Sokan a vezető szakértőknek tartják az RF (rádiófrekvenciás) technológiák, alkalmazások és megoldások terén a száloptikával szemben. Optical Zonu felkérést kapott egy cikk elkészítésére az Everything RF weboldalra. A téma a GNSS időzítése RFoF alkalmazásokhoz. A cikk online itt tekinthető meg. https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
GNSS időzítési alkalmazások felfedezése RF-over-Fiber használatával
Az emberek gyakran összetévesztik az igazán figyelemre méltó technológiákat a hétköznapival, egyszerűen azért, mert „csak működik”. Nincs bizonyíték erre, mint a vezeték nélküli kommunikációra. Számtalan, kritikus fontosságú adattranzakció történik minden pillanatban az iparágakban, beleértve a telekommunikációt, a pénzügyeket, az áramellátást és a közműveket, a navigációt és katonai és védelmi. Ezeknek a tranzakcióknak a pontossága és stabilitása a belső órák tökéletes szinkronizálásán múlik, amelyek folyamatosan kissé eltávolodnak egymástól. Ha nem vezetnek be mechanizmusokat az órák szinkronizálására, akkor a legjobb esetben jelentős adatsérülések, vagy akár kommunikációs hibák léphetnek fel.
Ez különösen nagy kihívást jelent most, amikor a kommunikáció napról napra fejlettebb és összetettebb. A növekedés a Internet of Things (IoT) új kapcsolatokat vezet be, amelyek szinkronizálást igényelnek, a végpontok földrajzilag szétszórtan helyezkednek el, és számos iparág kihasználja a magasabb rádiófrekvenciák (RF) előnyeit az alacsony késleltetés és a nagyobb áteresztőképesség érdekében a rugalmasság rovására. Fontos megérteni az időzítés szerepét a különböző alkalmazások között ezekkel a változásokkal kapcsolatban, és azt, hogy az üvegszál miért játszik döntő szerepet annak biztosításában, hogy a kommunikáció továbbra is ugyanolyan hatékonyan és eredményesebben történhessen, mint korábban.
Hogyan működik a precíziós időzítés?
Számos különböző megközelítés létezik a számítógép belső óráinak univerzális időzítéssel koordinált (UTC) globális időzítési szabványunkkal való szinkronizálására. A leggyakoribb hálózati alapú szabványok a Network Time Protocol (NTP) és a Precision Time Protocol (PTP). Az NTP gyakran jobb az alkalmazások szélesebb köréhez, ahol alacsonyabb szintű pontosság is elfogadható. Ezzel szemben a PTP ideális a nagy pontosságú időzítéshez, mivel a hardveres bélyegzésnek köszönhetően (a szoftveres bélyegzéssel szemben) szubmikroszekundumos vagy nanoszekundumos pontosságot érhet el.
Mindazonáltal mindkét időzítési szabvány a csomagalapú internetkapcsolatoktól függ az időkiszolgálóval való kommunikációhoz, és érzékenyek az Ethernet-átvitelnél gyakori hálózati remegésre. Ezenkívül az NTP és a PTP sem ideális, ha a hálózatüzemeltető mikroszekundum pontosságot igényel nagy távolságokon vagy dinamikus környezetben.
Ez az, ahol a Globális navigációs műholdrendszer (GNSS) megfelelő alternatívát vagy kiegészítést nyújt a precíziós időzítéshez. A GNSS űralapú műholdak konstellációja, amelyek mindegyike egyidejűleg továbbítja az időzítési adatokat a rendkívül pontos atomórákról a földi vevőkre. A Global Positioning Systems (GPS), amellyel általában mindenki tisztában van, a GNSS egyik példája. Mivel a GNSS működéséhez csak az égbolt tiszta rálátása szükséges, internetkapcsolat nem, ezért ideális földrajzilag szétszórt felhasználási esetekben.
Miért kulcsfontosságú a Fiber a GNSS időzítésében?
A GNSS globális hozzáférhetősége a legköltséghatékonyabb és legnépszerűbb lehetőséget a pontos időzítésre teszi, de nem mentes a kihívásoktól. Könnyebb mondani, mint megtenni, hogy tiszta rálátás legyen az égre, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy a katonai és adatközponti felhasználási esetek gyakran nem ideálisak az éteren keresztüli kommunikációhoz. A terep egyenetlen is lehet, gyakran távoli helyeken, és a létesítmények nehézfémekből és betonból állnak, amelyek nehéz rádiófrekvenciás környezetet biztosítanak.
A GNSS 1.1 és 1.6 GHz közötti rádiófrekvencián keresztül kommunikál, és gyakran használ koaxiális kábeleket az adatok továbbítására az antennáról a szerverekre. Ha azonban az antenna 50 méternél távolabb van a vevőtől, a csillapítás túl nagy lesz, és megzavarja a jelet. Ez az oka RF over fiber (RFoF) a hatótávolság jelentős kiterjesztésére szolgál; több nagyságrenddel kevésbé csillapítja, mint a koaxiális kábel. Nem csak a teljesítmény jobb a szálakkal, de nem fémes jellege azt is jelenti, hogy immunis az elektromágneses interferenciára.
GNSS jelkövetelmények
A GNSS jelekre támaszkodó berendezések általában biztosítják a működéséhez szükséges energiát alacsony zajszintű erősítő (LNA) amely az antennában található. Az egyenáram az LNA-t Bias-T-n keresztül kapja az antennához. Általában a „kliens” berendezés figyeli az LNA által fogyasztott energiát, és néhány elektronikus és szikralevezető védi a rövidzárlattól, villámlástól és egyéb lehetséges problémáktól. Ez a megfigyelés lényegében annak tesztelésére szolgál, hogy van-e megfelelő antennaterhelés (pl. az antenna által fogyasztott energia), ha az antenna és az LNA megfelelően működik. Ha az antennát lekapcsolják, kiégik, rövidre zárják vagy bármilyen módon megszakad, a kliens berendezés észleli, és rendszerriasztást ad, amely távolról is megfigyelhető. Ez igaz a vezeték nélküli bázisállomásokra és adatközpontokra. Más szavakkal, a berendezés RF jelet kap a GNSS számára, valamint egy jelet az antenna terhelésének figyelésére.
Hogyan építsünk GNSS-t üvegszálas architektúrán keresztül?
Az RFoF technológia az RF-et optikai jelekké alakítja, és optikai kábeleken továbbítja. Amint eléri célját, az optikai jelet újra RF-vé alakítja. Ezek a rendszerek általában adóból, optikai szálas kapcsolatból és vevőből állnak. Az RFoF használata GNSS-hez három szegmensre bontható: antenna jelterjedés, redundanciakövetelmények és távfelügyelet.
Antenna jel terjedése
Az RF jel terjedése klasszikus RFoF módozattal történik: Antenna – koax – LNA – lézerdióda meghajtó – lézerdióda – szál – fotodetektor – utóerősítő. Ám a GNSS jel szálon keresztüli elosztásánál a korábban említett antennaterhelést is tovább kell terjeszteni, és így speciális két jelátvitelt igényel, amely magában foglalja az antennaterhelést és az RF-et. Fontos, hogy a hálózatüzemeltetők megértsék a különbséget az antenna terhelési állapotát mutató berendezések között csak a kimeneten Az antenna terhelési állapota párhuzamosan terjed az RF jellel. Az előbbi példa nem jeleníti meg megfelelően az antenna állapotát, így a kezelő azonnal azonosítani tudja a probléma típusát.
Redundancia követelmények
A GNSS jel továbbításához szükséges megbízhatóság nagyon magas, mivel a kritikus berendezés működése az időzítési forrástól függ. A rugalmas rendszernek egyetlen meghibásodási pontot is ki kell állnia, és továbbra is teljes jelet kell adnia. Ez azt jelenti, hogy több antennára van szükség (lehetőleg egymástól távol helyezve), kettős elektronikára, több szálra (különböző szálra van szükség, így a levágott szál nem hagyja abba a működést), és kettős vevőre automatikus kapcsolással. Az ipari minőségű berendezések minden ilyen funkciót nagy rugalmassággal biztosítanak, hogy megfeleljenek a piaci igényeknek, amelyek eltérőek lehetnek a különböző kritikus infrastruktúra-elemeknél.
Távfelügyeleti
Valamennyi infrastrukturális hálózati elemet a hét minden napján, a hét minden napján 24 órában felügyelni kell az esetleges valós vagy potenciális hibák kiküszöbölése érdekében. A felügyeletnek és a riasztás/figyelmeztetés generálásának legalább jelentést kell tartalmaznia az antenna állapotáról/rendelkezésre állásáról, az üvegszálas jel sértetlenségéről és a GNSS minőségéről. Lehetőség van az összes látható műhold és a jelerősség figyelésére – erre azonban ritkán van szükség. A meglévő SNMP (Simple Network Monitoring Protocol) használata lehetővé teszi az ipari szintű GNSS-elosztás csatlakoztatását egy NMS-hez (Network Monitoring System), amely kezeli az összes riasztást, és azonnali üzeneteket küldhet a parancsnoki központoknak vagy a támogató személyzetnek. A redundanciával tervezett rendszerek esetében az ilyen riasztások és figyelmeztetések lehetővé teszik a megelőző karbantartást, miközben a rendszer vagy az időzítési elosztás teljes mértékben működőképes marad.
Egyéb megfontolások
A költségek, a könnyű telepítés és működtetés mindig fontos szempont a GNSS-over-fiber rendszer telepítésekor. Ennek egyik példája az ergonomikus kialakítás, amely lehetővé teszi a funkcionális LED intuitív megértését. Az automatikus lezárás egy másik hasznos funkció, amely költséghatékonyabbá teszi a GNSS optikai szálon keresztüli telepítését és üzemeltetését. A jelet több pontra elosztó RF-elosztóban a nem használt portokat 50 ohmos terheléssel kell lezárni, hogy elkerüljük a jelromlást a nyitott csatlakozó GHz-es tartományban való visszaverődése miatt. Egyes berendezésszolgáltatók automatikus leállítást kínálnak, ami megtakarítja a külső terheléshez való csatlakozás szükségességét a telepítés megkönnyítése és a jövőbeni teljesítményproblémák elkerülése érdekében.
Példák a GNSS over fiber architektúrára
Kettős antenna egy helyen (1. ábra)
Két antenna csatlakozik egy kétcsatornás szálátviteli adóhoz, amely a csatornákat egyetlen szálban egyesíti, amely passzívan szétválasztható, hogy kapcsolódjon egy szállító vevőhöz vagy alapegységhez. Az igényektől függően egy tipikus üvegszálas GNSS hálózat 8-32 út között 32 vevőre osztható fel, egyenként akár 16 RF kimenettel a pont-több pont közötti kapcsolatokhoz. Különleges körülmények néha akár 16 elosztót is igényelnek a hálózat méretétől és az időzítési szinkronizálást igénylő végpontok számától függően. Ebben az esetben a szál nem redundáns, mivel mindkét csatorna együtt van irányítva.
1. ábra: GPS optikai hálózaton keresztül – egyszálas 8 felosztás ->128 végpont redundáns antenna/adó/vevő.
A kettős antenna nincs egy helyen (2. ábra)
Legfeljebb 516 végpontot szolgál ki két független antenna, amelyek egymástól távol helyezkednek el (pl. egy campus különböző épületei). Mindegyik antenna optikai jele fel van osztva, és mindegyik antennáról egy jelet továbbítanak egy 16 RF kimenettel rendelkező vevőhöz. A teljes redundancia az antennáról a dupla vevőbe kerül, de a berendezésbe történő szállítás továbbra is egyetlen hibapont, mivel 2 db 1×8-as osztó van, aminél meghibásodhat. A kettős GNSS időzítési bemenettel rendelkező berendezések azonban két független kimenethez csatlakoztathatók egy-egy elosztóról, így biztosítva a védelmet egyetlen hibapont ellen.
2. ábra: GPS optikai hálózaton keresztül – 2 antenna ->512 végpont redundáns antenna/adó/vevő. 16 TF kimenet minden vevőről (automatikus lezárás). Kettős bejáratú berendezéssel használható.
4 Az antenna nincs egy helyen (3. ábra)
Akár 516 szolgáltatási pontot is kiszolgál 4 egymástól távol, különböző szerkezeteken elhelyezett független antenna. Ebben az architektúrában az antennapárosítások teljesen független áramkörrel rendelkeznek, és eltérő hullámhosszon sugároznak. Mindegyik antennapár optikai jele fel van osztva, kombinálva a másik helyről érkező jellel, és mindegyik helyről egy jelet továbbítanak egy 16 RF kimenettel rendelkező vevőhöz. A teljes redundancia az antennától a két vevőhöz megy, mindegyik teljesen független a párjától. A kettős GNSS időzítő bemenettel rendelkező berendezések két független kimenetre csatlakoztathatók a teljes redundanciához, így a hálózat bármely eleme megszakítás nélkül cserélhető.
3. ábra: GPS optikai hálózaton keresztül – 4 antenna 2 helyen ->512 végpont redundáns antenna/adó/vevő. 16 TF kimenet minden vevőről (automatikus lezárás). Kettős beléptető berendezéssel használható – 256 ilyen kettős belépésű szervert szolgálnak ki.
Tekintettel a GNSS időzítésének növekvő fontosságára, különösen az adatközpontok esetében, valószínűbb, hogy kettős redundancia-beállítást látunk, ahol egy tartalék optikai vevő képes felvenni a jelet, ha az elsődleges opció meghibásodna. Az adathálózatok egyre összetettebbé és kritikusabbá válnak, ahol a pillanatnyi állásidő is veszélyeztetheti az értékes információkat. Bármely GNSS-időzítési RFoF-architektúra célja egy rendkívül hatékony hálózat létrehozása, amely a GNSS-időzítést annyi végponthoz szállítja, kevés antennahellyel. Az RFoF-nek szinte minden esetben képesnek kell lennie arra, hogy egyetlen antennáról több mint 500 végponthoz időzítési adatokat szolgáltasson.
Melyek a leggyakoribb GNSS időzítési felhasználási esetek?
Távközlés: A távközlési hálózatok, beleértve a mobilhálózatokat, a műholdas kommunikációs rendszereket és az internetes szolgáltatásokat, pontos időzítést igényelnek a pontos adatátvitel és -vétel, valamint a hálózat hatékonyságának és megbízhatóságának optimalizálása érdekében.
Pénzügyi tranzakciók: A GNSS-t gyakran használják tőzsdéken, banki rendszereken és nagyfrekvenciás kereskedési platformokon történő tranzakciók időbélyegzésére. A pontos időzítés kulcsfontosságú a tranzakciók integritásának megőrzéséhez és a pénzügyi piacok tisztességességének biztosításához.
Elektromos hálózat: Az elektromos hálózatokban az energiatermelés és -elosztás gyakran a GNSS-en keresztül történik. A pontos időzítés hatékony koordinációt biztosít a hálózat különböző elemei között, beleértve az erőműveket, alállomásokat és intelligens hálózati eszközöket, segítve a hálózat stabilitását és megbízhatóságát.
Szállítás: A GNSS időzítése alapvető fontosságú a légiközlekedési, tengeri és autóipari navigációs rendszerek számára. A pontos időzítés precíz helymeghatározást és navigációt tesz lehetővé, növelve a közlekedési hálózatok biztonságát és hatékonyságát.
Katonai és védelmi: A GNSS időzítése létfontosságú szerepet játszik a katonai és védelmi alkalmazásokban, beleértve a parancsnoki és irányítási rendszereket, a rakétairányítást és a felderítő műveleteket. A katonai tevékenységek összehangolásához és a védelmi képességek hatékonyságának biztosításához elengedhetetlen a pontos időzítés. Biztonsági okokból a GNSS-jelet vevő antenna távol van a szervertől, ezért optikai kapcsolatra van szükség ahhoz, hogy nagy távolságokon is rugalmas jelet biztosítson.
Tudományos kutatás: Az olyan tudományos kutatási területek, mint a geodézia, a szeizmológia és az éghajlattan, precíziós időzítést alkalmaznak, hogy segítsék a tudósokat a Föld mozgásának nyomon követésében és elemzésében, a környezeti változások tanulmányozásában, valamint a pontos időbeli szinkronizálást igénylő kísérletek elvégzésében.
Összegzés
A GNSS-en keresztüli szinkronizált időzítés gyakran alábecsült és kritikus eleme a modern kor kommunikációjának. Ez egyre nagyobb kihívást jelent az új adatpontok puszta száma, a magasabb frekvenciájú kommunikáció használata és a fontos adatközpontok nagyon távoli területeken történő építése miatt. Az RFoF segít áthidalni azt a szakadékot, amelyet az antenna és a vevőegységek közötti növekvő távolság okoz, amelyet a koaxiális kábel egyszerűen nem képes támogatni.
A szerzőről:
Meir Bartur, Ph.D., az elnök-vezérigazgató a Optical Zonu CorporationDr. Bartur több mint 30 éves tapasztalattal rendelkezik a vezetői, termékfejlesztési és technológiai innovációs területeken. Az IEEE vezető tagjaként és az alacsony költségű FTTx optikai szálas megoldások fejlesztésének elismert vezetőjeként hozzájárult az IEEE ITU PON szabványok kidolgozásához. Megalapítása előtt... Optical Zonu, az MRV Communications (MRVC) hozzáférési adó-vevők fejlett termékfejlesztését és stratégiai technológiáját irányította, valamint a vállalat főbb ügyfeleivel fenntartott üzleti kapcsolatokat. Ezt megelőzően az SSDI (Solid State Devices Inc.) mérnöki és technológiai alelnöke, az MEC (Molecular Electronics Corp.) mérnöki alelnöke, valamint az Izraeli Légierő rendszermérnöki századosa volt.