많은 사람들이 RF over Fiber 기술, 응용 프로그램 및 솔루션 분야의 최고 전문가로 인정하고 있습니다. Optical Zonu Everything RF 웹사이트에 게재할 기사를 작성해 달라는 요청을 받았습니다. 주제는 RFoF 애플리케이션을 위한 GNSS 타이밍입니다. 해당 기사는 여기에서 온라인으로 확인하실 수 있습니다. https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
RF-over-Fiber를 사용한 GNSS 타이밍 애플리케이션 탐색
종종 사람들은 단순히 "그냥 작동한다"는 이유만으로 정말 놀라운 기술과 평범한 기술을 혼동합니다. 무선 통신과 마찬가지로 이에 대한 증거는 없습니다. 통신, 금융, 전력 및 유틸리티, 내비게이션 및 산업 전반에 걸쳐 매 순간 수많은 미션 크리티컬 데이터 트랜잭션이 발생하고 있습니다. 군사 및 국방. 이러한 거래의 정확성과 안정성은 지속적으로 서로 조금씩 표류하는 내부 시계의 완벽한 동기화에 달려 있습니다. 이러한 시계를 동기화된 상태로 유지하는 메커니즘이 없으면 기껏해야 심각한 데이터 손상이 발생하거나 통신 실패가 발생할 수도 있습니다.
날이 갈수록 의사소통이 더욱 발전되고 복잡해지면서 이는 특히 더 어려워지고 있습니다. 성장 사물의 인터넷 IOT () 동기화가 필요한 새로운 연결이 도입되고, 엔드포인트가 지리적으로 더 분산되며, 많은 업계에서는 복원력을 희생하면서 짧은 대기 시간과 더 높은 처리량을 위해 더 높은 무선 주파수(RF)를 활용하고 있습니다. 이러한 변화와 관련하여 다양한 응용 분야에서 타이밍의 역할과 광섬유가 이전처럼 효율적이고 효과적으로 통신이 이루어질 수 있도록 보장하는 데 중요한 역할을 하는 이유를 이해하는 것이 중요합니다.
정밀 타이밍은 어떻게 작동하나요?
컴퓨터 내부 시계를 UTC(Universal Timing Coordinated) 글로벌 타이밍 표준과 동기화하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 네트워크 기반 표준은 NTP(Network Time Protocol)와 PTP(Precision Time Protocol)입니다. NTP는 낮은 수준의 정밀도가 허용되는 광범위한 응용 분야에 더 적합한 경우가 많습니다. 반대로, PTP는 하드웨어 스탬핑(소프트웨어 스탬핑과 반대)으로 인해 마이크로초 미만 또는 나노초 수준의 정확도를 달성할 수 있기 때문에 고정밀 타이밍에 이상적입니다.
그러나 두 타이밍 표준 모두 시간 서버와 통신하기 위해 패킷 기반 인터넷 연결을 사용하며 이더넷 전송에서 흔히 발생하는 네트워크 지터에 취약합니다. 또한 네트워크 운영자가 장거리 또는 동적 환경에서 마이크로초의 정확도를 요구할 경우 NTP와 PTP는 모두 적합하지 않습니다.
이것은 어디 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS) 정밀한 타이밍에 대한 적절한 대안 또는 보완책을 제공합니다. GNSS는 고도로 정밀한 원자 시계의 타이밍 데이터를 지상 수신기로 동시에 전송하는 우주 기반 위성의 집합체입니다. 일반적으로 누구나 알고 있는 GPS(Global Positioning Systems)가 GNSS의 한 예입니다. GNSS는 인터넷 연결이 아닌 맑은 하늘 보기만 필요하므로 지리적으로 분산된 사용 사례에 이상적입니다.
GNSS 타이밍에 광섬유가 중요한 이유는 무엇입니까?
GNSS의 글로벌 접근성은 정확한 타이밍을 위한 가장 비용 효율적이고 널리 사용되는 옵션이지만 어려움이 없는 것은 아닙니다. 하늘을 선명하게 보는 것은 말처럼 쉽지 않습니다. 특히 군사 및 데이터 센터 사용 사례가 무선 통신에 적합하지 않은 환경에 있는 경우가 많다는 점을 고려할 때 더욱 그렇습니다. 지형은 험난할 수 있으며, 원격 위치에 있는 경우가 많으며, 시설은 중금속과 콘크리트로 구성되어 있어 RF 환경이 까다롭습니다.
GNSS는 1.1~1.6GHz 사이의 RF를 통해 통신하며 동축 케이블을 사용하여 안테나에서 서버로 데이터를 전송하는 경우가 많습니다. 그러나 안테나가 수신기에서 50미터 이상 떨어져 있으면 감쇠가 너무 커져서 신호가 방해를 받게 됩니다. 이는 이유 RFoF(RF 오버 파이버) 범위를 크게 확장하는 데 사용됩니다. 동축 케이블보다 몇 배 더 적은 크기로 감쇠됩니다. 섬유를 사용하면 성능이 더 좋을 뿐만 아니라 비금속 특성으로 인해 전자기 간섭에 영향을 받지 않습니다.
GNSS 신호 요구 사항
GNSS 신호에 의존하는 장비는 일반적으로 장치를 작동하는 데 필요한 전력을 공급합니다. 저잡음 증폭기(LNA) 안테나 안에 상주하는 것입니다. DC 전력은 Bias-T를 통해 안테나로 LNA에 공급됩니다. 일반적으로 "클라이언트" 장비는 LNA가 소비하는 전력을 모니터링하고 일부 전자 및 스파크 방지기에 의해 단락, 번개 및 기타 잠재적인 문제로부터 보호됩니다. 기본적으로 이 모니터링은 안테나와 해당 LNA가 제대로 작동하는 경우 적절한 안테나 부하(예: 안테나에서 소비하는 전력)가 존재하는지 테스트하는 데 사용됩니다. 어떤 방식으로든 안테나 연결이 끊어지거나 끊어지거나 단락되거나 중단되면 클라이언트 장비가 이를 감지하고 원격으로 모니터링할 수 있는 시스템 경고를 제공합니다. 이는 무선 기지국 및 데이터 센터 사용 사례에 해당됩니다. 즉, 장비는 GNSS용 RF 신호와 안테나 부하를 모니터링하기 위한 신호도 수신합니다.
광섬유 아키텍처를 통해 GNSS를 구축하는 방법은 무엇입니까?
RFoF 기술은 RF를 광 신호로 변환하고 이를 광섬유 케이블을 통해 전송합니다. 목적지에 도달하면 광 신호를 다시 RF로 다시 변환합니다. 이러한 시스템은 일반적으로 송신기, 광섬유 링크 및 수신기로 구성됩니다. GNSS에 RFoF를 사용하는 것은 안테나 신호 전파, 중복 요구 사항 및 원격 모니터링의 세 부분으로 나눌 수 있습니다.
안테나 신호 전파
RF 신호 전파는 안테나 – 동축 – LNA – 레이저 다이오드 드라이버 – 레이저 다이오드 – 광섬유 – 광검출기 – 포스트 증폭기와 같은 전통적인 RFoF 방식으로 수행됩니다. 그러나 광섬유를 통해 GNSS 신호를 분배하는 경우 앞서 언급한 안테나 부하도 전파되어야 하므로 안테나 부하와 RF를 포괄하는 특별한 두 신호 전송이 필요합니다. 네트워크 운영자가 안테나 부하 상태를 보여주는 장비 간의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다. 출력에서만 안테나 부하 상태가 RF 신호와 병렬로 전파되는 적절한 방식 대신 광 수신기의. 전자의 예는 운영자가 즉시 문제 유형을 식별할 수 있도록 안테나 상태를 제대로 표시하지 않습니다.
중복 요구 사항
중요한 장비 작동이 타이밍 소스에 의존하기 때문에 GNSS 신호 전달에 필요한 신뢰성이 매우 높습니다. 탄력적인 시스템은 단일 장애 지점을 견뎌야 하며 여전히 전체 신호를 제공해야 합니다. 이는 다중 안테나(서로 멀리 떨어져 있는 것이 좋음), 이중 전자 장치, 다중 광섬유(절단된 광섬유가 작동을 멈추지 않도록 다르게 라우팅됨) 및 자동 전환 기능이 있는 이중 수신기가 필요하다는 것을 의미합니다. 산업용 등급 장비는 다양한 중요 인프라 요소에 따라 다를 수 있는 시장 요구를 충족할 수 있는 뛰어난 유연성을 갖춘 모든 기능을 제공합니다.
원격 모니터링
모든 인프라 네트워크 요소는 실제 또는 잠재적인 오류를 해결하기 위해 연중무휴 24시간 모니터링되어야 합니다. 최소한 모니터링 및 경보/경고 생성에는 안테나의 상태/가용성, 광섬유 신호의 무결성 및 GNSS 품질에 대한 보고서가 포함되어야 합니다. 눈에 보이는 모든 위성과 신호 강도를 모니터링하는 것이 가능하지만 이것이 필요한 경우는 거의 없습니다. 기존 SNMP(간단한 네트워크 모니터링 프로토콜)를 사용하면 모든 경보를 관리하고 명령 센터나 지원 담당자에게 즉각적인 메시지를 배포할 수 있는 NMS(네트워크 모니터링 시스템)에 산업용 등급 GNSS 배포를 연결할 수 있습니다. 이중화로 설계된 시스템의 경우 이러한 경보 및 경고를 통해 시스템 또는 타이밍 분배가 완전한 기능을 유지하는 동안 예방적 유지 관리가 가능합니다.
기타 고려 사항
광섬유를 통한 GNSS 시스템을 배포할 때 비용, 설치 및 운영의 용이성은 항상 중요한 고려 사항입니다. 기능성 LED를 직관적으로 이해할 수 있는 인체공학적 디자인이 그 한 예입니다. 자동 종료는 광섬유를 통한 GNSS의 설치 및 운영을 보다 비용 효율적으로 만들어주는 또 다른 유용한 기능입니다. 신호를 여러 지점에 분배하는 RF 분배기에서 사용되지 않는 포트는 GHz 범위에서 개방형 커넥터의 반사율로 인한 신호 저하를 방지하기 위해 50Ω 부하로 종단되어야 합니다. 일부 장비 제공업체는 자동 종료 기능을 제공하므로 설치를 더 쉽게 하고 향후 성능 문제를 방지하기 위해 외부 부하에 연결할 필요가 없습니다.
광섬유 아키텍처를 통한 GNSS의 예
같은 위치에 배치된 이중 안테나(그림 1)
8개의 안테나는 채널을 단일 광섬유로 결합하는 32채널 광섬유 전송 송신기에 연결되며, 이는 전송 수신기 또는 기본 장치와 연결하기 위해 수동적으로 분할될 수 있습니다. 필요에 따라 광섬유 네트워크를 통한 일반적인 GNSS는 지점 대 다중 지점 연결을 위해 각각 최대 32개의 RF 출력을 갖춘 16개의 수신기로 16~XNUMX가지 방식으로 분할됩니다. 특별한 상황에서는 네트워크 크기와 타이밍 동기화가 필요한 엔드포인트 수에 따라 최대 XNUMX개의 스플리터가 필요한 경우도 있습니다. 이 경우 두 채널이 함께 라우팅되므로 광섬유는 중복되지 않습니다.
그림 1: 광섬유 네트워크를 통한 GPS – 단일 광섬유 8 분할 -> 128개의 끝점 중복 안테나/송신기/수신기.
같은 위치에 있지 않은 이중 안테나(그림 2)
최대 516개의 엔드포인트는 서로 멀리 떨어져 있는 두 개의 독립 안테나(예: 캠퍼스의 서로 다른 건물)에 의해 서비스됩니다. 각 안테나의 광 신호는 분할되고 각 안테나의 신호는 16개의 RF 출력을 통해 수신기로 전달됩니다. 전체 중복성은 안테나에서 이중 수신기로 이동하지만 장비로의 전달은 2개의 1×8 스플리터 중 하나가 실패할 수 있으므로 여전히 단일 실패 지점입니다. 그러나 이중 GNSS 타이밍 입력이 있는 장비는 단일 실패 지점으로부터 보호하기 위해 각각 다른 스플리터의 두 독립 출력에 연결할 수 있습니다.
그림 2: 광섬유 네트워크를 통한 GPS - 안테나 2개 -> 엔드포인트 중복 안테나/송신기/수신기 512개. 각 수신기에서 16개의 TF 출력(자동 종료). 이중 입력 장비와 함께 사용할 수 있습니다.
4 안테나가 같은 위치에 있지 않음(그림 3)
서로 다른 구조에서 서로 멀리 떨어져 있는 516개의 독립 안테나가 최대 4개의 서비스 지점을 제공합니다. 이 아키텍처에서 안테나 쌍은 완전히 독립적인 회로를 가지며 서로 다른 파장에서 전송합니다. 각 안테나 쌍의 광 신호는 분할되어 다른 위치의 신호와 결합되며 각 위치의 신호는 16개의 RF 출력을 통해 수신기로 전달됩니다. 완전한 이중화는 안테나에서 두 개의 수신기로 전달되며, 각 수신기는 해당 쌍과 완전히 독립되어 있습니다. 이중 GNSS 타이밍 입력이 있는 장비는 완전한 중복성을 위해 두 개의 독립적인 출력에 연결할 수 있으므로 네트워크의 모든 요소를 중단 없이 교체할 수 있습니다.
그림 3: 광섬유 네트워크를 통한 GPS - 안테나 4개, 위치 2개 -> 엔드포인트 512개 중복 안테나/송신기/수신기. 각 수신기에서 16개의 TF 출력(자동 종료). 이중 입력 장비와 함께 사용할 수 있습니다. 256개의 이중 입력 서버가 제공됩니다.
특히 데이터 센터에서 GNSS 타이밍의 중요성이 증가함에 따라 기본 옵션에 오류가 발생할 경우 백업 광 수신기가 신호를 포착할 수 있는 이중 중복 설정을 볼 가능성이 더 높습니다. 데이터 네트워크는 점점 더 복잡해지고 미션 크리티컬해지고 있으며, 단 한 순간의 다운타임이라도 귀중한 정보를 손상시킬 수 있습니다. GNSS 타이밍을 위한 RFoF 아키텍처의 목표는 안테나 사이트가 거의 없는 많은 엔드포인트에 GNSS 타이밍을 제공하는 매우 효율적인 네트워크를 만드는 것입니다. 거의 모든 경우에 RFoF는 단일 안테나에서 500개 이상의 엔드포인트에 타이밍 데이터를 제공할 수 있어야 합니다.
가장 일반적인 GNSS 타이밍 사용 사례는 무엇입니까?
통신: 셀룰러 네트워크, 위성 통신 시스템, 인터넷 서비스를 포함한 통신 네트워크에서는 정확한 데이터 전송 및 수신을 보장하고 네트워크 효율성과 안정성을 최적화하기 위해 정확한 타이밍이 필요합니다.
금융 거래: GNSS는 증권 거래소, 은행 시스템, 초단타 거래 플랫폼에서 거래의 타임스탬프를 찍는 데 자주 사용됩니다. 금융 시장에서 거래 무결성을 유지하고 공정성을 보장하려면 정확한 타이밍이 중요합니다.
파워 그리드: 전력망의 전력 생성과 분배는 GNSS를 통해 동기화되는 경우가 많습니다. 정확한 타이밍은 발전소, 변전소, 스마트 그리드 장치 등 그리드의 다양한 구성 요소 간의 효율적인 조정을 보장하여 그리드 안정성과 신뢰성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
운송: GNSS 타이밍은 항공, 해상, 자동차 항법 시스템의 기본입니다. 정확한 타이밍은 정확한 위치 지정 및 탐색을 가능하게 하여 운송 네트워크의 안전성과 효율성을 향상시킵니다.
군사 및 방위: GNSS 타이밍은 명령 및 제어 시스템, 미사일 유도, 정찰 작전을 포함한 군사 및 국방 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다. 군사 활동을 조정하고 방어 능력의 효율성을 보장하려면 정확한 시기가 필수적입니다. 안전상의 이유로 GNSS 신호를 수신하는 안테나는 서버에서 멀리 떨어져 있으므로 장거리에 걸쳐 탄력적인 신호를 보장하려면 광섬유 연결이 필요합니다.
과학적 연구: 측지학, 지진학, 기후학 등 과학 연구 분야에서는 과학자들이 지구의 움직임을 모니터링 및 분석하고 환경 변화를 연구하며 정확한 시간 동기화가 필요한 실험을 수행할 수 있도록 정밀한 타이밍을 사용합니다.
맺음말
GNSS를 통한 동기화된 타이밍은 현대 통신에서 종종 과소평가되고 중요한 구성 요소입니다. 새로운 데이터 포인트의 수가 늘어나고, 더 높은 주파수의 통신이 사용되며, 매우 먼 지역에 중요한 데이터 센터가 구축되기 때문에 이는 더욱 어려워지고 있습니다. RFoF는 동축 케이블이 지원할 수 없는 안테나와 수신기 사이의 거리 증가로 인한 격차를 해소하는 데 도움이 됩니다.
저자에 관하여 :
메이어 바르투르, Ph.D.는 의 사장 겸 CEO입니다. Optical Zonu Corporation바르투르 박사는 리더십, 제품 개발 및 기술 혁신 분야에서 30년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. IEEE 선임 회원이자 FTTx용 저비용 광섬유 솔루션 개발 분야의 저명한 리더로서, 그는 IEEE ITU PON 표준 제정에 기여했습니다. 그는 회사를 설립하기 전에... Optical Zonu그는 MRV Communications(MRVC)에서 액세스 트랜시버의 첨단 제품 개발 및 전략 기술을 총괄했으며, 주요 고객과의 비즈니스 관계도 담당했습니다. 그 이전에는 SSDI(Solid State Devices Inc)에서 엔지니어링 및 기술 담당 부사장, MEC(Molecular Electronics Corp)에서 엔지니어링 담당 부사장, 그리고 이스라엘 공군에서 시스템 엔지니어 대위로 근무했습니다.