Considérés par beaucoup comme les plus grands experts en technologies, applications et solutions RF sur fibre optique, Optical Zonu On m'a demandé de rédiger un article pour le site web Everything RF. Le sujet est la synchronisation GNSS pour les applications RFoF. Vous pouvez consulter l'article en ligne ici. https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
Explorer les applications de synchronisation GNSS utilisant RF sur fibre
Souvent, les gens confondent les technologies vraiment remarquables avec les technologies banales simplement parce que « ça marche ». Il n’existe aucune preuve comparable à celle de la communication sans fil. D'innombrables transactions de données critiques se produisent à chaque instant dans des secteurs tels que les télécommunications, la finance, l'énergie et les services publics, la navigation et militaire et défense. La précision et la stabilité de ces transactions reposent sur la synchronisation parfaite des horloges internes qui s’éloignent constamment les unes des autres. Si aucun mécanisme n'est mis en place pour maintenir ces horloges synchronisées, il peut au mieux y avoir une corruption importante des données, voire un échec de communication.
Cela devient particulièrement difficile maintenant que la communication devient de plus en plus avancée et complexe chaque jour qui passe. La croissance du Internet des Objets (IoT) introduit de nouvelles connexions nécessitant une synchronisation, les points finaux sont plus dispersés géographiquement et de nombreuses industries tirent parti de fréquences radio (RF) plus élevées pour une faible latence et un débit plus élevé au détriment de la résilience. Il est important de comprendre le rôle du timing dans différentes applications par rapport à ces changements et pourquoi la fibre joue un rôle crucial pour garantir que la communication puisse toujours se dérouler aussi efficacement qu'auparavant.
Comment fonctionne le timing de précision ?
Il existe plusieurs approches différentes pour synchroniser les horloges internes des ordinateurs avec notre norme de synchronisation mondiale UTC (Universal Timing Coordination). Les normes réseau les plus courantes sont NTP (Network Time Protocol) et PTP (Precision Time Protocol). NTP est souvent meilleur pour une gamme plus large d’applications où un niveau de précision inférieur est acceptable. À l’inverse, le PTP est idéal pour la synchronisation de haute précision, car il peut atteindre des niveaux de précision inférieurs à la microseconde ou à la nanoseconde grâce à l’horodatage matériel (par opposition à l’horodatage logiciel).
Cependant, les deux normes de synchronisation dépendent de connexions Internet par paquets pour communiquer avec le serveur de temps et sont sensibles à la gigue du réseau, courante avec le transport Ethernet. De plus, NTP et PTP ne sont pas idéaux lorsqu'un opérateur de réseau exige des microsecondes de précision sur de grandes distances ou dans des environnements dynamiques.
Ceci est où le Système mondial de navigation par satellite (GNSS) fournit une alternative ou un complément approprié au chronométrage de précision. Le GNSS est une constellation de satellites spatiaux qui transmettent chacun simultanément des données temporelles provenant d'horloges atomiques très précises vers des récepteurs terrestres. Les systèmes de positionnement global (GPS), que tout le monde connaît généralement, sont un exemple de GNSS. Étant donné que le GNSS nécessite uniquement une vue dégagée du ciel pour fonctionner, et non une connexion Internet, il est idéal pour les cas d'utilisation géographiquement dispersés.
Pourquoi la fibre est-elle cruciale pour la synchronisation GNSS ?
L'accessibilité mondiale du GNSS en fait l'option la plus rentable et la plus populaire pour une synchronisation précise, mais elle n'est pas sans défis. Avoir une vue dégagée du ciel est plus facile à dire qu'à faire, surtout si l'on considère que les cas d'utilisation militaires et dans les centres de données se déroulent souvent dans des environnements loin d'être idéaux pour les communications en direct. Le terrain peut être accidenté, souvent dans des endroits éloignés, et les installations sont composées de métaux lourds et de béton qui créent un environnement RF difficile.
Le GNSS communique via RF entre 1.1 et 1.6 GHz et utilise souvent des câbles coaxiaux pour transmettre les données de l'antenne aux serveurs. Cependant, si l’antenne est à plus de 50 mètres du récepteur, l’atténuation deviendra trop importante et perturbera le signal. C'est pourquoi RF sur fibre (RFoF) est utilisé pour étendre considérablement la portée ; il atténue plusieurs ordres de grandeur de moins que le câble coaxial. Non seulement les performances sont meilleures avec la fibre, mais sa nature non métallique la rend insensible aux interférences électromagnétiques.
Exigences relatives aux signaux GNSS
Les équipements qui s'appuient sur les signaux GNSS fournissent généralement la puissance nécessaire au fonctionnement du amplificateur à faible bruit (LNA) qui réside à l'intérieur de l'antenne. L'alimentation CC est fournie au LNA via Bias-T à l'antenne. En règle générale, l'équipement « client » surveille la puissance consommée par le LNA et est protégé des courts-circuits, de la foudre et d'autres problèmes potentiels par certains pare-étincelles électroniques. Essentiellement, cette surveillance est utilisée pour tester qu'une charge d'antenne appropriée (par exemple la puissance consommée par l'antenne) existe si l'antenne et son LNA fonctionnent correctement. Lorsque l'antenne est déconnectée, grillée, court-circuitée ou perturbée de quelque manière que ce soit, l'équipement client la détecte et fournit une alerte système qui peut être surveillée à distance. Cela est vrai pour les cas d’utilisation des stations de base sans fil et des centres de données. En d’autres termes, l’équipement reçoit un signal RF pour le GNSS ainsi qu’un signal pour surveiller la charge de l’antenne.
Comment construire une architecture GNSS sur fibre ?
La technologie RFoF convertit les RF en signaux optiques et les transporte via des câbles à fibres optiques. Une fois arrivé à destination, il reconvertit le signal optique en RF. Ces systèmes se composent généralement d'un émetteur, d'une liaison par fibre optique et d'un récepteur. L'utilisation de RFoF pour le GNSS peut être divisée en trois segments : la propagation du signal d'antenne, les exigences de redondance et la surveillance à distance.
Propagation du signal d'antenne
La propagation du signal RF s'effectue selon une modalité RFoF classique : Antenne – coaxial – LNA – pilote de diode laser – diode laser – fibre – photodétecteur – post-amplificateur. Mais lors de la distribution du signal GNSS via fibre, la charge d'antenne mentionnée précédemment doit également se propager et nécessite donc un transport spécial de deux signaux englobant la charge d'antenne et la RF. Il est important que les opérateurs de réseau comprennent la différence entre les équipements affichant l'état de charge de l'antenne seulement à la sortie du récepteur optique au lieu de la manière appropriée selon laquelle l'état de charge de l'antenne se propage parallèlement au signal RF. Le premier exemple n’affichera pas correctement l’état de l’antenne afin que l’opérateur puisse identifier immédiatement le type de problème.
Exigences de redondance
La fiabilité requise pour la transmission du signal GNSS est très élevée en raison de la dépendance du fonctionnement des équipements critiques à l'égard de la source de synchronisation. Un système résilient doit résister à un seul point de défaillance tout en fournissant le signal complet. Cela se traduit par la nécessité de disposer de plusieurs antennes (de préférence éloignées les unes des autres), d'une double électronique, de plusieurs fibres (acheminées différemment afin qu'une fibre coupée n'arrête pas le fonctionnement) et de deux récepteurs avec commutation automatique. Les équipements de qualité industrielle offrent toutes ces fonctionnalités avec une grande flexibilité pour répondre aux demandes du marché qui peuvent être différentes selon les différents éléments d'infrastructure critiques.
Surveillance à distance
Tous les éléments du réseau d'infrastructure doivent être surveillés 24 heures sur 7 et XNUMX jours sur XNUMX pour remédier à toute défaillance réelle ou potentielle. Au minimum, la surveillance et la génération d'alarmes/avertissements doivent inclure un rapport sur l'état/la disponibilité d'une antenne, l'intégrité du signal de fibre et la qualité du GNSS. Il est possible de surveiller tous les satellites visibles et la force du signal, mais cela est rarement nécessaire. L'utilisation du SNMP (Simple Network Monitoring Protocol) existant permet la connectivité d'une distribution GNSS de qualité industrielle à un NMS (Network Monitoring System) qui gère toutes les alarmes et peut distribuer des messages instantanés aux centres de commande ou au personnel d'assistance. Pour les systèmes conçus avec redondance, ces alarmes et avertissements permettent une maintenance préventive pendant que le système ou la distribution de synchronisation reste entièrement fonctionnel.
Autres considérations
Les coûts, la facilité d'installation et d'exploitation sont toujours des considérations importantes lors du déploiement d'un système GNSS sur fibre. La conception ergonomique qui permet une compréhension intuitive de la LED fonctionnelle en est un exemple. La terminaison automatique est une autre fonctionnalité utile qui rend l’installation et l’exploitation du GNSS sur fibre plus rentables. Dans le séparateur RF qui distribue le signal à plusieurs points, les ports inutilisés doivent être terminés par une charge de 50 ohms pour éviter les dégradations du signal dues à la réflectivité d'un connecteur ouvert dans la gamme GHz. Certains fournisseurs d'équipement proposent une terminaison automatique, ce qui évite d'avoir à se connecter à une charge externe pour une installation plus facile et pour éviter de futurs problèmes de performances.
Exemples d'architecture GNSS sur fibre
Antenne double colocalisée (Figure 1)
Deux antennes se connectent à un émetteur de transport fibre à deux canaux qui combine les canaux en une seule fibre, qui peut être divisée passivement pour se connecter à un récepteur de transport ou à une unité de base. En fonction des besoins, un réseau GNSS sur fibre typique sera divisé entre 8 et 32 voies vers 32 récepteurs avec jusqu'à 16 sorties RF chacun pour les connexions point à multipoint. Des circonstances particulières nécessitent parfois jusqu'à 16 séparateurs en fonction de la taille du réseau et du nombre de points finaux nécessitant une synchronisation temporelle. Dans ce cas, la fibre n’est pas redondante puisque les deux canaux sont acheminés ensemble.
Figure 1 : GPS sur réseau fibre – fibre unique 8 divisions -> 128 points d'extrémité antenne/émetteur/récepteur redondants.
Antenne double non colocalisée (Figure 2)
Jusqu'à 516 points finaux sont desservis par deux antennes indépendantes situées à distance l'une de l'autre (par exemple, différents bâtiments sur un campus). Le signal optique de chaque antenne est divisé et un signal de chaque antenne est transmis à un récepteur doté de 16 sorties RF. La redondance complète va de l'antenne au double récepteur, mais la livraison dans l'équipement reste un point de défaillance unique puisqu'il existe 2 répartiteurs 1 × 8 pour lesquels l'un peut tomber en panne. Cependant, les équipements dotés de deux entrées de synchronisation GNSS peuvent être connectés à deux sorties indépendantes, chacune provenant d'un répartiteur différent pour assurer la protection contre un point de défaillance unique.
Figure 2 : GPS sur réseau fibre – 2 antennes -> 512 points d'extrémité Antenne/Émetteur/Récepteur redondants. 16 sorties TF de chaque récepteur (terminaison automatique). Peut être utilisé avec un équipement à double entrée.
4 Antenne non colocalisée (Figure 3)
Jusqu'à 516 points de service sont desservis par 4 antennes indépendantes situées à distance les unes des autres sur des structures différentes. Dans cette architecture, les paires d'antennes disposent de circuits complètement indépendants et transmettent à une longueur d'onde différente. Le signal optique de chaque paire d'antennes est divisé, combiné avec un signal de l'autre emplacement et un signal de chaque emplacement est transmis à un récepteur doté de 16 sorties RF. La redondance totale va de l'antenne aux deux récepteurs, chacun totalement indépendant de sa paire. Les équipements dotés de deux entrées de synchronisation GNSS peuvent être connectés à deux sorties indépendantes pour une redondance complète afin que n'importe quel élément du réseau puisse être remplacé sans interruption.
Figure 3 : GPS sur réseau fibre – 4 antennes 2 emplacements -> 512 points d'extrémité antenne/émetteur/récepteur redondants. 16 sorties TF de chaque récepteur (terminaison automatique). Peut être utilisé avec des équipements à double entrée – 256 de ces serveurs à double entrée sont servis.
Compte tenu de l'importance croissante de la synchronisation GNSS, en particulier pour les centres de données, il est plus probable de voir une configuration à double redondance dans laquelle un récepteur optique de secours peut capter le signal en cas de panne de l'option principale. Les réseaux de données deviennent de plus en plus complexes et critiques, et une interruption, même momentanée, pourrait compromettre des informations précieuses. L'objectif de toute architecture RFoF pour la synchronisation GNSS est de créer un réseau hautement efficace qui fournit la synchronisation GNSS à autant de points finaux avec peu de sites d'antennes. Dans presque tous les cas, RFoF devrait être capable de fournir des données de synchronisation à plus de 500 points finaux à partir d'une seule antenne.
Quels sont les cas d’utilisation de synchronisation GNSS les plus courants ?
Télécommunications: Les réseaux de télécommunications, notamment les réseaux cellulaires, les systèmes de communication par satellite et les services Internet, nécessitent une synchronisation précise pour garantir une transmission et une réception de données précises, optimisant ainsi l'efficacité et la fiabilité du réseau.
Transactions financières: Le GNSS est souvent utilisé pour horodater les transactions en bourse, dans les systèmes bancaires et sur les plateformes de trading à haute fréquence. Un timing précis est crucial pour maintenir l’intégrité des transactions et garantir l’équité sur les marchés financiers.
Réseau électrique: La production et la distribution d'électricité dans les réseaux électriques sont souvent synchronisées via GNSS. Un timing précis garantit une coordination efficace entre les différents composants du réseau, notamment les centrales électriques, les sous-stations et les dispositifs de réseau intelligent, contribuant ainsi à maintenir la stabilité et la fiabilité du réseau.
Transports: La synchronisation GNSS est fondamentale pour les systèmes de navigation aéronautiques, maritimes et automobiles. Un timing précis permet un positionnement et une navigation précis, améliorant ainsi la sécurité et l’efficacité des réseaux de transport.
Militaire et Défense: La synchronisation GNSS joue un rôle essentiel dans les applications militaires et de défense, notamment les systèmes de commandement et de contrôle, le guidage des missiles et les opérations de reconnaissance. Un timing précis est essentiel pour coordonner les activités militaires et garantir l’efficacité des capacités de défense. Pour des raisons de sécurité, l'antenne qui reçoit le signal GNSS est éloignée du serveur et nécessite donc une connexion fibre pour assurer un signal résilient sur de longues distances.
Recherche scientifique: Les domaines de recherche scientifique tels que la géodésie, la sismologie et la climatologie utilisent une synchronisation de précision pour aider les scientifiques à surveiller et analyser les mouvements de la Terre, à étudier les changements environnementaux et à mener des expériences nécessitant une synchronisation temporelle précise.
Conclusion
La synchronisation temporelle via GNSS est un élément souvent discret et essentiel de la communication moderne. Cela devient de plus en plus difficile en raison du grand nombre de nouveaux points de données, de l’utilisation de communications à plus haute fréquence et de la construction d’importants centres de données dans des zones très reculées. RFoF contribue à combler le fossé provoqué par une distance croissante entre l'antenne et les récepteurs que le câble coaxial est tout simplement incapable de prendre en charge.
À propos de l'auteur:
Meir Bartour, Ph.D., est président et chef de la direction de Optical Zonu CorporationLe Dr Bartur possède plus de 30 ans d'expérience en leadership, développement de produits et innovation technologique. Membre senior de l'IEEE et figure reconnue du développement de solutions de fibre optique à faible coût pour le FTTx, il a contribué aux normes IEEE ITU PON. Avant de fonder… Optical ZonuIl a dirigé le développement de produits avancés et la technologie stratégique pour les émetteurs-récepteurs d'accès chez MRV Communications (MRVC), ainsi que les relations commerciales avec ses principaux clients. Auparavant, il a occupé les postes de vice-président de l'ingénierie et de la technologie chez SSDI (Solid State Devices Inc), de vice-président de l'ingénierie chez MEC (Molecular Electronics Corp) et de capitaine ingénieur systèmes dans l'armée de l'air israélienne.