Door velen beschouwd als de toonaangevende experts op het gebied van RF over Fiber-technologieën, -toepassingen en -oplossingen. Optical Zonu Mij werd gevraagd een artikel te schrijven voor de Everything RF-website. Het onderwerp is GNSS-timing voor RFoF-toepassingen. Je kunt het artikel hier online bekijken. https://www.everythingrf.com/community/exploring-gnss-timing-applications-using-rf-over-fiber
Onderzoek naar GNSS-timingtoepassingen met behulp van RF-over-Fiber
Vaak verwarren mensen werkelijk opmerkelijke technologieën met het alledaagse, simpelweg omdat ‘het gewoon werkt’. Er is geen bewijs hiervoor, zoals bij draadloze communicatie. Er vinden elk moment talloze bedrijfskritische datatransacties plaats in sectoren zoals telecommunicatie, financiën, energie en nutsvoorzieningen, navigatie en leger en defensie. De nauwkeurigheid en stabiliteit van deze transacties zijn afhankelijk van de perfecte synchronisatie van interne klokken die voortdurend een klein beetje van elkaar afwijken. Als er geen mechanismen zijn ingevoerd om deze klokken gesynchroniseerd te houden, kan er op zijn best sprake zijn van aanzienlijke datacorruptie of zelfs van een communicatiefout.
Dit wordt vooral een uitdaging nu de communicatie met de dag geavanceerder en complexer wordt. De groei van de Internet of Things (IoT) introduceert nieuwe verbindingen die synchronisatie vereisen, eindpunten zijn geografisch meer verspreid en veel industrieën profiteren van hogere radiofrequenties (RF) voor lage latentie en hogere doorvoer, ten koste van de veerkracht. Het is belangrijk om de rol van timing in verschillende toepassingen te begrijpen in relatie tot deze veranderingen en waarom glasvezel een cruciale rol speelt bij het garanderen dat communicatie nog steeds even efficiënt en effectief kan plaatsvinden als voorheen.
Hoe werkt precisietiming?
Er zijn verschillende benaderingen voor het synchroniseren van de interne computerklokken met onze universele timing-gecoördineerde (UTC) wereldwijde timingstandaard. De meest voorkomende netwerkgebaseerde standaarden zijn Network Time Protocol (NTP) en Precision Time Protocol (PTP). NTP is vaak beter voor een breder scala aan toepassingen waarbij een lager nauwkeurigheidsniveau acceptabel is. Omgekeerd is PTP ideaal voor zeer nauwkeurige timing, omdat het nauwkeurigheidsniveaus van sub-microseconden of nanoseconden kan bereiken dankzij hardware-stempeling (in tegenstelling tot software-stempeling).
Beide timingstandaarden zijn echter afhankelijk van pakketgebaseerde internetverbindingen om met de tijdserver te communiceren en zijn gevoelig voor netwerkjitter die vaak voorkomt bij Ethernet-transport. Bovendien zijn zowel NTP als PTP niet ideaal wanneer een netwerkoperator microseconden nauwkeurigheid over grote afstanden of in dynamische omgevingen vereist.
Dit is waar de Wereldwijd satellietnavigatiesysteem (GNSS) biedt een geschikt alternatief of aanvulling op precisietiming. GNSS is een constellatie van in de ruimte gestationeerde satellieten die elk gelijktijdig timinggegevens van zeer nauwkeurige atoomklokken naar terrestrische ontvangers verzenden. Global Positioning Systems (GPS), waar over het algemeen iedereen van op de hoogte is, is een voorbeeld van GNSS. Omdat GNSS alleen een duidelijk zicht op de lucht nodig heeft om te kunnen werken, en geen internetverbinding, is het ideaal voor geografisch verspreide gebruiksscenario's.
Waarom is glasvezel cruciaal voor GNSS-timing?
De wereldwijde toegankelijkheid van GNSS maakt het de meest kosteneffectieve en populaire optie voor nauwkeurige timing, maar het is niet zonder uitdagingen. Een duidelijk zicht op de lucht hebben is gemakkelijker gezegd dan gedaan, vooral als je bedenkt dat militaire en datacentergebruiksscenario's zich vaak in minder dan ideale omgevingen bevinden voor draadloze communicatie. Het terrein kan ruig zijn, vaak op afgelegen locaties, en de faciliteiten zijn samengesteld uit zwaar metaal en beton, wat zorgt voor een moeilijke RF-omgeving.
GNSS communiceert via RF tussen 1.1 en 1.6 GHz en maakt vaak gebruik van coaxkabels om gegevens van de antenne naar de servers te verzenden. Als de antenne echter meer dan 50 meter van de ontvanger verwijderd is, wordt de demping te groot en wordt het signaal verstoord. Dit is waarom RF over glasvezel (RFoF) wordt gebruikt om het bereik aanzienlijk uit te breiden; het verzwakt verschillende ordes van grootte minder dan coaxkabel. Niet alleen zijn de prestaties beter met glasvezel, maar door de niet-metalen aard ervan is het immuun voor elektromagnetische interferentie.
GNSS-signaalvereisten
Apparatuur die afhankelijk is van GNSS-signalen levert doorgaans de stroom die nodig is om de GNSS-signalen te laten werken geluidsarme versterker (LNA) dat zich in de antenne bevindt. De gelijkstroom wordt via Bias-T naar de antenne aan de LNA geleverd. Doorgaans bewaakt de 'klant'-apparatuur het stroomverbruik van de LNA en wordt deze beschermd tegen kortsluiting, bliksem en andere potentiële problemen door bepaalde elektronische en vonkenvangers. In wezen wordt deze monitoring gebruikt om te testen of er sprake is van een goede antennebelasting (bijvoorbeeld het vermogen dat door de antenne wordt verbruikt) als de antenne en de bijbehorende LNA goed werken. Wanneer de antenne wordt losgekoppeld, doorgebrand, kortgesloten of op welke manier dan ook verstoord, detecteert de clientapparatuur dit en geeft een systeemwaarschuwing die op afstand kan worden bewaakt. Dit geldt voor gebruiksscenario's voor draadloze basisstations en datacenters. Met andere woorden: de apparatuur ontvangt een RF-signaal voor GNSS en ook een signaal om de antennebelasting te monitoren.
Hoe bouw je een GNSS via glasvezelarchitectuur?
RFoF-technologie zet RF om in optische signalen en transporteert deze over glasvezelkabels. Zodra het zijn bestemming bereikt, zet het het optische signaal weer om in RF. Deze systemen bestaan doorgaans uit een zender, een optische vezelverbinding en een ontvanger. Het gebruik van RFoF voor GNSS kan worden opgesplitst in drie segmenten: voortplanting van antennesignalen, redundantievereisten en bewaking op afstand.
Antennesignaalvoortplanting
De voortplanting van het RF-signaal wordt uitgevoerd in een klassieke RFoF-modaliteit: Antenne – coax – LNA – laserdiode driver – laserdiode – glasvezel – fotodetector – postversterker. Maar bij het distribueren van GNSS-signalen via glasvezel moet de eerder genoemde antennebelasting ook worden gepropageerd en vereist dus een speciaal transport van twee signalen dat de antennebelasting en RF omvat. Het is belangrijk dat netwerkexploitanten het verschil begrijpen tussen apparatuur die de status van de antennebelasting weergeeft alleen aan de uitgang van de optische ontvanger in plaats van de juiste manier waarop de antennebelastingsstatus parallel aan het RF-signaal wordt doorgegeven. In het eerste voorbeeld wordt de toestand van de antenne niet correct weergegeven, zodat de operator het type probleem onmiddellijk kan identificeren.
Redundantievereisten
De vereiste betrouwbaarheid voor de levering van GNSS-signalen is zeer hoog vanwege de afhankelijkheid van kritische apparatuurwerking van de timingbron. Een veerkrachtig systeem moet bestand zijn tegen een enkel storingspunt en toch het volledige signaal leveren. Dat vertaalt zich in de behoefte aan meerdere antennes (bij voorkeur uit elkaar geplaatst), dubbele elektronica, meerdere vezels (anders gerouteerd zodat een doorgesneden vezel de werking niet stopt) en dubbele ontvangers met automatische schakeling. Apparatuur van industriële kwaliteit biedt al deze functies met grote flexibiliteit om te voldoen aan de markteisen die voor verschillende kritieke infrastructuurelementen verschillend kunnen zijn.
Remote Monitoring
Alle infrastructuurnetwerkelementen moeten 24/7 worden gemonitord om eventuele daadwerkelijke of potentiële storingen aan te pakken. Het monitoren en genereren van alarmen/waarschuwingen moet op zijn minst een rapport omvatten over de status/beschikbaarheid van een antenne, de integriteit van het glasvezelsignaal en de kwaliteit van het GNSS. Het is mogelijk om alle zichtbare satellieten en de signaalsterkte te monitoren – maar dit is zelden nodig. Het gebruik van het bestaande SNMP (Simple Network Monitoring Protocol) maakt de connectiviteit mogelijk van industriële GNSS-distributie met een NMS (Network Monitoring System) dat alle alarmen beheert en onmiddellijke berichten kan distribueren naar commandocentra of ondersteunend personeel. Voor systemen die zijn ontworpen met redundantie, maken dergelijke alarmen en waarschuwingen preventief onderhoud mogelijk, terwijl het systeem of de timingdistributie volledig functioneel blijft.
Andere overwegingen
Kosten, installatiegemak en bediening zijn altijd belangrijke overwegingen bij de inzet van een GNSS-over-glasvezelsysteem. Het ergonomische ontwerp dat een intuïtief begrip van de functionele LED mogelijk maakt, is hiervan een voorbeeld. Automatische beëindiging is een andere nuttige functie die de installatie en werking van GNSS via glasvezel kosteneffectiever maakt. In de RF-splitter die het signaal naar meerdere punten distribueert, moeten ongebruikte poorten worden afgesloten met een belasting van 50 ohm om signaalverslechtering als gevolg van de reflectiviteit van een open connector in het GHz-bereik te voorkomen. Sommige leveranciers van apparatuur bieden automatische beëindiging aan, waardoor het niet meer nodig is om verbinding te maken met een externe belasting voor een eenvoudigere installatie en om toekomstige prestatieproblemen te voorkomen.
Voorbeelden van GNSS via glasvezelarchitectuur
Dubbele antenne op dezelfde locatie (Figuur 1)
Twee antennes zijn verbonden met een tweekanaals glasvezeltransportzender die de kanalen combineert tot één enkele vezel, die passief kan worden gesplitst om verbinding te maken met een transportontvanger of basiseenheid. Afhankelijk van de behoeften zal een typisch GNSS-via-glasvezelnetwerk worden opgesplitst in 8 tot 32 manieren naar 32 ontvangers met elk maximaal 16 RF-uitgangen voor point-to-multipoint-verbindingen. Speciale omstandigheden vereisen soms tot 16 splitters, afhankelijk van de netwerkgrootte en het aantal eindpunten waarvoor timingsynchronisatie vereist is. In dit geval is de vezel niet redundant omdat beide kanalen samen worden gerouteerd.
Figuur 1: GPS via glasvezelnetwerk – enkele glasvezel 8 splitsingen -> 128 eindpunten redundante antenne/zender/ontvanger.
Dubbele antenne niet op dezelfde locatie (Figuur 2)
Maximaal 516 eindpunten worden bediend door twee onafhankelijke antennes die ver uit elkaar zijn geplaatst (bijvoorbeeld verschillende gebouwen op een campus). Het optische signaal van elke antenne wordt gesplitst en een signaal van elke antenne wordt geleverd aan een ontvanger met 16 RF-uitgangen. De volledige redundantie gaat van de antenne naar de dubbele ontvanger, maar de levering in de apparatuur is nog steeds een enkel storingspunt, aangezien er 2 1×8 splitters zijn waarvoor er één kan uitvallen. Apparatuur met dubbele GNSS-timingingangen kan echter worden aangesloten op twee onafhankelijke uitgangen, elk van een andere splitter, om bescherming tegen één enkel storingspunt te garanderen.
Figuur 2: GPS via glasvezelnetwerk – 2 antennes ->512 eindpunten redundante antenne/zender/ontvanger. 16 TF-uitgangen van elke ontvanger (automatisch beëindigd). Kan worden gebruikt met apparatuur met dubbele ingang.
4 Antenne niet op dezelfde locatie (Figuur 3)
Tot 516 servicepunten worden bediend door 4 onafhankelijke antennes die ver uit elkaar zijn geplaatst op verschillende structuren. In deze architectuur hebben de antenneparen volledig onafhankelijke circuits en zenden ze op een andere golflengte uit. Het optische signaal van elk antennepaar wordt gesplitst, gecombineerd met een signaal van de andere locatie en een signaal van elke locatie wordt afgeleverd aan een ontvanger met 16 RF-uitgangen. De volledige redundantie gaat van de antenne naar de twee ontvangers, elk volledig onafhankelijk van zijn paar. Apparatuur met dubbele GNSS-timingingangen kan worden aangesloten op twee onafhankelijke uitgangen voor volledige redundantie, zodat elk element van het netwerk zonder onderbreking kan worden vervangen.
Figuur 3: GPS via glasvezelnetwerk – 4 antennes 2 locaties ->512 eindpunten redundante antenne/zender/ontvanger. 16 TF-uitgangen van elke ontvanger (automatisch beëindigd). Kan worden gebruikt met apparatuur met dubbele toegang – er worden 256 van dergelijke servers met dubbele toegang bediend.
Gezien het toenemende belang van GNSS-timing, vooral voor datacenters, is de kans groter dat er sprake zal zijn van een opstelling met dubbele redundantie, waarbij een optische back-upontvanger het signaal kan oppikken als er een storing optreedt bij de primaire optie. Datanetwerken worden steeds complexer en bedrijfskritischer, waarbij stilstand van zelfs maar een moment waardevolle informatie in gevaar kan brengen. Het doel van elke RFoF-architectuur voor GNSS-timing is het creëren van een zeer efficiënt netwerk dat GNSS-timing levert aan zoveel mogelijk eindpunten met weinig antennelocaties. In bijna alle gevallen zou RFoF timinggegevens moeten kunnen leveren aan meer dan 500 eindpunten vanaf één enkele antenne.
Wat zijn de meest voorkomende gebruiksscenario's voor GNSS-timing?
telecommunicatie: Telecommunicatienetwerken, waaronder mobiele netwerken, satellietcommunicatiesystemen en internetdiensten, vereisen nauwkeurige timing om nauwkeurige gegevensoverdracht en -ontvangst te garanderen, waardoor de netwerkefficiëntie en betrouwbaarheid worden geoptimaliseerd.
Financiële transacties: GNSS wordt vaak gebruikt voor het tijdstempelen van transacties op aandelenbeurzen, banksystemen en hoogfrequente handelsplatforms. Nauwkeurige timing is van cruciaal belang voor het behoud van de transactie-integriteit en het waarborgen van eerlijkheid op de financiële markten.
Elektriciteitsnet: De opwekking en distributie van stroom in elektriciteitsnetten wordt vaak gesynchroniseerd via GNSS. Nauwkeurige timing zorgt voor een efficiënte coördinatie tussen verschillende componenten van het elektriciteitsnet, waaronder elektriciteitscentrales, onderstations en smart grid-apparaten, waardoor de stabiliteit en betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet behouden blijven.
Vervoer: GNSS-timing is van fundamenteel belang voor luchtvaart-, maritieme en autonavigatiesystemen. Nauwkeurige timing maakt nauwkeurige positionering en navigatie mogelijk, waardoor de veiligheid en efficiëntie in transportnetwerken worden verbeterd.
Militaire en Defensie: GNSS-timing speelt een cruciale rol in militaire en defensietoepassingen, waaronder commando- en controlesystemen, raketgeleiding en verkenningsoperaties. Een nauwkeurige timing is essentieel voor het coördineren van militaire activiteiten en het waarborgen van de effectiviteit van de defensievermogens. Om veiligheidsredenen bevindt de antenne die het GNSS-signaal ontvangt zich ver van de server en vereist daarom een glasvezelverbinding om een veerkrachtig signaal over lange afstanden te garanderen.
Wetenschappelijk onderzoek: Wetenschappelijke onderzoeksgebieden zoals geodesie, seismologie en klimatologie maken gebruik van nauwkeurige timing om wetenschappers te helpen de bewegingen van de aarde te volgen en te analyseren, veranderingen in het milieu te bestuderen en experimenten uit te voeren die nauwkeurige temporele synchronisatie vereisen.
Conclusie
Gesynchroniseerde timing via GNSS is een vaak ingetogen en cruciaal onderdeel van de moderne communicatie. Het wordt steeds uitdagender vanwege het enorme aantal nieuwe datapunten, het gebruik van communicatie met een hogere frequentie en de bouw van belangrijke datacentra in zeer afgelegen gebieden. RFoF helpt de kloof te overbruggen die wordt veroorzaakt door de groeiende afstand tussen antenne en ontvangers die coaxkabel eenvoudigweg niet kan ondersteunen.
Over de auteur:
Meir Bartur, Ph.D., is de president en CEO van de Optical Zonu CorporationDr. Bartur heeft meer dan 30 jaar ervaring in leiderschap, productontwikkeling en technologische innovatie. Als senior lid van de IEEE en erkend leider in de ontwikkeling van goedkope glasvezeloplossingen voor FTTx, heeft hij bijgedragen aan de IEEE ITU PON-standaarden. Voordat hij oprichtte Optical ZonuHij gaf leiding aan de afdeling Geavanceerde Productontwikkeling en Strategische Technologie voor toegangszendontvangers bij MRV Communications (MRVC), en was tevens verantwoordelijk voor de zakelijke relaties met de belangrijkste klanten. Daarvoor bekleedde hij functies als Vice President Engineering & Technology bij SSDI (Solid State Devices Inc), Vice President Engineering bij MEC (Molecular Electronics Corp) en kapitein systeemtechniek bij de Israëlische luchtmacht.