RDTL Electronics Department TEI of Athens Βασικές αρχές μετάδοσης Ραδιοσημάτων μέσω Οπτικής Ίνας (Radio over Fiber) σε δίκτυα Fiber-Wireless (Fi-Wi) ρ. Καραμπέτσος Σωτήρης, Καθηγητής Εφαρμογών, Τμήμα Ηλεκτρονικής
ΣΥΝΟΨΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Radio over Fiber (RoF) ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ OFDM ΜΕ RoF ΕΠΙΛΟΓΟΣ
Εισαγωγή Συνδυασμός Οπτικών και Ασύρματων επικοινωνιών Οι νέες γενιές (κινητών) τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και δικτύων (4G) απαιτούν ευρυζωνικότητα και σύγκλιση των τεχνολογιών που τις διέπουν Απαίτηση για anytime-anywhere υψηλής ταχύτητας πολυμεσικών υπηρεσιών (multimedia high capacity services) Ο αποδοτικός συνδυασμός Οπτικών και Ασύρματων επικοινωνιών προβάλει ως πολλά υποσχόμενη λύση και προσέγγιση υλοποίησης σε μελλοντικά ευρυζωνικά δίκτυα επικοινωνιών Οι τεχνολογίες Hybrid Fiber Radio (HFR) ή αλλιώς Radio-over-Fiber (RoF) αποτελούν την κατάλληλη τεχνολογική υποδομή ώστε τα οπτικά δίκτυα να αποτελέσουν το δίκτυο κορμού (backhaul) για τα επερχόμενα ευρυζωνικά κινητά και ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών (mobile/wireless access schemes π.χ., LTE και Wireless MAN δίκτυα)
Εισαγωγή Συνδυασμός Οπτικών και Ασύρματων επικοινωνιών Η ιδέα και τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας RoF δεν είναι τωρινή ->1992 Οι τεχνολογικές εξελίξεις στις οπτικές και ασύρματες επικοινωνίες και η απαίτηση για υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, ανανέωσε το ενδιαφέρον για την αξιοποίηση της τεχνολογίας στα νέας γενιάς τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Η κύρια ιδέα και το βασικό τεχνολογικό πλεονέκτημα στα συστήματα Radioover-Fiber είναι η συγκέντρωση όλων των βαθμίδων διαχείρισης και επεξεργασίας σήματος στον Κεντρικό Σταθμό Βάσης (central/control stations - CS) που συνέπεια οδηγεί στην ελαχιστοποίηση των αναγκών επεξεργασίας (baseband and RF signal processing) στους κατανεμημένους σταθμούς βάσης (BS or RAUS) Οι CS ενώνονται με τους BS μέσω οπτικών ινών με αποτέλεσμα να γίνονται απλούστεροι, ευέλικτοι και αποδοτικοί από άποψη κόστους.
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Αρχιτεκτονικές υλοποίησης CS: διαχείριση, παραγωγή και διανομή του σήματος RF στους διάφορους BS με οπτική ίνα RF signal Optical Fiber Link BASE STATION BS: Μετατροπή τους σήματος σε ηλεκτρικό και εκπομπή προς τους χρήστες σε μία περιοχή κυψέλης CONTROL STATION BASE STATION RF signal micro / pico cell area Στην αντίστροφη διαδικασία, πραγματοποιείται μετατροπή του ηλεκτρικού σήματος σε οπτικό για μετάδοση προς τον CS μέσω της οπτικής ίνας... BASE STATION RF signal
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Αρχιτεκτονικές υλοποίησης Optical Fiber Other Interface ~ f IF f RF ~ Laser Diode Photodetector Optical Fiber Photodetector Laser Diode Amplifier Amplifier Control Station (CS) (a) RF - over - Fiber Base Station (BS) Στοσχήμα, μια τυπική ζεύξη μεταξύ του CS και ενός BS BS: O/E & E/O μετατροπή, ενισχυτές και κεραίες Αυτή η διάταξη αναφέρεται ως RF-over-Fiber και είναι αποδοτική σε κόστος αλλά επιρρεπής σε θόρυβο φάσης και διασπορά οπτικής ίνας καθώς μεταφέρεται απευθείας το RF σήμα δηλ. το φέρον
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Αρχιτεκτονικές υλοποίησης Αντίστοιχα υπάρχουν οι παρακάτω αρχιτεκτονικές που μειώνουν τα προβλήματα της πρώτης αλλά αυξάνουν το κόστος του BS IF-over-Fiber : Το RF σήμα μεταφέρεται σε μια ενδιάμεση (μικρότερη) συχνότητα Other Interface Laser Diode ~ f IF Photodetector Control Station (CS) Optical Fiber Optical Fiber Photodetector Laser Diode f RF ~ Amplifier Amplifier Base Station (BS) (b) IF -over -Fiber Optical Fiber Baseband-over-Fiber : : Το σήμα μεταφέρεται σε μορφή βασικής ζώνης και η διαμόρφωση σε RF πραγματοποιείται στον BS Other Interface Control Station (CS) Laser Diode Photodetector Amplifier Photodetector ~ ~ f IF f RF Optical Fiber Amplifier Laser Diode Base Station (BS) (c) BB - over - Fiber
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Αρχιτεκτονικές υλοποίησης ΤυπικήRoF αρχιτεκτονική: Ο CS διανέμει το RF σήμα με χρήση είτε RFover-Fiber ή IF-over-Fiber ή BB-over-Fiber χρησιμοποιώντας επίσης τεχνικές πολυπλεξίας SCM (Subcarrier Multiplexing) ή/και WDM (Wavelength Division Multplexing). Τα σήματα προέρχονται από δίκτυο κορμού (backhaul) με οπτικές ίνες π.χ., PON (Passive Optical Network)
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Παραγωγή των σημάτων RF Τεχνικές διαμόρφωσης LASER: Intensity Modulation / Direct Detection (IM/DD) Άμεση (Direct Modulation) Εξωτερική (External Modulation) Remote Heterodyning Detection (RHD) Optical Frequency Multiplication (OFM)
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Παραγωγή των σημάτων RF Τυπικά εξαρτήματα: Lasers: Fabry-Perot (FP) Distributed Feedback (DFB) Vertical-Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) Photodetectors: p-i-n photodiodes Avalanche photodiodes (APD) Si or InGaAs More linear then Laser diodes, BW > 25GHz Optical Fibers: Single Mode (SMF) Multi Mode (MMF)
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Ερευνητικά ζητήματα Αυξημένο ενδιαφέρον στην αξιοποίηση της τεχνολογίας RoF για κινητές και ασύρματες επικοινωνίες πρόσβασης (access networks): Mobile/Cellular networks Wireless LANs Television/Video distribution systems Satellite communications Vehicular communications Next generation Mixed Optical and Wireless access networks Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι η τεχνολογία RoF είναι ικανή να υποστηρίξει τα επιυκρατέστερα πρότυπα στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών Επίσης δύναται να επηρεάσει την ολοκλήρωση των τεχνολογιών για την ταυτόχρονη μετάδοση πολλαπλών ετερογενών υπηρεσιών και τεχνολογιών πάνω από το ίδιο δίκτυο κορμού οπτικών ινών
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Ερευνητικά ζητήματα Η cenralized αρχιτεκτονική RoF προσφέρει τη δυνατότητα επίτευξης κυψελοειδούς κάλυψης σε επίπεδο micro/pico, οπότε έχει τα πλεονεκτήματα των κινητών επικοινωνιών αποδοτικά συνδυασμένο με το υψηλό εύρος ζώνης που προσφέρει ένα μέσο όπως αυτό της οπτικής ίνας Επιτρέπει την τεχνική επαναχρησιμοποίησης (reuse) και διανομής (allocation) συχνοτήτων με αποδοτικό τρόπο Με άλλα λόγια έχει πλεονεκτήματα όπως: ευρύτερη κάλυψη, μεγαλύτερη χωρητικότητα, κεντρική αναβάθμιση, προσαρμοσμένη και δυναμική ρύθμιση των ραδιοπόρων, αξιοπιστία και χαμηλό κόστος, υποστήριξη τρέχοντων και μελλοντικών προτύπων ευρυζωνικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων
Επισκόπηση τεχνολογίας RoF Ερευνητικά ζητήματα Η ευρύτερη αξιοποίηση προϋποθέτει ανάπτυξη τεχνικών και μεθόδων για την επίλυση διάφορων ζητημάτων, όπως: Μη γραμμικότητες των οπτικών διατάξεων (laser, ίνα, φωτοδίοδος) για μείωση των αρμονικών παραμορφώσεων και των προιόντων ενδοδιαμόρφωσης (harmonic and intermodulation distortion) Το υβριδικό οπτικό και ασύρματο κανάλι μετάδοσης Το εύρος ζώνης των ενεργών οπτικών διατάξεων
Παράδειγμα Μοντέλο μετάδοσης σήματος OFDM με RoF Source Data QAM Encoding and S/P IFFT and P/S D/A 90 o + Pilot Generator D/A DFB Laser Fc ~ Bias Baseband Processing RF Processing Optical link 90 o LPF A/D S/P and FFT Channel Compensation QAM Decoding Data Photodetector LPF A/D Channel Estimation RF Processing Fc ~ Baseband Processing
Παράδειγμα Μοντέλο μετάδοσης σήματος OFDM με RoF Παράδειγμα καμπύλης απόκρισης ενός DFB laser
Παράδειγμα Μοντέλο μετάδοσης σήματος OFDM με RoF Παράδειγμα μετάδοσης UWB σήματος τύπου MB-OFDM (Φάσμα από 3 ζώνες σε ηλεκτρικά φέροντα στην ζώνη των GHz για διαφορετικούς δείκτες διαμόρφωσης)
Επίλογος Επίλογος για την τεχνολογία RoF : Απρόσκοπτη και διαφανή σύγκλιση και ολοκλήρωση των οπτικών και ασύρματων δικτύων Αυτός ο τομέας ονομάζεται: ίκτυα FiWi (Fiber-Wireless) Η τεχνολογία RoF αποτελεί την τεχνολογική υποδομή για την υλοποίηση των FiWi δικτύων ιαθεματική και ιδιαίτερα απαιτητική περιοχή έρευνας και ανάπτυξης που συνδυάζει δυο τεχνολογικούς τομείς των επικοινωνιών
Τέλος!