Research

การออกแบบระบบเชื่อมโยงเส้นใยแก้วในระบบ FTTX ตอนที่ 1


โครงสร้างพื้นฐานทางกายภาพ

รองศาสตราจารย์ ดร. อธิคม ฤกษบุตร  
คณบดีคณะวิศวกรรมศาสตร์ ​ 
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
19 เมษายน 2558  

       โครงข่ายสื่อสารแบบเข้าถึง (access network) ที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญของเครือข่ายโทรคมนาคมในยุคของเศรษฐกิจดิจิทัล (Digital Economy – DE) ก็คือระบบ FTTH (Fiber To The Home) ซึ่งเป็นระบบที่มีโครงสร้างทางกายภาพเป็นเคเบิลเส้นใยแก้วต่อเชื่อมระหว่างบ้านผู้ใช้กับเครือข่ายสื่อสารกลางของผู้ให้บริการ ดังแสดงด้วยส่วนที่อยู่ภายในกรอบเส้นประในรูปที่ 1 ระบบ FTTH เป็นระบบที่ใช้แสงเป็นสื่อนำสัญญาณ โดยสัญญาณแสงที่ใช้จะมีค่าความยาวคลื่น 1310, 1490, และ 1550 นาโนเมตร ซึ่งเป็นแสงย่านอินฟราเรดที่ตาคนมองไม่เห็น แสงที่มีความยาวคลื่น 1310 นาโนเมตร ทำหน้าที่ส่งข้อมูลจากผู้ใช้หรือจากบ้านพักอาศัยไปยังผู้ให้บริการที่เป็นเจ้าของโครงข่ายเรียกว่าสัญญาณ uplink ในขณะที่แสงที่มีความยาวคลื่น 1490 นาโนเมตร ทำหน้าที่ส่งข้อมูลจากผู้ให้บริการที่เป็นเจ้าของโครงข่ายไปยังผู้ใช้หรือบ้านพักอาศัยเรียกว่าสัญญาณ downlink ทำให้เกิดเป็นระบบสื่อสารแบบสองทาง (Bidirectional System) สำหรับแสงที่มีความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร ใช้สำหรับส่งสัญญาณภาพ (VDO) จากผู้ให้บริการที่เป็นเจ้าของโครงข่ายไปยังผู้ใช้หรือบ้านพักอาศัย ถ้าจะกล่าวแบบง่าย ๆ ในลักษณะของการใช้งานพอจะกล่าวได้ว่า แสงในย่าน 1310 และ 1490 นาโนเมตร ทำหน้าที่ให้บริการอินเตอร์เน็ตในขณะที่แสงย่าน 1550 นาโนเมตร ทำหน้าที่ให้บริการระบบเคเบิลทีวี (CATV) หรือทีวีบอกรับสมาชิกนั่นเอง

รูปที่ 1 โครงสร้างทางกายภาพพื้นฐานของระบบสื่อสารโทรคมนาคมที่ใช้เส้นใยแก้วเป็นสายส่งสัญญาณ

       ระบบสายส่งที่ใช้เคเบิลเส้นใยแก้วเป็นระบบที่สามารถทำงานได้ (รับส่งสัญญาณได้) โดยไม่จำเป็นต้องมีการป้อนกำลังงานจากภายนอก จึงมักเรียกระบบเชื่อมโยงเส้นใยแก้วว่า PON หรือ Passive Optical Network ซึ่งระบบนี้มีข้อดีที่ใช้กำลังงานน้อยและมีค่าการดูแลรักษาต่ำ โครงสร้างพื้นฐานของระบบ FTTH แสดงดังรูปที่ 2 ซึ่งประกอบด้วย 

       (1) CO (Central Office) ซึ่งเป็นสถานีภายในโครงข่ายที่ดูแลโดยผู้ประกอบการ ภายใน CO จะมีอุปกรณ์ที่เรียกว่า OLT (Optical Line Terminal) สำหรับรับส่งสัญญาณระหว่างโครงข่ายกับบ้านผู้ใช้ผ่านเคเบิลใยแก้ว โดยทั่วไป OLT มักทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง (E/O Converter) เพื่อส่งเข้าไปในเคเบิลใยแก้ว 

       (2) สายเคเบิลเส้นใยแก้วทำหน้าที่เชื่อมต่อสัญญาณจากต้นทางไปยังปลายทางส่วนใหญ่มักใช้ชนิดโหมดเดี่ยวตามมาตรฐาน ITU.G.657 

       (3) อุปกรณ์แยกแสงเรียกว่า Optical Splitter ทำหน้าที่แยกเส้นทางเดินทางที่ออกจาก CO กระจายไปยังบ้านผู้ใช้ทั้งหลายที่อยู่ปลายทาง

       (4) ONU (Optical Network Unit) หรือ ONT (Optical Network Terminal) เป็นอุปกรณ์ปลายทางที่อยู่ในบ้านผู้ใช้ มักทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณแสงที่ออกจากเคเบิลใยแก้วเป็นสัญญาณไฟฟ้า (O/E Converter) เพื่อป้อนให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าในการใช้งาน เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ ทีวี เป็นต้น

(ก) การแยกสายส่งสัญญาณแบบรวมศูนย์กลาง (Centralized Splitting)

(ข) การแยกสายส่งสัญญาณแบบกระจาย (Distributed Splitting)

รูปที่ 2 การเชื่อมโยงโครงข่ายการเข้าถึง FTTH ระหว่างผู้ให้บริการกับบ้านผู้ใช้

       ในการออกแบบเส้นทางเชื่อมโยงของเคเบิลใยแก้วระหว่าง CO 1 จุดไปยังบ้านผู้ใช้ซึ่งมีหลายจุด (p2m – point to multipoint) จำเป็นต้องใช้เคเบิลใยแก้วหลายเส้น เช่น ถ้ามีลูกค้าเป็นบ้านผู้ใช้ 24 หลัง ก็ควรจะใช้เส้นใยแก้ว 24 เส้นต่อเชื่อมระหว่างต้นทางกับปลายทาง แต่เนื่องจากลักษณะดังกล่าวทำให้เกิดการสิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย ประกอบกับเส้นใยแก้วเพียงเส้นเดียวก็สามารถรองรับปริมาณข้อมูลได้มากมายมหาศาลอยู่แล้ว จึงมีการคิดวิธีลดต้นทุนด้วยการลดจำนวนเส้นใยแก้วที่ออกจาก CO ให้มีจำนวนน้อยที่สุดเช่นเหลือเพียงเส้นเดียว จากนั้นค่อยไปแยกข้อมูลผ่าน Optical Splitter เพื่อกระจายข้อมูลไปยังเส้นใยแก้วอื่น ๆ ไปยังบ้านผู้ใช้ต่อไป การกระจายข่ายสายของระบบ FTTH สามารถทำได้ 2 ลักษณะดังแสดงในรูปที่ 2 โดยรูปที่ 2(ก) เป็นลักษณะการกระจายสายส่งแบบรวมศูนย์ (Centralized Splitting) ซึ่งใช้ Optical Splitter เพียงตัวเดียว อนึ่ง ฟังก์ชั่นของ Tap Closure ในรูปที่ 2(ก) ทำหน้าที่เชื่อมต่อเส้นใยแก้วแต่ละคู่เท่านั้น ในขณะที่รูปที่ 2(ข) เป็นลักษณะการกระจายสายส่งแบบกระจาย (Distributed Splitting) ซึ่งใช้ Optical Splitter มากว่า 1 ตัว ค่อย ๆ กระจายสัญญาณออกไปตามสภาพภูมิประเทศที่เชื่อมโยงเส้นทาง ดังนั้น ถ้าสมมุติว่าผู้ประกอบการต้องให้บริการลูกค้า 32 หลังคาเรือน ถ้าเป็นระบบการกระจายสายส่งแบบรวมศูนย์ จะใช้ Optical Splitter 1:32 เพียงตัวเดียวเท่านั้น หรือนั่นคือ เส้นทางขาเข้าจะมีเส้นใยแก้วเพียงเส้นเดียว แต่ขาออกของ Optical Splitter จะมีเส้นใยแก้วถึง 32 เส้นต่อเชื่อมไปยังบ้านผู้ใช้ ในขณะที่ถ้าเลือกการออกแบบเป็นระบบการกระจายสายส่ง จะใช้ Optical Splitter ชนิด 1:8 (เข้า 1 ออก 8) เพียงตัวเดียวร่วมกับ Optical Splitter ชนิด 1:4 อีก 8 ตัวดังแสดงในรูปที่ 2 เป็นต้น     

รูปที่ 3 เส้นทางเข้าออกของแสงที่ตัว Optical Splitter

       รูปที่ 3 แสดงลักษณะการทำงานของ Optical Splitter ชนิด 1:4 ที่มีเส้นทางขาเข้า(ด้านซ้าย)เพียงเส้นทางเดียวหรือเรียกว่ามี 1 พอร์ต ในขณะที่เส้นทางขาออก(ด้านขวา)มี 4 พอร์ต อนึ่ง อุปกรณ์ Optical Splitter สามารถทำงานได้สองทางในลักษณะที่เทียบเท่ากัน เช่น จากรูปเดียวกันนี้เราอาจพิจารณาให้ด้านขวาเป็นอินพุตที่มี 4 พอร์ต และด้านซ้ายเป็นเอาต์พุตที่มีเพียงพอร์ตเดียวก็ได้ (หัวลูกศรต้องกลับด้านนะ) ซึ่งในทางปฏิบัติ Optical Splitter ก็ทำงานแบบสองทางนี้ด้วยเช่นกันเพราะแสงใช้งานที่ความยาวคลื่น 1310 นาโนเมตร กับ 1490 นาโนเมตร จะเดินทางสวนกันบนตัว Splitter นี้ตลอดเวลา จากรูปที่ 3 เมื่อแสงเดินทางขาเข้ามีค่าความเข้มแสง P1 เมื่อแสงเดินทางออกจะถูกแบ่งออกเป็น 4 เส้นทาง (พอร์ต) ที่มีค่ากำลังงานเป็น P2, P3, P4, และ P5 ตามลำดับ เมื่อพิจารณาจะพบว่า สัญญาณแสงที่ถูกแยกออกมาในแต่ละพอร์ตจะต้องมีค่าความเข้มแสงน้อยกว่า P1 เสมอ ลักษณะเช่นนี้เรียกว่าเกิดการสูญเสียสัญญาณ (Loss) หรือการลดทอนสัญญาณ (attenuation) โดยนิยามของการลดทอนสัญญาณของ Splitter จะแบ่งเป็น excess loss และ insertion loss ดังนี้

       excess loss  = P1 – (P2+P3+P4+P5) dB

       insertion loss (จากพอร์ต 1 ไปยังพอร์ต 2) = P1 – P2 dB

       insertion loss (จากพอร์ต 1 ไปยังพอร์ต 3) = P1 – P3 dB

       insertion loss (จากพอร์ต 1 ไปยังพอร์ต 4) = P1 – P4 dB

       insertion loss (จากพอร์ต 1 ไปยังพอร์ต 5) = P1 – P5 dB

สมการข้างต้นใช้สำหรับค่าความเข้มแสงที่มีหน่วยเป็น dBm เท่านั้น ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าค่าของ excess loss เป็นค่าการสูญเสียกำลังงานของตัว splitter เมื่อเปรียบเทียบระหว่างผลรวมของค่าความเข้มแสงขาเข้า (ในที่นี้มีพอร์ตเดียวคือ P1) กับผลรวมของกำลังงานแสงทั้งหมดที่ออกจาก splitter (ในที่นี้มี 4 พอร์ต) ส่วนค่า insertion loss เป็นค่าการลดทอนกำลังงานเมื่อเปรียบเทียบค่าความเข้มแสงระหว่างพอร์ตขาเข้าเพียงพอร์ตเดียว (ในที่นี้มีเพียงพอร์ตเดียวอยู่แล้ว) กับค่าความเข้มแสงขาออกพอร์ตใดพอร์ตหนึ่งเพียงพอร์ตเดียวเช่นกัน


ตารางที่ 1 ค่าการสูญเสียสัญญาณแบบ insertion loss –อง optical Spliter แบบต่าง ๆ 

       ตารางที่ 1 เป็นตัวอย่างที่แสดงค่า insertion loss ของ optical splitter ชนิด 1:2, 1:4, 1:8, …, 1:64 ตามลำดับ โดยจำนวนพอร์ตขาออกแสดงด้วยคอลัมภ์ซ้ายสุดของตาราง ตัวอย่างเช่น จากตาราง Optical Splitter ชนิด 1:2 มีค่า splitter loss 3 dB หมายความว่า แสงที่เข้ามาทางพอร์ต 1 เมื่ออกไปยังพอร์ตขาออกไม่ว่าจะเป็นพอร์ตใดก็ตาม จะมีค่ากำลังงานแสง(ความเข้มแสง)ลดทอนจากเดิม 3 dB หรือ 50% ค่าดังกล่าวยังบ่งบอกอีกได้ว่า splitter ตัวนี้มีค่า excess loss = 0 dB หรือไม่มีการสูญเสียสัญญาณระหว่างผลรวมของอินพุตกับผลรวมของเอาต์พุตเลย หรืออีกตัวอย่างหนึ่ง พิจารณา splitter ชนิด 1:32 จะมีค่า insertion loss จากอินพุตพอร์ตไปยังพอร์ตใดพอร์ตหนึ่งของเอาต์พุตเท่ากับ 15 dB เสมอ

       ในตอนแรกนี้ได้กล่าวนำถึงโครงสร้างทางกายภาพพื้นฐานของระบบ FTTX ตอนต่อไปจะเป็นการออกแบบระบบเชื่อมโยงด้วยเส้นใยแก้วจาก OLT ไปยัง ONU โดยคำนึงถึงค่าการลดทอนสัญญาณในระบบเชื่อมโยงเป็นสำคัญ ซึ่งเทคนิคดังกล่าวนี้เรียกว่า Power Budget Consideration ….. โปรดติดตามตอนต่อไปครับ

<< ย้อนกลับ