Considerados por muchos como los principales expertos en tecnologías, aplicaciones y soluciones de RF sobre fibra, Optical Zonu Se me solicitó la elaboración de un artículo para el sitio web Everything RF. El tema es la sincronización GNSS para aplicaciones RFoF. Puede consultar el artículo en línea aquí. https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
Exploración de aplicaciones de temporización GNSS utilizando RF sobre fibra
A menudo la gente confunde tecnologías verdaderamente notables con lo mundano simplemente porque "simplemente funciona". No hay evidencia de esto como ocurre con la comunicación inalámbrica. En cada momento se producen innumerables transacciones de datos de misión crítica en industrias como las de telecomunicaciones, finanzas, energía y servicios públicos, navegación y militar y de defensa. La precisión y estabilidad de esas transacciones dependen de la perfecta sincronización de los relojes internos que constantemente se desvían ligeramente entre sí. Si no se implementan mecanismos para mantener estos relojes sincronizados, en el mejor de los casos puede haber una corrupción significativa de los datos o incluso una falla en la comunicación.
Esto se está volviendo especialmente desafiante ahora que la comunicación es cada día más avanzada y compleja. El crecimiento de la Internet de los objetos (IO) introduce nuevas conexiones que requieren sincronización, los puntos finales están más dispersos geográficamente y muchas industrias están aprovechando frecuencias de radio (RF) más altas para una baja latencia y un mayor rendimiento a expensas de la resiliencia. Es importante comprender el papel de la sincronización en diferentes aplicaciones en relación con estos cambios y por qué la fibra está desempeñando un papel crucial para garantizar que la comunicación pueda seguir siendo tan eficiente y efectiva como antes.
¿Cómo funciona la sincronización de precisión?
Existen varios enfoques diferentes para sincronizar los relojes internos de las computadoras con nuestro estándar de sincronización global coordinada universalmente (UTC). Los estándares basados en red más comunes son el Protocolo de tiempo de red (NTP) y el Protocolo de tiempo de precisión (PTP). NTP suele ser mejor para una gama más amplia de aplicaciones en las que es aceptable un nivel más bajo de precisión. Por el contrario, PTP es ideal para sincronización de alta precisión porque puede alcanzar niveles de precisión de submicrosegundos o nanosegundos debido al estampado de hardware (a diferencia del estampado de software).
Sin embargo, ambos estándares de temporización dependen de conexiones a Internet basadas en paquetes para comunicarse con el servidor de hora y son susceptibles a la fluctuación de red que es común en el transporte Ethernet. Además, tanto NTP como PTP no son ideales cuando un operador de red requiere microsegundos de precisión a través de grandes distancias o en entornos dinámicos.
Aquí es donde entra en juego la Sistema global de navegación por satélite (GNSS) proporciona una alternativa adecuada o un complemento a la sincronización de precisión. GNSS es una constelación de satélites espaciales que transmiten simultáneamente datos de sincronización desde relojes atómicos de alta precisión a receptores terrestres. Los sistemas de posicionamiento global (GPS), que generalmente todo el mundo conoce, son un ejemplo de GNSS. Dado que GNSS solo requiere una visión clara del cielo para funcionar, y no una conexión a Internet, es ideal para casos de uso geográficamente dispersos.
¿Por qué la fibra es crucial para la sincronización GNSS?
La accesibilidad global del GNSS lo convierte en la opción más rentable y popular para una sincronización precisa, pero no está exenta de desafíos. Tener una vista clara del cielo es más fácil de decir que de hacer, especialmente si se considera que los casos de uso de centros de datos y militares a menudo se encuentran en entornos poco ideales para la comunicación inalámbrica. El terreno puede ser accidentado, a menudo en ubicaciones remotas, y las instalaciones están compuestas de metal pesado y concreto que crean un entorno de RF difícil.
GNSS se comunica a través de RF entre 1.1 y 1.6 GHz y suele utilizar cables coaxiales para transmitir datos desde la antena a los servidores. Sin embargo, si la antena está a más de 50 metros del receptor, la atenuación será demasiado grande e interrumpirá la señal. Esta es la razón por RF sobre fibra (RFoF) se utiliza para ampliar significativamente el alcance; atenúa varios órdenes de magnitud menos que el cable coaxial. No sólo el rendimiento es mejor con la fibra, sino que su naturaleza no metálica significa que es inmune a las interferencias electromagnéticas.
Requisitos de señal GNSS
Los equipos que dependen de señales GNSS normalmente suministran la energía necesaria para operar el amplificador de bajo ruido (LNA) que reside dentro de la antena. La alimentación de CC se suministra al LNA a través de Bias-T a la antena. Normalmente, el equipo "cliente" monitorea la energía consumida por el LNA y está protegido contra cortocircuitos, rayos y otros problemas potenciales mediante algunos parachispas y electrónicos. Básicamente, este monitoreo se utiliza para probar que existe una carga de antena adecuada (por ejemplo, energía consumida por la antena) si la antena y su LNA funcionan correctamente. Cuando la antena se desconecta, se quema, se produce un cortocircuito o se interrumpe de alguna manera, el equipo del cliente lo detecta y proporciona una alerta del sistema que se puede monitorear de forma remota. Esto es válido para estaciones base inalámbricas y casos de uso de centros de datos. Es decir, el equipo recibe una señal RF para GNSS y también una señal para monitorear la carga de la antena.
¿Cómo construir una arquitectura GNSS sobre fibra?
La tecnología RFoF convierte RF en señales ópticas y las transporta a través de cables de fibra óptica. Una vez que llega a su destino, reconvierte la señal óptica nuevamente en RF. Estos sistemas suelen constar de un transmisor, un enlace de fibra óptica y un receptor. El uso de RFoF para GNSS se puede dividir en tres segmentos: propagación de señales de antena, requisitos de redundancia y monitoreo remoto.
Propagación de la señal de la antena
La propagación de la señal de RF se realiza en una modalidad RFoF clásica: Antena – coaxial – LNA – controlador de diodo láser – diodo láser – fibra – fotodetector – postamplificador. Pero al distribuir la señal GNSS a través de fibra, la carga de la antena mencionada anteriormente también debe propagarse y, por lo tanto, requiere un transporte especial de dos señales que abarque la carga de la antena y RF. Es importante que los operadores de red comprendan la diferencia entre equipos que muestran el estado de carga de la antena solo en la salida del receptor óptico en lugar de la forma adecuada en la que el estado de carga de la antena se propaga en paralelo a la señal de RF. El primer ejemplo no mostrará correctamente la condición de la antena para que el operador pueda identificar el tipo de problema inmediatamente.
Requisitos de redundancia
La confiabilidad requerida para la entrega de la señal GNSS es muy alta debido a la dependencia del funcionamiento del equipo crítico de la fuente de sincronización. Un sistema resiliente debe resistir un único punto de falla y aun así proporcionar la señal completa. Eso se traduce en la necesidad de múltiples antenas (preferiblemente ubicadas lejos una de otra), electrónica dual, múltiples fibras (enrutadas de manera diferente para que una fibra cortada no deje de funcionar) y receptores duales con conmutación automática. Los equipos de grado industrial brindan todas estas características con gran flexibilidad para satisfacer las demandas del mercado, que pueden ser diferentes para diferentes elementos críticos de la infraestructura.
Monitoreo remoto
Todos los elementos de la red de infraestructura deben ser monitoreados 24 horas al día, 7 días a la semana para abordar cualquier falla real o potencial. Como mínimo, el monitoreo y la generación de alarmas/advertencias deben incluir un informe sobre el estado/disponibilidad de una antena, la integridad de la señal de fibra y la calidad del GNSS. Es posible controlar todos los satélites visibles y la intensidad de la señal, pero rara vez es necesario. El uso del SNMP (Protocolo simple de monitoreo de red) existente permite la conectividad de la distribución GNSS de nivel industrial a un NMS (Sistema de monitoreo de red) que administra todas las alarmas y puede distribuir mensajes instantáneos a los centros de comando o al personal de soporte. Para los sistemas diseñados con redundancia, dichas alarmas y advertencias permiten el mantenimiento preventivo mientras el sistema o la distribución de sincronización permanecen completamente funcionales.
Otras Consideraciones
Los costos, la facilidad de instalación y operación son siempre consideraciones importantes al implementar un sistema GNSS sobre fibra. El diseño ergonómico que permite una comprensión intuitiva del LED funcional es un ejemplo de ello. La terminación automática es otra característica útil que hace que la instalación y operación de GNSS a través de fibra sea más rentable. En el divisor de RF que distribuye la señal a múltiples puntos, los puertos no utilizados deben terminarse con una carga de 50 ohmios para evitar degradaciones de la señal debido a la reflectividad de un conector abierto en el rango de GHz. Algunos proveedores de equipos ofrecen terminación automática, lo que ahorra la necesidad de conectarse a una carga externa para facilitar la instalación y evitar futuros problemas de rendimiento.
Ejemplos de arquitectura GNSS sobre fibra
Antena doble ubicada conjuntamente (Figura 1)
Dos antenas se conectan a un transmisor de transporte de fibra de dos canales que combina los canales en una sola fibra, que se puede dividir pasivamente para conectarse con un receptor de transporte o una unidad base. Dependiendo de las necesidades, una red GNSS típica sobre fibra se dividirá entre 8 y 32 vías para 32 receptores con hasta 16 salidas de RF cada uno para conexiones punto a multipunto. En ocasiones, circunstancias especiales requieren hasta 16 divisores, según el tamaño de la red y la cantidad de puntos finales que requieren sincronización de tiempo. En este caso, la fibra no es redundante ya que ambos canales se encaminan juntos.
Figura 1: GPS sobre red de fibra: fibra única, 8 divisiones ->128 puntos finales Antena/Transmisor/Receptor redundantes.
Antena dual no ubicada en el mismo lugar (Figura 2)
Hasta 516 puntos finales reciben servicio mediante dos antenas independientes ubicadas muy separadas entre sí (por ejemplo, diferentes edificios en un campus). La señal óptica de cada antena se divide y una señal de cada antena se envía a un receptor con 16 salidas de RF. La redundancia total va desde la antena al receptor dual, pero la entrega al equipo sigue siendo un único punto de falla, ya que hay 2 divisores de 1 × 8 en los que uno puede fallar. Sin embargo, los equipos con entradas de temporización GNSS duales se pueden conectar a dos salidas independientes, cada una desde un divisor diferente para garantizar la protección desde un único punto de falla.
Figura 2: GPS sobre red de fibra: 2 antenas ->512 puntos finales Antena/Transmisor/Receptor redundantes. 16 salidas TF de cada receptor (terminación automática). Se puede utilizar con equipos de doble entrada.
4 Antena no ubicada en el mismo lugar (Figura 3)
Hasta 516 puntos de servicio son atendidos por 4 antenas independientes ubicadas muy separadas entre sí en diferentes estructuras. En esta arquitectura, los pares de antenas tienen circuitos completamente independientes y transmiten a una longitud de onda diferente. La señal óptica del par de cada antena se divide, se combina con una señal de la otra ubicación y una señal de cada ubicación se envía a un receptor con 16 salidas de RF. La redundancia total va desde la antena a los dos receptores, cada uno completamente independiente de su par. Los equipos con entradas de temporización GNSS duales se pueden conectar a dos salidas independientes para una redundancia total, de modo que cualquier elemento de la red pueda reemplazarse sin interrupción.
Figura 3: GPS sobre red de fibra: 4 antenas, 2 ubicaciones ->512 puntos finales Antena/Transmisor/Receptor redundantes. 16 salidas TF de cada receptor (terminación automática). Se puede utilizar con equipos de entrada dual: se prestan servicio a 256 servidores de entrada dual.
Dada la creciente importancia de la sincronización GNSS, particularmente para los centros de datos, es más probable ver una configuración de doble redundancia donde un receptor óptico de respaldo pueda captar la señal en caso de que ocurra una falla en la opción principal. Las redes de datos se están volviendo cada vez más complejas y de misión crítica, donde un tiempo de inactividad, aunque sea por un momento, podría comprometer información valiosa. El objetivo de cualquier arquitectura RFoF para temporización GNSS es crear una red altamente eficiente que proporcione temporización GNSS a tantos puntos finales con pocos sitios de antena. En casi todos los casos, RFoF debería poder proporcionar datos de sincronización a más de 500 puntos finales desde una sola antena.
¿Cuáles son los casos de uso de temporización GNSS más comunes?
Telecomunicaciones: Las redes de telecomunicaciones, incluidas las redes celulares, los sistemas de comunicación por satélite y los servicios de Internet, requieren una sincronización precisa para garantizar una transmisión y recepción de datos precisas, optimizando la eficiencia y confiabilidad de la red.
Transacciones Financieras: GNSS se utiliza a menudo para marcar la hora de transacciones en bolsas de valores, sistemas bancarios y plataformas comerciales de alta frecuencia. La sincronización precisa es crucial para mantener la integridad de las transacciones y garantizar la equidad en los mercados financieros.
Red eléctrica: La generación y distribución de energía en las redes eléctricas suele sincronizarse mediante GNSS. La sincronización precisa garantiza una coordinación eficiente entre los diferentes componentes de la red, incluidas plantas de energía, subestaciones y dispositivos de red inteligente, lo que ayuda a mantener la estabilidad y confiabilidad de la red.
Transporte: La sincronización GNSS es fundamental para los sistemas de navegación aeronáutica, marítima y automotriz. La sincronización precisa permite un posicionamiento y una navegación precisos, lo que mejora la seguridad y la eficiencia en las redes de transporte.
Militar y Defensa: La sincronización GNSS juega un papel vital en aplicaciones militares y de defensa, incluidos sistemas de comando y control, guía de misiles y operaciones de reconocimiento. El momento preciso es esencial para coordinar las actividades militares y garantizar la eficacia de las capacidades de defensa. Por razones de seguridad, la antena que recibe la señal GNSS está alejada del servidor y por lo tanto requiere una conexión de fibra para garantizar una señal resistente a largas distancias.
Investigación científica: Los campos de investigación científica como la geodesia, la sismología y la climatología utilizan la sincronización precisa para ayudar a los científicos a monitorear y analizar los movimientos de la Tierra, estudiar los cambios ambientales y realizar experimentos que requieren una sincronización temporal precisa.
Conclusión
La sincronización a través de GNSS es un componente crítico y a menudo subestimado de la comunicación moderna. Se vuelve más desafiante debido a la gran cantidad de nuevos puntos de datos, el uso de comunicaciones de mayor frecuencia y la construcción de importantes centros de datos en áreas altamente remotas. RFoF está ayudando a cerrar la brecha causada por una distancia cada vez mayor entre la antena y los receptores que el cable coaxial simplemente no puede soportar.
Sobre el autor:
Meir Bartur, Ph.D., es el presidente y director ejecutivo de Optical Zonu CorporationEl Dr. Bartur cuenta con más de 30 años de experiencia en liderazgo, desarrollo de productos e innovación tecnológica. Como miembro sénior del IEEE y líder reconocido en el desarrollo de soluciones de fibra óptica de bajo costo para FTTx, contribuyó a los estándares IEEE ITU PON. Antes de fundar Optical ZonuDirigió el Desarrollo Avanzado de Productos y Tecnología Estratégica para transceptores de acceso en MRV Communications (MRVC), así como las relaciones comerciales con sus principales clientes. Anteriormente, ocupó los cargos de Vicepresidente de Ingeniería y Tecnología en SSDI (Solid State Devices Inc.), Vicepresidente de Ingeniería en MEC (Molecular Electronics Corp.) y Capitán de Ingeniería de Sistemas en la Fuerza Aérea Israelí.