23. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in Optiko Fakulteta za Elektrotehniko Ljubljana, februar 2017 Optične ali radijske kom

Transkripcija

1 23. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in Optiko Fakulteta za Elektrotehniko Ljubljana, februar 2017 Optične ali radijske komunikacije? Matjaž Vidmar

2 ... Seznam prosojnic:... Slika 1 Omejitve kovinskih vodnikov Slika 2 Enorodovno svetlobno vlakno Slika 3 Prekooceanska zveza Slika 4 Cenena optika Slika 5 Prepustnost zemeljskega ozračja Slika 6 Statika, Fresnel in Fraunhofer Slika 7 Induktivni sklop v bližnjem polju Slika 8 Prečna koherenca anten Slika 9 Rayleigh-jeva razdalja Slika 10 Friis-ova enačba Slika 11 Usmerjene radijske zveze Slika 12 Radijske zveze z večpotjem Slika 13 Pozabljeni Fresnel? Slika 14 Večrodovni prenos Slika 15 MIMO brez večpotja Slika 16 Visokozmogljiva zveza na kratko razdaljo Slika 17 Težnje industrije polprevodnikov Slika 18 Posledice novih radijskih tehnologij?

3 ϵ r δ b Cu δ a Cu Koaksialni a =2 mm b=7 mm kabel ϵ r =2.2 f =100 MHz μ 0 =4π 10 7 Vs/Am Vdorna globina δ= γ Cu = S/m 2 ωμ 0 γ Cu 6.73μ m a,b R P = ωμ 0 2 γ Cu 2.66 m Ω R/l= R P 2 π a + R P 2π b 0.272Ω/ m Karak.impedanca Z K = Z 0 2 π ϵ r ln( b a) 60Ω ϵ r ln( b a ) 50.7Ω Slabljenje na enoto dolžine a db /l= 20 ln10 R/l 2 Z K dB/m=23.3dB/km Pasovna širina B f TE11 c 0 π(a+b) ϵ r 7.2GHz (nastop višjega rodu TE 11 ) Praktična pasovna širina Konektor SMA 26.5GHz Konektor W (1mm) 110GHz 1 Omejitve kovinskih vodnikov Praktični domet 140Mbit/s PDH cca 2km Kabelska TV cca 500m UTP Ethernet cca 100m

4 Steklo SiO 2 NA= n 1 2 n μm 9μm Steklo SiO 2 +GeO 2 A eff 70μ m 2 n n λ 0 =1.55μ m Slabljenje a 0.2 db/ km= db/ m Nelinearni pojavi P MAX = mW Barvna razpršitev Δ t g =D l Δ λ 0 ps D (λ 0 )= nm km Izrojenost HE 11 Δ t PMD =D PMD l D PMD = ps km 2 Enorodovno svetlobno vlakno B MAX 20THz B 4THz ( Er ojačevalnik) Praktična meja simbolne hitrosti R MAX 20Gsymb/s B

5 DFB laser I/Q mod I/Q mod PBS QAM16 X 2pol R=12.5Gsymb/s C=100Gbit/s 120 kanalov 33GHz/kanal ΣB=4THz ΣC=12Tbit/s C / B 3bit Izredno linearni Er ojačevalniki τ 10ms Izredno draga $$$ ANALOGNA zveza brez regeneracije brez optične obdelave 120 kanalov ~50km SMF WDM OA OA OA ~50km SMF ~50km SMF OA OA ~50km SMF ASE šum ~50km SMF ~50km SMF OA OA ~50km SMF ~50km SMF OA OA OA WDM N km 3 Prekooceanska zveza Nelinearno vlakno ~50km SMF Signal/Šum=? Signal/Presluh=? 120 kanalov PBS DFB laser I/Q dem I/Q dem ZIF Elektronska obdelava

6 DFB EAM Dvonivojska ON/OFF modulacija 1m...50km Nekoherentni sprejemik PIN 2.5Gbit/s 10Gbit/s (25Gbit/s)?40Gbit/s? EA Cenen SFP modul MMF ali SMF C / B 1bit EA Cenen SFP modul 2.5Gbit/s 10Gbit/s (25Gbit/s)?40Gbit/s? Prevezave na kratke razdalje <100m (backplane): - 4 ali 10 vzporednih vlaken za 40Gbit/s oziroma 100Gbit/s - Coarse (grobi) WDM s 4 oziroma 10 valovnimi dolžinami - Bakreni vodniki konkurenčni na manjših razdaljah r<10m! Omejitev uporabniških računalnikov in programske opreme: - Enemu uporabniku popolnoma zadošča C<30Mbit/s??? - Cenene 10Gbit/s zveze zadoščajo celo za hrbtenične povezave v manjšem omrežju??? - Zmogljivost ene same 2.5Gbit/s ali 10Gbit/s zveze lahko delimo med večje število uporabnikov v pasivnem optičnem omrežju (PON)??? - Kaj prinašajo novotarije kot je Internet-Of-Things? 4 Cenena optika

7 0% Zenitna 50% prepustnost 100% 1.55μm VIDNO OKNO SIPANJE TOPLOTNO IR Tehnologija? 94GHz 0.5dB/km H 2 O THz MOLEKULARNA ABSORPCIJA OZRAČJA: O 2 H 2 O CO 2 O 3 itd... >1000dB/km 400GHz ITU RR 9kHz MIKROVALOVI O 2 60GHz 14dB/km H 2 O 22GHz 0.2dB/km RADIO λ = 100nm 1μm 10μm 100μm 1mm 1cm 1dm 1m 10m f = 3PHz 300THz 30THz 3THz 300GHz 30GHz 3GHz 300MHz 30MHz 5 Prepustnost zemeljskega ozračja

8 Fraunhofer: daljne polje valovna optika Dve polarizaciji (dva rodova) C/B 20bit Samo tu obstajajo: D,G, F (Θ,Φ), Friisova enačba Gulielmo Marconi E H =Z 0 MIMO: C/B 20bit r= 2d 2 λ E H Z 0 6 Statika, Fresnel in Fraunhofer Fresnel: sevano polje geometrijska optika Večrodovni prenos C/B>>20bit Statika: bližnje polje Nikola Tesla E H Z 0 r= λ 2π Točkasti vir sevanja

9 I TX E H Z 0 Potrebna ločena meritev E ter H P TX A TX ~ A TX, A RX r λ 2 π M μ 2 π A TX A RX r 3 μ=μ 0 Mahjen domet : P RX =P TX α r 6 A RX P RX R I RX Re[ S ]= f ( I TX, I RX ) Brez sevanja! Uporaba: RFID in druge zveze kratkega dosega Prenos energije (brezžično polnjenje) 7 Induktivni sklop v bližnjem polju

10 Koherentna oddaja D η Fazna skupina LASER Nekoherentni sprejem ~ Prenos energije A RX R Faza določena! Nekoherentna oddaja Toplotni vir LED ~ Faza nedoločena ~ D η ~ ~ 8 Prečna koherenca anten Radijska zveza IR daljinec Toplotni šum Faza pomembna! A RX Vesoljska elektrarna Faza Fotodioda nepomembna R Koherentni sprejem Fazna skupina Enorodovno vlakno

11 Δ l d 2 /8 r Točkasti vir sevanja r+δ l r d Koherentni sprejem A RX Pogoj faze strožji od amplitude A>A RX Δ P db 20 log 10 sin Δ ϕ/ 2 Δ ϕ/2 λ d Faza pomembna! Δl Δφ[rd] ΔP[dB] λ/2 π λ/4 π/ λ/8 π/ λ/16 π/ Rayleigh-jeva razdalja r d 2 /4λ d 2 /2λ d 2 /λ 2d 2 /λ Uporaba Globinska ostrina fotoaparata Lord Rayleigh 1891 Meritev radijskih signalov

12 Koherentna oddaja ~ d TX r 2d 2 TX λ + 2 d 2 RX λ Prazen prostor d RX Koherentni sprejem R P TX D TX η TX G TX A efftx Harald Friis 1945 P RX =P TX η TX D TX A effrx η RX 4 π r 2 A effrx η RX D RX G RX P RX Zapis z dobitki anten: Recipročnost! Zapis s površinami anten: 10 Friis-ova enačba P RX =P TX G TX G RX ( λ 4 π r ) 2 P RX =P TX η TX A efftx A effrx η RX λ 2 r 2

13 Fraunhofer r 2d 2 λ A TX, A RX =konst. Domet P RX =P TX αλ 2 r 2 visoke f d 1m Omejena moč TX! - Večina moči oddajnika se širi v prostor - Visoko zahtevano razmerje S/N - Velik razpon moči signalov Potreben strog nadzor in licenciranje d 1m r 40km QAM16...QAM4096 obe polarizaciji C /B=4...20bit Zemeljska zveza d 1m Slabljenje ozračja: redki primeri uporabe svetlobnih frekvenc, medsatelitske zveze? Satelitska zveza BPSK...QAM64 obe polarizaciji C /B=1...10bit r 40000km d 10m 11 Usmerjene radijske zveze

14 Fraunhofer r 2d 2 12 Radijske zveze z večpotjem λ G TX,G RX =konst. Domet P RX P TX α λ 2 r 4 nizke f Uklon Odboj Protikrepi proti popačenju večpotja: - Adaptivna izravnalna sita - Razširjeni spekter in CDMA - Razdeliti širokopasovni uporabnik na množico ozkopasovnih (ηtx=?): --> Večtonski modem (~1950) --> OFDM (WiFi ~2000) - Majhen radijski domet - Nizko razmerje S/N - Reševanje motenj med uporabniki istega omrežja - Možnost enofrekvenčnega omrežja (SFN) Manj strog nadzor oziroma nelicencirana uporaba OFDM je prilagodljiv: - Hitra sinhronizacija (WiFi): --> nizko število nosilcev - Enofrekvenčno omrežje SFN (DVB-T): --> visoko število nosilcev Večpotje omogoča več rodov: MIMO povečuje zmogljivost in spektralni izkoristek kljub slabemu razmerju S/N

15 Parabolično zrcalo TX Rayleigh 2d 2 λ Valovna optika Žarilec Fresnel presek snopa A= konst. P RX =konst. Fraunhofer prostorski kot Ω=konst. P RX =αr 2 Geometrijska optika Danes večina zvez! - Valovanje se NE širi! - Večina moči oddajnika zadene lastni sprejemnik! - Nizko slabljenje zveze! - Nadzor nepotreben! - Licenciranje nesmiselno! - VEČRODOVNI PRENOS! 13 Pozabljeni Fresnel? Najprimernejše frekvence za zveze v Fresnelovem področju padejo v THz področje, kjer je slabljenje ozračja zelo visoko!

16 r Rdeča LED e Zelena LED l 1 f l 2 e d Zbiralna leča #2 Zbiralna leča #1 Točki razločimo, ko je razlike poti večja od λ/2: l 2 l 1 = f 2 +(d /2+e) 2 f 2 +(d /2 e) 2 de f > λ 2 Podobni trikotniki: e f = d r Če obe enačbi združimo, dobimo znan pogoj: r< 2 d 2 14 Večrodovni prenos λ

17 Podvojevanje C/B mikrovalovne zveze Line-Of-Sight MIMO Oddajni antenski stolp TX 1 TX 2 d r 14 r 13 r 23 r 24 r 3 d 34 4 Matrika MIMO RX 1 RX 2 Sprejemni antenski stolp Pogoj za max det [ MIMO]: r 14 r 13 r 24 +r 23 =λ /2 r 13 =r 24 = r 2 +((d 12 d 34 )/2) 2 r+ d d 12 d 34 +d 34 8r r 14 =r 23 = r 2 +((d 12 +d 34 )/2) 2 r+ d d 12 d 34 +d 34 8 r r 14 r 13 r 24 +r 23 d 12 d 34 r 15 MIMO brez večpotja d 12 d 34 =r λ/2 C / B>40bit Zgled : r=10km f =15GHz λ=c 0 / f =2cm d = d 12 d 34 d = r λ/2=10m Preizkus: 2 d 2 r= =10km λ

18 r 300m Parabolično zrcalo f 100GHz d 1m C / B 20bit Parabolično zrcalo MIMO dopušča netočna zrcala Matrika MIMO Fazni omejuje C/B! Matrika MIMO 100Gbit/s Ethernet Oddajniki Sprejemniki 100Gbit/s Ethernet 16 Visokozmogljiva zveza na kratko razdaljo

19 Izreki industrije polprevodnikov: III-V polprevodniki so bili včeraj tehnologija bodočnosti. III-V polprevodniki so danes tehnologija bodočnosti. III-V polprevodniki bojo jutri tehnologija bodočnosti. Silicij je bil včeraj tehnologija sedanjosti. Silicij je danes tehnologija sedanjosti. Silicij bo jutri tehnologija sedanjosti. Fizika in tehnologija: Iz silicija zaenkrat ne znamo izdelati kakovostnih svetlobnih virov niti primernih detektorjev. Optika zahteva III-V polprevodnike. Nepričakovan razvoj dogodkov? Računalniška industrija je zavrgla optični IRDA vmesnik in ga zamenjala z radijskim Bluetooth podobne zmogljivosti. 17 Težnje industrije polprevodnikov

20 Cenene Si oziroma SiGe tehnologije danes presegajo f>500ghz. Številne razvojne skupine po svetu se ukvarjajo z razvojem čipov za cenene radijske zveze zmogljivosti C 100Gbit/s. Visokozmogljive radijske zveze bojo v nekaj letih presegle zmogljivosti cenene optike na kratkih razdaljah r<1km. Mogoče nam bojo vse skupaj prodajali pod imenom 5G? Licenciranje radijskih zvez v Fresnelovem področju ni potrebno niti smiselno. Večrodovne radijske zveze ne potrebujejo kopanja jarkov, so odporne na buldožerje in gasilce ter celo na nemarno postavljene lastne antene. Z razvojem radijskih zvez postane upravičenost FTTH vprašljiva? Oprema PON je nevaren odpadek, ker vsebuje strupene snovi (arzen ipd). 18 Posledice novih radijskih tehnologij?