Beamforming method development for broadcasting system in DATA TRANSMISSION HYBRID NetworkS

Full Text

Спутниковые системы наблюдения и провайдеры широкополосных услуг в космической области нуждаются в технологиях, способных реализовать потенциал высокоскоростной передачи больших объемов научных данных, видео данных формата нового поколения и высокоскоростных IP подключений. Использование фотонных подсистем в спутниках и других системах передачи данных приводит к улучшению с точки зрения пропускной способности, возможности реконфигурации, так же массогабаритных показателей и энергоэффективности [1-2]. Использование функциональных свойств фотоники в телекоммуникационных системах не ограничивается распространением сигнала и его маршрутизацией внутри спутника, а также может быть использована для увеличения пропускной способности собственных радиоканалов, позволяя осуществлять широкополосные сеансы связи, увеличение скорости операций в многопользовательской среде и увеличение широты охвата покрытия связи при использовании в излучающих системах. Электронные фазовращатели, используемые в антенных решетках для контроля угла диаграммы направленности (ДН), подвержены дрожанию луча, что в свою очередь ограничивает производительность системы. Избежать этого явления позволяют оптические системы формирования ДН [3-9] на основе метода временной задержки в реальном времени (РВЗ). Волоконная оптика хорошо приспособлена для реализации данного метода формирования ДН вследствие низких и радиочастотно-независимых оптических потерь, гибкости, невосприимчивости к электромагнитным помехам и высокой пропускной способности. К тому же, фотонные системы формирования луча могут легко интегрироваться с удаленными частями антенны, что упрощает развертывание антенной решетки (АР), уменьшает перекрестные помехи и по своей природе не подвержено влиянию космической радиации. В данной работе рассмотрены фотонные способы формирования ДН на основе оптических линий задержек [3-9]. В космической области, а также в других бортовых системах, таких как дроны и др. компактность является ключевым фактором. Продемонстрированы сверхкомпактные оптические системы формирования луча (ОСФЛ) на основе оптических кольцевых резонаторов на фотонных интегральных схемах, совместимых с процессами на комплементарных структурах металл-оксид-полупроводник [8]. Однако недостатками данного подхода являются ограничения как в диапазоне задержек, так и в радиочастотной (РЧ) ширине полосы. Гибридный подход основан на объединении РВЗ и фазового управления для управления большими излучающими системами (ИС) [9]. Возможно, наконец, получить достаточно компактную ОСФЛ, основанную на принципе параллелизма, достигаемую за счет дисперсионных свойств оптического волокна, используя длинные волокна [3-6]. Современные разработки и конструктивные решения в области оптических волокон, обеспечивающие многосердцевинность волокон, могут в дальнейшем способствовать уменьшению массогабаритных показателей оптической части ОСФЛ системы. В статье обсуждается возможности многосердцевинного оптического волокна (МСВ) для дальнейшего повышения компактности фотонных структур формирования радиолуча для спутниковых и прочих платформ, где размер и вес являются ключевыми факторами. Описание архитектуры фильтра Основным претендентом на увеличение пропускной способности оптических линий связи дальнего радиуса действия, использующим технологию пространственного разделения каналов SDM, является МСВ. Данная технология также может использоваться для достижения максимальной компактности архитектуры оптического формирователя радиолуча в АР, в основе которой лежит волоконная дисперсия для распараллеливания формируемой временной задержки в реальном времени. Комбинация обоих технологий ведет к компактному варианту реализации формирователя радиолуча. Рис. 1. Структурная схема сети формирования ДН, включающая МДМ Предложенная схема компактного оптического формирователя луча представлена на рис. 1. Она состоит из нескольких лазеров непрерывного излучения, сигнал которых промодулирован внешним электрооптическим модулятором Маха-Цендера. Затем матрица задержки на основе WDM (wavelength-division multiplexing) технологии на базе многосердцевинного волокна вносит относительную задержку между оптическими несущими, которая вызвана эффектом хроматической дисперсии. В заключение WDM-сигналы демультиплексируются, поступают на фотодетектор и на излучатели АР. Многосердцевинная дисперсионная матрица (МДМ) состоит из N-жильных волоконно-оптических сегментов, где N - число независимых оптических волокон. Оптические сегменты длиной L соединены между собой оптическими коммутаторами, где идет выбор дальнейшего распространения сигнала: либо сигнал вновь поступает в следующий сегмент матрицы, либо поступает напрямую в следующий коммутатор. Общая длина дисперсионного волокна уменьшается на множитель N при использовании предложенной схемы. Рис. 2. Диаграмма направленности четырехэлементной АР, полученная из значений амплитуды и временной задержки оптической системы формирователя луча ДН на рис. 2 получена на основании выполненных измерений амплитуды и временных задержек четырехканального формирователя луча для антенной решетки, элементы которой были расположены на расстоянии 0,7 друг от друга. Конечное число углов перестройки луча зависит от числа различных волоконных сегментов, которые могут быть запрограммированы в МДМ. В эксперименте использовалось четырехсердцевинное волокно, показанное на рис. 3. Для сведения размеров системы к минимуму, число волокон между коммутаторами должно быть степенью двух [3-4]. При использовании МСВ длина каждого волоконного сегмента остается одинаковой и равна L. Таким образом, для x-битного формирователя радиолуча, число жил в волокне должно быть 2x, то есть четырехбитному формирователю необходимо шестнадцатижильное волокно, если будет использоваться только один сегмент многосердцевинного волокна. Для увеличения числа углов поворота радиолуча может применяться комбинирование нескольких МСВ-сегментов. Рис. 3. Рефракционная профильная шкала четырехсердцевинного волокна на длине волны 850 нм, задействованного в экспериментальной установке Влияние многосердцевинной оптической матрицы на формирование ДН Использование МСВ заметно влияет на ДН в двух случаях: более высокие вносимые потери по сравнению со стандартным одножильным волокном и искажения, вызванные перекрестными помехами между жилами. Перекрестные помехи между различными жилами МСВ считаются одним из ключевых параметров, который может отрицательно влиять на оптическую систему формирователя луча на основе МСВ, помехи. Принцип суперпозиции гласит, что собственные колебания линейных систем не зависят друг от друга, то есть можно возбуждать или подавлять определенный режим, не влияя на другие режимы; нет никакого рассеяния. В большинстве реальных систем, тем не менее, существует, по крайней мере, некоторое возмущение, которое вызывает перенос энергии между различными режимами. Это возмущение интерпретируется как взаимодействие между жилами МСВ и называется «режимом связи» между различными волокнами в той же полосе частот, или иначе межжильные перекрестные помехи (МПП) [10-11]. Известно, что существует компромисс между величиной перекрестных помех и количеством волокон [12]. В МДМ, МПП зависят от угла перестроения, то есть демонстрирует зависимость от числа задействованных жил в МСВ, а также от близости их расположения. Максимальную величину МПП в МСВ можно наблюдать при «возбуждении» всех жил, то есть МДМ выбран угол перестроения с наибольшей временной задержкой. Влияние МПП на оптический формирователь ДН может быть уменьшено за счет надлежащего выбора последовательности задействования жил. Например, в четырехжильном МСВ, МПП могут быть минимизированы путем соединения волокон в следующем порядке: c1, c4, c2, c3, как это показано на рис. 4a и рис. 4b. Таким образом, применяя теорию связанных мощностей [11], среднее значение перекрестных помех в каждом i-ом сегменте (XTi) определяется как отношение между отрицательной и полезной оптическими мощностями и находится из формул . Для первого сегмента , следовательно . Для второго сегмента , следовательно. Для третьего сегмента где . После подстановки в предыдущее выражение получаем Следовательно Для четвертого сегмента Аналогично получаем , где L - длина МСВ, - коэффициент ослабления мощности, включающий вносимые потери от оптической 3D-муфты ввода / вывода (соединительной муфты fan in / fan out), и h - коэффициент связи по мощности между соседними волокнами. Предполагая, что однородные волокна имеют большой радиус изгиба, коэффициент связи по мощности определяется следующим выражением [11; 13]: где k - это коэффициент связанных мод между соседними волокнами и Sf это спектральная плотность мощности структурных колебаний в МСВ. Рис. 4: a) Зона поперечного сечения четырехжильного волокна, b) оптимальное соединение волокон, c) оценка межканальных помех (МПП) как функции от числа сегментов (подключенных волокон). Рис. 4 демонстрирует численную оценку среднего значения МПП как функцию от количества сегментов (жил, используемых для передачи информации) в четырехжильном оптическом волокне (см. рис. 4b) при рассмотрении различных радиусов изгиба RB в выражении и параметрах волокна: L = 150 м, k ≈ 0,0072 м-1 и = (0,44 + 4,4/0.15) дБ/км, где 4,4 дБ это вносимые потери от оптической 3D-муфты ввода\вывода. Как можно видеть, перекрестные помехи возрастают, когда задействуется больше волоконных сегментов. К тому же, МСВ с большим числом волокон, что приведет к увеличению массы, будет подвержено дополнительным МПП. Оптическое затухание на 3D-муфтах ввода и вывода является ключевым фактором, ограничивающим максимальное число сегментов в МСВ. В литературе были описаны различные способы реализации устройств ввода и вывода, включая следующие: объемная оптика (включающая наборы линз и призм), волоконные устройства вывода расслоенного типа (структуры склеенных одномодовых волокон), специальные капилляры (системы, содержащие одномодовые волокна, сваренные с мульти скважными капиллярами), оптические волокна с двойным покрытием (выделенные оптические волокна с внешней и внутренней оболочкой, имеющих различные показатели преломления) и конический МСВ коннектор. Конические МСВ коннекторы продемонстрировали затухание на уровне 0,38 дБ [14]. Столь низкий уровень вносимых потерь делает актуальной тщательную оценку МПП. Оценивая уровень МПП, на рис. 4с можно увидеть, что чем меньше радиус изгиба RB, тем меньше уровень МПП во всех случаях. Для системы формирования ДН этот факт является преимуществом, так как волокно должно быть упаковано наиболее компактным образом, принимая во внимание компромисс между уменьшением перекрестных помех и потерей на макроизгибах. Суммарная величина перекрестных помех системы формирования ДН будет определяться величиной МПП и аккумулированных перекрестных помех оптических коммутаторов (которые зависят от технологии коммутации). Суммарные перекрестные помехи вносят пороговый уровень BER для передачи данных - этот эффект, вкупе с вносимыми потерями оптического формирователя ДН, сформирует верхнюю границу масштабируемости оптических многосердцевинных схем формирователей ДН с точки зрения числа углов перестроения [15]. Дисбаланс диаграммы направленности из-за вносимых потерь МСВ Многосердцевинное волокно, как правило, обладает более высокими показателями вносимых потерь, чем стандартное волокно вследствие сложности прохождения света в местах соединения различных волокон (в нашем случае величина составляет 2,2 дБ на каждый вход\выход). Вносимые потери в МСВ пропорциональны числу жил в волокне. Это, в свою очередь, вносит дисбаланс амплитуд между углами перестроения, как показано на рис. 5, где не учитывается дисбаланс в оптических коммутаторах. На рис. 5 видно, что существует линейная связь между длиной волокна (числом задействованных волокон в МСВ) и дисбалансом мощности. Хотя в предложенной архитектуре (см. рис. 1) число излучающих элементов зависит только от количества оптических несущих, количество позиций поворота луча строго зависит от вносимых потерь МСВ (как показано на рис. 6). Это затухание может быть компенсировано путем внесения пропорционального затухания на соответствующем проходном патч-корде (но в счет повышения вносимых потерь формирователя ДН) или частично компенсировано за счет динамической регулировки амплитуды оптических несущих с помощью оптических усилителей (которые могут быть достаточно дорогостоящими для больших решеток). Таким образом, оптимизация вносимых потерь МСВ является критической точкой для использования в больших оптических системах формирования луча. Рис. 5. Изменение оптической мощности в зависимости от положения угла поворота радиолуча для четырехбитной оптической системы формирования луча для различных вносимых потерь МСВ: №1 - 2 дБ, №2 - 1 дБ, №3 - 0.5 дБ Рис. 6. Максимальный дисбаланс оптической мощности в зависимости от числа углов поворота (число дискретов оптической системы формирования луча) для различных вносимых потерь МСВ: №1 - 2 дБ, №2 - 1 дБ, №3 - 0.5 дБ Заключение Многосердцевинное волокно представляет собой естественный подход к повышению компактности и масштабируемости оптических сетей формирования радиолуча с возможностью применения в гибридных системах и других платформах, где важными являются массогабаритные показатели. Инновационное применение многосердцевинного волокна в составе МДМ демонстрирует лучшие показатели компактности дисперсионных элементов (то есть оптические волоконные сегменты) за счет количества жил в МСВ. Данное преимущество достигается за счет некоторых ограничений, которые вносит МСВ. Было показано, что основные ограничения в масштабируемости оптических формирователей ДН на основе МСВ обусловлены затуханиями на муфтовых соединениях (fan in / fan out) и межканальными перекрестными помехами, оказывающих второстепенное влияние. Новое применение МСВ будет иметь лучшие показатели при дальнейшей оптимизации взаимосвязи жил между собой (сокращение потерь мощности в местах соединения), а также разработке оптических кабелей с большим числом волокон и уменьшенным значением межволоконных перекрестных помех. Данное исследование выполнено при поддержке Стипендии Президента РФ на обучение за рубежом на 2015-16 г. (Приказ № 558 от 03.06.2015).

About the authors

Airat Radikovich Zainullin

Ufa State Aviation Technical University

Email: zainullin.a@list.ru

References

Supplementary files