#14 Tek ve çok modlu fiber, indis profili, sıkı tampon ve gevşek tüp kablo, serbest uzay optiği link bütçesi, standart-temelli iletim ortamı karşılaştırması

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Tek ve çok modlu fiber iddialarını mod alanı, dispersiyon ve arayüz standardıyla sınırla

   

   Tekrar hoş geldiniz.

   Bir önceki derste fiber optiğin temellerini ele almıştık: Snell Yasası, tam iç yansıma, fiber yapısı ve ışık kaynakları.

   Bugün fiber türlerini daha detaylı inceleyeceğiz ve Serbest Uzay Optiği denen heyecan verici bir kablosuz teknolojiyi keşfedeceğiz.

   Dersi tüm iletim ortamlarının karşılaştırmasıyla bitireceğiz.

   Önce tek modlu ve çok modlu fiber arasındaki farkı daha yakından inceleyelim.

   G.652 tek modlu fiberde 1310 nm mod alan çapı yaklaşık 8,6–9,5 µm, kılıf 125 µm'dir; mod alanı geometrik çekirdek çapıyla aynı değildir.

   Kesim koşulu altında temel uzaysal mod yayılır; tek düz ışın değildir. Modlar arası dispersiyon kalkar, kromatik dispersiyon ve PMD kalır.

   Bu sayede tek modlu fiber çok yüksek bant genişliği sunar.

   Erişim güç/dispersiyon bütçesi, veri hızı, FEC, yükseltme ve OSNR'ye bağlıdır; 50–100 km ve 20.000 km yükselticisiz erişim evrensel değildir.

   G.652 fiber 1310 nm çevresinde sıfır kromatik dispersiyona yakındır ve 1550 nm bölgesinde düşük kayıp sunar; kesin değer fiber sınıfına bağlıdır.

   Tek modlu fiber, modern telekomünikasyonun ve denizaltı kablolarının omurgasıdır.

   Güncel dereceli indis çok modlu aileler çoğunlukla 50/125 µm'dir; 62,5/125 µm esas olarak eski OM1 kurulumlarında görülür.

   Çok modlu fiber birden çok uzaysal modu taşır; modları yalnız geometrik zikzak ışınlar olarak yorumlamak eksiktir.

   Bu, farklı modların farklı zamanlarda varmasına neden olan mod dispersiyonuna yol açar.

   Çok modlu erişim OM sınıfı ve optik arayüze bağlıdır: G.651.1 1 Gbit/s için 550 m, OM4 arayüzleri 100G/400G sınıfında 100 m örnekleri içerir.

   Sesli anlatım metni

   Tekrar hoş geldiniz. Bir önceki derste fiber optiğin temellerini ele almıştık: Snell Yasası, tam iç yansıma, fiber yapısı ve ışık kaynakları. Bugün fiber türlerini daha detaylı inceleyeceğiz ve Serbest Uzay Optiği denen heyecan verici bir kablosuz teknolojiyi keşfedeceğiz. Dersi tüm iletim ortamlarının karşılaştırmasıyla bitireceğiz. Önce tek modlu ve çok modlu fiber arasındaki farkı daha yakından inceleyelim. Tek modlu fiberin çekirdeği sadece 9 mikron çapındadır. Işık tek bir doğru yolda ilerler, bu da sıfır mod dispersiyonu demektir. Bu sayede tek modlu fiber çok yüksek bant genişliği sunar. Tekrarlayıcı aralığı 50 ile 100 kilometre arasındadır ve bazı sistemler 20000 kilometreyi tekrarlayıcısız geçebilmektedir. 1310 nanometre dalga boyu minimum dispersiyon sağlar, 1550 nanometre ise minimum zayıflama sağlar. Tek modlu fiber, modern telekomünikasyonun ve denizaltı kablolarının omurgasıdır. Çok modlu fiberin çekirdeği çok daha geniştir: 50 bölü 125 veya 62.5 bölü 125 mikron. Işık çekirdek içinde birden fazla yolda, yani modda ilerler. Bu, farklı modların farklı zamanlarda varmasına neden olan mod dispersiyonuna yol açar. Çok modlu fiber 100 metrenin altındaki mesafelerde 200 megabit hıza kadar destekler ve bina içi yerel alan ağları için idealdir.

2. 2. Adım/dereceli indis davranışını sıkı tampon ve gevşek tüp kablo yapısından ayır

   

   Çok modlu fiber iki önemli alt türe ayrılır: adım indeksli ve kademeli indeksli.

   Adım indeksli fiberde, çekirdek ile kaplama arasındaki kırılma indeksi ani bir şekilde değişir.

   Her mod, yani her ışık ışını, çekirdek içinde farklı bir yol izler.

   Dik açılarla yansıyan ışınlar, merkeze yakın ışınlardan daha uzun mesafe kat eder.

   Sonuç?

   Farklı modlar alıcıya farklı zamanlarda ulaşır.

   Bu darbe yayılmasına mod dispersiyonu denir ve hem bant genişliğini hem de mesafeyi sınırlar.

   Dereceli indis profili diferansiyel mod gecikmesini azaltır; mod dispersiyonunu her durumda sıfıra indirmez.

   İndis profili merkezden dışa doğru sürekliye yakın veya kontrollü kademelerle azalır; bunu ayrı cam katmanlarının zorunlu olduğu biçiminde okumamak gerekir.

   Dereceli indis profili modların grup gecikmelerini dengeleyecek biçimde tasarlanır; yalnız ray yolunu ve tek bir hız değerini karşılaştırmak eksiktir.

   Merkez ve dış bölgelerdeki alan dağılımı birlikte modal grup gecikmesini belirler; geometrik yol uzunluğu tek başına yeterli değildir.

   Sonuçta mod grup gecikmeleri birbirine yaklaştırılır; tüm modların tam aynı anda varması garanti değildir.

   Kademeli indeks, mod dispersiyonunu büyük ölçüde azaltır.

   Fiber kablolar farklı fiziksel yapılarda da gelir.

   Sıkı tampon yapıda kaplı fiberin üzerine tipik yaklaşık 900 µm dış çapa ulaşan tampon uygulanır; tampon, optik kaplamanın kendisi değildir.

   Sıkı tampon iç mekânda yaygındır; uygunluk yangın sınıfı, çekme, bükülme, sıcaklık ve ürün derecesiyle doğrulanır.

   Gevşek tüpte fiberler büyük tüp içinde gerinimden ayrılır; su engelleme jel veya kuru malzemeyle yapılabilir.

   Bu yapı neme ve sıcaklık değişimlerine karşı koruma sağlar.

   Gevşek tüp dış ortamda yaygındır; saha ve kablo standardı belirleyicidir, tek geçerli dış ortam yapısı değildir.

   Sesli anlatım metni

   Çok modlu fiber iki önemli alt türe ayrılır: adım indeksli ve kademeli indeksli. Adım indeksli fiberde, çekirdek ile kaplama arasındaki kırılma indeksi ani bir şekilde değişir. Her mod, yani her ışık ışını, çekirdek içinde farklı bir yol izler. Dik açılarla yansıyan ışınlar, merkeze yakın ışınlardan daha uzun mesafe kat eder. Sonuç? Farklı modlar alıcıya farklı zamanlarda ulaşır. Bu darbe yayılmasına mod dispersiyonu denir ve hem bant genişliğini hem de mesafeyi sınırlar. Kademeli indeksli fiber bu sorunu zarif bir şekilde çözer. Ani bir değişim yerine, merkezden dışa doğru kademeli olarak azalan kırılma indeksine sahip birçok cam katmanı uygulanır. Dış katmanlardaki ışık ışınları daha düşük indeksli camdan geçtiği için daha hızlı ilerler. Merkeze yakın ışınlar daha yavaş ilerler ama daha kısa yol alır. Sonuç olarak tüm modlar alıcıya yaklaşık aynı anda varır. Kademeli indeks, mod dispersiyonunu büyük ölçüde azaltır. Fiber kablolar farklı fiziksel yapılarda da gelir. Sıkı tampon kablolar, her fiberin etrafına doğrudan 900 mikronluk bir kaplama sarar. Bu yapı esnek ve kolay kullanımlıdır, iç mekan kurulumları için idealdir. Gevşek tüp kablolar ise fiberi jel dolu daha geniş bir tüpün içine yerleştirir. Bu yapı neme ve sıcaklık değişimlerine karşı koruma sağlar. Gevşek tüp, dış mekan ve yeraltı kurulumları için tercih edilir.

3. 3. FSO için geometrik kayıp, atmosfer, hizalama ve fade marjını içeren link bütçesi kur

   

   Şimdi Serbest Uzay Optiği'ni, kısaca Ef Es O'yu keşfedelim.

   Ef Es O, radyo dalgaları yerine kızılötesi ışık kullanan kablosuz bir optik iletim teknolojisidir.

   Eski bina-yakınlık yüzdeleri güncel ve evrensel bir tasarım girdisi değildir; aday FSO rota saha ölçümüyle doğrulanır.

   FSO, uygun görüş hattı ve kullanılabilirlik hedefi olduğunda erişim, kampüs veya yedek bağlantı seçeneklerinden biri olabilir.

   FSO vericisi optik kaynak ve ışın şekillendirme, alıcısı açıklık ve fotodedektör kullanır; çıkış gücü göz güvenliği kurallarıyla sınırlıdır.

   850 ve 1550 nm çevresi yaygın ürün örnekleridir; dalga boyu aygıt, atmosfer penceresi, alıcı ve göz güvenliğiyle seçilir.

   FSO hızı, dupleksi ve erişimi sabit değildir; ürün arayüzü ile geometrik/atmosferik link bütçesi ve hedef kullanılabilirlikten çıkar.

   Tıpkı mikrodalga gibi doğrudan görüş hattı gerekir.

   Ancak Ef Es O'nun karşılaştığı atmosferik zorluklar vardır.

   Sis en büyük düşmandır.

   Sis kaybı görünürlük, damlacık dağılımı ve dalga boyuna bağlı Mie saçılması/soğurmayla modellenir; tek damlacık çapı genellemesi kullanılmaz.

   Sintilasyon, ısınan havanın sıcaklık farklılıkları oluşturması sonucu meydana gelir ve sinyalin alıcıda dalgalanmasına yol açar.

   Moleküler soğurma atmosferik kaybın bir bileşenidir; açık-hava, hidrometeor ve seçilen dalga boyu birlikte modellenir.

   Rüzgar veya sismik aktiviteden kaynaklanan bina salınımı, verici ve alıcının hizalamasını bozabilir.

   Azaltım; daha kısa hop, açıklık/ışın çeşitliliği, otomatik izleme, yeterli fade marjı ve RF/fiber yedeklemeyi içerebilir.

   Sesli anlatım metni

   Şimdi Serbest Uzay Optiği'ni, kısaca Ef Es O'yu keşfedelim. Ef Es O, radyo dalgaları yerine kızılötesi ışık kullanan kablosuz bir optik iletim teknolojisidir. Amerika'da binaların sadece yüzde 5'i fibere bağlıdır, ama yüzde 75'i fiber omurganın bir mil yakınındadır. Ef Es O bu son mil boşluğunu kapatır. Her Ef Es O ünitesi, yüksek güçlü bir lazer ve lens kullanarak havadan başka bir binadaki alıcı lense ışık iletir. 800 ve 1550 nanometre dalga boylarında çalışır. Ef Es O etkileyici yetenekler sunar: 100 megabit ile 2.5 gigabit hız, tam çift yönlü iletişim, 1.5 ile 2 kilometre mesafede. Tıpkı mikrodalga gibi doğrudan görüş hattı gerekir. Ancak Ef Es O'nun karşılaştığı atmosferik zorluklar vardır. Sis en büyük düşmandır. Sis damlacıkları birkaç yüz mikron çapındadır ve ışığın dalga boyuna yakın olduğu için ciddi saçılma ve emilime neden olur. Sintilasyon, ısınan havanın sıcaklık farklılıkları oluşturması sonucu meydana gelir ve sinyalin alıcıda dalgalanmasına yol açar. Emilim, atmosferdeki su moleküllerinin ışık enerjisini ısıya dönüştürmesiyle olur. Rüzgar veya sismik aktiviteden kaynaklanan bina salınımı, verici ve alıcının hizalamasını bozabilir. Çözümler arasında çoklu ışın sistemleri, dağınık ışınlar ve daha kısa bağlantı mesafeleri vardır.

4. 4. İletim ortamlarını sabit hız/BER tablosu yerine belirli arayüz ve saha koşullarıyla karşılaştır

   

   İletim ortamlarını ancak belirli arayüz standardı, topoloji ve saha için karşılaştırabiliriz; ortam adı tek başına performans satırı değildir.

   Büklümlü çiftin kullanılabilir spektrumu kategori, kanal sınıfı ve seçilen Ethernet PHY ile tanımlanır.

   Bakır Ethernet hızı arayüze bağlıdır; örneğin 10GBASE-T sınıfı uygun 100 m kanalı hedefler.

   BER ortam sabiti değil; SNR, modülasyon, FEC ve alıcının sonucudur.

   Bakır kanal uzunluğu ve aktif cihaz aralığı, kablolama ve PHY standardından okunur.

   Güvenlik erişim kontrolü ve şifrelemeye; maliyet tesis, enerji ve yaşam döngüsüne bağlıdır.

   Koaksiyel/HFC spektrumu ve yön bölüşümü DOCSIS sürümü ile operatör planına bağlıdır.

   DOCSIS 4.0 spesifikasyonu 10 Gbit/s aşağı ve 6 Gbit/s yukarı kapasiteye kadar çıkar; gerçek servis paylaşım ve tesise bağlıdır.

   HFC düğüm/yükselteç aralığı kablo kaybı, spektrum, eğim, güç ve saha topolojisiyle tasarlanır.

   Fiziksel ortam tek başına güvenlik sağlamaz; kimlik doğrulama, erişim kontrolü ve şifreleme gerekir.

   Maliyet kurulum, aktif ekipman, enerji, bakım ve ölçek bağlamına bağlıdır.

   Sabit mikrodalga tahsisli bant, kanal genişliği ve lisans planına göre seçilir; sabit hizmet bantları milimetre dalgaya da uzanabilir.

   Mikrodalga kapasitesi modülasyon, kanal, polarizasyon ve radyo standardına; hata performansı SNR/FEC'ye bağlıdır.

   Hop uzunluğu görüş, Fresnel açıklığı, anten, yağış/fading ve kullanılabilirlik bütçesinden çıkar.

   Dar ışın bile güvenlik garantisi değildir; fiziksel ve kriptografik kontroller ayrıca gerekir.

   Maliyet kurulum, aktif ekipman, enerji, bakım ve ölçek bağlamına bağlıdır.

   Uydu bantları hizmet, bölge ve lisans tahsisine göre değişir; tek bir 390 MHz–30 GHz aralığı tanım değildir.

   Uydu kapasitesi transponder/spot-beam, bant genişliği, modülasyon, FEC ve yük paylaşımına bağlıdır.

   Yörünge yüksekliği kapsama geometrisidir; erişim, gecikme, güvenlik ve maliyet takımyıldız ile hizmet tasarımına göre değerlendirilir.

   Fiber çoğu yüksek kapasiteli uzun erişimde güçlü adaydır; her saha için otomatik kazanan değildir.

   Fiber sistemi belirli dalga boyu bandı ve optik arayüzle çalışır; ters yazılmış geniş bir frekans aralığı tasarım parametresi değildir.

   Fiber kapasitesi arayüz, dalga sayısı, sembol hızı, spektral verim ve fiber doğrusal olmayanlıklarına bağlıdır.

   Optik BER; alınan OSNR/güç, modülasyon, DSP ve FEC ile tanımlanır, fiber malzemesinin sabiti değildir.

   Optik erişim güç, dispersiyon, OSNR, yükselteç/rejeneratör ve sistem marjıyla belirlenir.

   Fiber dinlemeye bağışık değildir; güvenlik ve yaşam döngüsü maliyeti ayrıca tasarlanır.

   Pratik örnekler: Türkiye ile Almanya arası?

   Denizaltı/karasal fiber ve uydu farklı gecikme, kapasite ve yedeklilik rolleri sunar.

   Ankara–İstanbul omurgasında belirli kapasite ve koruma hedefleri tanımlanır.

   Fiber güçlü adaydır; rota, optik sistem ve koruma mimarisi ayrıca seçilir.

   Ofis LAN'ında hız, PoE, mevcut tesis ve istemci arayüzleri ölçülür.

   Büklümlü çift, fiber veya kablosuz erişim gereksinime göre birlikte kullanılabilir.

   Dağlık bir rota profil, görüş, iklim, lisans ve erişim noktalarıyla incelenir.

   Mikrodalga olası bir çözümdür; fiber ve uydu seçenekleriyle link bütçesi üzerinden karşılaştırılır.

   Kablo TV/HFC dağıtımında mevcut tesis ve DOCSIS/video mimarisi belirlenir.

   Koaksiyel son segmentte kullanılabilir; modern şebeke çoğunlukla HFC ve giderek fiber derinleşmesi içerir.

   Sesli anlatım metni

   Şimdi beş ana iletim ortamını yan yana karşılaştıralım. Büklümlü çift, 1 megahertz ile 1 gigahertz aralığında çalışır. Bit hızı 2 megabit ile 1 gigabit arasındadır. Bit hata oranı 10 üzeri eksi 5'tir. Tekrarlayıcı mesafesi 2 kilometre ile 100 metre arasındadır. Güvenlik zayıftır, maliyet düşüktür. Koaksiyel kablo 1 gigahertz'de çalışır. 565 megabit hıza ulaşır, bit hata oranı 10 üzeri eksi 7 ile eksi 9 arasındadır. Her 2 ile 3 kilometrede tekrarlayıcı gerekir. İyi güvenlik. Orta maliyet. Mikrodalga 300 megahertz ile 40 gigahertz arasını kapsar. 622 megabit hıza ulaşır, bit hata oranı 10 üzeri eksi 9'dur. 30 ile 70 kilometre aralıklarla tekrarlayıcı. Zayıf güvenlik. Orta maliyet. Uydu 390 megahertz ile 30 gigahertz arası kullanır. 155 megabit hıza ulaşır, bit hata oranı 10 üzeri eksi 9'dur. 800 ile 36000 kilometre kaplama, ama zayıf güvenlik ve yüksek maliyet. Fiber optik şampiyon! 750 terahertz ile 194 terahertz arasında çalışır. 2.5 ile 10 gigabit hız, potansiyel olarak 150 terabit. Bit hata oranı 10 üzeri eksi 11 ile eksi 13 arasında. 50 ile 100 kilometre, 6000 kilometreye kadar uzatılabilir. İyi güvenlik, orta-yüksek maliyet. Pratik örnekler: Türkiye ile Almanya arası? Uydu veya denizaltı fiber. Ankara ile İstanbul omurgası? Fiber. Ofis yerel ağı? Büklümlü çift. Erzurum ile Trabzon arası dağlık bölge? Mikrodalga. Kablolu televizyon dağıtımı? Koaksiyel kablo.

5. 5. Ortam seçimini gereksinim, standart, bütçe ve işletme kalite kapılarıyla toparla

   

   Bugünkü dersimizi özetleyelim.

   Tek modlu G.652 yaklaşık 9 µm mod alanı/125 µm kılıf ve lazer arayüz kullanabilir; erişim sistem bütçesine bağlıdır.

   Çok modlu fiber güncel 50/125 µm ve eski 62,5/125 µm ailelerini içerir; LED/VCSEL, hız ve erişim optik standardına bağlıdır.

   Adım indeksi, ani kırılma indeksi değişimi nedeniyle daha fazla dispersiyon yapar.

   Dereceli indis profili diferansiyel mod gecikmesini azaltır; performans modal bant genişliği ölçümüyle doğrulanır.

   Sıkı tampon iç mekânda, gevşek tüp dış ortamda yaygındır; kesin seçim ürün standardı ve saha yüklerine bağlıdır.

   FSO görüş hattı olan erişim/yedek rotası olabilir; atmosfer, hizalama, göz güvenliği ve hedef kullanılabilirlik link bütçesinde kapanmalıdır.

   Fiber yüksek kapasite ve uzun erişimde güçlüdür; BER ve erişim yine belirli optik sistem, FEC ve bütçenin sonucudur.

   Büklümlü çift çoğu kısa erişimde ekonomik olabilir; mevcut tesis, PoE, enerji, bakım ve ölçek maliyeti sonucu değiştirebilir.

   Doğru seçim uygulamaya bağlıdır: mesafe, bant genişliği, ortam ve bütçe.

   Bir sonraki derste devre anahtarlama, paket anahtarlama ve kamu telefon ağının yapısını inceleyeceğiz.

   Sesli anlatım metni

   Bugünkü dersimizi özetleyelim. Tek modlu fiber: 9 bölü 125 mikron çekirdek, lazer kaynağı, 50 ile 100 kilometre menzil, telekom omurgası için ideal. Çok modlu fiber: 50 veya 62.5 bölü 125 mikron çekirdek, Led kaynağı, 100 metrenin altında, yerel ağlar için kullanılır. Adım indeksi, ani kırılma indeksi değişimi nedeniyle daha fazla dispersiyon yapar. Kademeli indeks, kırılma indeksini kademeli olarak değiştirerek dispersiyonu azaltır. Sıkı tampon kablolar iç mekan, gevşek tüp kablolar dış mekan kurulumları içindir. Serbest Uzay Optiği, atmosfer üzerinden lazer bağlantılarıyla son mili kapatır ama sis, sintilasyon ve emilim gibi zorluklarla karşılaşır. Tüm iletim ortamları arasında fiber optik bant genişliği, bit hata oranı ve mesafe bakımından liderdir. Büklümlü çift ise kısa mesafeler için en ekonomik seçenektir. Doğru seçim uygulamaya bağlıdır: mesafe, bant genişliği, ortam ve bütçe. Bir sonraki derste devre anahtarlama, paket anahtarlama ve kamu telefon ağının yapısını inceleyeceğiz.

Kaynak video: Haberleşme Temelleri #14 — Fiber Türleri, FSO ve Ortam Karşılaştırması (7:46)