Considerati da molti i principali esperti in tecnologie, applicazioni e soluzioni RF su fibra, Optical Zonu Mi è stato chiesto di preparare un articolo per il sito web Everything RF. L'argomento è la temporizzazione GNSS per applicazioni RFoF. Potete consultare l'articolo online qui. https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
Esplorazione delle applicazioni di cronometraggio GNSS utilizzando RF su fibra
Spesso le persone confondono le tecnologie davvero straordinarie con quelle banali semplicemente perché “funzionano e basta”. Non ci sono prove di ciò come nel caso della comunicazione wireless. Ci sono innumerevoli transazioni di dati mission-critical che avvengono in ogni momento in settori tra cui telecomunicazioni, finanza, energia e servizi pubblici, navigazione e militare e difesa. L’accuratezza e la stabilità di tali transazioni si basano sulla perfetta sincronizzazione degli orologi interni che si discostano costantemente, anche se leggermente, l’uno dall’altro. Se non vengono messi in atto meccanismi per mantenere questi orologi sincronizzati, nella migliore delle ipotesi può verificarsi una significativa corruzione dei dati o addirittura un'impossibilità di comunicare.
Ciò sta diventando particolarmente impegnativo ora che la comunicazione è sempre più avanzata e complessa ogni giorno che passa. La crescita del Internet of Things (IoT) introduce nuove connessioni che richiedono la sincronizzazione, gli endpoint sono più dispersi geograficamente e molti settori stanno sfruttando frequenze radio (RF) più elevate per una bassa latenza e un throughput più elevato a scapito della resilienza. È importante comprendere il ruolo della tempistica nelle diverse applicazioni in relazione a questi cambiamenti e perché la fibra svolge un ruolo cruciale nel garantire che la comunicazione possa ancora avvenire in modo efficiente ed efficace come prima.
Come funziona il cronometraggio di precisione?
Esistono diversi approcci per sincronizzare gli orologi interni del computer con il nostro standard di temporizzazione globale UTC (Universal Timing Coordinated). Gli standard di rete più comuni sono Network Time Protocol (NTP) e Precision Time Protocol (PTP). NTP è spesso migliore per una gamma più ampia di applicazioni in cui è accettabile un livello di precisione inferiore. Al contrario, PTP è ideale per la temporizzazione ad alta precisione perché può raggiungere livelli di precisione inferiori al microsecondo o nanosecondo grazie alla stampa hardware (al contrario della stampa software).
Tuttavia, entrambi gli standard di temporizzazione dipendono da connessioni Internet basate su pacchetti per comunicare con il server di tempo e sono suscettibili al jitter di rete comune al trasporto Ethernet. Inoltre, sia NTP che PTP non sono ideali quando un operatore di rete richiede microsecondi di precisione su grandi distanze o in ambienti dinamici.
Questo è dove il Sistema globale di navigazione satellitare (GNSS) fornisce un'alternativa adeguata o un supplemento al cronometraggio di precisione. Il GNSS è una costellazione di satelliti spaziali che trasmettono simultaneamente dati temporali da orologi atomici altamente precisi a ricevitori terrestri. Il sistema di posizionamento globale (GPS), di cui generalmente tutti sono a conoscenza, è un esempio di GNSS. Poiché il GNSS richiede solo una visione chiara del cielo per funzionare e non una connessione Internet, è ideale per casi d'uso geograficamente dispersi.
Perché la fibra è cruciale per la tempistica GNSS?
L'accessibilità globale del GNSS lo rende l'opzione più economica e popolare per un cronometraggio preciso, ma non è priva di sfide. Avere una visione chiara del cielo è più facile a dirsi che a farsi, soprattutto se si considera che i casi d'uso militari e dei data center si trovano spesso in ambienti tutt'altro che ideali per la comunicazione via etere. Il terreno può essere accidentato, spesso in località remote, e le strutture sono composte da metalli pesanti e cemento che rendono difficile l’ambiente RF.
Il GNSS comunica tramite RF tra 1.1 e 1.6 GHz e spesso utilizza cavi coassiali per trasmettere i dati dall'antenna ai server. Tuttavia, se l'antenna si trova a più di 50 metri di distanza dal ricevitore, l'attenuazione diventerà eccessiva e interromperà il segnale. Ecco perché RF su fibra (RFoF) viene utilizzato per estendere notevolmente la portata; attenua diversi ordini di grandezza meno del cavo coassiale. Non solo le prestazioni sono migliori con la fibra, ma la sua natura non metallica la rende immune alle interferenze elettromagnetiche.
Requisiti del segnale GNSS
Le apparecchiature che si basano sui segnali GNSS in genere forniscono l'energia necessaria per il funzionamento amplificatore a basso rumore (LNA) che risiede all'interno dell'antenna. L'alimentazione CC viene fornita all'LNA tramite Bias-T all'antenna. In genere, l'apparecchiatura "client" monitora l'energia consumata dall'LNA ed è protetta da cortocircuiti, fulmini e altri potenziali problemi da alcuni parascintille elettronici. Essenzialmente, questo monitoraggio viene utilizzato per verificare che esista un carico adeguato dell'antenna (ad esempio, la potenza consumata dall'antenna) se l'antenna e il suo LNA funzionano correttamente. Quando l'antenna viene scollegata, bruciata, cortocircuitata o interrotta in qualsiasi modo, l'apparecchiatura client lo rileva e fornisce un avviso di sistema che può essere monitorato da remoto. Questo vale per le stazioni base wireless e i casi d'uso dei data center. In altre parole, l'apparecchiatura riceve un segnale RF per GNSS e anche un segnale per monitorare il carico dell'antenna.
Come costruire un'architettura GNSS su fibra?
La tecnologia RFoF converte la RF in segnali ottici e li trasporta su cavi in fibra ottica. Una volta giunto a destinazione, riconverte il segnale ottico in RF. Questi sistemi sono generalmente costituiti da un trasmettitore, un collegamento in fibra ottica e un ricevitore. L'utilizzo di RFoF per GNSS può essere suddiviso in tre segmenti: propagazione del segnale dell'antenna, requisiti di ridondanza e monitoraggio remoto.
Propagazione del segnale dell'antenna
La propagazione del segnale RF è condotta in una modalità RFoF classica: Antenna – coassiale – LNA – driver diodo laser – diodo laser – fibra – fotorivelatore – post amplificatore. Ma quando si distribuisce il segnale GNSS tramite fibra, anche il carico dell'antenna menzionato in precedenza deve essere propagato e quindi richiede uno speciale trasporto di due segnali che comprenda il carico dell'antenna e RF. È importante che gli operatori di rete comprendano la differenza tra le apparecchiature che mostrano lo stato di carico dell'antenna solo in uscita del ricevitore ottico invece del modo corretto in cui lo stato di carico dell'antenna viene propagato parallelamente al segnale RF. Il primo esempio non visualizzerà correttamente la condizione dell'antenna in modo che l'operatore possa identificare immediatamente il tipo di problema.
Requisiti di ridondanza
L'affidabilità richiesta per la consegna del segnale GNSS è molto elevata a causa della dipendenza del funzionamento delle apparecchiature critiche dalla sorgente di temporizzazione. Un sistema resiliente deve resistere a un singolo punto di guasto e fornire comunque il segnale completo. Ciò si traduce nella necessità di più antenne (preferibilmente posizionate distanti l'una dall'altra), doppia elettronica, più fibre (instradate diversamente in modo che una fibra tagliata non interrompa il funzionamento) e doppi ricevitori con commutazione automatica. Le apparecchiature di livello industriale forniscono tutte queste funzionalità con grande flessibilità per soddisfare le richieste del mercato che possono essere diverse per i diversi elementi infrastrutturali critici.
Monitoraggio remoto
Tutti gli elementi della rete infrastrutturale devono essere monitorati 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX, per far fronte a qualsiasi guasto reale o potenziale. Come minimo, il monitoraggio e la generazione di allarmi/avvisi dovrebbero includere un rapporto sullo stato/disponibilità di un'antenna, sull'integrità del segnale in fibra e sulla qualità del GNSS. È possibile monitorare tutti i satelliti visibili e la potenza del segnale, ma ciò è raramente necessario. L'utilizzo dell'SNMP (Simple Network Monitoring Protocol) esistente consente la connettività della distribuzione GNSS di livello industriale a un NMS (Network Monitoring System) che gestisce tutti gli allarmi e può distribuire messaggi istantanei ai centri di comando o al personale di supporto. Per i sistemi progettati con ridondanza, tali allarmi e avvisi consentono la manutenzione preventiva mentre il sistema o la distribuzione temporale rimangono pienamente funzionali.
Altre considerazioni
I costi, la facilità di installazione e di funzionamento sono sempre considerazioni importanti quando si implementa un sistema GNSS su fibra. Il design ergonomico che consente una comprensione intuitiva delle funzioni del LED ne è un esempio. La terminazione automatica è un'altra caratteristica utile che rende più conveniente l'installazione e il funzionamento del GNSS su fibra. Nello splitter RF che distribuisce il segnale su più punti, le porte non utilizzate devono essere terminate con un carico di 50 ohm per evitare degradazioni del segnale dovute alla riflettività di un connettore aperto nella gamma GHz. Alcuni fornitori di apparecchiature offrono la terminazione automatica, che evita la necessità di connettersi a un carico esterno per facilitare l'installazione ed evitare futuri problemi di prestazioni.
Esempi di architettura GNSS su fibra
Doppia antenna co-posizionata (Figura 1)
Due antenne si collegano a un trasmettitore di trasporto in fibra a due canali che combina i canali in un'unica fibra, che può essere divisa passivamente per connettersi con un ricevitore di trasporto o un'unità base. A seconda delle esigenze, una tipica rete GNSS su fibra sarà suddivisa da 8 a 32 vie su 32 ricevitori con un massimo di 16 uscite RF ciascuno per connessioni punto-multipunto. Circostanze speciali a volte richiedono fino a 16 splitter a seconda delle dimensioni della rete e del numero di endpoint che richiedono la sincronizzazione temporale. In questo caso la fibra non è ridondante poiché entrambi i canali vengono instradati insieme.
Figura 1: Rete GPS su fibra – fibra singola 8 suddivisioni ->128 endpoint antenna/trasmettitore/ricevitore ridondanti.
Doppia antenna non co-localizzata (Figura 2)
Fino a 516 endpoint sono serviti da due antenne indipendenti situate a grande distanza l'una dall'altra (ad esempio, diversi edifici in un campus). Il segnale ottico di ciascuna antenna viene suddiviso e un segnale da ciascuna antenna viene inviato a un ricevitore con 16 uscite RF. La ridondanza completa va dall'antenna al doppio ricevitore, ma la consegna all'apparecchiatura è ancora un singolo punto di guasto poiché ci sono 2 splitter 1×8 per i quali uno può guastarsi. Tuttavia, le apparecchiature con doppi ingressi di temporizzazione GNSS possono essere collegate a due uscite indipendenti, ciascuna da uno splitter diverso, per garantire la protezione da un singolo punto di guasto.
Figura 2: GPS su rete in fibra – 2 antenne ->512 endpoint antenna/trasmettitore/ricevitore ridondanti. 16 uscite TF da ciascun ricevitore (terminazione automatica). Può essere utilizzato con apparecchiature a doppio ingresso.
4 Antenna non co-localizzata (Figura 3)
Fino a 516 punti di servizio sono serviti da 4 antenne indipendenti posizionate distanti tra loro su strutture diverse. In questa architettura, le coppie di antenne hanno circuiti completamente indipendenti e trasmettono a una lunghezza d'onda diversa. Il segnale ottico della coppia di ciascuna antenna viene diviso, combinato con un segnale proveniente dall'altra posizione e un segnale da ciascuna posizione viene inviato a un ricevitore con 16 uscite RF. La ridondanza completa va dall'antenna ai due ricevitori, ciascuno completamente indipendente dalla propria coppia. Le apparecchiature con doppi ingressi di cronometraggio GNSS possono essere collegate a due uscite indipendenti per una ridondanza completa in modo che qualsiasi elemento della rete possa essere sostituito senza interruzioni.
Figura 3: GPS su rete in fibra – 4 antenne 2 posizioni ->512 endpoint antenna/trasmettitore/ricevitore ridondanti. 16 uscite TF da ciascun ricevitore (terminazione automatica). Può essere utilizzato con apparecchiature a doppio ingresso: vengono serviti 256 server a doppio ingresso.
Data la crescente importanza della temporizzazione GNSS, in particolare per i data center, è più probabile vedere una configurazione a doppia ridondanza in cui un ricevitore ottico di backup può captare il segnale in caso di guasto dell'opzione primaria. Le reti di dati stanno diventando sempre più complesse e cruciali, dove i tempi di inattività anche di un solo istante potrebbero compromettere informazioni preziose. L'obiettivo di qualsiasi architettura RFoF per la temporizzazione GNSS è creare una rete altamente efficiente che fornisca la temporizzazione GNSS a quanti più endpoint con pochi siti di antenna. In quasi tutti i casi, RFoF dovrebbe essere in grado di fornire dati temporali a oltre 500 endpoint da una singola antenna.
Quali sono i casi d'uso più comuni di temporizzazione GNSS?
Telecomunicazioni: Le reti di telecomunicazioni, comprese le reti cellulari, i sistemi di comunicazione satellitare e i servizi Internet, richiedono tempistiche precise per garantire una trasmissione e una ricezione accurata dei dati, ottimizzando l'efficienza e l'affidabilità della rete.
Transazioni finanziarie: Il GNSS viene spesso utilizzato per la marcatura temporale delle transazioni nelle borse valori, nei sistemi bancari e nelle piattaforme di trading ad alta frequenza. Una tempistica precisa è fondamentale per mantenere l’integrità delle transazioni e garantire l’equità nei mercati finanziari.
Rete elettrica: La generazione e la distribuzione dell'energia nelle reti elettriche sono spesso sincronizzate tramite GNSS. Una tempistica precisa garantisce un coordinamento efficiente tra i diversi componenti della rete, comprese centrali elettriche, sottostazioni e dispositivi di rete intelligente, contribuendo a mantenere la stabilità e l’affidabilità della rete.
Trasporti: La temporizzazione GNSS è fondamentale per i sistemi di navigazione aerea, marittima e automobilistica. Una tempistica accurata consente un posizionamento e una navigazione precisi, migliorando la sicurezza e l'efficienza nelle reti di trasporto.
Militare e Difesa: La temporizzazione GNSS gioca un ruolo vitale nelle applicazioni militari e di difesa, inclusi i sistemi di comando e controllo, la guida missilistica e le operazioni di ricognizione. Una tempistica precisa è essenziale per coordinare le attività militari e garantire l’efficacia delle capacità di difesa. Per ragioni di sicurezza, l'antenna che riceve il segnale GNSS è lontana dal server e necessita quindi di una connessione in fibra per garantire un segnale resiliente sulle lunghe distanze.
Ricerca scientifica: Campi di ricerca scientifica come la geodesia, la sismologia e la climatologia utilizzano tempistiche di precisione per aiutare gli scienziati a monitorare e analizzare i movimenti della Terra, studiare i cambiamenti ambientali e condurre esperimenti che richiedono una precisa sincronizzazione temporale.
Conclusione
Il cronometraggio sincronizzato tramite GNSS è una componente spesso sottovalutata e critica della comunicazione moderna. Diventa sempre più impegnativo a causa dell’enorme numero di nuovi punti dati, dell’uso di comunicazioni a frequenza più elevata e della costruzione di importanti data center in aree altamente remote. RFoF aiuta a colmare il divario causato dalla crescente distanza tra antenna e ricevitori che il cavo coassiale semplicemente non è in grado di supportare.
Circa l'autore:
Meir Bartür, Ph.D., è il Presidente e CEO della Optical Zonu CorporationIl Dott. Bartur vanta oltre 30 anni di esperienza in leadership, sviluppo di prodotti e innovazione tecnologica. In qualità di Senior Member dell'IEEE e leader riconosciuto nello sviluppo di soluzioni in fibra ottica a basso costo per FTTx, ha contribuito agli standard IEEE ITU PON. Prima di fondare Optical Zonu, ha diretto lo Sviluppo Prodotti Avanzati e la Tecnologia Strategica per i ricetrasmettitori di accesso presso MRV Communications (MRVC), nonché le relazioni commerciali con i suoi principali clienti. In precedenza, ha ricoperto incarichi come Vicepresidente di Ingegneria e Tecnologia presso SSDI (Solid State Devices Inc), Vicepresidente di Ingegneria presso MEC (Molecular Electronics Corp) e Capitano di Ingegneria dei Sistemi presso l'Aeronautica Militare Israeliana.