多くの人からRF over Fiberテクノロジー、アプリケーション、ソリューションの第一人者として認められている Optical Zonu Everything RFウェブサイトの記事を執筆するよう依頼されました。テーマはRFoFアプリケーションにおけるGNSSタイミングです。記事はこちらからオンラインでご覧いただけます。 https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
RF-over-Fiberを使用したGNSSタイミングアプリケーションの調査
多くの場合、人々は本当に素晴らしい技術を、単に「ただ機能する」というだけの理由で平凡なものと混同します。無線通信の場合、この証拠はまったくありません。通信、金融、電力・公共事業、ナビゲーション、そして、あらゆる業界で、無数のミッションクリティカルなデータトランザクションが毎分発生しています。 軍事および防衛これらのトランザクションの正確性と安定性は、常にわずかにずれている内部クロックの完全な同期に依存しています。これらのクロックを同期させるメカニズムが導入されていない場合、最悪の場合、重大なデータ破損や通信障害が発生する可能性があります。
コミュニケーションが日々進化し複雑化している現在、これは特に困難になっています。 インターネットのもの（IoT） 同期を必要とする新しい接続が導入され、エンドポイントは地理的に分散され、多くの業界では回復力を犠牲にして低遅延と高スループットを実現するためにより高い無線周波数 (RF) を活用しています。これらの変化に関連して、さまざまなアプリケーションでのタイミングの役割と、通信が以前と同じように効率的かつ効果的に行われるようにするためにファイバーが重要な役割を果たしている理由を理解することが重要です。
精密タイミングはどのように機能しますか?
コンピュータの内部クロックを世界標準の UTC (Universal Timing Coordinated) と同期させるには、いくつかの方法があります。最も一般的なネットワークベースの標準は、ネットワーク タイム プロトコル (NTP) と高精度タイム プロトコル (PTP) です。NTP は、精度が低くても許容される幅広いアプリケーションに適しています。一方、PTP は、ハードウェア スタンプ (ソフトウェア スタンプとは対照的) によりサブマイクロ秒またはナノ秒レベルの精度を実現できるため、高精度のタイミングに最適です。
ただし、どちらのタイミング標準も、タイム サーバーとの通信にパケット ベースのインターネット接続に依存しており、イーサネット トランスポートで一般的なネットワーク ジッターの影響を受けやすいです。さらに、ネットワーク オペレーターが長距離または動的な環境でマイクロ秒単位の精度を必要とする場合には、NTP と PTP はどちらも理想的ではありません。
ところです グローバルナビゲーション衛星システム（GNSS） 高精度タイミングの適切な代替手段または補足手段を提供します。GNSS は、高精度の原子時計から地上の受信機にタイミング データを同時に送信する宇宙ベースの衛星群です。誰もが知っている全地球測位システム (GPS) は、GNSS の一例です。GNSS が機能するには、インターネット接続ではなく、空のクリアな視界のみが必要であるため、地理的に分散した使用例に最適です。
GNSS タイミングにとってファイバーが重要な理由は何ですか?
GNSS は世界中で利用できるため、正確なタイミングを得るための最も費用対効果が高く、人気のあるオプションとなっていますが、課題がないわけではありません。空をはっきりと見渡すことは、言うほど簡単ではありません。特に、軍事やデータ センターの使用事例では、無線通信に理想的とは言えない環境であることが多いことを考慮すると、なおさらです。地形は荒れていることが多く、遠隔地であることが多く、施設は重金属やコンクリートでできているため、RF 環境としては困難です。
GNSSは1.1～1.6GHzのRFで通信し、アンテナからサーバーにデータを送信するために同軸ケーブルを使用することが多い。しかし、アンテナが受信機から50メートル以上離れると、減衰が大きくなりすぎて信号が途切れてしまう。これが、 光ファイバー経由のRF（RFoF） 範囲を大幅に拡張するために使用されます。同軸ケーブルよりも減衰が数桁少なくなります。ファイバーを使用するとパフォーマンスが向上するだけでなく、非金属であるため電磁干渉の影響を受けません。
GNSS信号要件
GNSS信号に依存する機器は、通常、 低雑音増幅器（LNA） アンテナ内にある DC 電源。DC 電源は、アンテナへのバイアス T を介して LNA に供給されます。通常、「クライアント」機器は LNA によって消費される電力を監視し、電子アレスタやスパーク アレスタによってショート、落雷、その他の潜在的な問題から保護されます。基本的に、この監視は、アンテナとその LNA が正常に動作している場合に、適切なアンテナ負荷 (アンテナによって消費される電力など) が存在することをテストするために使用されます。アンテナが切断、破損、ショート、または何らかの形で中断されると、クライアント機器がそれを検出し、リモートで監視できるシステム アラートを提供します。これは、無線基地局やデータ センターの使用例に当てはまります。つまり、機器は GNSS の RF 信号と、アンテナ負荷を監視するための信号を受信し
ファイバーアーキテクチャ上で GNSS を構築するにはどうすればよいでしょうか?
RFoF テクノロジーは、RF を光信号に変換し、光ファイバー ケーブルで伝送します。送信先に到達すると、光信号は再び RF に変換されます。これらのシステムは通常、送信機、光ファイバー リンク、受信機で構成されます。GNSS での RFoF の使用は、アンテナ信号伝播、冗長性要件、リモート監視の 3 つのセグメントに分けられます。
アンテナ信号伝播
RF信号の伝播は、アンテナ、同軸、LNA、レーザーダイオードドライバー、レーザーダイオード、ファイバー、光検出器、ポストアンプという古典的なRFoF方式で行われます。しかし、GNSS信号をファイバー経由で配信する場合、前述のアンテナ負荷も伝播する必要があり、アンテナ負荷とRFを包含する特別な2信号伝送が必要になります。ネットワークオペレータは、アンテナ負荷ステータスを表示する機器と、アンテナ負荷ステータスを表示する機器の違いを理解することが重要です。 出力のみ アンテナ負荷ステータスが RF 信号と並行して伝播される適切な方法ではなく、光受信機のアンテナ負荷ステータスが RF 信号と並行して伝播される適切な方法ではありません。前者の例では、アンテナの状態が適切に表示されないため、オペレータは問題の種類をすぐに識別できません。
冗長性要件
重要な機器の動作がタイミング ソースに依存するため、GNSS 信号の配信に求められる信頼性は非常に高くなります。回復力のあるシステムは、単一障害点に耐え、完全な信号を提供する必要があります。つまり、複数のアンテナ (できれば互いに離れた場所に配置)、二重の電子機器、複数のファイバー (切断されたファイバーが動作を停止しないように異なるルートで配置)、および自動切り替え機能を備えた二重の受信機が必要になります。産業グレードの機器は、重要なインフラストラクチャ要素ごとに異なる可能性がある市場の需要を満たすために、これらすべての機能を優れた柔軟性で提供します。
リモート監視
実際の障害または潜在的な障害に対処するために、すべてのインフラストラクチャ ネットワーク要素を 24 時間 7 日監視する必要があります。少なくとも、監視とアラーム/警告の生成には、アンテナの状態/可用性、ファイバー信号の整合性、および GNSS の品質に関するレポートを含める必要があります。すべての可視衛星と信号強度を監視することは可能ですが、これが必要になることはほとんどありません。既存の SNMP (簡易ネットワーク監視プロトコル) を使用すると、産業グレードの GNSS 配信を NMS (ネットワーク監視システム) に接続できます。NMS はすべてのアラームを管理し、コマンド センターまたはサポート担当者に瞬時にメッセージを配信できます。冗長性を考慮して設計されたシステムの場合、このようなアラームと警告により、システムまたはタイミング配信が完全に機能している間に予防保守が可能になります。
その他の考慮事項
GNSS-over-fiber システムを導入する際、コスト、設置と操作の容易さは常に重要な考慮事項です。機能 LED を直感的に理解できる人間工学に基づいた設計はその一例です。自動終端は、GNSS over Fiber の設置と操作のコスト効率を高めるもう 50 つの便利な機能です。信号を複数のポイントに分配する RF スプリッターでは、GHz 範囲でのオープン コネクタの反射による信号劣化を回避するために、未使用のポートを XNUMX オームの負荷で終端する必要があります。一部の機器プロバイダーは自動終端を提供しており、これにより、設置を容易にし、将来のパフォーマンスの問題を回避するために外部負荷に接続する必要がなくなります。
光ファイバー経由GNSSアーキテクチャの例
デュアルアンテナの共存（図1）
8 つのアンテナは、チャネルを 32 つのファイバーに結合し、パッシブに分割してトランスポート レシーバーまたはベース ユニットに接続できる 32 チャネル ファイバー トランスポート トランスミッターに接続します。ニーズに応じて、一般的な GNSS over ファイバー ネットワークは、ポイントツーマルチポイント接続用に、最大 16 個の RF 出力を持つ 16 個のレシーバーに XNUMX ～ XNUMX の経路で分割されます。特殊な状況では、ネットワーク サイズとタイミング同期を必要とするエンドポイントの数に応じて、最大 XNUMX 個のスプリッターが必要になる場合があります。この場合、両方のチャネルが一緒にルーティングされるため、ファイバーは冗長ではありません。
図 1: ファイバー ネットワーク上の GPS – 単一ファイバー 8 分岐 -> 128 エンドポイント冗長アンテナ/送信機/受信機。
デュアルアンテナが共存していない（図2）
最大 516 のエンドポイントが、互いに離れた場所 (キャンパス内の異なる建物など) にある 16 つの独立したアンテナによってサービスされます。各アンテナの光信号は分割され、各アンテナからの信号は 2 個の RF 出力を持つ受信機に配信されます。アンテナからデュアル受信機への完全な冗長性は確保されますが、機器への配信は依然として単一障害点です。これは、1 つの 8×XNUMX スプリッターがあり、そのうち XNUMX つが故障する可能性があるためです。ただし、デュアル GNSS タイミング入力を持つ機器は、それぞれ異なるスプリッターからの XNUMX つの独立した出力に接続して、単一障害点からの保護を確保できます。
図 2: ファイバー ネットワーク経由の GPS – 2 つのアンテナ -> 512 エンドポイントの冗長アンテナ/送信機/受信機。各受信機から 16 個の TF 出力 (自動終端)。デュアル エントリ機器で使用できます。
4つのアンテナが共存していない（図3）
最大 516 のサービス ポイントが、異なる構造で互いに離れた場所にある 4 つの独立したアンテナによって提供されます。このアーキテクチャでは、アンテナ ペアは完全に独立した回路を持ち、異なる波長で送信します。各アンテナのペアの光信号は分割され、他の場所からの信号と結合され、各場所からの信号は 16 の RF 出力を持つ受信機に配信されます。完全な冗長性は、アンテナから XNUMX つの受信機にまで及び、各受信機はペアから完全に独立しています。デュアル GNSS タイミング入力を備えた機器は、完全な冗長性のために XNUMX つの独立した出力に接続できるため、ネットワークのどの要素も中断することなく交換できます。
図 3: ファイバー ネットワーク経由の GPS – 4 つのアンテナ、2 つの場所 -> 512 エンドポイントの冗長アンテナ/送信機/受信機。各受信機から 16 個の TF 出力 (自動終端)。デュアル エントリ機器で使用可能 – 256 個のデュアル エントリ サーバーがサービスされます。
GNSS タイミングの重要性が高まっていることを考えると、特にデータ センターでは、プライマリ オプションに障害が発生した場合にバックアップの光受信機が信号を受信できる二重冗長構成が採用される可能性が高くなります。データ ネットワークはますます複雑かつミッション クリティカルになっており、一瞬でもダウンタイムがあると貴重な情報が損なわれる可能性があります。GNSS タイミング用の RFoF アーキテクチャの目標は、アンテナ サイトを少なくしてできるだけ多くのエンドポイントに GNSS タイミングを提供する、非常に効率的なネットワークを作成することです。ほぼすべてのケースで、RFoF は単一のアンテナから 500 を超えるエンドポイントにタイミング データを提供できるはずです。
GNSS タイミングの最も一般的な使用例は何ですか?
電気通信: 携帯電話ネットワーク、衛星通信システム、インターネット サービスなどの通信ネットワークでは、正確なデータの送受信を保証し、ネットワークの効率と信頼性を最適化するために、正確なタイミングが必要です。
金融取引: GNSS は、証券取引所、銀行システム、高頻度取引プラットフォームでの取引のタイムスタンプによく使用されます。正確なタイミングは、取引の整合性を維持し、金融市場の公平性を確保する上で非常に重要です。
送電網: 電力網における発電と配電は、多くの場合、GNSS を通じて同期されます。正確なタイミングにより、発電所、変電所、スマート グリッド デバイスなど、電力網のさまざまなコンポーネント間の効率的な調整が保証され、電力網の安定性と信頼性が維持されます。
輸送手段: GNSS タイミングは、航空、海上、自動車のナビゲーション システムの基本です。正確なタイミングにより、正確な測位とナビゲーションが可能になり、輸送ネットワークの安全性と効率が向上します。
軍と国防: GNSS タイミングは、指揮統制システム、ミサイル誘導、偵察活動などの軍事および防衛アプリケーションで重要な役割を果たします。正確なタイミングは、軍事活動を調整し、防衛能力の有効性を確保する上で不可欠です。安全上の理由から、GNSS 信号を受信するアンテナはサーバーから遠く離れているため、長距離にわたって耐性のある信号を確保するにはファイバー接続が必要です。
科学研究測地学、地震学、気候学などの科学研究分野では、精密タイミングを利用して、科学者が地球の動きを監視および分析し、環境の変化を研究し、正確な時間同期を必要とする実験を実施できるようにしています。
結論
GNSS による同期タイミングは、現代の通信においてしばしば過小評価されがちな重要な要素です。新しいデータ ポイントの数の多さ、高周波通信の使用、非常に遠隔地での重要なデータ センターの構築により、同期タイミングはますます困難になっています。RFoF は、同軸ケーブルでは対応できない、アンテナと受信機間の距離の拡大によって生じるギャップを埋めるのに役立ちます。
著者紹介:
メイア・バートゥール博士は、 Optical Zonu Corporationバルトゥール博士は、リーダーシップ、製品開発、技術革新において30年以上の経験を有しています。IEEEのシニアメンバーであり、FTTx向け低コスト光ファイバーソリューションの開発におけるリーダーとして認められており、IEEE ITU PON規格の策定に貢献しました。設立前は、 Optical ZonuMRV Communications（MRVC）において、アクセストランシーバーの先進製品開発および戦略技術、ならびに主要顧客とのビジネス関係を統括しました。それ以前は、SSDI（Solid State Devices Inc）でエンジニアリング＆テクノロジー担当副社長、MEC（Molecular Electronics Corp）でエンジニアリング担当副社長、イスラエル空軍でシステムエンジニアリング担当大尉を歴任しました。