ‌بندی مشخصی را برای زوج‌های سیم در کابل‌های شبکه (مانند Cat5e/6) تعیین می‌کند.

استانداردهای کابل شبکه اترنت (CAT Categories)

کابل‌های اترنت (Twisted Pair) بر اساس استاندارد‌های ANSI/TIA 568 و ISO/IEC 11801 دسته‌بندی می‌شوند. این دسته‌بندی‌ها که به نام Cat (Category) شناخته می‌شوند، حداکثر پهنای باند و فرکانس قابل پشتیبانی توسط کابل را مشخص می‌کنند.

جدول ۱: مقایسه استانداردهای کابل شبکه مسی (Twisted Pair)

کابل‌های Cat6 نسبت به نسل‌های قبلی مانند Cat5e، تطبیق امپدانس بهتری دارند (Return Loss بیشتر) که منجر به کاهش انعکاس سیگنال و نرخ خطای بیتی کمتر در شبکه‌های گیگابیت اترنت می‌شود. اگرچه کابل‌های قدیمی‌تر مانند Cat5e ممکن است همچنان نیازهای اولیه را برآورده کنند، اما Cat6 عملکرد پایدارتر و ظرفیت انتقال داده بیشتری را در طول شبکه‌های ۱۰۰BASE-TX و ۱۰۰۰BASE-T تضمین می‌کند.

فیبر نوری: اصول عملکرد، ساختار و مزایای برتر

فیبر نوری نه تنها یک جایگزین، بلکه یک فناوری متفاوت است که محدودیت‌های فیزیکی مس را کنار زده و انقلاب مدرن ارتباطات دیجیتال را رقم زده است. این کابل‌ها قادرند اطلاعات دیجیتالی را با استفاده از نور، به جای برق، منتقل کنند.

فیزیک انتقال داده با نور و ساختار اپتیکی

انتقال داده در فیبر نوری بر پایه پالس‌های نوری (تولید شده توسط لیزر یا دیود نوری) استوار است. این پالس‌ها درون یک ساختار شیشه‌ای یا پلاستیکی بسیار نازک هدایت می‌شوند.

• هسته (Core): رشته بلوری نازکی که مسیر انتقال نور است و دارای شاخص شکست بالا است.
• پوسته (Cladding): لایه حفاظتی اطراف هسته که شاخص شکست کمتری دارد. این تفاوت در شاخص شکست باعث پدیده انعکاس داخلی کلی می‌شود، که نور را مجبور می‌کند درون هسته باقی بماند و از فیبر خارج نشود.
• مزایای فیزیکی: این فناوری، به دلیل استفاده از نور، مقاومت الکتریکی ندارد و تلفات سیگنال در طول مسافت‌های بلند را به شدت کاهش می‌دهد، در حالی که پهنای باند و برد بیشتری را فراهم می‌کند.

ساختار کابل‌های فیبر نوری و انواع روکش

کابل‌های فیبر نوری نیز دارای ساختار چندلایه‌ای برای محافظت از تارهای حساس نوری هستند. ساختار کلی شامل هسته و پوسته اپتیکی است که توسط روکش اولیه سیلیکونی (Coating) محافظت می‌شود.

• کابل‌های خارجی (Outdoor): این کابل‌ها برای استفاده در محیط‌های بیرونی و فضاهای باز طراحی شده‌اند و به همین دلیل دارای روکش‌های مقاوم‌تری در برابر رطوبت، آتش‌سوزی و شرایط جوی هستند. این کابل‌ها ممکن است دارای نوار جذب کننده رطوبت (به جای ژل) باشند و به صورت خشک (مانند کابل‌های ADSS) نیز تولید شوند.

انواع کابل‌های نوری بیرونی بر اساس محیط استقرار:

1. کابل نوری ژله فیلد کانالی (OCFC): برای استفاده در کانال‌ها و داکت‌ها.
2. کابل نوری ژله فیلد خاکی (OBFC): مناسب برای دفن در محیط‌های خاکی و زیرزمینی، با مقاومت بالا در برابر رطوبت.
3. کابل نوری مهاردار هوایی (OSSC): دارای مهار برای جلوگیری از آسیب دیدن کابل در اثر شرایط جوی سخت (باد و کشش) در نصب هوایی.
4. کابل نوری خشک خاکی (OBUC): نوعی کابل نوری خاکی که از نوار جذب کننده رطوبت استفاده می‌کند.

انواع فیبر نوری (Single-Mode و Multi-Mode) و استاندارد ITU-T

فیبرهای نوری بر اساس تعداد حالت‌های (Mode) انتشار نور در هسته دسته‌بندی می‌شوند:

• فیبر چندحالته (Multi-Mode – MM): نور در چندین مسیر در هسته انتشار می‌یابد. این نوع فیبر به دلیل پدیده پراکندگی مُدال، برای مسافت‌های کوتاه‌تر (مانند لینک‌های اترنت در مراکز داده یا LAN) مناسب است. معمولاً دارای روکش نارنجی رنگ است و در طول موج ۸۵۰ نانومتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. استاندارد ITU-T G.651 مشخصات این نوع فیبر را تشریح می‌کند.
• فیبر تک‌حالته (Single-Mode – SM): نور تنها در یک مسیر واحد (Mode) منتشر می‌شود. این امر باعث می‌شود تضعیف سیگنال به حداقل رسیده و امکان انتقال داده‌ها در مسافت‌های بسیار طولانی (بین شهری و بین قاره‌ای) و با پهنای باند فوق‌العاده بالا فراهم شود. معمولاً دارای روکش آبی رنگ است. استاندارد ITU-T G.652 و G.653 مربوط به مشخصات فنی فیبرهای تک‌حالته هستند و پارامترهایی مانند MFD (قطر میدان حالت) و قابلیت پذیرش نور را تعیین می‌کنند.

مقایسه فنی عمیق مس در برابر فیبر نوری

برتری فیبر نوری نسبت به مس، عمدتاً در قابلیت‌های فیزیکی انتقال داده نهفته است که امکان مقیاس‌پذیری شبکه‌های مدرن را فراهم می‌کند.

مزایای غیرقابل انکار فیبر نوری

1. ظرفیت و پهنای باند: فیبر نوری قابلیت انتقال ترابیت‌ها داده را دارد و پهنای باند بسیار بالایی ارائه می‌کند. در مقابل، ظرفیت کابل مسی به فرکانس سیگنال محدود است.
2. برد و میرایی سیگنال: در حالی که کابل مسی سیگنال را پس از چند صد متر تضعیف می‌کند، کابل‌های فیبر نوری دارای تضعیف بسیار کمتری هستند و می‌توانند سیگنال را تا مسافت ۱۲۰ کیلومتر بدون نیاز به تقویت‌کننده حمل کنند. این کارایی انرژی و برد بلند، نقش حیاتی در کاهش هزینه‌های عملیاتی شبکه‌های هسته دارد.
3. مقاومت در برابر تداخل: کابل‌های مسی به شدت مستعد تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هستند. فیبر نوری با انتقال داده‌ها از طریق نور، در برابر هرگونه تداخل الکترومغناطیسی کاملاً مقاوم است.
4. امنیت انتقال: دزدیدن داده (Sniffing) از کابل مسی نسبتاً آسان است (با انشعاب فرعی). اما برای انشعاب از یک لینک فیبر نوری، معمولاً باید ارتباط نرمال قطع شده یا به شدت مختل شود، که این امر امنیت ذاتی بالاتری را فراهم می‌کند.
5. سایز و وزن: تارهای فیبر نوری بسیار نازک و سبک هستند، که نصب و مسیریابی آن‌ها را در زیرساخت‌های متراکم (مانند مراکز داده) تسهیل می‌کند.

چالش‌های فنی و اقتصادی استفاده از فیبر نوری

با وجود برتری‌های فنی، پیاده‌سازی فیبر نوری با چالش‌هایی همراه است:

• هزینه اولیه: تجهیزات فعال (مانند OLT) و ابزارهای مورد نیاز برای نصب و اتصال (مانند دستگاه جوش فیوژن و OTDR) در مقایسه با کابل‌کشی مسی، هزینه اولیه بالاتری دارند.
• نصب و نگهداری تخصصی: اتصال دائمی فیبر نوری نیازمند مهارت‌های خاصی است (جوش فیوژن)، و عیب‌یابی آن نیز به ابزارهای پیشرفته‌ای مانند OTDR وابسته است. هر گونه خطا در کابل‌کشی زیرساخت‌های بزرگ می‌تواند منجر به چالش‌های عملیاتی جدی شود.

جدول ۲: مقایسه ویژگی‌های عملکردی کابل‌های مسی و فیبر نوری

معماری‌های FTTx و ستون فقرات PON (Passive Optical Network)

در راستای جایگزینی کابل‌های مسی در لایه دسترسی، معماری‌های FTTx (Fiber To The X) توسعه یافته‌اند.

مفهوم FTTx و ساختارهای پیاده‌سازی

FTTx مخفف Fiber To The X (فیبر تا نقطه‌ی مورد نظر) است و یک اصطلاح کلی برای توصیف شبکه‌هایی است که در تمام یا بخشی از آن از فیبر نوری برای تأمین پهنای باند بالا استفاده می‌شود. FTTx یک فناوری لایه دسترسی است که به صورت Point-to-Multipoint عمل می‌کند.

• FTTH (Fiber To The Home): فیبر نوری مستقیماً تا منزل یا محل کار مشتری کشیده می‌شود (FTTP یا Fiber To The Premises نیز نامیده می‌شود). این حالت بالاترین پهنای باند را ارائه می‌دهد و ایده‌آل شبکه‌های خانگی است.
• FTTB (Fiber To The Building): فیبر تا ساختمان یا مجتمع تجاری/مسکونی کشیده می‌شود.
• FTTC (Fiber To The Curb): فیبر تا کافو یا باکس‌های مخابراتی در محله یا خیابان کشیده شده و بخش نهایی اتصال (Curv) به مشترک از طریق کابل مسی انجام می‌گیرد.

این ساختارها پاسخی به ضعف کابل‌های مسی در ارائه پهنای باند مورد نیاز برای سرویس‌های نوین مانند IPTV، بازی‌های آنلاین و حجم روزافزون انتقال داده هستند.

تکنولوژی PON: قلب شبکه‌های FTTx

PON (Passive Optical Network) یا شبکه نوری غیرفعال، فناوری زیربنایی معماری‌های FTTx است که امکان انتقال داده از یک نقطه مرکزی (OLT) به چندین مشترک (ONT/ONU) را فراهم می‌کند.

• معماری P2MP (Point-to-Multipoint): PON از تجهیزات غیرفعال (Passive) استفاده می‌کند؛ به این معنا که در کل مسیر از نقطه شروع تا نقطه پایان (بجز تجهیزات فعال نهایی مانند OLT و ONT) از هیچ‌گونه منبع تغذیه الکتریکی استفاده نمی‌شود. این ویژگی به طور چشمگیری هزینه‌های زیرساختی و نگهداری را کاهش می‌دهد.
• برخلاف معماری P2P (Point-to-Point): در معماری نقطه به نقطه، بین دفتر مرکزی (CO) و هر کاربر یک رشته فیبر جداگانه نیاز است. این روش به دلیل نیاز به تعداد بسیار بالای فیبر و گیرنده-فرستنده‌ها، توجیه اقتصادی برای کاربردهای عمومی ندارد و فقط در کاربردهای ویژه استفاده می‌شود.

اسپلیترهای فیبر نوری (Fiber Optic Splitters)

اسپلیترهای فیبر نوری، که به عنوان تقسیم‌کننده پرتو نوری عمل می‌کنند، دستگاه‌های توزیع قدرت اپتیکی هستند که سیگنال نوری ورودی را به طور یکنواخت به دو یا چند خروجی تقسیم و بین مشترکین مختلف توزیع می‌کنند. این دستگاه‌ها جزو مهم‌ترین تجهیزات پسیو در شبکه‌های FTTH هستند.

• عملکرد: اسپلیتر با ضریب تقسیم مشخص (مانند ۱:۴ یا ۱:۳۲) توانایی تقسیم یک پرتو ورودی به چندین پرتو خروجی را دارد. به عنوان مثال، در یک اسپلیتر ۱:۴، اگر پهنای باند ورودی ۲۰۰۰Mbps باشد، به طور نظری هر کاربر ۵۰۰Mbps دریافت می‌کند.
• انواع ساختاری:
  • ۱xN: رایج‌ترین نوع، که در آن یک ورودی به N خروجی تقسیم می‌شود (مانند ۱:۶۴). معمولاً در توپولوژی ستاره‌ای استفاده می‌شود.
  • ۲xN: دارای دو پورت ورودی است. این نوع به صورت استراتژیک برای اضافه کردن افزونگی (Redundancy) در شبکه استفاده می‌شود. در شبکه‌هایی که در پیکربندی حلقه‌ای ساخته می‌شوند، اتصال هر دو انتهای فیبر به ورودی اسپلیتر (۲xN) تضمین می‌کند که اگر یک تار آسیب ببیند، ورودی دوم همچنان سرویس را فعال نگه دارد.
• تکنولوژی ساخت: اسپلیترها بر اساس تکنولوژی ساخت به دو نوع FBT (دو مخروطی فیوژن شده) که قدیمی‌تر و ارزان‌تر است، و PLC (مدار سطحی سبک) تقسیم می‌شوند.

PON بر اساس دو استاندارد اصلی ITU-T G.984 (GPON) و IEEE 802.3ah (EPON) پیاده‌سازی می‌شود.

جدول ۳: مقایسه فنی استانداردهای GPON و EPON

تحلیل تخصصی استراتژی PON: انتخاب بین GPON و EPON یک تصمیم استراتژیک بر اساس مدل کسب‌وکار و اهداف توسعه شبکه است. GPON به دلیل سرعت دانلود بالاتر و نرخ نامتقارن، راندمان پهنای باند بیشتری را ارائه می‌دهد که برای اپراتورهای ارائه‌دهنده خدمات اینترنت (ISP) و محیط‌های سازمانی با چگالی بالا که نیاز به دانلود غالب دارند، ایده‌آل است. این استاندارد، با وجود هزینه اولیه بالاتر، بازگشت سرمایه بهتری در محیط‌های بزرگ و با تقاضای بالا فراهم می‌کند. در مقابل، EPON به دلیل استفاده از فریم‌های اترنت و ساده‌سازی ادغام با شبکه‌های موجود، هزینه‌های سخت‌افزاری اولیه کمتری دارد و برای پروژه‌های حساس به بودجه یا مناطقی که زیرساخت اترنت در آن غالب است، مناسب‌تر است.