SISTEMI IBRIDI FIBRA OTTICA - RADIO (HFR, Hybrid Fibre Radio)

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. SISTEMI HFR Schema a blocchi per un sistema HFR di tipo “three-band” (banda-base, microonde, onde millimetriche).

1. Antenne hub su armadi ripartilinea: - soluzione semplice e flessibile - problemi di attenuazione. 2. Ripetitori bidirezionali all’esterno (o all’interno) di edifici: - infrastruttura che evita (o riduce) il building penetration loss, migliora la copertura ed il livello di servizio; - soluzione più costosa e complessa della precedente. 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). Esempi di architetture di sistema Sistema utente Armadio ripartilinea Sistema utente Ripetitore bidirezionale Antenna televisiva Sistema utente

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, 1, 2 e 3 ) sono trasmessi dal CO ai Remote Nodes (RN) che selezionano la  “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

196.1 THz nm THz nm THz nm 193 THz nm THz nm Frequenza/lunghezze d’onda dei canali WDM 100 GHz Canale di supervisione THz 1510 nm Canali radio (RF, micronde, ecc..) multiplati con tecnica SCM SISTEMI HFR - Schema “ibrido” WDM-SCM  10 GHz 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 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 64- QAM (78 canali Mbit/s per una capacità complessiva di 2.34 Gbit/s su un collegamento di 740 km).

MOD Sistemi HFR Gli schemi mostrano tre possibili configurazioni di sistemi HRF Trasporto ottico in banda-base Trasporto ottico a IF Trasporto ottico a RF

SCHEMA DI UN SISTEMA HFR BIDIREZIONALE A 900 MHz (PA: Power Amplifier; LNA: Low-Noise Amplifier) Sistemi HFR Sistema bidirezionale con trasporto ottico a RF

SCHEMA DI UN SISTEMA BASATO SULLA TECNICA DI MULTIPLAZIONE SCM (Sub-Carrier-Multiplexing) SISTEMI 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  1,  2, …,  N, 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 in cui si è considerata la potenza ottica totale come somma del termine di bias, P b, più i contributi dovuti agli N canali a frequenza angolare  i, considerati o modulati in ampiezza (tramite l’indice di modulazione m i <1) o/e modulati angolarmente (tramite il termine  i (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  LO, 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 in cui R è la responsività del fotodiodo, 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= 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/N  16 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),   sn = 2qR B, essendo B la larghezza di banda a livello elettrico ; - rumore termico,   tn = 4kTBF/R f, essendo F ed R f rispettivamente il fattore di rumore e la resistenza di controreazione dell’amplificatore di front-end, supposto a transimpedenza; - rumore d’intensità,   RIN = (R ) 2 10 RIN/10 B, essendo RIN (Relative Intensity Noise) espresso dalla relazione RIN = P i (f)/ 2 (dB/Hz), essendo P i (f) la densità spettrale della corrente di rumore d’intensità e 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, N CSO  N(N-1) e N CTB  N(N-1)(N-2)/2, risultando CSO = 10 log 10 [N CSO (am) 2 ] CTB = 10 log 10 [N CTB (3/2bm 2 ) 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” Di norma, i sistemi SCM devono soddisfare la condizione CSO, CTB < 60 dBc (dB “sotto” la portante).

Standards relativi a Wireless LAN (IEEE /Wi-Fi; Hiperlan)

Sistemi ibridi fibra - radio ad onde millimetriche INTEGRAZIONE FIBRA Bassa attenuazione Larghezza di banda 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 CS BS RT BS RT collegamento radio (40 GHz)

SISTEMI HFR Esempio di sistema HFR unidirezionale con modulazione Mbit/s su GHz basato su una sorgente ottica di tipo OIPLL, Optical Injection Phase Locked Loop

SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN FREQUENCY/PHASE OPTICAL LOCKED LOOP (F/PLL OTTICO) SISTEMI HFR

Esempio di sistema HFR bidirezionale: - downstream modulazione Mbit/s, su accesso TDM; -upstream modulazione Mbit/s, su GHz, accesso TDM.