光ファイバーによる無線

光ファイバー経由無線(RoF) または光ファイバー経由 RF (RFoF) は、光が無線周波数信号によって変調され、光ファイバーリンクを介して送信される技術を指します。光ファイバー リンクを使用する主な技術的利点は、全電気信号送信と比較して 、送信損失が少なく、ノイズや電磁干渉に対する感度が低いことです。

アプリケーションの範囲は、モバイル無線信号 ( 3G、4G、5G、WiFi)の送信やケーブルテレビ信号 ( CATV ) の送信から、衛星通信用地上局での RF L バンド信号の送信まで多岐にわたります。

低減衰

光ファイバーで伝送される信号は、金属ケーブルや無線メディアなどの他のメディアに比べて減衰がはるかに少なくなります。^[1]光ファイバーを使用することで、無線信号の伝送距離が長くなり、追加の中継器や増幅器の必要性が減ります。

無線通信の分野における主な用途の 1 つは、同じアンテナから同時に5Gと WiFiなどの無線アクセスを容易にすることです。 ^[2]言い換えれば、無線信号は光ファイバーケーブルで伝送されます。したがって、1 つのアンテナで、1 本の光ファイバーケーブルで伝送されたすべての無線信号 (5G、WiFi、セルなど) を受信し、中央の場所に機器で信号を変換できます。これは、各プロトコル タイプ (5G、WiFi、セル) ごとにアンテナの場所に個別の機器が必要になる従来の方法とは対照的です。^[2]

光ファイバーによる無線伝送は、ケーブルテレビ(CATV) ネットワークや衛星基地局など、さまざまな目的で使用されていますが、通常、無線アクセスに使用される場合は RoF という用語が使用されます。

RoFシステムでは、無線信号は中央局と基地局群の間で光形式で伝送され、空中に放射される。各基地局は、その基地局の無線範囲内にある少なくとも1つのユーザーのモバイルステーションと無線リンクを介して通信するように適合されている。その利点は、WiFi、5G、その他のプロトコル用の機器を1か所に集中させ、すべてのプロトコルに対応する光ファイバーを介して接続されたリモートアンテナを使用できることである。これにより、ネットワークの機器およびメンテナンスコストが大幅に削減される。^[2]

RoF テクノロジーにより、固定ネットワークとモバイル ネットワークの統合が可能になります。

RoF 伝送システムは、通常、伝送される無線信号の周波数範囲に応じて、 2 つの主なカテゴリ ( RF-over-fiber  、IF-over-fiber ) に分類されます。

• a) RF-over-fiberアーキテクチャでは、高周波のデータ搬送RF（無線周波数）信号が光リンクを介して伝送される前に光波信号に付加されます。したがって、無線信号は高周波で直接基地局に光学的に配信され、基地局で光領域から電気領域に変換されてから増幅され、アンテナによって放射されます。その結果、各基地局で周波数のアップダウン変換が不要になり、基地局でのシンプルでコスト効率の高い実装が可能になります。^[2]
• b) IF-over-fiberアーキテクチャでは、光リンクを介して伝送される前に、より低い周波数の IF (中間周波数) 無線信号を使用して光を変調します。したがって、空気中に放射される前に、信号を基地局で RF にアップコンバートする必要があります。

デッドゾーンへのアクセス

RoF の重要な用途は、ワイヤレスバックホールリンクが不可能なエリアでワイヤレス カバレッジを提供することです。これらのゾーンには、トンネルなどの構造物内のエリア、建物の背後のエリア、山岳地帯、ジャングルなどの隔離されたエリアなどがあります。

FTTA (ファイバー・トゥ・ザ・アンテナ)

アンテナに直接光接続を使用することで、機器ベンダーは、低回線損失、落雷/放電に対する耐性、軽量の光電気（O/E）コンバータをアンテナに直接接続することによる基地局の複雑さの軽減など、いくつかの利点を得ることができます。^[3]

複雑さが低い

RoF はリモート ステーション (RS) の概念を利用します。このステーションは、光電気 (O/E) (およびオプションの周波数アップ コンバータまたはダウン コンバータ)、増幅器、およびアンテナのみで構成されます。つまり、ベース ステーションのリソース管理および信号生成回路を中央の場所に移動して、複数のリモート ステーション間で共有できるため、アーキテクチャが簡素化されます。

低コスト

リモート基地局の構造がシンプルになることで、インフラコストの削減、デバイスの消費電力の削減、メンテナンスの簡素化が可能になり、設置・メンテナンスコストの削減に貢献しています。低コストのグレーデッドインデックスポリマー光ファイバー（GIPOF）を使用することで、さらにコストを削減することもできます^[3]

将来を見据えた

光ファイバーはギガビット/秒の速度に対応できるように設計されており、今後何年にもわたって次世代のネットワークが提供する速度に対応できることを意味します。RoF技術はプロトコルとビットレートに対して透過的であるため、現在および将来のあらゆる技術に使用できます。^{[2] [4]} MIMO対応のワイヤレスサービス、特に4G/5Gモバイルおよび802.11 WLAN標準をサポートする新しいRoF技術も提案されています。^[5]

衛星通信では、中央制御室と衛星地球局の衛星アンテナの間で、主にLバンド周波数範囲（950MHz〜2150MHz）のRF信号を伝送するためにRF-over-Fiber技術が採用されています。これにより、高周波機器を集中管理し、高損失で重く高価な同軸ケーブルを置き換えることができます。^[6] 通常、このRF-over-Fiber技術は、約50メートルからの伝送距離を対象としています。DWDM RF-over-Fiberシステムを使用すると、1本の光ファイバーで最大100kmの伝送距離で複数のRF信号を低損失で双方向伝送することもできます。

衛星通信におけるK _aバンド 地球局ダイバーシティ

最先端の衛星通信システムは、最高データレートでK _aバンドで運用されています。K _aバンド周波数での伝送品質は気象条件に大きく左右されるため、適切なシステム構成を慎重に計画して選択する必要があります。K _aバンドのサイトダイバーシティ構成では、悪天候の場合、信号伝送はメインサイトからダイバーシティサイトにリダイレクトされます。これらのサイトダイバーシティ構成では、最もコスト効率の高いソリューションであり、良好な信号品質を保証するため、 DWDM RF-over-Fibre 伝送システムに依存することがよくあります。^{[6] [7]}

光ファイバー経由の RF の一般的な用途の 1 つは、ケーブル TV システムです。コンテンツ プロバイダーは、信号を数百 km 伝送できるため、CATV チャンネル ラインナップ全体を 1 本の光ファイバー ケーブルで伝送できます。仕組みは次のとおりです。通常 54～870 MHz の範囲の電気 RF 信号は、RF 1310 nm または 1550 nm レーザー光学系を使用して変調光に変換されます。光はシングルモード ファイバーを経由して光ファイバー RF 受信機に到達し、そこで電気 RF に戻されます。電気 RF は、テレビまたはセットトップ ボックスに直接接続されます。1550 nm はファイバーでの損失が少なく、EDFA と呼ばれる光ファイバー増幅器を使用することで伝送距離を延長できるため、より人気があります。1310 nm では光信号が約 0.35 dB/km 失われますが、1550 nm では 0.25 dB/km しか失われません。送信機と受信機間の光バジェットは、送信機の電力と受信機の感度によって異なります。

2012年4月現在、AT&Tは米国内のスタジアム、ショッピングモール、建物内などに3000のシステムを導入している。^[2]「当社はアンテナシステムソリューションの普及に引き続き積極的に取り組んでいきます」とCEOのランドール・スティーブンソンは2012年に述べた。^[2]

中国では、工業地帯、港、病院、スーパーマーケットにシステムが広く導入されています。^[2]鉄道沿線の農村地帯や、新しい住宅や商業施設の建設スペースに拡大する計画があります。^[2]中国がこの技術の主要なユーザーになると考えられており、これにより機器のコストが下がるでしょう。^[2]

ニューメキシコ州の超大型アレイは、同軸ケーブルと導波管の代わりに光ファイバーを使用するように切り替えた最初の RF システムの 1 つでした。