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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Desenvolvimento de um sistema para distribuição de sinais rádio sobre fibra óptica
Joaquim Silva
VERSÃO FINAL
Relatório da cadeira de Preparação da Dissertação realizado no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Major Telecomunicações
Orientador: Prof. Dr. Henrique Salgado Co-orientador: Eng. Paulo Jesus
Fevereiro de 2010
ii
© Joaquim Silva, 2010
iii
Resumo
Neste relatório final de preparação de dissertação estudou-se a tecnologia de rádio sobre
fibra na perspectiva de preparação do trabalho da Dissertação de final de curso,
apresentando o enquadramento e caracterização do problema bem como os objectivos do
trabalho a desenvolver.
A tecnologia RoF consiste em distribuir sinais eléctricos utilizando como meio de
transmissão uma ligação ou rede em fibra óptica. Esta tecnologia apresenta como principais
vantagens as características comuns de uma rede em fibra óptica, nomeadamente a baixa
atenuação e a elevada largura de banda. Contudo, como qualquer sistema óptico, este
sistema também apresenta algumas limitações. Entre as principais limitações encontram-se os
efeitos não-lineares da fibra, ruído, dispersão, distorção e gama dinâmica do sistema. Uma
das principais aplicações desta tecnologia e também aquela a que este trabalho se destina
são as redes de cobertura wireless indoor.
São exploradas pormenorizadamente as técnicas de geração e transmissão de sinais rádio
sobre fibra realçando os benefícios e limitações de cada uma delas. Estudaram-se ainda as
principais técnicas de multiplexagem utilizadas em RoF que são SCM e WDM.
Foram também levemente estudadas as principais tecnologias e normas que o sistema RoF
a desenvolver deve suportar como WiMAX, UMTS, GSM e outras, bem como algumas técnicas
avançadas que podem ser utilizadas como MIMO.
Neste trabalho são ainda apresentadas algumas metodologias e ferramentas a adoptar e
um plano de tarefas detalhado da Dissertação que foi elaborado em conjunto com os
orientadores do projecto.
iv
v
Índice
Resumo ............................................................................................ iii
Índice ................................................................................................ v
Lista de figuras ................................................................................... vii
Lista de tabelas ................................................................................. viii
Abreviaturas ...................................................................................... ix
Capítulo 1 .......................................................................................... 1
Introdução ......................................................................................................... 1 1.1. Motivação ............................................................................................... 1 1.2. Objectivos ............................................................................................... 1 1.3. Organização do relatório ............................................................................. 2
Capítulo 2 .......................................................................................... 3
Sistema Rádio sobre Fibra ...................................................................................... 3 2.1. Introdução ............................................................................................... 3 2.2. Conceito de Rádio sobre fibra ....................................................................... 3 2.3. Vantagens ............................................................................................... 5 2.4. Limitações ............................................................................................... 7 2.5. Aplicações ............................................................................................... 8 2.6. Configurações de ligação RoF ........................................................................ 9 2.7. Técnicas de geração de sinais rádio em fibra .................................................. 11 2.8. Multiplexagem em RoF .............................................................................. 19 2.9. Futuro do Rádio sobre fibra ........................................................................ 22
Capítulo 3 ......................................................................................... 23
Tecnologias ..................................................................................................... 23 3.1. Introdução ............................................................................................. 23 3.2. Global System for Mobile Communications (GSM) .............................................. 23 3.3. Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) ......................................... 23 3.4. Long Term Evolution (LTE) ......................................................................... 24 3.5. Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) .................................. 24 3.6. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) .......................................................... 24 3.7. Multi-tecnologia em RoF ............................................................................ 25
Capítulo 4 ......................................................................................... 27
Plano de trabalhos ............................................................................................. 27
vi
4.1. Ferramentas a utilizar .............................................................................. 27 4.2. Plano de trabalhos ................................................................................... 27
Referências ....................................................................................... 29
vii
Lista de figuras
Figura 2.1 - Conceito de RoF ................................................................................ 4
Figura 2.2 - Sistema RoF a 900 MHz ....................................................................... 4
Figura 2.3 - Configuração RF sobre fibra ................................................................. 9
Figura 2.4 – Configuração IF sobre fibra ................................................................ 10
Figura 2.5 - IF digital sobre fibra ......................................................................... 10
Figura 2.6 - Configuração BB sobre fibra ............................................................... 11
Figura 2.7 - Modulação directa (à esquerda) e externa (à direita) ................................ 12
Figura 2.8 - Esquema genérico de um sistema baseado em RHD ................................... 13
Figura 2.9 - Princípio de geração óptica baseada em filtragem óptica ........................... 14
Figura 2.10 - Princípio de OF/PLL ........................................................................ 15
Figura 2.11 - Princípo de OIL ............................................................................. 16
Figura 2.12 - Princípio de OIPLL .......................................................................... 16
Figura 2.13 - Esquema de um misturador baseado num MZI ........................................ 19
Figura 2.14 - Esquema de SCM ............................................................................ 20
Figura 2.15 - Arquitectura de uma rede WDM em anel .............................................. 21
Figura 2.16 - Arquitectura de um sistema SCM/WDM................................................. 22
viii
Lista de tabelas
Tabela 2.1 - Comparação dos diferentes princípios de geração heterodina ...................... 17
ix
Abreviaturas
ASE Amplified Spontaneous Emission
AAS Adaptive Antenna System
AES Advanced Encryption Standard
AGC Automatic Gain Controller
AM Amplitude Modulation
BB Base Band
BER Bit Error Rate
BS Base Station
CDMA Code Division Multiple Access
CFG Chirped Fiber Grating
CNR Carrier-to-Noise Ratio
CS Central Station
CW Continuous Wave
DFB Distributed Feedback Laser
DML Dual Mode Lasers
DN Dynamic Range
DSL Digital Subscriber Line
EAM Electro Absorption Modulator
EOM External Optical Modulator
FDM Frequency Division Multiplexing
FWM Four-Wave Mixing
GSM Global System for Mobile Communications
IF Intermediate Frequency
IM-DD Intensity Modulation-Direct Detection
IP Internet Protocol
ITS Intelligent Transport Systems
IVC Inter-Vehicle Communication
LMDS Local Multipoint Distribution System
LTE Long Term Evolution
MBS Mobile Broadband System
MMF Monomode Fiber
MVS Multipoint Video Distribution Services
MZI Mach-Zehnder Interferometer
MZM Mach-Zehnder Modulator
x
NF Noise Figure
OADM Optical Add-Drop Multiplexer
ODSB Optical Double Side Band
OFLL Optical Frequency Locked-Loops
OIL Optical Injection Locking
OMI Optical Modulation Index
OPLL Optical Phase Locked-Loops
OSSB Optical Single Side Band
PD Photo Diode
PM Phase Modulation
PMD Polarization Mode Dispersion
QPSK Quadrature Phase-Shift Keying
RAU Remote Area Unit
RF Radio Frequency
RHD Remote Heterodyne Detection
RIN Relative intensity noise
RoF Radio over Fiber
RVC Road-to-Vehicle Communication
SCM Subcarrier Multiplexing
SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access
SPM Self Phase Modulation
SSB Single Side Band
TDM Time Division Multiplex
UM Mobile Unit
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
WDM Wavelength Division Multiplexing
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN Wireless Local Area Network
XPM Cross Phase Modulation
Capítulo 1
Introdução
1.1. Motivação
Sistemas de comunicação wireless têm vindo a experimentar um enorme crescimento nos
últimos tempos. Actualmente é o sector das telecomunicações em crescimento mais rápido.
Enquanto sistemas de voz e de baixo débito eram os serviços de sistemas sem fios dominantes
no passado, hoje em dia existe claramente uma migração para serviços de dados de elevada
capacidade. Cada vez mais os utilizadores procuram serviços do tipo “anytime, anywhere,
any media”.
Por outro lado, existe a necessidade de cobertura wireless em ambientes indoor de forma
eficiente, sendo necessário para isso utilizar células de cobertura de dimensões reduzidas, o
que implica a utilização de um elevado número de estações base para cobrir uma área
relativamente pequena.
Assim, a tecnologia RoF, para além de proporcionar serviços de elevada largura de banda
na transmissão de dados, permite BSs de baixo custo e grande simplicidade devido à
centralização de operações. Isto associado ao facto de os edifícios actualmente em
construção estarem a ser equipados com redes em fibra óptica fazem desta tecnologia uma
tecnologia propícia para aplicações wireless indoor de elevada capacidade.
1.2. Objectivos
Este trabalho de dissertação tem por objectivos gerais desenvolver e 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 e radiados por antenas DAS devidamente localizadas. Pretende-se um sistema RoF
eficiente que opera num ambiente multi-tecnologia. É ainda objectivo definir e realizar
testes em cenários de aplicação específicos com diferentes tipos de tecnologia e serviços.
Este relatório em particular tem como objectivos apresentar o trabalho desenvolvido até
ao momento nomeadamente no estudo do estado da arte do sistema a desenvolver, técnicas
usadas e cenários de aplicação. Pretende também apresentar ferramentas e metodologias a
adoptar bem como o plano de tarefas detalhado da Dissertação.
2 Introdução
2
1.3. Organização do relatório
Este trabalho encontra-se dividido em três capítulos. No capítulo 2 foi discutido de forma
alargada o conceito de RoF. Neste capítulo pode-se encontrar uma discussão das vantagens e
limitações da tecnologia, bem como das aplicações da mesma. São ainda estudadas várias
técnicas de geração e transmissão de sinais em RoF e são dados a conhecer alguns do
caminhos futuros da tecnologia.
No capítulo 3 é estudado e brevemente descrito o estado da arte de algumas das
tecnologias que o sistema a implementar deve suportar.
No capítulo 4 é apresentado o plano de trabalhos da dissertação e algumas das
ferramentas que poderão vir a ser utilizadas no decorrer do projecto.
Capítulo 2
Sistema Rádio sobre Fibra
2.1. Introdução
Este capítulo apresenta o estudo feito da tecnologia RoF.
No ponto 2.2 é introduzido o conceito de RoF, apresentando a estrutura básica de um
sistema deste tipo.
Nos pontos 2.3 e 2.4 são apresentadas e discutidas cada uma das grandes vantagens e
limitações desta tecnologia.
No ponto 2.5 são apresentadas as principais aplicações.
No ponto 2.6 são discutidas as diferentes configurações de uma ligação RoF apresentado
os prós e contras de cada uma delas e no ponto 2.7 são apresentadas e largamente discutidas
as diferentes técnicas de geração de sinais rádio em fibra.
No ponto 2.8 são discutidas as principais técnicas de multiplexagem actualmente
utilizadas.
Por fim, no ponto 2.9 são apresentadas algumas perspectivas futuras da tecnologia e
alguns caminhos a tomar.
2.2. Conceito de Rádio sobre fibra
Rádio sobre fibra (RoF) é uma tecnologia na qual sinais eléctricos são distribuídos
utilizando componentes ópticos e técnicas apropriadas. Um sistema deste tipo consiste, como
se pode ver na Figura 2.1, numa central (CS) e vários pontos remotos designados por antenas
remotas (RAU) ou estações base (BS), ligados por uma ligação ou rede óptica [1]. A portadora
óptica transmitida é modulada por um sinal eléctrico a transmitir. Esta modulação pode ser
feita directamente pelo sinal em banda base (BB), a uma frequência intermédia (IF) ou pelo
sinal rádio modulado (RF) e depende da tecnologia utilizada.
Em sistemas comerciais de distribuição de sinais rádio como WLAN são necessárias
funções de processamento do sinal, tais como conversão de frequência, modulação numa
portadora eléctrica e multiplexagem. A tecnologia RoF torna possível centralizar todo esse
processamento num único ponto, a CS, utilizando fibras ópticas que apresentam muito baixa
atenuação na distribuição do sinal até às BSs. Assim, as BS são significativamente
4 Sistema Rádio sobre Fibra
4
simplificadas, uma vez que apenas necessitam de converter o sinal óptico para o domínio
eléctrico e de seguida amplifica-lo para ser radiado. Esta centralização do processamento de
sinal além da partilha de equipamento permite ainda alocação dinâmica de recursos e
operação e manutenção simplificadas como será visto mais à frente. Estas características
traduzem-se em poupanças na operação e instalação do sistema [2].
Um dos primeiros sistemas RoF propostos é apresentado na Figura 2.2 e foi utilizado numa
rede de tráfego GSM 900. Neste sistema um sinal electricamente modulado em RF modula
directamente um díodo laser de comprimento de onda 1,3 µm. Este sinal óptico depois de
transmitido ao longo da fibra é detectado por detecção directa, usando um fotodíodo PIN. O
sinal eléctrico RF resultante é amplificado e radiado pela antena. Este sinal deve obedecer às
especificações requeridas pela tecnologia wireless, seja ela GSM, UMTS, WiFi ou outras. O
uplink da BS para a CS é efectuado da mesma forma.
Este método de transporte sinais rádio sobre fibra é designado de modulação em
intensidade com detecção directa (IM-DD) e é a forma mais simples de um sistema RoF.
Figura 2.2 - Sistema RoF a 900 MHz
Figura 2.1 - Conceito de RoF
5
2.3. Vantagens
2.3.1. Baixas perdas por atenuação
Para transmitir sinais entre a BS e a CS existem duas possibilidades largamente
exploradas, a transmissão em espaço livre e a utilização de cabos coaxiais. Transmitir sinais
em espaço livre é caro e problemático, devido à saturação do espectro e a interferências de
outros sistemas, para além da elevada saturação característica para altas frequências e a
dependência das condições climatéricas. Em linhas de transmissão baseadas em cabo coaxial
a impedância da linha aumenta com o aumento da frequência, conduzindo a um aumento da
atenuação do cabo, o que requer a utilização de equipamento para regeneração e
amplificação do sinal. Neste caso pode-se ainda recorrer a uma frequência intermédia.
Contundo, esta solução requer equipamento adicional de conversão IF/RF e RF/IF na BS, o
que aumenta a complexidade e o seu custo associado. A solução será utilizar fibras ópticas
como meio de transmissão que apresentam atenuações muito menores, mantendo a
simplicidade do sistema [2].
A atenuação numa fibra de sílica apresenta actualmente uma curva característica da
atenuação dependente do comprimento de onda que levou à utilização preferencial de duas
janelas de comprimento de onda de baixa atenuação. Estas duas janelas funcionam em torno
dos comprimentos de onda de 1300 nm e 1500 nm e possuem atenuações na ordem dos 0,5
dB/Km e 0,2 dB/Km respectivamente [3]. Estas perdas são muito menores que as obtidas para
transmissão em espaço livre ou usando cabo coaxial para altas frequências [2]. Isto permite
não só aumentar a distância de transmissão como diminuir as potências emitidas. Com fibras
ópticas é possível obter distâncias de transmissão sem qualquer amplificador ou regenerador
superior a 100Km.
2.3.2. Elevada largura de banda
A largura de banda é a segunda característica mais importante numa ligação e é
proporcionada graças à utilização de portadoras de elevada frequência [4]. A fibra óptica
tornou-se o meio de transmissão por excelência graças à sua elevada largura de banda
comparativamente com qualquer outro tipo de transmissão. Esta é a principal vantagem da
fibra óptica em relação a uma ligação em espaço livre, a uma ligação por cabo coaxial ou por
par de cobre. O limite teórico para a largura de banda total de uma fibra considerando as
três janelas de transmissão possíveis (850 nm, 1300 nm e 1500 nm) é de cerca de 50 Tbits/s.
Contudo, na prática este valor é um pouco menor devido a diversos obstáculos que impõem
limitações na largura de banda total, tais como a dispersão causada por uma ligação óptica
[5]. Estas limitações serão estudadas mais à frente.
Actualmente os sistemas comerciais utilizam apenas fracções de 1,6 THz da capacidade
teórica total, mas a investigação continua no sentido de aumentar a capacidade de
transmissão de uma única fibra utilizando técnicas que permitem controlar as limitações do
sistema óptico bem como técnicas de multiplexagem eficientes. Limitações como dispersão
podem ser contornadas utilizando fibras de baixa dispersão ou dispersão negativa. Algumas
das técnicas de multiplexagem usadas com o objectivo de aumentar a capacidade total são a
multiplexagem temporal (TDM) e multiplexagem densa de comprimento de onda (DWDM) [2].
Esta elevada largura de banda da fibra óptica faz da tecnologia RoF uma tecnologia capaz de
fornecer serviços de banda larga [6].
6 Sistema Rádio sobre Fibra
6
Além da grande capacidade de transmissão de um sinal rádio a elevada largura de banda
da fibra permite ainda elevada velocidade no processamento dos sinais, como conversão de
frequência e filtragem. Estas velocidades de processamento seriam muito difíceis e
complexas de implementar no domínio eléctrico, uma vez que os dispositivos eléctricos
apresentam largura de banda reduzida. Podem ser implementadas utilizando por exemplo um
interferómetro de Mach-Zehnder (MZI) para fazer conversão de frequências eléctricas ou
fibras de Bragg para efectuar filtragem. A utilização de fibras ópticas no processamento
permite utilizar dispositivos eléctricos de largura de banda menor e portanto mais baratos,
mantendo a largura de banda da ligação elevada [2].
2.3.3. Imunidade a ruído eléctrico
Como a transmissão de um sinal se faz no domínio óptico, ao longo de uma fibra não
existe interferência eléctrica. Esta característica não só melhora a taxa de erros BER numa
transmissão digital ou a qualidade do sinal (relação sinal-ruído) numa transmissão analógica,
como torna o sistema seguro contra interferência externa intencional.
2.3.4. Redução da potência consumida
O facto de a maior parte do equipamento complexo se encontrar do lado da CS (geração
de portadora, modulação e multiplexagem) e se utilizarem BS mais simples e com pouco
processamento de sinal que se limita a amplificação RF e conversão O/E e E/O [4], faz com
que estes componentes necessitem de pouca energia, podendo mesmo funcionar em modo
passivo. Com BS simples e baratas é possível usar o modelo de pequenas células (micro ou
pico-células) para cobrir uma determinada área e como tal a potência que a antena necessita
de emitir é menor, o que não só reduz a potência consumida como reduz possíveis
perturbações na saúde humana [6]. A possibilidade de ter BS a funcionar em modo passivo
permite um funcionamento independente em relação a fontes de energia [2].
2.3.5. Facilidade de instalação e manutenção
Associado ao facto de consumirem pouca potência o equipamento utilizado nas BS são
compactos e de fácil instalação e manutenção.
Cada vez mais se necessita de sistemas sem fios de alta capacidade e maior velocidade, o
que se traduz em perdas maiores na ligação final entre a BS e a unidade móvel (MU), uma vez
que a atenuação de um sinal em espaço livre é maior. Para anular este efeito é necessário
reduzir o tamanho das células (sistemas de micro e pico-células) e portanto aumentar o
número de BS para cobrir uma mesma área. Nesta situação é vantajoso utilizar BS compactas
e de fáceis manutenção e instalação [4, 7].
Estas características tornam-se ainda mais importantes quando as RAUs se encontram
localizadas em pontos de difícil acesso. O menor impacto ambiental deste de RAUs de
pequenas dimensões é uma vantagem adicional deste tipo de sistemas [2].
2.3.6. Multi-tecnologia
Independentemente da técnica de geração de microondas o sistema RoF deve ser
transparente ao formato do sinal. Esta é uma característica importante de um sistema RoF e
que neste caso deve ser tida em conta, uma vez que se pretende um sistema que funcione
em ambientes multi-tecnologia. Assim, qualquer que seja a técnica de geração de portadora
7
óptica, o sistema deverá ser linear para que seja transparente (fibras de baixa dispersão e
moduladores a funcionar em regime linear) [2].
2.3.7. Alocação dinâmica de recursos
Graças à centralização de equipamento sistemas RoF permitem por exemplo adaptar a
capacidade da rede tendo em conta a necessidade de tráfego dos utilizadores, alocando
maior largura de banda a pontos de maior tráfego [8]. Assim, por exemplo um sistema para
tráfego GSM pode ser alocado maior tráfego para uma determinada área durante o pico de
utilização (zonas de shoping) e re-alocar a outras zonas como zonas residenciais durante a
noite [2].
2.4. Limitações
Os dispositivos ópticos apresentam algumas limitações do seu desempenho como não-
linearidades, ASE (Amplified Spontaneous Emission), ruído, distorção e dispersão. Algumas
destas limitações como as não-linearidades e o ruído são muito importantes em comunicações
analógicas e tendem a limitar a gama dinâmica (DR) e a figura de ruído (NF),
respectivamente [9]. A maior limitação num sistema RoF é a limitação causada pela DR
devido às não linearidades.
Várias não-linearidades como SPM, XPM, FWM, Raman Scatering e Stimulated Brillium
limitam a potência óptica que pode ser entregue numa ligação RoF. Esta limitação de
potência dificulta a implementação de alguns sistemas RoF, exigindo elevada potência de
transmissão, como em ligações em que a BS e a CS se encontram a grandes distâncias sem
amplificadores intermédios ou em sistemas em que são utilizados splitters ópticos para servir
várias BS [10].
Por outro lado, resultados mostram que num sistema de micro-células típico com algumas
obstruções da linha de vista, a potência recebida na BS das diferentes MUs varia bastante,
atingindo diferenças de cerca de 80 a 90 dB. Isto significa que uma MU colocada junto de uma
BS pode entregar cerca de 90 dB a mais de potência que uma MU colocada no limite da célula
a vários quilómetros [1]. Por exemplo, num sistema IM-DD o valor da gama dinâmica que o
sistema suporta é bastante inferior a este valor devido às não linearidades do díodo laser
causadas por um índice de modulação (OMI) pequeno. Isto obriga à utilização de técnicas
para contornar esta limitação como Automatic Gain Controller (AGC). Outras técnicas que
aplicam atenuação automática para colocar o sinal recebido dentro da gama da DR estão a
ser desenvolvidas, contudo estas técnicas aumentam a complexidade da BS [11]. Foram ainda
propostas outras técnicas de linearização como pós-compensação de não-linearidades para
compensar a distorção do laser, contudo para aplicar estas técnicas é necessário analisar os
parâmetros físicos dos componentes ópticos, o que dificulta a implementação [12].
A DR é também exigente no downlink.
Entre as fontes de ruído numa ligação analógica em fibra óptica estão o ruído de
intensidade do laser (RIN), o ruído de fase do laser, o shot-noise do fotodído e o ruído
térmico do amplificador [1, 9].
8 Sistema Rádio sobre Fibra
8
2.5. Aplicações
2.5.1. Redes de cobertura wireless indoor
Muitos dos actuais edifícios em construção como escritórios, aeroportos, centros
comerciais, edifícios públicos, estádios, entre outros, estão a ser equipados com ligações de
fibras ópticas que apresentam a vantagem de serem baratas e fáceis de implementar durante
a construção. Esta estrutura de fibras pré-instaladas permite implementar um sistema celular
indoor baseado em RoF barato e capaz de fornecer vários serviços. Estas redes de RoF indoor
usufruem também da vantagem de o mesmo equipamento e o mesmo comprimento de onda
poder ser reutilizado noutras partes de um mesmo edifício, o que oferece diversidade de
comprimento de onda [13].
Actualmente este é o mercado dominante da tecnologia RoF [9] e demonstrou ser uma
boa solução para implementação de WLANs [2, 4]. Estas redes locais operam a 2,4 GHz ou
5GHz e a próxima geração irá fornecer débitos binários até 54 Mbps, o que irá requerer
elevada capacidade ao sistema de transmissão [2]. Estudos demonstram que é possível atingir
estes débitos utilizando redes RoF com distâncias entre a BS e a CS até 300m [4].
Outro tipo de serviços dedicados a cobertura indoor que pode ser aplicado recorrendo à
tecnologia RoF é o designado Wireless Broadband Fixed Access Network como LMDS (Local
Multipoint Distribution System) e MVS (Multipoint Video Distribution Services) e
proporcionam serviços de dados, áudio e vídeo. MVS disponibiliza ainda serviços interactivos
[4] e pode ainda ser utilizado em ambientes outdoor com células pequenas de dimensões até
5 km utilizando uma largura de banda de 50 GHz.
2.5.2. Redes celulares
AS redes celulares com UMTS e GSM têm grande popularidade em todo o mundo, mas para
fazer destes sistemas ainda mais convenientes é necessário fazer duas coisas: eliminar as
designadas zonas cegas como túneis, interior de grandes edifícios ou áreas subterrâneas [4] e
aumentar a capacidade destas redes [2]. RoF facilita estas duas tarefas. No primeiro caso por
ser uma solução bastante barata e flexível permite cobrir facilmente zonas em que a sua
implementação era dispendiosa e difícil como nos casos mencionados. No segundo caso, como
já referido, a tecnologia RoF permite alocação dinâmica de recursos, o que permite
responder com maior eficiência às necessidades dos utilizadores.
2.5.3. Outras aplicações
Uma das primeiras aplicações de interesse da tecnologia RoF foi em comunicações por
satélite. Por vezes as estações terrestres de um sistema de satélite ficam distantes das
antenas receptoras, para que as antenas tenham por exemplo maior visibilidade ou menor
interferência de outros sistemas terrestres [2, 4]. Para ligar a central terrestre com as várias
antenas pode ser utilizada uma rede óptica baseada em tecnologia RoF, uma vez que permite
grandes distâncias de transmissão e elevada capacidade da rede.
Sistemas móveis de banda larga (MBS) constituem outra aplicação potencial da tecnologia
RoF. Esta tecnologia permite fornecer serviços de banda larga com débitos binários até 155
Mbps, utilizando portadoras eléctricas que funcionam na banda dos 60 GHz (ondas
milimétricas) [4].
9
Outra aplicação potencial da tecnologia tem a ver com o sistema proposto de transporte
inteligente (ITS), que consiste num sistema de comunicação e controlo de veículos, em que
estes comunicam tanto com a via (RVC) como com outros veículos que se encontrem na
proximidade (IVC). Este sistema tem por objectivo o controlo do tráfego automóvel, evitando
engarrafamentos e acidentes. No entanto estes sistemas apresentam ainda algumas
limitações como fading, efeito de Doppler e efeito de sombra [2, 4, 14].
2.6. Configurações de ligação RoF
Como vimos o conceito RoF prende-se em transportar informação em fibra, modulando a
luz injectada com um sinal rádio. Esta modulação pode ser feita directamente por um sinal
de radiofrequência (RF), por um sinal em frequência intermédia (IF) ou por um sinal em
banda base (BB). Cada uma destas configurações apresenta as suas próprias vantagens como
redução da complexidade da BS, alocação dinâmica de portadoras rádio a diferentes BS e a
transparência e escalabilidade da rede. De seguida são apresentadas as várias configurações
possíveis bem como as suas principais vantagens e limitações.
2.6.1. Transmissão RF sobre fibra
Esta é a configuração mais simples de todas e a mais comum por ser a implementação
mais económica [15]. Nesta implementação (Figura 2.3 - Configuração RF sobre fibra) o sinal
é electricamente modulado na CS em RF, que por sua vez modula uma portadora óptica que é
transmitida pela rede óptica ou ligação simples até à BS. Na BS o sinal é detectado pelo
fotodíodo (PD), gerando uma fotocorrente. O sinal resultante é amplificado e entregue à
antena para ser radiado. No uplink o processo é semelhante.
Esta configuração além da já referida simplicidade da BS apresenta ainda a vantagem de
ser uma configuração transparente à modulação rádio do sinal [16]. Contudo, é uma
configuração bastante sensível à dispersão cromática da fibra, o que limita seriamente a
distância máxima de transmissão; exige componentes ópticos de baixo ruído e baixa distorção
a altas frequências. Como o díodo laser é a principal fonte de ruído é necessário assumir um
compromisso entre a performance e o custo do dispositivo [17].
2.6.2. Transmissão IF sobre fibra
Figura 2.3 - Configuração RF sobre fibra
10 Sistema Rádio sobre Fibra
10
Nesta configuração, como se pode ver na Figura 2.4, o sinal é electricamente modulado a
uma frequência intermédia na CS. Este sinal IF modula uma portadora óptica que é enviada
pela rede ou fibra óptica. Na BS o sinal IF é detectado pelo PD e amplificado por um
amplificador IF antes de ser convertido para a frequência RF. Este sinal RF é entregue às
antenas para ser radiado [15].
O efeito da dispersão cromática neste caso é menos significativo que na configuração
anterior e permite implementar transmissões multi-canal usando técnicas como SCM [16].
Contudo esta configuração exige hardware adicional do lado da BS para fazer as conversões
de frequência IF/RF e RF/IF. Apesar de este hardware já se encontra largamente
desenvolvido [9], a sua utilização aumenta significativamente a complexidade da BS, para
além de tornar esta configuração numa implementação pouco flexível [17].
2.6.3. Transmissão digital IF sobre fibra
Configuração semelhante a IF sobre fibra analógica, contudo na BS o sinal é digitalizado
antes de modulado e transmitido através da fibra ou rede óptica. Na BS o sinal é detectado
pelo PD e convertido de novo para IF analógico antes de ser convertido para RF e de seguida
radiado [15].
Nesta configuração não há prejuízo de ruído nem distorção, mas é obtido à custa de alta
complexidade [6].
2.6.4. Transmissão em banda base
Nesta configuração, como podemos ver pela Figura 2.6, o sinal em BB é utilizado
directamente para modular uma portadora óptica que é transmitida pela fibra. A modulação
da portadora óptica usada pode ser directa utilizando um díodo laser ou externa utilizando
Figura 2.4 – Configuração IF sobre fibra
Figura 2.5 - IF digital sobre fibra
11
um modulador externo (EOM) como um modulador MZI ou um Electroabsorption Modulator
(EAM). O sinal óptico recebido na BS depois de detectado pelo PD é transmitido para
frequência RF directamente ou para frequência IF e de seguida para RF e entregue à antena
para ser radiado [17].
O efeito da dispersão cromática nesta configuração é desprezável à semelhança do que
acontece na configuração IF [18]. Além disso esta configuração tem ainda as vantagens de
utilizar hardware de processamento de sinal já bem desenvolvido e utilizar interfaces
optoelectrónicas de baixo custo, uma vez que não lhes é exigida elevada largura de banda [9,
17].
Por outro lado, esta configuração apresenta o inconveniente de exigir BSs caras,
complexas e de grandes dimensões, o que diminui a flexibilidade do sistema [16]. Quanto
menor a frequência utilizada na modulação do sinal eléctrico a enviar maior a complexidade
exigida para o sistema. Neste caso como o sinal não sofre modulação RF são necessárias
técnicas alternativas de multiplexagem como TDM ou CDMA [17]. Estas técnicas dificultam o
upgrade do sistema [9].
Todas estas configurações permitem alocação dinâmica e reconfigurável de recursos,
graças à centralização do controlo e monitorização. Contudo, a configuração RF sobre fibra é
a que foi alvo de maior investigação no passado recente [16].
As técnicas utilizadas na implementação destas configurações podem ser agrupadas em
três categorias, são elas Intesaty Modulation – Direct Detection, Remote Heterodyne
Detection (RHD) e geração de harmónicos. A configuração RF sobre fibra recorre à técnica IM-
DD. Sistemas IF sobre fibra e BB sobre fibra que exigem a existência de osciladores locais nas
RAU podem também aplicar IM-DD para transmitir os dados em IF ou BB. Contudo na maior
parte dos casos estas duas configurações recorrem a RHD para geração dos sinais RF. De
seguida exploradas estas e outras técnicas utilizadas em sistemas RoF.
2.7. Técnicas de geração de sinais rádio em fibra
2.7.1. Modulação de intensidade com detecção directa (IM-DD)
Entre as várias técnicas utilizadas esta é a mais comum, muito graças à sua simplicidade e
baixo custo [19], uma vez que como já foi visto é comum em configurações RF sobre fibra.
Figura 2.6 - Configuração BB sobre fibra
12 Sistema Rádio sobre Fibra
12
A modulação é feita em intensidade do feixe de luz e pode ser um de dois tipos:
modulação directa ou modulação externa. A detecção directa é feita por um PD que recupera
o sinal RF. Na modulação directa um sinal RF é aplicado directamente aos terminais do laser,
fazendo a alimentação do mesmo e modulando a intensidade do feixe óptico emitido. Na
modulação externa o laser emite continuamente um feixe de luz de intensidade constante
(CW) e faz uso de um modulador externo (EOM), como por exemplo um modulador MZM ou um
EAM [1].
Na modulação directa, representada na Figura 2.7 do lado esquerdo, um único dispositivo
(laser) funciona como fonte de luz e modulador. Uma grade limitação desta modulação é a
pequena largura de banda de modulação do laser. Lasers simples podem ser modulados por
sinais com frequências até alguns gigahertzs, cerca de 5-10 GHz.[17, 20]. Deste modo,
sistemas wireless de elevada largura de banda que operam com portadoras às frequências das
microondas e das ondas milimétricas usam normalmente modulação externa (representada na
Figura 2.7 do lado direito), pelo facto de os moduladores externos possuírem maiores larguras
de banda de modulação [20]. Contudo, esta modulação além do efeito da dispersão comum a
ambos os tipos de modulação tem ainda a desvantagem de possuir elevadas perdas por
inserção [17].
Em ambos os casos após transmissão ao longo da fibra e detecção directa no fotodíodo
PIN a fotocorrente gerada será uma réplica do sinal RF aplicado na modulação. Esta
fotocorrente é submetida a amplificação RF para que se obtenha a o nível de tensão desejado
e entregue à antena.
Como já referido esta técnica é uma mais-valia pela sua simplicidade. Além disso, se a
fibra utilizada apresentar um comportamento linear, então a ligação óptica funciona apenas
como amplificador ou atenuador, obtendo-se um sistema transparente ao formato de
modulação. Assim, podem ser utilizadas tanto modulação em amplitude (AM) como
modulação em fase (PM/QPSK). Esta modulação apresenta ainda as vantagens de poder ser
usado com multiplexagem SCM e, no caso de modulação externa com um PD de elevada
largura de banda, permitir transporte de sinais RF com frequências até 100 GHz [19].
Contudo, IM-DD necessita de técnicas de compensação da dispersão da fibra para
frequências RF elevadas e longas distâncias de transmissão para atenuar o efeito das não-
linearidades, o que aumenta a complexidade do sistema [1, 2, 21]. Isto introduz dependência
da frequência utilizada ou do comprimento da ligação óptica.
Figura 2.7 - Modulação directa (à esquerda) e externa (à direita)
13
2.7.2. Detecção remota heterodina (RHD)
Uma vez que técnicas IM-DD são limitadas pela dispersão cromática da fibra outras
técnicas de geração de sinais sobre fibra foram desenvolvidas, entre as quais RHD. A técnica
de geração por heterodinação consiste na transmissão de duas ou mais portadoras ópticas de
comprimentos de onda diferentes que ao serem detectadas no PD, após mistura coerente,
sofrem heterodinação óptica gerando um sinal eléctrico com frequência igual à diferença de
frequência entre as duas portadoras. Esta técnica permite potencialmente gerar frequências
na ordem dos terahertz, sendo teoricamente apenas limitada pela largura de banda do PD
[20].
Podem ser usados dois díodos laser ou um único para gerar duas portadoras ópticas, sendo
que apenas uma delas é modulada com os dados a transmitir [21]. Na Figura 2.8 pode-se ver a
estrutura genérica de um sistema baseado em RHD. As portadoras ópticas podem ser geradas
por um único laser (Maseter laser), sendo este modulado em intensidade por um sinal RF de
referência. O feixe óptico é dividido em dois e os comprimentos de onda são fixados de forma
que a diferença de frequência seja igual à frequência RF do sinal a transmitir [17].
Na detecção a heterodinação das duas portadoras pode ser obtida pelo próprio PD ou
então as duas portadoras podem ser detectadas por PDs diferentes e a heterodinação pode
ser feita no domínio eléctrico usando um misturador [17]. No caso de a heterodinação ocorrer
no PD, as duas portadoras ao incidirem no fotodíodo PIN é gerada uma fotocorrente com
harmónicos às frequências soma e diferença das frequências das portadoras. Por utilização do
termo diferença e efectuando o controlo deste termo é possível obter o sinal RF com a
frequência desejada [1] que pode ir de alguns megahertz até à banda dos gigahertz [17].
Um dos requisitos desta técnica é que as fases das portadoras ópticas geradas estejam
correlacionadas, para que o ruído de fase não seja um problema. Ou seja, a estabilidade da
frequência instantânea do sinal gerado pelo PD depende da diferença instantânea de
frequência entre as duas ondas misturadas. Tendo isto em conta e que a emissão de um laser
é muito sensível a vários factores como temperatura, ruído de fase e outros, é necessário
controlar a diferença de frequência instantânea do sistema e para isso são utilizadas várias
técnicas tais como Optical Frequency/Phase Locked-Loops, Optical Injection Locking e
Optical Injection Phase Locked Loop. Estas técnicas são exploradas mais à frente.
É possível usar um único laser seguido de um modulador de fase óptico para gerar várias
componentes ópticas, sendo de seguida seleccionados os desejados. Outra forma é utilizar
lasers distintos que emitem frequências separadas pela frequência RF desejada e a este
sistema aplicar as técnicas referidas para manter a diferença de frequência constante.
Figura 2.8 - Esquema genérico de um sistema baseado em RHD
14 Sistema Rádio sobre Fibra
14
Vantagens e desvantagens de RHD
O RHD apresenta várias vantagens. Em primeiro lugar permite elevada flexibilidade na
escolha de frequências, uma vez que permite gerar portadoras de elevadas frequências,
sendo apenas teoricamente limitado pela largura de banda do PD, bem como utilizar sinais
em BB ou RF de baixa frequência [1]. Em segundo, a potência detectada no PD é maior
devido à utilização de duas ou mais portadoras ópticas que contribuem com potência e
portanto a relação CNR é maior [1, 15]. Em terceiro lugar, permite gerar sinais RF de elevada
pureza e com baixo ruído de fase, utilizando um único laser ou laser em que as fases são
fixadas por um deles [4]. Em quarto, permite elevado ganho de ligação bem como elevada
eficiência de modulação [15]. Por fim, e talvez a vantagem mais importante, esta técnica
permite baixa dispersão cromática [1, 15], uma vez que apenas uma das bandas laterais é
modulada com dados – modulação Single Side Band (SSB).
Contudo esta técnica apresenta uma desvantagem principal que é o elevado aumento do
custo e complexidade do sistema devido à necessidade de utilização de equipamento
adicional para manter a diferença de frequência constante, bem utilização de lasers de
largura espectral estreita [1, 15]
De seguida são exploradas algumas da técnicas usadas na geração dos sinais heterodinos e
na fixação de fase e frequência das portadoras ópticas.
Filtragem óptica FM
Consiste num único laser ao qual é aplicado um sinal eléctrico modulando a frequência
óptica. Esta modulação gera um conjunto de bandas laterais todas espaçadas pela frequência
do sinal eléctrico aplicado, como se pode ver na Figura 2.9. Deste conjunto de bandas
laterais são seleccionadas duas delas separadas pela frequência do sinal RF a transmitir,
utilizando um processo de filtragem passa-banda óptico. O conceito deste sistema é
semelhante à técnica de fixação da frequência OIL apresentada a seguir, contudo neste caso
a sintonização das bandas desejadas é efectuada utilizando um laser adicional [1].
Lasers dual-mode (DML)
Neste método a correlação de fase entre as portadoras ópticas é obtida por utilização de
um único laser DFB com dois modos a oscilar no interior da cavidade. Isto é obtido removendo
o desfasamento do DFB para que não haja oscilação à frequência de Bragg, o que faz com que
Figura 2.9 - Princípio de geração óptica baseada em filtragem óptica
15
surjam duas riscas laterais em torno desta frequência dando origem a um Dual Mode Laser
(DML). A separação de frequência dos dois modos será igual á frequência do sinal RF desejado
[1].
Optical Frequency/Phase Locked-Loops (OP/FLL)
Este método consiste em utilizar um díodo laser principal e um escravo, um acoplador,
um PD PIN, um amplificador microondas, um detector de fase ou frequência, um filtro e um
oscilador RF de referência e encontra-se representada na Figura 2.10. Assim, a combinação
das potências ópticas do laser principal (Master) com o laser escravo (Slave) é dividida em
duas partes, sendo que a maior parte dessa potência é enviada para a RAU, enquanto uma
pequena parte é detectada por heterodinação no fotodíodo PIN. A fotocorrente gerada é
amplificada e comparada com o sinal proveniente do oscilador de referência. A diferença de
fase ou frequência, conforme se trate de fixação de fase ou de frequência, respectivamente,
alimenta o PD escravo. Desta forma a diferença de fase ou frequência obtida entre os dois
lasers é mantida constante e igual à frequência do oscilador de referência.
O OFLL apenas mantém a diferença de frequência, desprezando pequenas variações
devido a ruído de fase, enquanto OPLL permite compensar pequenas perturbações na fase
[1].
Optical Injection Locking (OIL)
Neste caso o díodo laser principal (Master) é modulado por um sinal de referência de
baixa frequência que é um sub-harmónico da frequência da risca principal do laser escravo
(Slave). Deste modo o espectro do laser principal além da risca fundamental possuí várias
bandas laterais separadas de múltiplos de fREF da risca principal.
Como se vê na Figura 2.11 a potência emitida pelo laser principal é dividida e uma parte
desta potência vai alimentar o laser escravo. Como a frequência de referência é um sub-
harmónico da frequência do laser escravo, o espectro deste laser irá sobrepor uma das riscas
laterais do laser dominante, o que faz com que a frequência deste laser fixe a frequência a
frequência da risca lateral do laser dominante. Se a frequência referência se mantiver
Figura 2.10 - Princípio de OF/PLL
16 Sistema Rádio sobre Fibra
16
constante então as variações da frequência do laser escravo acompanharão as variações de
frequência do laser principal e portanto a diferença de frequência manter-se-á constante [1].
Optical Injection Phase Locked Loop (OIPLL)
Este método resulta da combinação dos princípios OIL e OPLL com o objectivo de
combinar as vantagens de ambos, complementando os pontos fracos de cada um deles. O
laser principal é modulado com um sinal de frequência sub-harmónica da frequêcnia do sinal
referência, tal como acontece no princípio OIL. Uma parte desta potência é enviada para um
circulador que por sua vez a entrega ao laser escravo. Este laser fica sintonizado num dos
harmónicos laterais da onda injectada pelo laser principal. As duas potências (principal e
escravo) são de novo acopladas e enviadas. Tal como em OIL a diferença de frequência entre
a portadorado laser principal e do laser escravo corresponde à frequência do sinal RF a
enviar.
A esta configuração é ainda aplicada OPLL. Assim parte da potência da saída é enviada
para um OPLL. A corrente gerada por esta parte do esquema é adicionada à corrente
injectada do laser escravo. Deste modo é aplicada uma combinação dos dois princípios
(Figura 2.12) [1].
Figura 2.11 - Princípio de OIL
Figura 2.12 - Princípio de OIPLL
17
Comparação das técnicas de geração heterodina
Como podemos ver pela Tabela 2.1comparativa das diferentes técnicas RHD a melhor
performance é sempre obtida á custa de aumento do custo e complexidade do sistema.
Contudo estas técnicas resolvem o problema da dispersão cromática da fibra bastante
limitadora em modulação de intensidade.
Técnicas Vantagens Desvantagens
Filtragem
óptica FM
Bandas laterais correlacionadas
Baixo ruído do sinal gerado
Capaz de gerar sinais de elevada
frequência e grande pureza espectral
Necessita de filtros de elevada
qualidade
Precisão no controlo da variação da
posição das bandas laterais
Elevada complexidade do sistema
DML Não necessita de realimentação
Portadoras obtidas correlacionadas
Baixo ruído do sinal gerado
Dificuldades de sintonização
Exige elevada precisão
OPLL Boa resposta a variações de
temperatura
Capaz de gerar sinais de elevada
qualidade e grande pureza espectral
Funciona numa elevada gama de
frequências
Requer estruturas laser complexas
Requer largura de banda do circuito de
realimentação elevada
Desenho e construção complexas
OFLL Realizável com DFB standard de
baixo custo
Sinal RF gerado de elevada largura
espectral
Exige laser de elevada largura espectral
OIL Podem ser usados lasers de elevada
largura espectral
Bom ruído de fase
Permite utilizar sinais de referência
de baixa frequência que são mais
fáceis de gerar
Funciona para uma estreita gama de
frequências de sintonização
OIPLL Baixo ruído de fase tal como OILL
Mantém elevada gama de frequências
de sintonização de OPLL
O atraso de propagação de OPLL
torna-se pouco importante
Não exige lasers de elevada pureza
espectral (lasers baratos podem ser
usados)
Complexidade do sistema inerente ao
facto de resultar de dois sistemas já por
si complexos
Tabela 2.1 - Comparação dos diferentes princípios de geração heterodina
2.7.3. Técnicas baseadas em geração de harmónicos
Conversão FM-IM e PM-IM
A dispersão cromática é caracterizada por ao propagar-se ao longo de uma fibra óptica
monomodo tornar um sinal modulado em fase ou frequência num sinal modulado em
18 Sistema Rádio sobre Fibra
18
intensidade. Assim, é possível gerar ondas milimétricas de elevadas frequências a partir de
um sinal modulado em frequência [22] ou em fase [23].
A conversão de um sinal modulado em FM para um sinal modulado em intensidade é
levada a cabo pela dispersão cromática de uma fibra standard. O laser é modulado em
frequência pela aplicação de um sinal aos seus terminais. O espectro resultante é constituído
por riscas separadas pela frequência do sinal que alimenta o laser. O sinal propaga-se ao
longo da fibra e devido à dispersão cromática a fase relativa das bandas laterais altera-se, o
que provoca variações na intensidade da luz à frequência dos harmónicos, surgindo um sinal
modelado em intensidade [1].
Uma limitação importante desta técnica prende-se com o facto de o índice de modulação
FM do laser DFB tem que ser devidamente ajustado para um determinado comprimento de
fibra, uma vez que a dispersão cromática depende do comprimento de fibra. Isto faz com que
esta técnica não seja muito útil para curtos comprimentos de fibra, em que elevadas
potências são exigidas para obter o índice de modulação desejado. Para contornar esta
limitação foi proposta a utilização de Chirped Fiber Grating (CFG). Foi mostrado [24] que a
utilização de CFG melhora a performance da técnica de conversão FM-IM minimizando o
índice de modulação FM da fonte com independência da distância de transmissão.
Uma outra técnica semelhante a esta consiste em converter sinais modulados em fase em
sinais modulados em intensidade (PM-IM) e apresenta a vantagem de ser independente do
formato de modulação [23].
Estas duas técnicas apresentam as vantagens de produzirem eficientemente sinais de
elevadas frequências; exploram uma característica indesejável da fibra que é a dispersão
cromática [1]; são fáceis de implementar, necessitando apenas de técnicas de filtragem e
amplificação simples; não necessitam de alinhamentos cuidados dos comprimentos de onda;
eficiente em termos de potência, uma vez que não há potência óptica desperdiçada por
filtragem de bandas laterais indesejáveis [22]
Técnicas baseadas em bandas laterais
Exsistem duas técnicas principais baseadas na geração de bandas laterais designadas 2f e
4f. Esta técnica consiste em utilizar um modulador MZM para gerar bandas laterais a
frequências que são o dobro (2f) ou o quadruplo (4f) da frequência do sinal microondas. Os
dados são modulados apenas numa das bandas laterais. As duas bandas laterais ao serem
detectadas no PD sofrem heterodinação óptica gerando o sinal de microondas com frequência
2f ou 4f conforme se use um ou outro.
Esta técnica é capaz de gerar sinais de elevadas frequências. Além disso, o espectro
resultante possuí elevada pureza espectral, uma vez que o ruído de fase é correlacionado
(riscas geradas pelo mesmo laser) e por isso é comparável a OPLL. Esta técnica apresenta
características melhores que FM-IM.
Contudo, necessita de técnicas de filtragem, bem como de um controlo de temperatura
para manter a filtragem sintonizada [1].
Misturador baseado num interferómetro
Consiste em utilizar um interferómetro MZI e um PD para efectuar a conversão de
frequência. Nesta técnica um sinal RF e um oscilador local são utilizados para modular um
díodo laser. O sinal resultante é misturado no MZI dimensionado para maximizar o produto do
misturador. Esta técnica apresenta os inconvenientes de o laser e o filtro necessitarem de
19
estabilização e de ser sensível a perturbações de polarização. Na Figura 2.13 pode ser visto o
esquema de um misturador baseado num interferómetro.
2.8. Multiplexagem em RoF
2.8.1. Multiplexagem por sub-portadora (SCM)
SCM é uma técnica que usa tecnologia já bem explorada e é uma forma simples e barata
de explorar as vantagens de uma fibra como a elevada largura de banda em sistemas de
comunicações analógicos de uma forma geral e em RoF em particular.
Geralmente dispositivos RF, como tecnologias largamente exploradas que são, possuem
várias vantagens sobre dispositivos ópticos tais como a estabilidade dos osciladores, a
selectividade de frequência dos filtros e a facilidade de implementação de formatos de
modulação avançados [25]. Por outro lado existe as bem conhecidas vantagens da utilização
de sistemas ópticos já aqui exploradas. SCM apresenta-se como uma tecnologia híbrida que
combina as vantagens dos dois domínios (óptico e eléctrico) [26].
Esta técnica caracteriza-se por duas etapas de modulação nos dois diferentes domínios. A
primeira modulação ocorre no domínio eléctrico em que vários canais RF modulados com
sinais analógicos ou digitais são adicionados. Estes canais que dão origem a sub-portadoras
encontram-se muito próximos entre si, dependendo da frequência do oscilador RF aplicado na
modulação. O segundo nível de modulação consiste em converter o sinal resultante para o
domínio óptico usando um díodo laser e um modulador [26]. Esta modulação resulta, como se
pode ver pela Figura Figura 2.14, num espectro constituído por uma risca principal à
frequência de emissão laser (f0) e um conjunto de riscas laterais às frequências fo±fSci, as sub-
portadoras, daí o termo multiplexagem por sub-portadora [1].
Na detecção o esquema convencional faz uso de rebatimento heterodino entre a
portadora óptica transmitida e as várias sub-portadoras num PD de elevada velocidade para
recuperar o sinal RF [25] que depois de filtrado o canal desejado e amplificado é radiado.
Esta técnica apresenta o inconveniente de ser sensível à dispersão cromática. Para
contornar esta limitação e para aumentar a eficiência espectral desta técnica é possível
reduzir a modulação óptica a uma banda lateral utilizando modulação OSSB em vez de ODSB
[25, 27]. Para aumentar a eficiência espectral pode ainda ser utilizada multiplexagem de
comprimento de onda junto com SCM, o que permite larguras de banda de cerca de 1 THz
[28]
As grandes vantagens desta técnica resultam de proporcionar elevada flexibilidade e
simplicidade ao sistema, uma vez que cada terminal encontra-se associado a um canal com
frequência independente [27]; permite multiplexagem de sinais analógicos, digitais ou ambos
sem necessidade de sincronização, em que cada canal multiplexado pode transportar
Figura 2.13 - Esquema de um misturador baseado num MZI
20 Sistema Rádio sobre Fibra
20
diferente tráfego e oferece diferentes débitos; faz uso de dispositivos RF largamente
desenvolvidos, como osciladores RF estáveis e de baixo ruído de fase e filtros de grande
selectividade; e permite utilização de técnicas avançadas de modulação [29].
Contudo, esta técnica necessita de PD e componente Rf de elevada velocidade e é
sensível à dispersão de polarização (PMD) [25], bem como a não-linearidades como XPM e
FWM que podem gerar crosstalk entre canais SCM adjacentes, uma vez que se encontram
muito próximos [29].
2.8.2. Multiplexagem de comprimento de onda (WDM)
Redes WDM podem ser usadas em sistemas RoF para transportar sinais entre diferentes
terminais (BS e CS) e permitem comunicação bidireccional entre estes. Nesta topologia a
multiplexagem é feita no domínio óptico ao contrário de SCM em que a multiplexagem é
eléctrica.
Utilizando WDM por exemplo numa rede em anel como no caso da figura Figura 2.15 é
possível chegar a todas as BSs de um sistema RoF de forma eficiente, com uma boa
exploração da largura de banda da fibra. Nesta arquitectura, na CS as portadoras ópticas são
multiplexadas, amplificadas e introduzidas no anel da fibra. Cada BS remove a portadora que
lhe é destinada e adiciona uma outra a outra frequência utilizando um OADM. A portadora
removida é detectada obtendo-se o sinal RF desejado [30].
Esta técnica de multiplexagem permite reutilização de portadoras em diferentes
caminhos da rede numa topologia de rede emalhada; é transparente à modulação utilizada e
pode transportar portadoras de diferentes larguras de banda; e permite aumentar a
capacidade de transmissão.
Por outro lado, faz uso de dispositivos mais sofisticados e é afectada por várias limitações
como a dispersão, efeitos de polarização, SPM, XPM e FWM que causam crosstalk entre
canais.
Outros desafios para WDM prendem-se com o desafio que é desenhar e desenvolver
arquitecturas de rede apropriadas, bem como protocolos e algoritmos necessários [31].
Figura 2.14 - Esquema de SCM
21
A largura de banda total desta técnica é igual à soma total das larguras de banda da
largura de banda das diferentes portadoras ópticas e cada portadora é um único canal de
comunicação com uma determinada largura de banda [31].
2.8.3. SCM sobre WDM (SCM/WDM)
Como vimos SCM consiste em transportar vários sinais RF numa única portadora óptica,
enquanto WDM permite multiplexar várias portadoras ópticas numa mesma fibra. Conjugando
estas duas técnicas é possível explorar uma fracção elevada da largura de banda total de uma
ligação óptica, optimizando cada uma das técnicas apresentadas.
A configuração de um sistema SCM/WDM é apresentada na figura Figura 2.16. Como
podemos ver cada transmissor suporta SCM, em que n sinais distintos são modulados por n
portadoras RF diferentes à frequência fi. De seguida os diferentes sinais modulados são
combinados utilizando um multiplexador eléctrico ou um adicionador e de seguida é
transformado num sinal óptico por modulação óptica de uma portadora usando para o efeito
um laser e um modulador. m transmissores distintos fazem uso de portadoras ópticas de
comprimentos de onda distintos que são multiplexadas usando a configuração WDM.
Nos transmissores a modulação da fonte de luz pode ser directa ou externa como no caso
da figura, mas em ambos os casos o sinal RF deve ser pré-modulado com os dados a
transmitir. Os n lasers podem funcionar isoladamente a baixas velocidades, mas o conjunto
proporciona uma elevada capacidade resultante da multiplicação por n. Cada laser é
modulado com um sinal de determinada largura de banda, mas a capacidade total a ser
transmitida pela fibra é igual à soma das bandas de cada um dos lasers.
Depois de transmitido pela fibra o sinal é desmultiplexado utilizando um desmultiplexador
WDM e cada uma das portadoras é entregue a um receptor distinto que converte o sinal
óptico para o domínio eléctrico utilizando um PD e aplica a esse sinal eléctrico um filtro
passa-banda para recuperar cada uma das portadoras SCM [29, 31].
Nesta configuração é também possível efectuar adição e remoção de canais em ambos os
domínios (SCM e WDM).
Figura 2.15 - Arquitectura de uma rede WDM em anel
22 Sistema Rádio sobre Fibra
22
2.9. Futuro do Rádio sobre fibra
Rádio sobre fibra é uma tecnologia em crescimento e como tal ainda há muito para ser
feito. A tendência é para diminuir as dimensões e complexidade das BSs e como tal já foram
demonstradas algumas técnicas que consistem na utilização de um único componente na
interface fibra/antena designado Electroabsortion Modulator (EAM). Este dispositivo é
constituído por duas portas RF independentes: uma para o uplink do sinal RF e outra para a
saída do PD integrado [4, 32]. Forma também propostas soluções de ligação óptica
bidireccional, em que uma única fibra óptica faz o downlink e o uplink [33].
Um dos problemas de RoF como referido anteriormente é o custo com dispositivos
utilizados no processamento de sinal RF que embora localizados na CS continuam a ser um
encargo. Algumas pesquisas em curso pretendem substituir o processamento eléctrico por
processamento no domínio óptico [6].
Estes são apenas alguns dos temas associados à tecnologia RoF que estão actualmente a
ser estudados, havendo muitos outros.
Figura 2.16 - Arquitectura de um sistema SCM/WDM
Capítulo 3
Tecnologias
3.1. Introdução
Neste capítulo são exploradas algumas das tecnologias que o sistema RoF a desenvolver
deve suportar.
Nos pontos 3.2, 3.3 e 3.4 são apresentadas tecnologias de redes celulares de segunda,
terceira e quarta geração.
No ponto 3.5 é apresentado o standard WiMAX bem como as vantagens inerentes à sua
utilização.
No ponto 3.6 é apresentada a tecnologia MIMO e no ponto 3.7 é feito um estudo do estado
da arte de sistemas RoF que suportam multi-tecnologia.
3.2. Global System for Mobile Communications (GSM)
GSM é a tecnologia padrão para comunicações móveis mais popular em todo o mundo e é
uma tecnologia de segunda geração (2G) de comunicações celulares móveis.
O sistema GSM é um sistema limitado em termos de largura de banda, funcionando nas
bandas de 900 e 1800 MHz com larguras de banda por canal de 200 KHz. Usando por exemplo
GSM-900 um operador dispõe de 60 portadoras para disponibilizar serviços.
Usa as técnicas de multiplexagem TDMA e FDMA.
3.3. Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)
UMTS é uma das tecnologias de Terceira geração (3G) e usa a banda de frequências 1920-
1980 MHz no uplink e 2110-2170 MHz no downlink [34]. Este standard usa WCDMA e suporta
uma taxa de transferência máxima teórica de 21 Mbps, contudo, os débitos actuais não
ultrapassam os 7,2 Mbps, o que continua a ser bom comparativamente com os 9,6 Kbps do
GSM. Esta norma permite acesso à World Wide Web e outros serviços em dispositivos móveis e
proporciona conectividade do tipo “any time, any where” com débitos binários relativamente
baixos para utilizadores de baixa mobilidade em áreas pequenas [35].
24 Tecnologias
24
Esta tecnologia suporta facilidades como portadoras realocáveis e atribuição dinâmica de
bandas e suporta vários tipos de tráfego [36].
Aqui [34] é demonstrada uma ligação óptica bidireccional para cobertura indoor na banda
do UMTS usando tecnologia RoF. Nesta ligação foi utilizado apenas um díodo laser e um EAM.
3.4. Long Term Evolution (LTE)
LTE é uma tecnologia de quarta geração (4G) para sistemas celulares de comunicações
móveis de elevada performance que permite velocidades até 100 Mbps no downlink e 50 Mbps
no uplink. Esta tecnologia incorpora MIMO [37] em combinação com OFDMA, para além de
suportar FDD e TDD.
3.5. Worldwide Interoperability for Microwave Access
(WiMAX)
WiMAX é uma norma base para acesso sem fios de banda larga promovido pelo WiMAX
Forum, um consórcio de fabricação de equipamentos, fornecimento de serviços e integração
de sistemas formado em 2001 [38].
WiMAX permite conectividade fixa e nómada de banda larga. Na versão fixa (baseada no
standard IEEE 802.16-2004) é utilizada modulação OFDM para bandas de frequência abaixo
dos 11 GHz. Uma versão mais avançada desta norma foi adicionada a capacidade de
mobilidade (IEEE 802.16e) que é conhecida como WiMAX móvel.
Deste modo WiMAX pode competir em diferentes mercados de acesso de banda larga:
WiMAX fixo compete com tecnologias DSL enquanto WiMAX móvel pretende substituir a
disponibilização de serviços 3G e mesmo cobertura WiFi indoor [38].
WiMAX móvel opera numa mistura de banda de frequências licenciadas e não licenciadas
na gama de 2,4 ou 5,8 GHz e as tecnologias aplicadas incluem SOFDMA, MIMO, IP, AAS, AMS, e
encriptação AES. Utiliza ainda OFDMA que é baseado em OFMD. O OFDM é uma forma de
multiplexagem por divisão nas frequências (FDM) mas que possuí elevada eficiência espectral
e resistência a multi percurso comparativamente com outros métodos de multiplexagem [39].
Esta norma apresenta alguma vantagens entre as quais: apresenta elevada largura de
banda com débitos partilhados até 70 Mbps; tem um longo alcance, até 40 Km; é multi-
aplicação – usa IP e como tal é capaz de suportar eficientemente VoIP e transmissão vídeo;
suporta diferentes qualidades de serviço oferecendo alocação dinâmica de banda para
diferentes serviços; arquitectura flexível, suportando arquitecturas Point-to-point e point-to-
multipoint; elevada segurança, uma vez que suporta normas de encriptação avançada; a
qualidade de serviço pode ser dinamicamente optimizada para o tráfego existente [39].
3.6. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)
MIMO é uma técnica multi-antena que permite, utilizando multiplexagem espacial,
elevados débitos binários numa ligação sem fios comparativamente com a utilização de uma
única antena apesar de utilizar a mesma largura de banda.
Em breve os sistemas WLAN, WiMAX móvel e redes 4G como LTE irão utilizar MIMO [37].
25
MIMO apresenta uma dificuldade adicional à tecnologia RoF pelo facto de ser transmitido
um grupo de sinais com a mesma frequência da portadora que alimentam as multiplas
antenas utilizando uma ligação óptica. A solução convencional é utilizar técnicas de
multiplexagem WDM e SCM, como já foi visto, ou múltiplas antenas, o que é uma solução
cara.
Aqui [37] é proposta e demonstrada a transmissão de múltiplos sinais rádio MIMO de
frequências iguais sobre fibra usando um novo método designado phase quadrature double
side band frequency translation.
3.7. Multi-tecnologia em RoF
Vários artigos têm vindo a propor técnicas e a testar tecnologias multi-standard em
simultâneo num sistema RoF [40-42].
Um dos standards aplicados a RoF que está a ser mais largamente estudado é o WiMAX
[21, 26, 38, 43]. As vantagens da tecnologia RoF permitem melhorar a performance desta
norma diminuindo o custo e dimensões das BSs. Assim, existem dois cenários de aplicação
distintos. O primeiro cenário baseia-se em células WiMAX dentro de edifícios residenciais,
escritórios, túneis e zonas urbanas. O outro cenário contempla um ambiente aberto em que
múltiplas macro-células são cobertas pela tecnologia RoF [21].
Aqui [38] é demonstrado um sistema cuja arquitectura consiste em IMDD em que o laser é
directamente modulado e é utilizado um PD na detecção em ambos os sentidos (downlink e
uplink). São ainda preferidas fibras monomodo (SMF) para obter baixas perdas de
transmissão, simplicidade e baixo custo. A banda utilizada é a de 3,5 GHz
Aqui [42] é estudada a transmissão de sinais UMTS e WiMAX em simultâneo utilizando um
sistema RoF, em que a modulação é feita em intensidade (IM-DD), directamente por um laser
e utilizando um PD na detecção. Aqui [35] é proposta uma nova arquitectura de rede RoF que
suporta WLAN e UMTS em simultâneo.
O desenvolvimento de uma infra-estrutura barata que implemente as normas GSM, UMTS
e WLAN foram estudadas em [44]. Neste caso foram utilizadas fibras monomodo e
comprimentos de onda de portadora óptica de 850 nm.
Capítulo 4
Plano de trabalhos
4.1. Ferramentas a utilizar
De seguida são enumerados algumas ferramentas que poderão ser usadas no decurso do
projecto:
Analisadores de espectros (RF e ópticos)
Analisadores de redes
Ferramentas de CAD
Ferramentas de Office (ex. Visio)
Ferramentas de medição de cobertura e qualidade rádio de diferentes tecnologias
(GSM/UMTS – ex. TEMS), WiMax, etc
4.2. Plano de trabalhos
T1. Estado de arte (SoA) de sistemas de RoF/DAS – Outubro de 2009 a 8 de Fevereiro de 2010
T2. Especificações técnicas do sistema ROF/DAS e interfaces - 8 de Fevereiro a 12 de Março
(25 dias)
T2.1. Especificações do interface rádio, conversores de sinais optoelectrónicas, RAU – 8
de Fevereiro a 12 de Março (25 dias)
T3. Definição da arquitectura do sistema – 15 de Março a 23 de Abril (30 dias)
T3.1. Definição de arquitectura DAS e diagrama de blocos de todos os componentes –
15 de Março a 9 de Abril (20 dias)
T3.2. Calculo de link budgets, dimensionamento de cobertura/capacidade (potência
irradiada, áreas de cobertura, esquemas de reuso de frequência, etc. – 12 de
Abril a 23 de Abril (10 dias)
28 Tecnologias
28
T4. Especificação de testes de desempenho do sistema RFoF – 26 de Abril a 28 de Maio (25
dias)
T4.1. Proposta de medidas (ex. nível PHY) para validação do desempenho do sistema
RoF – 26 de Abril a 7 de Maio (10 dias)
T4.2. Especificação de cenários de teste de serviços, métricas QoS e interoperabilidade
– 10 de Maio a 28 de Maio (15 dias)
T5. Relatório final projecto e escrita da dissertação – 31 de Maio a 28 de Junho (21 dias)
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