SISTEMI IBRIDI FIBRA OTTICA - RADIO
(HFR, Hybrid Fibre Radio)
SISTEMI HFR
I sistemi ibridi fibra ottica-radio, HFR (Hybrid Fibre Radio), rappresentano
una tecnologia fondamentale per l’integrazione di reti wireless a larga
banda con reti ottiche d’accesso in modo da rendere flessibile l’accesso alle
infrastrutture di rete, facilitando la connettività wireless a larga banda per
l’offerta di servizi ed applicazioni.
Schema a blocchi per un sistema HFR di tipo “three-band” (banda-base,
microonde, onde millimetriche).
Esempi di architetture di sistema
1. Antenne hub su armadi ripartilinea:
- soluzione semplice e flessibile
- problemi di attenuazione.
2. Ripetitori bidirezionali all’esterno (o all’interno)
di edifici:
Sistema
utente
Armadio
ripartilinea
- infrastruttura che evita (o riduce) il building
penetration loss, migliora la copertura ed il livello di Ripetitore
servizio;
- soluzione più costosa e complessa della precedente.
bidirezionale
Sistema
utente
3. Antenne televisive sugli edifici:
- impiego della banda VHF/UHF con minori
problemi di perdite da propagazione;
- necessità di aggiornamento dei sistemi di discesa
d’antenna (installazione di sistemi di amplificazione
bidirezionale).
Antenna
televisiva
Sistema
utente
SISTEMI HFR
I vantaggi della trasmissione in fibra ottica permettono di trasportare in
maniera efficiente i segnali radio (RF, microonde, onde millimetriche) dal
Central Office (CO) ad antenne in siti remoti (remotizzazione).
Inoltre, l’evoluzione dei sistemi ottici multicanale mediante la tecnica
WDM non solo nell’ambito della rete di trasporto ma anche in contesti
metropolitani (MAN, Metropolitan Area Network), con capacità di
trasmissione fino a 10 Gbit/s per portante ottica, rende possibile la
realizzazione di reti ibride bidirezionali ad elevata capacità con struttura
“gerarchica”, con multiplazione WDM in cui ogni portante ottica
“trasporta” segnali radio multiplati con tecnica SCM (Sub Carrier
Multiplexing).
Come mostrato nella figura seguente, segnali ottici multiplati WDM (ad
esempio, l1, l2 e l3 ) sono trasmessi dal CO ai Remote Nodes (RN) che
selezionano la l “dedicata” alla specifica Base Station (BS), la quale
trasmette i segnali radio trasportati dalle sottoportanti SCM.
SISTEMI HFR
SCHEMA DI UNA
RETE IBRIDA FIBRA
OTTICA- RADIO
BASATA SU
MULTIPLAZIONE
“MISTA” WDM-SCM
SISTEMI HFR - Schema “ibrido” WDM-SCM
In Figura è riportato un esempio di “canalizzazione ibrida” WDM, secondo la
Griglia ITU in banda C, SCM (Sub Carrier Multiplexing).
Si ipotizza una larghezza di banda relativa ad ogni l di circa 10 GHz in cui allocare
canali radio con multiplazione SCM.
Sono stati realizzati sistemi misti analogico (canali AM-VSB)- numerico (canali
QAM), con 80 canali analogici e 30 numerici su singola portante ottica.
Su singola portante ottica, sono stati realizzati anche sistemi con canali numerici 64QAM (78 canali 64-QAM @30 Mbit/s per una capacità complessiva di 2.34 Gbit/s su
un collegamento di 740 km).
Canali radio (RF, micronde, ecc..) multiplati con
10 GHz
tecnica SCM
198.5 THz
1510 nm
196.1 THz
1528.77 nm
193 THz
193.2 THz
193.1 THz
1551.72 nm 1552.52 nm 1553.33 nm
100 GHz
• • •
Canale di
supervisione
100 GHz
• • •
Frequenza/lunghezze d’onda dei canali WDM
192.1 THz
1560.61 nm
Sistemi HFR
Gli schemi mostrano tre
possibili configurazioni di
sistemi HRF
Baseband Optical Transport
LO
E
LO
E
E
E
OE
O
ENT
E
NT
IF
IF
E
E
MOD
MOD
RT
RT
RF
RF
BASE STATION
CONTROL STATION
Trasporto ottico in banda-base
IF Optical Transport
LO
E
LO
E
NT
NT
E
MOD
MOD
EE
O
IF
IF
OE
CONTROL STATION
RT
RT
E
E
RF
RF
Trasporto ottico a IF
BASE STATION
RF Optical Transport
ENT
NT
E
MOD
MOD
Sorg . ottica
Optical
onde mm
source
CONTROL STATION
O
OE
E
E
E
BASE STATION
RT
RT
RT
Trasporto ottico a RF
Sistemi HFR
Sistema bidirezionale con trasporto ottico a RF
SCHEMA DI UN SISTEMA HFR BIDIREZIONALE A 900 MHz
(PA: Power Amplifier; LNA: Low-Noise Amplifier)
SISTEMI SCM - Sub Carrier Multiplexing
SCHEMA DI UN SISTEMA BASATO SULLA TECNICA DI
MULTIPLAZIONE SCM (Sub-Carrier-Multiplexing)
SISTEMI OTTICI SCM - Sub Carrier Multiplexing
Lo schema precedente mostra come la tecnica SCM fornisca uno strumento
flessibile per la trasmissione, su una o più portanti ottiche, di segnali
analogici e/o numerici. Tali segnali pilotano circuiti VCO (Voltage
Controlled Oscillator) così da ottenere N sottoportanti, a RF o a microonde,
di frequenza angolare w1, w2, …, wN, opportunamente modulate.
Tali sottoportanti sono quindi inviate ad un RF (o microwave) combiner che
fornisce il segnale elettrico complessivo che modula il segnale ottico
generato da un laser a semiconduttore (modulazione diretta), come mostrato
in figura, oppure mediante un modulatore elettro-ottico di Mach-Zehnder
(modulazione esterna).
Il segnale risultante trasmesso in fibra può quindi essere espresso nella
forma
N
Ps t Pb 1 mi cos wi t fi (t)
i1
in cui si è considerata la potenza ottica totale come somma del termine di
bias, Pb , più i contributi dovuti agli N canali a frequenza angolare wi,
considerati o modulati in ampiezza (tramite l’indice di modulazione mi<1)
o/e modulati angolarmente (tramite il termine fi(t)).
SISTEMI OTTICI SCM - Sub Carrier Multiplexing - 2
La tecnica è molto flessibile poiché permette di modulare a livello elettrico
le N sottoportanti con segnali analogici e/o numerici con differenti formati
di modulazione, anche di tipo “ibrido” ampiezza-fase (ad esempio, formato
multilivello QAM). Di contro, il segnale elettrico risultante, ottenuto dalla
combinazione delle N sottoportanti, non potrà essere considerato, ai fini
della modulazione (diretta o esterna) della portante ottica, un “piccolo
segnale”, ma altresì un “grande segnale”, con conseguente valutazione
degli effetti dovuti al rumore d’intensità (RIN, Relative Intensity Noise)
della sorgente laser e all’intermodulazione per il calcolo del rapporto
segnale-rumore che, in questo caso, viene espresso in termini di rapporto
portante-rumore, C/N.
Come mostrato in figura, il segnale ottico viene rivelato da un fotodiodo
(ad esempio, un PIN), che fornisce un segnale elettrico da cui, dopo
opportuna amplificazione, si ottiene la sottoportante i-esima mediante
battimento con un oscillatore locale LO di frequenza angolare wLO, ed
opportuno filtraggio. L’impiego di un LO sintonizzabile su tutta la “banda
di modulazione elettrica” permette di selezionare ciascuno dei segnali
analogici/numerici associati alle N sottoportanti.
SISTEMI OTTICI SCM - Sub Carrier Multiplexing 3
Sulla base delle precedenti considerazioni, il rapporto C/N risulta espresso
dalla relazione
2
C
0.5(mR P )
2
2
N sn tn
2RIN 2IMD
in cui R è la responsività del fotodiodo, <P> il valor medio della potenza
ottica ricevuta e si è considerato, per tutti i canali, lo stesso valore, m,
dell’indice di modulazione ottico per canale (OMD, Optical Modulation
Depth).
Per segnali analogici di tipo AM-VSB si ha, tipicamente, C/N 50 dB
mentre, per segnali analogici FM, C/N 16÷17.
Per segnali numerici un BER= 10-9 richiede un C/N di circa 12÷16 dB, in
funzione del formato di modulazione: ad esempio, per segnali PSK binari o
QPSK, C/N 12.6 dB mentre, per un segnale numerico CPFSK, C/N16 dB.
SISTEMI OTTICI SCM - Sub Carrier Multiplexing 4
Le sorgenti di rumore sono assunte tutte con statistica gaussiana, cosicché
i termini a denominatore rappresentano le varianze delle correnti
equivalenti di rumore, rispettivamente relative a:
- shot-noise (rumore di rivelazione), 2sn = 2qR<P>B , essendo B la
larghezza di banda a livello elettrico ;
- rumore termico, 2tn = 4kTBF/Rf , essendo F ed Rf rispettivamente il
fattore di rumore e la resistenza di controreazione dell’amplificatore di
front-end, supposto a transimpedenza;
- rumore d’intensità, 2RIN = (R<P>)210RIN/10 B, essendo RIN (Relative
Intensity Noise) espresso dalla relazione
RIN = Pi(f)/ <I>2 (dB/Hz),
essendo Pi(f) la densità spettrale della corrente di rumore d’intensità e <I>
il valor medio della corrente rivelata (tipicamente, -130 ÷ -150 dB/Hz per
laser a semiconduttore).
SISTEMI OTTICI SCM - Rumore di intermodulazione
Per quanto riguarda il
- rumore di intermodulazione, il cui effetto è rilevante in presenza di segnali
analogici, la varianza è di norma messa in relazione con i termini di
distorsione di intermodulazione di secondo (CSO, Composite Second Order)
e di terzo ordine (CTB, Composite Triple Beat): per N sottoportanti,
NCSON(N-1) e NCTB N(N-1)(N-2)/2, risultando
CSO = 10 log10 [NCSO(am)2]
CTB = 10 log10 [NCTB(3/2bm2)2]
con a e b rispettivamente i coefficienti della risposta “quadratica” e “cubica”
della sorgente laser per la quale si può assumere, in presenza di “grandi
segnali”
a
b
2
P t Pb m [I(t) - I b ] [I(t) - I b ] [I(t) - I b ]3
2
6
Di norma, i sistemi SCM devono soddisfare la condizione CSO, CTB < 60
dBc (dB “sotto” la portante).
Standards relativi a Wireless LAN (IEEE 802.11/Wi-Fi; Hiperlan)
Sistemi ibridi fibra - radio ad onde millimetriche
SISTEMI RADIO AD ONDE MILLIMETRICHE
• Costi contenuti
• Tempi di spiegamento ridotti
• Flessibilità
• Mancanza congestione spettrale
• Supporto trasmissioni ad alto data rate
•Necessità di condizioni di visibilità
collegamento ottico
passivo
BS
RT
CS
collegamento
radio
(40 GHz)
INTEGRAZIONE FIBRA
• Bassa attenuazione
• Larghezza di banda
BS
RT
SISTEMI HFR
Esempio di sistema HFR unidirezionale con modulazione DPSK @68
Mbit/s su sottoportante @36 GHz basato su una sorgente ottica di tipo
OIPLL, Optical Injection Phase Locked Loop
SISTEMI HFR
SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN FREQUENCY/PHASE OPTICAL
LOCKED LOOP (F/PLL OTTICO)
SISTEMI HFR
Esempio di sistema HFR bidirezionale:
- downstream modulazione 16-QAM @622 Mbit/s, su sottoportante @27GHz,
accesso TDM;
-upstream modulazione FSK @40 Mbit/s, su sottoportante @29 GHz, accesso
TDM.
