Wired and wireless convergence in future optical access networks

This paper reviews recent experimental demonstrations of microwave and millimeter-wave analog radio-over-fiber fronthaul, enabled through network convergence with future optical access technologies

Analysis of a framework implementation of the transceiver performances for integrating optical technologies and wireless LAN based on OFDM-RoF

The greatest advantages of optical fibers are the possibility of extending data rate transmission and propagation distances. Being a multi-carrier technique, the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) can be applicable in hybrid optical-wireless systems design owing to its best spectral efficiency for the interferences of radio frequency (RF) and minor multi-path distortion. An optical OFDM-RoF-based wireless local area network (W-LAN) system has been studied and evaluated in this work. The outline for integrating an optical technology and wireless in a single system was provided with the existence of OFDM-RoF technology and the microstrip patch antenna; these were applied in the Optisystem communication tool. The design of the proposed OFDM-RoF system is aimed at supporting mm-wave services and multi-standard operations. The proposed system can operate on different RF bands using different modulation schemes like 4,16 and 64QAM, that may be associated to OFDM and multidata rates up to 5 Gbps. The results demonstrate the robustness of the integrated optical wireless link in propagating OFDM-RoF-based WLAN signals across optical fibers

Análisis del Impacto de la Conversión Analógica a Digital en el Desempeño de Sistemas RoF Digitalizado

Introducción: Se evalúa numéricamente el impacto del proceso de digitalización en el desempeño de un escenario basado en tecnología Radio-sobre-Fibra a frecuencia intermedia. Objetivo: Evaluar el impacto del proceso de digitalización, en el desempeño de escenario Radio-sobre-Fibra digitalizado a frecuencia intermedia (IF-DRoF). Metodología: Se evalúa el desempeño frente al error de un sistema IF-DRoF como función de la distancia del enlace y del número de bits de resolución del conversor Analógico-a-Digital (ADC), se compara los resultados con la arquitectura Radio-sobre-Fibra analógica (ARoF). El escenario DRoF introduce un ADC en el transmisor para digitalizar las señales y un conversor Digital-a-Analógico (DAC) en el receptor para reconstruirlas. El transmisor óptico usa un Láser Emisor de Cavidad Vertical modulado directamente (DM-VCSEL) de bajo costo. Resultados: El escenario IF-DRoF extiende la distancia de transmisión en 18 km (de 25 a 43 km), y 22 km (de 25 a 47 km) usando un ADC con resolución de 4 y 8 bits, respectivamente cuando se compara con ARoF. Además, para una tasa de bit errado (BER) igual a 10-9, el sistema IFDRoF incrementa el rango en 7 km, y la tasa de bit escala como el producto número de bits de resolución del ADC × tasa de muestreo (hasta 8 × 1.25 Gb/s = 10 Gb/s). El nivel de sensitividad medido en el receptor fue de -21 dBm para un alcance máximo de 42 km a un nivel de BER de 10-5@4 bits de resolución. Conclusiones: El sistema IF-DRoF comprende una solución flexible de bajo costo, que extiende la distancia de transmisión y escala la tasa de bit con el producto n bits × frecuencia muestreo comparando con el sistema RoF analógico. Se demuestra que el rango dinámico es independiente de la distancia de transmisión excepto cuando el nivel de señal cae por debajo de la sensitividad del fotodetector del enlace óptico

Análisis comparativo del desempeño de receptores ópticos coherentes y no coherentes para GFDM en redes PON.

El objetivo fue analizar el desempeño de una transmisión GFDM utilizando receptores ópticos coherentes y no- coherentes, para lo cual se realizó una transmisión de una señal de radio frecuencia sobre fibra usando la señal GFDM sobre una red óptica pasiva (PON) a 10 Gb/s por medio de una cosimulación OptSim –Matlab. La necesidad de mejorar el rendimiento de las futuras redes 5G implicará que el enlace de fronthaul sea un enlace de alta velocidad implementado sobre fibra óptica, para garantizar los requerimientos de la nueva generación de la red móvil. Con el fin de satisfacer tasas de datos de usuario superiores a 10 Gb/s, con una latencia menor a 1ms, uno de los candidatos principales es el esquema multiportadora GFDM como forma de onda para 5G. El desafío es aumentar la capacidad del enlace frontahaul el cual depende de la combinación de: el tipo de detección óptica que se emplee, los formatos de modulación y post-procesamiento digital de la señal. Además, una buena opción para el esquema de transmisión a ser empleado es la transmisión coherente, dado que esta aumenta sustancialmente la capacidad del rendimiento de una red óptica a comparación de los esquemas basados en modulación de intensidad con detección directa. Los resultados obtenidos demuestran una mejora apreciable en la sensibilidad del receptor (alrededor de 3 dB) empleando un detector coherente. Dentro de esta perspectiva se avizora que la detección coherente permitirá incrementar la capacidad de las redes ópticas fronthaul. Sin embargo, una desventaja importante de la transmisión coherente es su alto costo de implementación. Adicionalmente se podría realizar estudios de pre-compensación y post-compensación de la dispersión introducida en la señal por la propagación de la misma en la fibra óptica.The objective was to analyse the performance of GFDM transmission using coherent and noncoherent optical receivers, for which a transmission of a radio frequency signal over fiber was made using GFDM signal on a passive optical network (PON) at 10 Gb/s through an OptSim-Matlab cosimulation. The need to improve the performance of future 5G networks will mean that the fronthaul will be a high-speed link implemented over an optical fiber, to guarantee the requirements of the new generation mobile network. In order to satisfy user data rates higher than 10 Gb/s, with a latency less than 1 ms, one of the main candidates is the GFDM multi-carrier scheme as a 5G waveform. The challenge is to increase the fronthaul link capacity which depends on the combination of: the type of optical detection that is used, the modulation formats and digital post-processing of the signal. In addition, a good option for the transmission scheme to be used is the coherent transmission, because this substantially increases the performance capacity of an optical network compared to schemes based on intensity modulation and direct detection. The results obtained show an appreciable improvement in the receiver sensitivity (around 3 dB) using a coherent detector. Within this perspective it is envisioned that the coherent detection will allow to increase the capacity of the fronthaul optical networks. However, an important disadvantage of the coherent transmission is its high implementation cost. Additionally, dispersion pre-compensation and post-compensation studies could be carried out introduced in the signal by the propagation of its in the optical fiber

Análisis comparativo del desempeño de receptores ópticos coherentes y no coherentes para GFDM en redes PON.

El objetivo fue analizar el desempeño de una transmisión GFDM utilizando receptores ópticos coherentes y no- coherentes, para lo cual se realizó una transmisión de una señal de radio frecuencia sobre fibra usando la señal GFDM sobre una red óptica pasiva (PON) a 10 Gb/s por medio de una cosimulación OptSim –Matlab. La necesidad de mejorar el rendimiento de las futuras redes 5G implicará que el enlace de fronthaul sea un enlace de alta velocidad implementado sobre fibra óptica, para garantizar los requerimientos de la nueva generación de la red móvil. Con el fin de satisfacer tasas de datos de usuario superiores a 10 Gb/s, con una latencia menor a 1ms, uno de los candidatos principales es el esquema multiportadora GFDM como forma de onda para 5G. El desafío es aumentar la capacidad del enlace frontahaul el cual depende de la combinación de: el tipo de detección óptica que se emplee, los formatos de modulación y post-procesamiento digital de la señal. Además, una buena opción para el esquema de transmisión a ser empleado es la transmisión coherente, dado que esta aumenta sustancialmente la capacidad del rendimiento de una red óptica a comparación de los esquemas basados en modulación de intensidad con detección directa. Los resultados obtenidos demuestran una mejora apreciable en la sensibilidad del receptor (alrededor de 3 dB) empleando un detector coherente. Dentro de esta perspectiva se avizora que la detección coherente permitirá incrementar la capacidad de las redes ópticas fronthaul. Sin embargo, una desventaja importante de la transmisión coherente es su alto costo de implementación. Adicionalmente se podría realizar estudios de pre-compensación y post-compensación de la dispersión introducida en la señal por la propagación de la misma en la fibra óptica.The objective was to analyse the performance of GFDM transmission using coherent and noncoherent optical receivers, for which a transmission of a radio frequency signal over fiber was made using GFDM signal on a passive optical network (PON) at 10 Gb/s through an OptSim-Matlab cosimulation. The need to improve the performance of future 5G networks will mean that the fronthaul will be a high-speed link implemented over an optical fiber, to guarantee the requirements of the new generation mobile network. In order to satisfy user data rates higher than 10 Gb/s, with a latency less than 1 ms, one of the main candidates is the GFDM multi-carrier scheme as a 5G waveform. The challenge is to increase the fronthaul link capacity which depends on the combination of: the type of optical detection that is used, the modulation formats and digital post-processing of the signal. In addition, a good option for the transmission scheme to be used is the coherent transmission, because this substantially increases the performance capacity of an optical network compared to schemes based on intensity modulation and direct detection. The results obtained show an appreciable improvement in the receiver sensitivity (around 3 dB) using a coherent detector. Within this perspective it is envisioned that the coherent detection will allow to increase the capacity of the fronthaul optical networks. However, an important disadvantage of the coherent transmission is its high implementation cost. Additionally, dispersion pre-compensation and post-compensation studies could be carried out introduced in the signal by the propagation of its in the optical fiber

Estudio de formatos de señales para los futuros sistemas de comunicaciones de 5ª generación 5G.

La modulación OFDM ha sido la modulación multiportadora más empleada en los estándares de comunicaciones inalámbricas debido a su robustez ante los desvanecimientos y a su baja complejidad computacional. Sin embargo, los sistemas basados en OFDM no son necesariamente los que mejor se adaptan a las condiciones demandadas en la actualidad, ya que requieren una alta eficiencia espectral. Es por ello por lo que se proponen modulaciones alternativas, como FBMC, que ofrece una menor interferencia entre los canales adyacentes, así como un uso del ancho de banda más eficiente en comparación con OFDM. FBMC se presenta como una candidata para la capa física de la quinta generación del estándar de telecomunicaciones 5G. Este proyecto esta orientado en continuar los estudios realizados por el proyecto fin de Grado “La Capa Física de los Futuros Sistemas de 5ª Generación 5G” de Luis Fernando Arias Macías, y en el que se presenta tanto el diseño en Matlab como la posterior implementación de un transmisor FBMC en un entorno de radio definida por software (SDR). El estudio comienza mediante la explicación del concepto de transmisión multiportadora, para proporcionar los fundamentos de la modulación FBMC. A continuación, se brindará una breve discusión sobre OFDM para indicar sus deficiencias ante los requisitos de los estándares de comunicación de próxima generación. El filtro prototipo que definirá el núcleo de FBMC se explicará junto con la derivación de los bancos de filtros correspondientes del filtro prototipo. Además, se describirá la cadena transmisora-receptora FBMC con todos los componentes del procesamiento de la señal. Esto incluye los detalles de implementación en MATLAB del transmisor FBMC, presentado "bloque por bloque". Finalmente, mediante simulaciones de software, se evalúan las propiedades de la señal y el rendimiento de la señal generada mediante FBMC. Los resultados de la simulación confirmarán que FBMC ofrece una eficiencia espectral mejorada en comparación con OFDM. El trabajo concluirá con los resultados obtenidos que confirmarán como FBMC puede ser una alternativa realizable para las futuras comunicaciones 5G.Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) has been the most widely adopted multicarrier modulation (MCM) scheme among the broadband wireless standards due to its robustness against multipath fading and low computational complexity. However, OFDM based systems are not necessarily the best fit for more demanding conditions that require higher spectral efficiency. Filter Bank Multicarrier (FBMC) is an alternative multicarrier solution that offers superior adjacent channel leakage ratio properties and more efficient bandwidth usage compared to OFDM. Moreover, FBMC is a possible PHY-layer candidate for fifth generation of mobile telecommunications technology (5G) standards. This Project is focused on the further development of the previous studies achieved in the Project “La Capa Física de los Futuros Sistemas de 5ª Generación 5G”, written by Fernando Arias Macías, and we will perform the design by Matlab and implementation efforts of an FBMC transmitter in a software defined radio (SDR) environment. This Project begins with the explanations of multicarrier transmission, which provide the basics of the FBMC modulation. Then, a brief discussion on OFDM is given to indicate the deficiencies of the OFDM scheme to the requirements of the next generation communication standards. Prototoype filter that defines the core of the FBMC operation is explained together with the derivation of the corresponding filter banks from the prototype filter. Furthermore, the FBMC transmitter-receiver chain with all signal processing components is described. This includes MATLAB details of the FBMC transceiver presented "block by block". Finally, by means of software simulations, signal properties and performance of FBMC systems are evaluated. The simulation and measurement results indicate that FBMC offers improved spectral efficiency compared to OFDM. The talk will be concluded with the appropriate demonstration of why FBMC may be a feasible alternative for the future communication systems 5G.Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicació

5G wireless and wired convergence in a passive optical network using UF-OFDM and GFDM

The provision of both wireless and wired services in the optical access domain will be an important function for future passive optical networks (PON). With the emergence of 5th generation (5G) mobile communications, a move toward a dense deployment of small cell antenna sites, in conjunction with a cloud radio access network (C-RAN) architecture, is foreseen. This type of network architecture greatly increases the requirement for high capacity mobile fronthaul and backhaul links. An efficient way of achieving such connectivity is to make use of wavelength division multiplexed (WDM) PON infrastructure where wireless and wired services may be converged for distribution. In this work, for the first time, the convergence of 5G wireless candidate waveforms with a single-carrier wired signal is demonstrated in a PON. Three bands of universally filtered orthogonal frequency division multiplexing (UF-OFDM) and generalized frequency division multiplexing (GFDM), are transmitted at an intermediate frequency in conjunction with a digital 10Gb/s pulse amplitude modulation (PAM-4) signal in the downlink direction. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is also evaluated as a benchmark. Results show, for each waveform, how performance varies due to the 5G channel spacing - indicating UF-OFDM's superiority in terms of PON convergence. Successful transmission over 25km of fibre is also demonstrated for all waveforms

Reconfigurable multi-carrier transmitters and their application in next generation optical networks

With the advent of new series of Internet services and applications, future networks will have to go beyond basic Internet connectivity and encompass diverse services including connected sensors, smart devices, vehicles, and homes. Today’s telecommunication systems are static, with pre-provisioned links requiring an expensive and time-consuming reconfiguration process. Hence, future networks need to be flexible and programmable, allowing for resources to be directed, where the demand exists, thus improving network efficiency. A cost-effective solution is to utilise the legacy fibre infrastructure more efficiently, by reducing the size of the guard bands and allowing closer optical carrier spacing, thereby increasing the overall spectral efficiency. However, such a scheme imposes stringent transmitter requirements such as frequency stability, which would not be met with the incumbent laser-array based transmitters. An attractive alternative would be to employ an optical frequency comb (OFC), which generates multiple phase correlated carriers with precise frequency separation. The reconfigurability of such a multi-carrier transmitter would enable tuning of channel spacing, number of carriers and emission wavelengths, according to the dynamic network demands. This research thesis presents the work carried out, in the physical layer, towards realising reconfigurability of an optical multi-carrier transmitter system. The work focuses on an externally injected gain-switched laser-based OFC (EI-GSL), which is a particular type of multi-carrier source. Apart from the detailed characterisation of GSL OFCs, advances to the state of the art are achieved via comb expansion, investigating new demultiplexing methods and system implementations. Firstly, two novel broadband GS-OFC generation techniques are proposed and experimentally demonstrated. Subsequently, two flexible and compact demultiplexing solutions, based on micro-ring resonators and laser based active demultiplexers are investigated. Finally, the application of a reconfigurable multi-carrier transmitter, employed in access and data centre networks, as well as analog-radio over fibre (A-RoF) distribution systems, is experimentally demonstrated