Разработка принципов построения системы связи по технологии Radio-over-Fiber с уплотнением по орбитальному угловому моменту в W-диапазоне Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВКВО-2019- Стендовые

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ

СВЯЗИ ПО ТЕХНОЛОГИИ RADIO-OVER-FIBER С УПЛОТНЕНИЕМ ПО ОРБИТАЛЬНОМУ УГЛОВОМУ МОМЕНТУ В W-ДИАПАЗОНЕ

Виноградова И.Л., Абдрахманова Г.И.*, Гизатулин А.Р., Грахова Е.П., Мешков И.К.,

Багманов В.Х., Султанов А.Х.

Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа * E-mail: [email protected]

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16151

Технология Радио-по-волокну (Radio-over-Fiber, RoF) является эффективным способом передачи информации, который совмещает достоинства волоконно-оптических систем с гибкостью и мобильностью, присущими радиосвязи. Поскольку диапазон частот, занимаемый современными радиослужбами (до 10 ГГц), характеризуется высокой загруженностью, то одновременно с разработкой новых способов уплотнения, модуляции и кодирования происходит переход в более высокочастотные диапазоны, в частности, рассматривается диапазон 75-110 ГГц (W-диапазон), где возможна безлицензионная работа в широкой полосе частот. Достоинством RoF технологии является простая и эффективная генерация радиосигналов указанного диапазона с использованием оптических методов и средств [1-4].

С целью повышения эффективности использования полосы пропускания каналов связи в данной работе предлагается рассмотреть уплотнение сигналов по орбитальному угловому моменту (OYM), поскольку волны с ненулевым порядком OYM формируют ортогональный базис сигналов. Помимо этого использование уплотнения по ОУМ в RoF системах дает дополнительные преимущества в виде возможности организации скрытых каналов связи и повторного использования каналов для передачи сигналов управления.

Предлагаемая в данной работе схема построения сегмента RoF W-диапазона включает в себя оптическую часть с генерацией сигнала с заданным порядком ОУМ на длине волны 1310 нм и радиочасть на базе остронаправленной управляемой фазированной антенной решетки (ФАР). При этом предполагается двухмодовая передача, при которой одна оптическая вихревая мода используется для переноса информационного абонентского сигнала и его последующей трансляции в радиопередающую часть RoF, а другая предназначена для переноса служебного сигнала управления диаграммой направленности (ДН) ФАР.

Генерация оптического сигнала с заданным порядком ОУМ основана на использовании лазера и амплитудно-фазового фильтра, рассчитанного на основе Гамильтонова подхода и реализованного на встроенном в световодную линию корпусированном дифракционном оптическом элементе. Фильтр разработан на основе спинорного представления уравнений Максвелла, и его применение позволяет формировать вихревые моды, сохраняющие поляризацию в процессе распространения в оптическом волокне. Аналогичный фильтр должен быть использован на приемной стороне для разделения принятых вихревых мод.

Стоит отметить, что распространение вихревых волн в оптическом волокне неизбежно ведет к разрушению структуры поля из-за различных искажений, поэтому возможным решением указанной проблемы может стать применение солитоноподобных вихревых волн, которые не подвержены влиянию дисперсии и сохраняют свою пространственную структуру.

Касательно построения радиочасти стоит отметить, что здесь имеются определенные трудности, связанные с существенным затуханием радиосигналов в W-диапазоне при распространении как внутри, так и вне помещений ввиду значительного поглощения радиоволн по сравнению с традиционными радиодиапазонами. Это является одной из причин применения остронаправленных ФАР с большим коэффициентом усиления. Другая причина состоит в возможности формирования радиосигналов с заданным порядком ОУМ в случае, если подобный сигнал не был сформирован оптическими средствами.

В связи с этим предлагаемая схема RoF обеспечивает преобразование оптического солитоноподобного сигнала с ОУМ в радиосигнал при помощи радио-оптического конвертора либо же формирование радиосигнала с заданным порядком ОУМ непосредственно самой ФАР. Очевидно, что для детектирования подобного сигнала на приемной стороне должна быть использована аналогичная ФАР, настроенная на соответствующий порядок ОУМ.

290 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

ВКВ0-2019 Стендовые

Предлагаемая конструкция ФАР выполнена по технологии изготовления печатных плат и включает в себя диаграммообразующую схему в виде линзы Ротмана и круговые излучатели, расположенные по окружности радиуса 2X на расстоянии X между центрами соседних излучателей. Вся конструкция представляет собой структуру «сэндвич», с лицевой стороны которой расположены излучатели, с оборотной - линза Ротмана, а в центре между ними, отделенная от них слоями диэлектриков, - плоскость земли.

Таким образом, решения, представленные в данной работе по организации системы связи на основе технологии RoF в W-диапазоне с уплотнением по ОУМ, охватывают разработки как в области оптической генерации солитоноподобных вихревых волн и их преобразования в радиосигнал, так и вопросы реализации радиочасти. Предлагаемая схема обладает существенно меньшим фактором фазовых шумов в сравнении с аналогами за счет использования единственного лазера, а также характеризуется невысокой стоимостью используемого оборудования. Указанные системы могут найти применение в реализации таких технологий, как 5G, Wi-Fi, Интернет вещей, M2M, радиофотоника, 8K UHDTV, облачные вычисления и т.д.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 18-1900123.

Литература

1. L. Chorchos et al., IEEE Photonics technology letters, 29(6), 489-492 (2017)

2. S. Rommel et al., IEEE Photonics technology letters, 28(21), 2303-2306 (2016)

3. L. Chorchos et al., Proc. of Conf. Advances in Wireless and Optical Communications (RTUWO), 66-69 (2016)

4. S. Rommel, J. J. V. Olmos, I. T. Monroy, Proc. of Conf. Advances in Wireless and Optical Communications (RTUWO), 197-200 (2016)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 291