Desenvolvimento de um sistema activo para distribuição de sinais rádio sobre fibra óptica

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1 Nome: Joaquim Miguel Barros Silva Nº Professor Orientador responsável da FEUP: Nome: Prof. Henrique Manuel de Castro Faria Salgado hsalgado@fe.up.pt Co-Orientador exterior à FEUP: Nome: Eng. Paulo Jesus Empresa: Portugal Telecom Inovação, SA paulo-j-jesus@ptinovacao.pt 1. Introdução Tem-se verificado uma procura extrema de acessos de Banda Larga sem fios. Para responder a esta necessidade os actuais sistemas wireless vêm-se obrigados a aumentar a sua capacidade. Para isso é necessário utilizar sistemas com portadoras de sinal de frequência superior. Contudo sistemas que recorrem a cabos coaxiais apresentam elevadas perdas, conduzindo a sistemas de elevada manutenção e custo. Os sistemas de rádio sobre fibra (RoF) surgem como a solução a este problema, uma vez que simplificam as designadas Base Stations (BS), centralizando todo o equipamento de maior custo e de maior necessidade de manutenção nas designadas Central Staions (SC). O projecto visa desenvolver um sistema activo para distribuição de (RoF) usando sistemas de antenas distribuído (DAS), suportado em tecnologias avançadas de sistemas de antenas tais como MIMO e beamforming, desenhado para assegurar uma elevada e eficiente cobertura indoor em ambiente multi-tecnologia para os actuais e emergentes diferentes sistema wireless (WiMAX móvel compatível com LTE, GSM, UMTS, WiFi), para frequências até 5.5 GHz. A escalabilidade deste sistema permitirá suportar maior número de serviços wireless com menor impacto ao nível da infra-estrutura física e dos front-end de RF. 2. Objectivos Página 1

2 Com este trabalho de dissertação pretende-se implementar um sistema activo multi-protocolar de transporte de sinais radioeléctricos multiplexados e convertidos em sinais ópticos sobre fibra óptica sendo posteriormente convertidos em sinais RF nas RAU (unidades rádio remotas) e radiados por antenas distribuídas (DAS) devidamente localizadas. Pretende-se desenvolver um sistema RoF eficiente que opera num ambiente multi-tecnologia (WiMAX, UMTS, WiFi, etc.). É objectivo também definir e realizar testes em cenários de aplicação específicos com diferentes tipos de tecnologia e de serviços. Este relatório de progresso no âmbito da cadeira de Preparação da Dissertação tem como objectivo particular dar a conhecer aos orientadores o estado do trabalho desenvolvido pelo aluno até ao momento e apresentação do trabalho a desenvolver nos próximos tempos. 3. Trabalho a Realizar O plano de trabalho neste projecto, tal como definido na proposta da empresa, está dividido em tarefas específicas ao longo do desenvolvimento do projecto que são apresentadas: T1 Levantamento do estado de arte (SoA) de sistemas de RoF, técnicas usadas e cenários de aplicação T2 - Especificações técnicas do sistema e interfaces - Pretende-se nesta tarefas identificação dos requisitos interface do sistemas RoF respeitante ao interface rádio, conversores de sinais opto-electronicos, RAU (remote Antenna unit), etc. T3- Definição da arquitectura do sistema - Definição de arquitectura DAS (Distributed Antenna System) e diagrama de blocos de todos os componentes constituintes em ambiente multi-tecnologia (LTE, WCDMA, WIMAX, RFiD, etc) - Calculo de link budgets, potencia de saída irradiada, áreas de cobertura, esquemas de reuso de frequência, etc. T4 Especificação de testes de desempenho do sistema RFoF - Especificação e realização de testes de desempenho utilizando uma arquitectura DAS para melhoramento de cobertura Indoor. Na cadeira de Preparação da Dissertação será levada apenas a cabo a tarefa T1, que se prende com o estudo do estado da arte. Esta tarefa foi subdividida, como vai ser referido a seguir. 4. Trabalho Desenvolvido A atribuição deste tema de dissertação resultou de um prévio contacto entre o aluno e a empresa Portugal Telecom inovação, SA, uma das associadas do grupo InovaRia. Este pré-contacto foi estabelecido por iniciativa do aluno e contou com Página 2

3 uma entrevista formal onde foram discutidos o tema da dissertação bem como algumas das tecnologias e ferramentas que poderão vir a ser utilizadas. Concluída a fase de atribuição formal de tema e de orientador na FEUP foi marcada uma primeira reunião com o orientador na faculdade que sugeriu alguma bibliografia a estudar e estipulou um prazo de estudo do sistema RoF e suas tecnologias de forma ampla. Foi também estabelecido novo contacto com o orientador na empresa expondo o ponto de situação. Este mostrou-se disponível e forneceu algum material para estudo. Após o estudo, nas últimas semanas, da arquitectura básica de um sistema RoF os próximos tempos serão dedicados ao estudo tas tecnologias utilizadas neste tipo de sistema focando os aspectos inovadores que o envolvem, por sugestão do orientador da empresa. São eles as técnicas de multiplexagem em conversores optoelectrónicos em multi-tecnologia (LTE, WCDMA, WIMAX, RFiD, etc) usando a mesma infra-estrutura de RoF, permitindo escalabilidade para introdução de novos serviços wireless; investigação sobre a introdução de sistemas de antenas avançados que permitam uma melhoria de cobertura e capacidade rádio indoor, usando, por exemplo, técnicas como MIMO, bemaforming etc; e suporte e coexistência de sistemas wireless baseados em TDD/FDD, 5. Radio Over Fiber 5.1. Conceito Rádio sobre fibra (RoF) consiste em utilizar ligações em fibra óptica para transmitir sinais RF entre a central e as RAU (Remote Antenna Units) de forma que uma portadora óptica modula um sinal RF. Em sistemas de comunicação convencionais a conversão de frequência, a multiplexagem e a modulação são efectuados na Base Station (BS) e de seguida radiados. Com sistemas RoF é possível centralizar estas funções de processamento num único ponto e utilizar redes de fibra óptica para distribuir os sinais RF Vantagens Baixas perdas por atenuação como referido é desejável obter estações base simples e de baixo consumo de energia. Para isso é desejável que o sinal que chega a este tipo de estação esteja pronto a ser radiado ou que possa ser obtido de forma simples. Uma forma de o fazer é receber o sinal em frequência intermédia utilizando cabos coaxiais, o que acarreta perdas elevadas. A fibra óptica como meio de transmissão apresenta perdas muito reduzidas solucionando este problema. Página 3

4 Elevada largura de banda a elevada largura de banda, para além de permitir de forma evidente uma grande capacidade, permite ainda elevada velocidade no processamento de sinais, pelo que variadas funções como filtragem, mixing e conversão de frequências podem ser efectuadas no domínio óptico. Imunidade a interferências electromagnéticas como em fibra óptica os sinais são transportados em forma de luz a interferência electromagnética não se faz sentir. Base Stations simplificadas como a portadora RF se encontra modelada na portadora óptica após a desmodulação obtém o sinal RF a radiar. Assim, a BS só necessita de um modulador/desmodulador óptico, amplificação e antena de radiação. A centralização de equipamento permite partilha desse equipamento pelas várias BS; alocação dinâmica de recursos e operação e manutenção do sistema simplificadas. Baixo consumo de potência consequente da simplicidade das unidades remotas, que por vezes podem funcionar em modo passivo. Operação multi-operador e multi-serviço utilizando por exemplo IM-DD pode-se obter um sistema transparente ao formato do sinal 5.3. Desvantagens A fibra introduz dispersão que limita o comprimento máximo de transmissão para além de reduzir a largura de banda e a taxa de transmissão. Outros factores limitativos do sistema são o ruído, a distorção e a gama dinâmica. Daqui destaca-se a gama dinâmica que se exige que seja elevada, uma vez que à Base Station podem chegar sinais RF com potências bastante distintas Aplicações Técnicas de modulação de sinais RF em portadoras ópticas são utilizadas em vários sistemas tais como comunicações de satélite; sistemas de distribuição de vídeo; Mobile Broadband Services; comunicação e controlo de veículos; wireless LAN s e redes celulares Tecnologias associadas Como referido, o sistema a implementar deverá fazer uso de um sistema de antes distribuído que suporta sistemas de antena MIMO e beamforming. MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) consiste em usar várias antenas quer na Base Station Página 4

5 quer no dispositivo móvel de forma a melhorar o desempenho do sistema. Beamforming é uma técnica que permite transmissão e recepção de sinal de uma forma direccional. Isto permite reduzir interferência de outros sistemas. Uma outra tecnologia a utilizar é o WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) e é uma tecnologia que fornece transmissão de dados wireless do tipo point-to-multipoint de grande capacidade. É adequado para o designado last mile. LTE (Long Term Evolution) é a quarta geração das redes telefónicas móveis e foi desenhada para possuír maior capacidade e velocidade. 6. Referências bibliográficas em estudo: 1) Anthony Ng oma, Radio-over-fibre technology for broadband wireless communication systems, Eindhoven, Universidade tecnica de Eindhoven, 2005, ISBN ) Anthony Ng oma, Design of a Radio-over-Fibre System for Wireless LANs, Broadband Radiohand, ) Henry Wojtunik, Wireless Networks Over Fiber, Fiber-Span, ) Ronald L. Fulton, RF over Fiber Architectures and EW applications, Fiber-Span 5) Masuduzzaman Bakaul, Technologies for DWDM Millimetre-Wave Fibre-Radio Networks, ) William S. C. Chang, RF Photonic Technology in Optical Fiber Links, Cambridge, ) Tiago de Vasconcelos Azevedo, Estudo de Técnicas de Pré-Compensação das Penalidades no Downlink em Sistemas "Wireless Radio-over-Fiber", Usando Sinais OFDM, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2009 Página 5