Von vielen als führende Experten für RF-over-Fiber-Technologien, -Anwendungen und -Lösungen angesehen, Optical Zonu Ich wurde gebeten, einen Artikel für die Website Everything RF zu verfassen. Das Thema ist GNSS-Timing für RFoF-Anwendungen. Sie können den Artikel hier online lesen. https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
Erkundung von GNSS-Timing-Anwendungen mit RF-over-Fiber
Oft verwechseln Menschen wirklich bemerkenswerte Technologien mit banalen, einfach weil „sie einfach funktionieren“. Dafür gibt es keine Beweise, wie bei der drahtlosen Kommunikation. In jedem Augenblick finden unzählige unternehmenskritische Datentransaktionen in verschiedenen Branchen statt, darunter Telekommunikation, Finanzen, Energie und Versorgung, Navigation und Militär & Verteidigung. Die Genauigkeit und Stabilität dieser Transaktionen hängt von der perfekten Synchronisierung der internen Uhren ab, die ständig ganz leicht voneinander abweichen. Wenn keine Mechanismen vorhanden sind, um diese Uhren synchron zu halten, kann es im besten Fall zu erheblichen Datenbeschädigungen oder sogar zu Kommunikationsfehlern kommen.
Dies wird heute besonders herausfordernd, da die Kommunikation mit jedem Tag fortschrittlicher und komplexer wird. Das Wachstum der Internet der Dinge (IoT) führt neue Verbindungen ein, die synchronisiert werden müssen, Endpunkte sind geografisch stärker verteilt und viele Branchen nutzen höhere Funkfrequenzen (RF) für niedrige Latenzzeiten und höheren Durchsatz auf Kosten der Ausfallsicherheit. Es ist wichtig, die Rolle des Timings in verschiedenen Anwendungen im Zusammenhang mit diesen Änderungen zu verstehen und zu wissen, warum Glasfaser eine entscheidende Rolle dabei spielt, sicherzustellen, dass die Kommunikation weiterhin so effizient und effektiv wie zuvor erfolgen kann.
Wie funktioniert präzises Timing?
Es gibt verschiedene Ansätze, um interne Computeruhren mit unserem globalen Zeitstandard Universal Timing Coordinated (UTC) zu synchronisieren. Die gängigsten netzwerkbasierten Standards sind Network Time Protocol (NTP) und Precision Time Protocol (PTP). NTP ist oft besser für eine größere Bandbreite von Anwendungen geeignet, bei denen ein niedrigeres Maß an Präzision akzeptabel ist. Umgekehrt ist PTP ideal für hochpräzise Zeitmessung, da es durch Hardware-Stempeln (im Gegensatz zu Software-Stempeln) Genauigkeiten im Submikrosekunden- oder Nanosekundenbereich erreichen kann.
Beide Zeitstandards sind jedoch auf paketbasierte Internetverbindungen angewiesen, um mit dem Zeitserver zu kommunizieren, und sind anfällig für Netzwerk-Jitter, der bei Ethernet-Transport häufig auftritt. Darüber hinaus sind weder NTP noch PTP ideal, wenn ein Netzwerkbetreiber über große Entfernungen oder in dynamischen Umgebungen eine Genauigkeit im Mikrosekundenbereich verlangt.
Dies ist, wo die Globales Satellitennavigationssystem (GNSS) bietet eine geeignete Alternative oder Ergänzung zur Präzisionszeitmessung. GNSS ist eine Konstellation von weltraumgestützten Satelliten, die jeweils gleichzeitig Zeitdaten von hochpräzisen Atomuhren an terrestrische Empfänger übertragen. Das allgemein jedem bekannte Global Positioning System (GPS) ist ein Beispiel für GNSS. Da GNSS für den Betrieb nur eine freie Sicht auf den Himmel und keine Internetverbindung benötigt, ist es ideal für geografisch verteilte Anwendungsfälle.
Warum ist Glasfaser für die GNSS-Zeitmessung von entscheidender Bedeutung?
Die globale Verfügbarkeit von GNSS macht es zur kostengünstigsten und beliebtesten Option für präzise Zeitmessungen, aber es ist nicht ohne Herausforderungen. Eine klare Sicht auf den Himmel zu haben, ist leichter gesagt als getan, insbesondere wenn man bedenkt, dass militärische und Rechenzentrumsanwendungen oft in weniger als idealen Umgebungen für drahtlose Kommunikation stattfinden. Das Gelände kann uneben sein, oft an abgelegenen Orten, und die Anlagen bestehen aus schwerem Metall und Beton, was eine schwierige HF-Umgebung darstellt.
GNSS kommuniziert über HF zwischen 1.1 und 1.6 GHz und verwendet häufig Koaxialkabel, um Daten von der Antenne zu den Servern zu übertragen. Wenn die Antenne jedoch mehr als 50 Meter vom Empfänger entfernt ist, wird die Dämpfung zu groß und das Signal wird gestört. Aus diesem Grund HF über Glasfaser (RFoF) wird verwendet, um die Reichweite deutlich zu erhöhen; die Dämpfung ist um mehrere Größenordnungen geringer als bei Koaxialkabeln. Glasfaser bietet nicht nur eine bessere Leistung, sondern ist aufgrund ihrer nichtmetallischen Beschaffenheit auch immun gegen elektromagnetische Störungen.
GNSS-Signalanforderungen
Geräte, die auf GNSS-Signale angewiesen sind, liefern in der Regel den Strom für den Betrieb des rauscharmer Verstärker (LNA) das sich in der Antenne befindet. Der Gleichstrom wird dem LNA über Bias-T an die Antenne zugeführt. Normalerweise überwacht das „Client“-Gerät den vom LNA verbrauchten Strom und ist durch einige elektronische und Funkenfänger vor Kurzschlüssen, Blitzen und anderen potenziellen Problemen geschützt. Im Wesentlichen wird diese Überwachung verwendet, um zu testen, ob eine angemessene Antennenlast (d. h. von der Antenne verbrauchter Strom) vorhanden ist, wenn die Antenne und ihr LNA ordnungsgemäß funktionieren. Wenn die Antenne getrennt, durchgebrannt, kurzgeschlossen oder auf andere Weise gestört wird, erkennt das Client-Gerät dies und gibt eine Systemwarnung aus, die aus der Ferne überwacht werden kann. Dies gilt für drahtlose Basisstationen und Anwendungsfälle in Rechenzentren. Mit anderen Worten, das Gerät empfängt ein HF-Signal für GNSS und auch ein Signal zur Überwachung der Antennenlast.
Wie baut man eine GNSS-über-Glasfaser-Architektur auf?
Die RFoF-Technologie wandelt HF- in optische Signale um und überträgt diese über Glasfaserkabel. Am Ziel angekommen, wandelt sie das optische Signal wieder in HF um. Diese Systeme bestehen normalerweise aus einem Sender, einer Glasfaserverbindung und einem Empfänger. Die Verwendung von RFoF für GNSS kann in drei Segmente unterteilt werden: Antennensignalausbreitung, Redundanzanforderungen und Fernüberwachung.
Antennensignalausbreitung
Die Ausbreitung von HF-Signalen erfolgt in einer klassischen RFoF-Modalität: Antenne – Koax – LNA – Laserdiodentreiber – Laserdiode – Faser – Fotodetektor – Nachverstärker. Bei der Verteilung des GNSS-Signals über Glasfaser muss jedoch auch die zuvor erwähnte Antennenlast übertragen werden, was einen speziellen Zwei-Signal-Transport erfordert, der die Antennenlast und HF umfasst. Es ist wichtig, dass Netzbetreiber den Unterschied zwischen Geräten verstehen, die den Antennenlaststatus anzeigen nur am Ausgang des optischen Empfängers statt auf die richtige Weise, bei der der Antennenlaststatus parallel zum HF-Signal übertragen wird. Im ersten Beispiel wird der Antennenzustand nicht richtig angezeigt, sodass der Bediener die Art des Problems nicht sofort erkennen kann.
Redundanzanforderungen
Die erforderliche Zuverlässigkeit für die Bereitstellung eines GNSS-Signals ist sehr hoch, da der Betrieb kritischer Geräte von der Timing-Quelle abhängig ist. Ein robustes System muss einen einzelnen Ausfallpunkt aushalten und trotzdem das volle Signal liefern. Das bedeutet, dass mehrere Antennen (vorzugsweise weit voneinander entfernt), doppelte Elektronik, mehrere Fasern (unterschiedliche Verlegung, damit eine durchtrennte Faser den Betrieb nicht unterbricht) und doppelte Empfänger mit automatischer Umschaltung erforderlich sind. Industrietaugliche Geräte bieten all diese Funktionen mit großer Flexibilität, um den Marktanforderungen gerecht zu werden, die für verschiedene kritische Infrastrukturelemente unterschiedlich sein können.
Remote-Überwachung
Alle Infrastrukturnetzwerkelemente müssen rund um die Uhr überwacht werden, um jeden tatsächlichen oder potenziellen Fehler zu beheben. Die Überwachung und Alarm-/Warnmeldungsgenerierung sollte mindestens einen Bericht über den Status/die Verfügbarkeit einer Antenne, die Integrität des Glasfasersignals und die Qualität des GNSS umfassen. Es ist möglich, alle sichtbaren Satelliten und die Signalstärke zu überwachen – dies ist jedoch selten erforderlich. Die Verwendung des vorhandenen SNMP (Simple Network Monitoring Protocol) ermöglicht die Konnektivität der GNSS-Verteilung in Industriequalität zu einem NMS (Network Monitoring System), das alle Alarme verwaltet und sofortige Nachrichten an Kommandozentralen oder Supportpersonal verteilen kann. Bei redundant ausgelegten Systemen ermöglichen solche Alarme und Warnungen eine vorbeugende Wartung, während das System oder die Zeitverteilung voll funktionsfähig bleibt.
Andere Überlegungen
Kosten, einfache Installation und Bedienung sind bei der Bereitstellung eines GNSS-over-Fiber-Systems immer wichtige Überlegungen. Das ergonomische Design, das ein intuitives Verständnis der Funktions-LED ermöglicht, ist ein Beispiel dafür. Die automatische Terminierung ist eine weitere nützliche Funktion, die die Installation und den Betrieb von GNSS-over-Fiber kostengünstiger macht. Im HF-Splitter, der das Signal an mehrere Punkte verteilt, müssen ungenutzte Ports mit einer 50-Ohm-Last terminiert werden, um Signalverschlechterungen aufgrund der Reflektivität eines offenen Steckers im GHz-Bereich zu vermeiden. Einige Geräteanbieter bieten eine automatische Terminierung an, die den Anschluss an eine externe Last überflüssig macht, um die Installation zu vereinfachen und zukünftige Leistungsprobleme zu vermeiden.
Beispiele für GNSS-über-Glasfaser-Architektur
Doppelte Antenne am selben Standort (Abbildung 1)
Zwei Antennen sind mit einem zweikanaligen Glasfasertransportsender verbunden, der die Kanäle in einer einzigen Faser kombiniert, die passiv aufgeteilt werden kann, um eine Verbindung mit einem Transportempfänger oder einer Basiseinheit herzustellen. Je nach Bedarf wird ein typisches GNSS-über-Glasfaser-Netzwerk auf 8 bis 32 Wege zu 32 Empfängern mit jeweils bis zu 16 HF-Ausgängen für Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen aufgeteilt. Unter besonderen Umständen sind manchmal bis zu 16 Splitter erforderlich, je nach Netzwerkgröße und Anzahl der Endpunkte, die eine Zeitsynchronisierung erfordern. In diesem Fall ist die Faser nicht redundant, da beide Kanäle zusammengeführt werden.
Abbildung 1: GPS über Glasfasernetzwerk – Einzelfaser, 8 Splits -> 128 Endpunkte, redundante Antenne/Sender/Empfänger.
Doppelantenne nicht am selben Standort (Abbildung 2)
Bis zu 516 Endpunkte werden von zwei unabhängigen Antennen bedient, die weit voneinander entfernt sind (z. B. verschiedene Gebäude auf einem Campus). Das optische Signal jeder Antenne wird aufgeteilt und ein Signal von jeder Antenne wird an einen Empfänger mit 16 HF-Ausgängen geliefert. Die vollständige Redundanz geht von der Antenne zum Dual-Empfänger, aber die Lieferung an das Gerät ist immer noch ein einzelner Ausfallpunkt, da es zwei 2×1-Splitter gibt, von denen einer ausfallen kann. Geräte mit dualen GNSS-Timing-Eingängen können jedoch an zwei unabhängige Ausgänge angeschlossen werden, jeweils von einem anderen Splitter, um Schutz vor einem einzelnen Ausfallpunkt zu gewährleisten.
Abbildung 2: GPS über Glasfasernetz – 2 Antennen -> 512 Endpunkte redundante Antenne/Sender/Empfänger. 16 TF-Ausgänge von jedem Empfänger (automatisch terminiert). Kann mit Dual-Entry-Geräten verwendet werden.
4 Antenne nicht am selben Standort (Abbildung 3)
Bis zu 516 Servicepunkte werden von 4 unabhängigen Antennen bedient, die weit voneinander entfernt auf verschiedenen Strukturen angebracht sind. In dieser Architektur haben die Antennenpaare völlig unabhängige Schaltkreise und senden auf einer anderen Wellenlänge. Das optische Signal jedes Antennenpaars wird aufgeteilt, mit einem Signal vom anderen Standort kombiniert und ein Signal von jedem Standort wird an einen Empfänger mit 16 HF-Ausgängen geliefert. Die vollständige Redundanz geht von der Antenne zu den beiden Empfängern, die jeweils völlig unabhängig von ihrem Paar sind. Geräte mit dualen GNSS-Zeiteingängen können für vollständige Redundanz an zwei unabhängige Ausgänge angeschlossen werden, sodass jedes Element des Netzwerks ohne Unterbrechung ersetzt werden kann.
Abbildung 3: GPS über Glasfasernetz – 4 Antennen, 2 Standorte -> 512 Endpunkte, redundante Antenne/Sender/Empfänger. 16 TF-Ausgänge von jedem Empfänger (automatisch terminiert). Kann mit Dual-Entry-Geräten verwendet werden – 256 solcher Dual-Entry-Server werden bedient.
Angesichts der zunehmenden Bedeutung der GNSS-Zeitmessung, insbesondere für Rechenzentren, ist es wahrscheinlicher, dass eine doppelte Redundanzkonfiguration zum Einsatz kommt, bei der ein optischer Backup-Empfänger das Signal empfangen kann, sollte die primäre Option ausfallen. Datennetzwerke werden immer komplexer und unternehmenskritischer, und selbst ein Ausfall von nur einem Moment kann wertvolle Informationen gefährden. Das Ziel jeder RFoF-Architektur für die GNSS-Zeitmessung ist die Schaffung eines hocheffizienten Netzwerks, das die GNSS-Zeitmessung mit möglichst wenigen Antennenstandorten an möglichst viele Endpunkte liefert. In fast allen Fällen sollte RFoF in der Lage sein, Zeitdaten von einer einzigen Antenne an über 500 Endpunkte zu liefern.
Was sind die häufigsten Anwendungsfälle für die GNSS-Zeitmessung?
Telekommunikation: Telekommunikationsnetze, einschließlich Mobilfunknetze, Satellitenkommunikationssysteme und Internetdienste, erfordern eine präzise Taktung, um eine genaue Datenübertragung und -empfang zu gewährleisten und so die Netzwerkleistung und -zuverlässigkeit zu optimieren.
Finanztransaktionen: GNSS wird häufig für die Zeitstempelung von Transaktionen an Börsen, in Banksystemen und auf Hochfrequenzhandelsplattformen verwendet. Eine genaue Zeitangabe ist entscheidend für die Wahrung der Transaktionsintegrität und die Gewährleistung von Fairness auf den Finanzmärkten.
Stromnetz: Die Erzeugung und Verteilung von Strom in Stromnetzen wird häufig über GNSS synchronisiert. Eine präzise Zeitsteuerung gewährleistet eine effiziente Koordination zwischen verschiedenen Netzkomponenten, darunter Kraftwerken, Umspannwerken und Smart-Grid-Geräten, und trägt so zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität und -zuverlässigkeit bei.
Transport: GNSS-Zeitmessung ist für Navigationssysteme in der Luftfahrt, der Schifffahrt und im Automobilbereich von grundlegender Bedeutung. Eine genaue Zeitmessung ermöglicht eine präzise Positionierung und Navigation und erhöht so die Sicherheit und Effizienz in Verkehrsnetzen.
Militär und Verteidigung: GNSS-Timing spielt eine entscheidende Rolle in militärischen und Verteidigungsanwendungen, einschließlich Befehls- und Kontrollsystemen, Raketenführung und Aufklärungsoperationen. Präzises Timing ist für die Koordinierung militärischer Aktivitäten und die Gewährleistung der Wirksamkeit von Verteidigungsfähigkeiten von entscheidender Bedeutung. Aus Sicherheitsgründen ist die Antenne, die das GNSS-Signal empfängt, weit vom Server entfernt und benötigt daher eine Glasfaserverbindung, um ein stabiles Signal über große Entfernungen sicherzustellen.
Wissenschaftliche Forschung: Wissenschaftliche Forschungsbereiche wie Geodäsie, Seismologie und Klimatologie nutzen die präzise Zeitmessung, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, die Bewegungen der Erde zu überwachen und zu analysieren, Umweltveränderungen zu untersuchen und Experimente durchzuführen, die eine präzise zeitliche Synchronisierung erfordern.
Fazit
Die synchronisierte Zeitmessung durch GNSS ist ein oft unterschätzter und kritischer Bestandteil der modernen Kommunikation. Sie wird immer anspruchsvoller, da immer mehr neue Datenpunkte hinzukommen, Hochfrequenzkommunikation genutzt wird und wichtige Datenzentren in abgelegenen Gebieten gebaut werden. RFoF hilft dabei, die Lücke zu schließen, die durch die zunehmende Entfernung zwischen Antenne und Empfänger entsteht, die Koaxialkabel einfach nicht aushalten können.
Über den Autor:
Meir Bartur, Ph.D., ist Präsident und CEO der Optical Zonu CorporationDr. Bartur verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in Führung, Produktentwicklung und Technologieinnovation. Als Senior Member des IEEE und anerkannter Vordenker in der Entwicklung kostengünstiger Glasfaserlösungen für FTTx hat er zu den IEEE-ITU-PON-Standards beigetragen. Vor der Gründung von Optical ZonuEr leitete die Bereiche Produktentwicklung und strategische Technologie für Zugangstransceiver bei MRV Communications (MRVC) und war zudem für die Geschäftsbeziehungen zu den wichtigsten Kunden verantwortlich. Zuvor bekleidete er Positionen als Vizepräsident für Engineering und Technologie bei SSDI (Solid State Devices Inc.), als Vizepräsident für Engineering bei MEC (Molecular Electronics Corp.) und war Hauptmann für Systemtechnik bei der israelischen Luftwaffe.