Sistemas de alimentación remota con fibras ópticas en sistemas de comunicaciones y sensado

Resumen

The copper conductor is the physical medium traditionally used to transport power between different points. However, in recent years a new technology called Power over Fiber (PoF) has begun to be used for the same purpose. This idea firstly developed in the 1970s by the American Telephone and Telegraph Company in the field of telephony used fiber optics to power parts of a telephone instead of traditional copper. Power over Fiber technology involves the transmission of energy using an optical fiber to feed an electronic device. In its basic configuration, it consists of an energy source, typically a high power laser (HPL), an optical fiber to transmit energy to the receiving side, and a photovoltaic converter to convert light into electrical energy. This technology has several advantages over the use of copper, due to the intrinsic properties of optical fiber such as immunity to electromagnetic interference, galvanic isolation and low weight. The use of this technology is of interest in monitoring applications in high-voltage networks requiring galvanic isolation, in nuclear power generation applications, as well as in the automotive and aviation sectors. On the other hand, a scenario of special attention regarding the application of this technology is the communications sector, due to the advantages that the synergy between the transmission of energy and data through the same physical medium can provide. For those reasons, the main objective of this research is to study and develop light-powered systems that integrate solutions with intelligence in the field of sensors and communications, ensuring optimization and management of energy consumption. This research has included one chapter for the development of applications in the sensing field and three for the analysis of Power over Fiber applications in communications scenarios, specifically in the context of 5G technology. The following is a summary of the research content by chapters. Chapter 2 presents PoF systems as an emerging technology capable of transmitting energy over short and long distances using optical fiber to power remote devices. It also discusses the main theoretical concepts and parameters related to each of the elements that compromise a PoF system. The main objective of this approach is to establish the principles that will help to understand the rest of the chapters within this research. The first sections define the elements employed by the technology, the state of the art and its characteristics. Finally, considerations and critical aspects that may limit the implementation of PoF systems are addressed. Chapter 3 discusses the state of the art of PoF technology in sensing applications. Additionally, the key aspects to consider in the development of a PoF system operating in the first window are discussed. Finally, the implementation of several sensing applications in different fields such as explosive areas, in the context of Internet of Things (IoT) and pyrometry applications are discussed. Throughout the chapter, topics such as the impact of modal field diameter and fiber fuse on the power threshold supported by the fiber, and scalability analysis for powering a sensor network with a Point-to-Multipoint configuration are also analyzed. Chapter 4 addresses the main concepts associated with 5G-NR technology and focuses on the implementation and analysis of synergistic scenarios using PoF technology in a Centralized-Radio Access Networks (C-RAN) architecture. Consumption analysis in the Remote Radio Head (RRH) is carried out to evaluate the energy requirements demanded by the 5G technology and the feasibility of using power by light. Additionally, a PoF platform is developed that implements low-power modes and remote sensing through a low-power communications channel. This functionality allows monitoring and controlling parameters of the RRH, from the Central office (CO), through a computer application implemented in Matlab. The integration of 5G and PoF (5G/PoF) technology is experimentally validated through the feeding of a RF amplifier, integrated in an Analog Radio over Fiber (ARoF) scenario. Finally, the performance of the integrated 5G/PoF system is evaluated using the EVM value as a metric. Chapter 5 addresses the impact of the main fiber optic parameters on data transmission in a 5G scenario, because of power transmission in a shared scenario (data and power multiplexing on the same optical fiber). For the analysis, different laboratory experiments and simulations are carried out in an ARoF scenario operating in millimeter wave bands, with RF carriers below 20 GHz. Additionally, the influence of the Kerr effect and the nonlinear Stimulated Raman Scattering (SRS) phenomenon on the critical frequency behavior of the system and the appearance of the power fading phenomenon are analyzed. Finally, the effect of the Relative Intensity Noise of the HPL and the effects of the coupled noise in the data channel through the SRS phenomenon are discussed. In all cases, the EVM is used as a metric for the characterization of the systems. Chapter 6 addresses a PoF solution integrated in the optical fronthaul of a 5G network in a C-RAN configuration, operating at a radio frequency of 25.5 GHz. The design employs Space Division Multiplexing (SDM) integrated with PoF over a 10 km-long multicore fiber (MCF), with the objective of powering and controlling critical elements of the RRH for remotely managing its power consumption. Agent-based intelligent control is implemented in the design. Additionally, ARoF and PoF systems are characterized and the impact of power transmission on the ARoF system is evaluated for QPSK, 16 QAM and 64 QAM modulations using the BER value as a metric. In addition, two application examples based on MCF and single mode (SMF) optical fibers are explored for the optimization of the RRH power consumption. Additionally, a technique based on Tilted Fiber Bragg Gratings (TFBG) over MCF fibers for monitoring the transmitted energy is discussed. Finally, chapters 7 and 8 summarize, in English and Spanish, the main conclusions of this research and present proposals for future work. It is important to highlight as general conclusions of this work the integration capacity of PoF systems in different application scenarios, even though the threshold power supported by the optical fiber limits its transmission capacity, being more critical in the case of multimode (MMF) fibers with a gradual refractive index profile because of its smaller modal field diameter. On the other hand, the PoF systems developed in this research are compatible with current and future infrastructures in the context of 5G technology, based on SMF and MCF fibers. This research demonstrated in practice the transmission of hundreds of milliwatts over more than 10 km, using SMF fibers. In the case of MCF the transmitted power was sufficient to implement remote control of a power amplifier from the CO. The main contributions of this research include the exploration and development of sensor applications integrating novel functionalities not covered by state-of-the-art solutions so far. The systems were tested in practice and demonstrated the ability to deliver an electrical power of 340 mW at a distance of 300 m, the HPL being configured at an optical emission power of 1.5 W, which represents a system efficiency of 22.6 %. PoF applications were extended to IoT and hazardous environment safety scenarios, including capabilities such as fiber optic fault detection, which is critical in explosive atmospheres. Additionally, a PoF platform was developed in which not only the power delivered to the load was increased to 1.95 W, but also the efficiency of the system was increased up to 36 %, positioning the solution among the best reported in the state of the art. On the other hand, this research has contributed to the development of the integration of PoF systems in communications, specifically with 5G technology, where the capability of the technology for the energy control of the RRH in a C-RAN scenario was demonstrated. The developed theoretical and experimental analysis allowed understanding the impact of nonlinear phenomena in the context of PoF technology, enabling the development of more efficient synergic systems, especially in the communications scenario. Long distance systems, over 10 km, based on SMF and MCF fibers were implemented. The system based on MCF fiber is the longest distance PoF solution explored with this type of fiber in the literature. Finally, a technique for monitoring the transmitted power in PoF systems was developed and patented. El conductor de cobre es el medio físico que tradicionalmente se utiliza para transportar energía entre diferentes puntos. Sin embargo, en los últimos años una nueva tecnología llamada Power over Fiber (PoF) se ha comenzado a utilizar para el mismo propósito. Esta idea fue desarrollada por primera vez en la década de los 70 por la compañía American Telephone y Telegraph (AT&T) en el campo de la telefonía usando fibra óptica en la alimentación de algunas partes de un teléfono en lugar del cobre tradicional. La tecnología Power over Fiber consiste en la transmisión de energía mediante una fibra óptica para alimentar un dispositivo electrónico. En su configuración básica, consta de una fuente de energía, normalmente un láser de alta potencia (HPL), una fibra óptica para transmitir energía al lado receptor y un convertidor fotovoltaico para convertir la luz en energía eléctrica. Esta tecnología tiene varias ventajas frente al uso del cobre, por las propiedades intrínsecas que posee la fibra óptica tales como: inmunidad ante las interferencias electromagnéticas, brinda aislamiento galvánico y peso reducido. El uso de esta tecnología es de interés en aplicaciones de monitorización en redes de alta tensión que requieren aislamiento galvánico, en aplicaciones de generación de energía nuclear, así como en los sectores de la automoción y la aviación. Por otro lado, un escenario de especial atención en cuanto a la aplicación de esta tecnología es el sector de las comunicaciones, debido a las ventajas que puede aportar la sinergia entre la transmisión de energía y datos a través del mismo medio físico. Por ello, el objetivo principal de esta investigación es estudiar y desarrollar sistemas alimentados por luz que integren soluciones con inteligencia en el ámbito de los sensores y las comunicaciones, garantizando la optimización y gestión del consumo energético. Esta investigación incluye un capítulo para el desarrollo de aplicaciones en el campo de los sensores y tres para el análisis de las aplicaciones de Power over Fiber en escenarios de comunicaciones, concretamente en el contexto de la tecnología 5G. A continuación, se resume el contenido de la investigación por capítulos. El capítulo 2 presenta los sistemas PoF como una tecnología emergente capaz de transmitir energía a cortas y largas distancias utilizando fibra óptica para alimentar dispositivos remotos. También se discuten los principales conceptos y parámetros teóricos relacionados con cada uno de los elementos que componen un sistema PoF. El objetivo principal de este enfoque es establecer los principios que ayudarán a entender el resto de los capítulos de esta investigación. En los primeros apartados se definen los elementos que emplea la tecnología, el estado del arte y sus características. Por último, se abordan las consideraciones y aspectos críticos que pueden limitar la implementación de los sistemas PoF. En el capítulo 3, se analiza el estado del arte de la tecnología PoF en aplicaciones de monitorización. Además, se discuten los aspectos clave a considerar en el desarrollo de un sistema PoF que opere en la primera ventana. Por último, se discute la implementación de varias aplicaciones con sensores en diferentes campos como en áreas explosivas, en el contexto de Internet de las cosas (IoT) y en aplicaciones de pirometría. A lo largo del capítulo también se abordan temas como el fiber fuse y el impacto del diámetro modal en el umbral de potencia soportado por la fibra, y se lleva a cabo un análisis de escalabilidad en una configuración Punto a Multipunto. El capítulo 4 aborda los principales conceptos asociados a la tecnología 5G-NR y se centra en la implementación y el análisis de escenarios sinérgicos utilizando la tecnología PoF en una arquitectura de redes de acceso radio centralizadas (C-RAN). Se realiza un análisis de consumo en los cabezales de radio remotos (RRH) para evaluar los requerimientos energéticos demandados por la tecnología 5G y la viabilidad de utilizar luz en su alimentación y control. Además, se desarrolla una plataforma PoF que implementa modos de bajo consumo y detección remota a través de un canal de comunicaciones de bajo consumo. Esta funcionalidad permite monitorizar y controlar parámetros de la RRH, desde la central (CO), a través de una aplicación de ordenador implementada en Matlab. La integración de la tecnología 5G y PoF (5G/PoF) se valida experimentalmente a través de la alimentación de un amplificador de RF, integrado en un escenario de radio analógica sobre fibra (ARoF). Por último, se evalúa el rendimiento del sistema 5G/PoF integrado usando como métrica el valor del EVM. El capítulo 5 aborda el impacto de los principales parámetros de la fibra óptica en la transmisión de datos en un escenario 5G, debido a la transmisión de potencia en un escenario compartido (es decir, con multiplexación de datos y potencia en la misma fibra óptica). Para el análisis, se realizan diferentes experimentos de laboratorio y simulaciones en un escenario ARoF que opera en bandas de ondas milimétricas, con portadoras de RF por debajo de 20 GHz. Además, se analiza la influencia del efecto Kerr y del fenómeno no lineal de Dispersión Raman Estimulada (SRS) en el comportamiento de la frecuencia crítica del sistema y en la aparición del fenómeno del power fading. Por último, se discute el efecto del Ruido de Intensidad Relativo (RIN) del HPL y los efectos del ruido acoplado en el canal de datos a través del fenómeno SRS. En todos los casos, se utiliza el EVM como métrica para la caracterización de los sistemas. El capítulo 6 aborda una solución PoF integrada en el fronthaul óptico de una red 5G en configuración C-RAN, que opera a una radiofrecuencia de 25,5 GHz. El diseño emplea la Multiplexación por División Espacial (SDM) integrada con PoF sobre una fibra multinúcleo (MCF) de 10 km de longitud, con el objetivo de alimentar y controlar los elementos críticos de la RRH para gestionar remotamente su consumo de energía. En el diseño se implementa un control inteligente basado en agentes. Además, se caracterizan los sistemas ARoF y PoF y se evalúa el impacto de la transmisión de energía en el sistema ARoF para las modulaciones QPSK, 16 QAM y 64 QAM utilizando el valor de la BER como métrica. Además, se exploran dos ejemplos de aplicación basados en fibras ópticas MCF y monomodo (SMF) para la optimización del consumo de energía de la RRH. Por último, se discute una técnica basada en Tilted Fibre Bragg Grating (TFBG) sobre fibras MCF para la monitorización de la energía transmitida. Finalmente, en los capítulos 7 y 8 se resumen, en inglés y español, las principales conclusiones de esta investigación y se presentan propuestas de trabajos futuros. Es importante destacar como conclusiones generales de este trabajo la capacidad de integración de los sistemas PoF en diferentes escenarios de aplicación, aunque la potencia umbral soportada por la fibra óptica limita su capacidad de transmisión, siendo más crítica en el caso de las fibras multimodo (MMF) con un perfil de índice de refracción gradual debido a su menor diámetro de campo modal. Así como que los sistemas PoF desarrollados en esta investigación son compatibles con las infraestructuras actuales y futuras en el contexto de la tecnología 5G, basadas en fibras SMF y MCF. En esta investigación se ha demostrado en la práctica la transmisión de cientos de milivatios a lo largo de más de 10 km, utilizando fibras SMF. En el caso de la MCF, la potencia transmitida fue suficiente para implementar el control remoto de un amplificador de potencia desde la CO. Entre las principales contribuciones de esta investigación se encuentra la exploración y desarrollo de aplicaciones con sensores con novedosas funcionalidades integradas, no cubiertas en las soluciones planteadas en el estado de la técnica en el momento de su desarrollo. Los sistemas se probaron en la práctica y se demostró la capacidad de entregar una potencia eléctrica de 340 mW a una distancia de 300 m, estando configurado el láser HPL a una potencia óptica de emisión de 1,5 W, lo cual representa una eficiencia del sistema del 22,6 %. Adicionalmente se extendieron las aplicaciones PoF a los escenarios de IoT y de seguridad en entornos peligrosos, donde se incluyeron capacidades como la detección de fallos en la fibra óptica, lo cual es crítico en atmósferas explosivas. Además, se desarrolló una plataforma PoF en la que no sólo se incrementó la potencia entregada a la carga a 1,95 W, sino que se logró aumentar la eficiencia del sistema hasta el 36 %, posicionando a la solución entre las mejores en el estado de la técnica del momento. Por otro lado, esta investigación ha contribuido al desarrollo de la integración de los sistemas PoF con sistemas de comunicaciones, específicamente con la tecnología 5G, demostrándose su capacidad de contribuir al control energético de las RRH en un escenario C-RAN. El análisis desarrollado, tanto teórico como experimental, ha permitido comprender el impacto de los fenómenos no lineales en el contexto de la tecnología PoF; posibilitando el desarrollo de sistemas sinérgicos más eficientes, sobre todo en el ámbito de los sistemas de comunicaciones. Se implementaron sistemas de largas distancias, superiores a los 10 km, basados en fibras SMF y MCF. El sistema basado en fibra MCF es la solución PoF de mayor distancia explorada con este tipo de fibra hasta el momento. Finalmente, se desarrolló y patentó una técnica para monitorizar la potencia transmitida en los sistemas PoF.