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Hybrid Free-Space Optical and Visible Light Communication Link
V součastnosti bezdrátové optické komunikace (optical wireless communication, OWC) získávají širokou pozornost jako vhodný doplněk ke komunikačním přenosům v rádiovém pásmu. OWC nabízejí několik výhod včetně větší šířky přenosového pásma, neregulovaného frekvenčního pásma či odolnosti vůči elektromagnetickému rušení. Tato práce se zabývá návrhem OWC systémů pro připojení koncových uživatelů. Samotná realizace spojení může být provedena za pomoci různých variant bezdrátových technologií, například pomocí OWC, kombinací různých OWC technologií nebo hybridním rádio-optickým spojem. Za účelem propojení tzv. poslední míle je analyzován optický bezvláknový spoj (free space optics, FSO). Tato práce se dále zabývá analýzou přenosových vlastností celo-optického více skokového spoje s důrazem na vliv atmosférických podmínek. V dnešní době mnoho uživatelů tráví čas ve vnitřních prostorech kanceláří či doma, kde komunikace ve viditelném spektru (visible light communication, VLC) poskytuje lepší přenosové parametry pokrytí než úzce směrové FSO. V rámci této práce byla odvozena a experimentálně ověřena závislost pro bitovou chybovost přesměrovaného (relaying) spoje ve VLC. Pro propojení poskytovatele datavých služeb s koncovým uživatelem může být výhodné zkombinovat více přenosových technologií. Proto je navržen a analyzovám systém pro překonání tzv. problému poslední míle a posledního metru kombinující hybridní FSO a VLC technologie.The field of optical wireless communications (OWC) has recently attracted significant attention as a complementary technology to radio frequency (RF). OWC systems offer several advantages including higher bandwidth, an unregulated spectrum, resistance to electromagnetic interference and a high order of reusability. The thesis focuses on the deployment and analyses of end-user interconnections using the OWC systems. Interconnection can be established by many wireless technologies, for instance, by a single OWC technology, a combination of OWC technologies, or by hybrid OWC/RF links. In order to establish last mile outdoor interconnection, a free-space optical (FSO) has to be investigated. In this thesis, the performance of all-optical multi-hop scenarios is analyzed under atmospheric conditions. However, nowadays, many end users spend much time in indoor environments where visible light communication (VLC) technology can provide better transmission parameters and, significantly, better coverage. An analytical description of bit error rate for relaying VLC schemes is derived and experimentally verified. Nonetheless, for the last mile, interconnection of a provider and end users (joint outdoor and indoor connection) can be advantageous when combining multiple technologies. Therefore, a hybrid FSO/VLC system is proposed and analyzed for the interconnection of the last mile and last meter bottleneck
Advanced DSP Techniques for High-Capacity and Energy-Efficient Optical Fiber Communications
The rapid proliferation of the Internet has been driving communication networks closer and closer to their limits, while available bandwidth is disappearing due to an ever-increasing network load. Over the past decade, optical fiber communication technology has increased per fiber data rate from 10 Tb/s to exceeding 10 Pb/s. The major explosion came after the maturity of coherent detection and advanced digital signal processing (DSP). DSP has played a critical role in accommodating channel impairments mitigation, enabling advanced modulation formats for spectral efficiency transmission and realizing flexible bandwidth. This book aims to explore novel, advanced DSP techniques to enable multi-Tb/s/channel optical transmission to address pressing bandwidth and power-efficiency demands. It provides state-of-the-art advances and future perspectives of DSP as well
Otimização do fronthaul ótico para redes de acesso de rádio (baseadas) em computação em nuvem (CC-RANs)
Doutoramento conjunto (MAP-Tele) em Engenharia Eletrotécnica/TelecomunicaçõesA proliferação de diversos tipos de dispositivos moveis, aplicações e serviços
com grande necessidade de largura de banda têm contribuído para o aumento
de ligações de banda larga e ao aumento do volume de trafego das
redes de telecomunicações moveis. Este aumento exponencial tem posto
uma enorme pressão nos mobile operadores de redes móveis (MNOs). Um
dos aspetos principais deste recente desenvolvimento, é a necessidade que as
redes têm de oferecer baixa complexidade nas ligações, como também baixo
consumo energético, muito baixa latência e ao mesmo tempo uma grande
capacidade por baixo usto. De maneira a resolver estas questões, os MNOs
têm focado a sua atenção na redes de acesso por rádio em nuvem (C-RAN)
principalmente devido aos seus benefícios em termos de otimização de performance
e relação qualidade preço. O standard para a distribuição de sinais
sem fios por um fronthaul C-RAN é o common public radio interface (CPRI).
No entanto, ligações óticas baseadas em interfaces CPRI necessitam de uma
grande largura de banda. Estes requerimentos podem também ser atingidos
com uma implementação em ligação free space optical (FSO) que é um sistema
ótico que usa comunicação sem fios. O FSO tem sido uma alternativa
muito apelativa aos sistemas de comunicação rádio (RF) pois combinam a
flexibilidade e mobilidade das redes RF ao mesmo tempo que permitem a
elevada largura de banda permitida pelo sistema ótico. No entanto, as ligações
FSO são suscetíveis a alterações atmosféricas que podem prejudicar
o desempenho do sistema de comunicação. Estas limitações têm evitado o
FSO de ser tornar uma excelente solução para o fronthaul. Uma caracterização
precisa do canal e tecnologias mais avançadas são então necessárias
para uma implementação pratica de ligações FSO. Nesta tese, vamos estudar
uma implementação eficiente para fronthaul baseada em tecnologia
á rádio-sobre-FSO (RoFSO). Propomos expressões em forma fechada para
mitigação das perdas de propagação e para a estimação da capacidade do
canal de maneira a aliviar a complexidade do sistema de comunicação. Simulações
numéricas são também apresentadas para formatos de modulação
adaptativas. São também considerados esquemas como um sistema hibrido
RF/FSO e tecnologias de transmissão apoiadas por retransmissores
que ajudam a alivar os requerimentos impostos por um backhaul/fronthaul
de C-RAN. Os modelos propostos não só reduzem o esforço computacional,
como também têm outros méritos, tais como, uma elevada precisão na estimação
do canal e desempenho, baixo requisitos na capacidade de memória
e uma rápida e estável operação comparativamente com o estado da arte
em sistemas analíticos (PON)-FSO. Este sistema é implementado num recetor
em tempo real que é emulado através de uma field-programmable gate
array (FPGA) comercial. Permitindo assim um sistema aberto, interoperabilidade,
portabilidade e também obedecer a standards de software aberto.
Os esquemas híbridos têm a habilidade de suportar diferentes aplicações,
serviços e múltiplos operadores a partilharem a mesma infraestrutura de
fibra ótica.The proliferation of different mobile devices, bandwidth-intensive applications
and services contribute to the increase in the broadband connections
and the volume of traffic on the mobile networks. This exponential growth
has put considerable pressure on the mobile network operators (MNOs). In
principal, there is a need for networks that not only offer low-complexity,
low-energy consumption, and extremely low-latency but also high-capacity
at relatively low cost. In order to address the demand, MNOs have given significant
attention to the cloud radio access network (C-RAN) due to its beneficial
features in terms of performance optimization and cost-effectiveness.
The de facto standard for distributing wireless signal over the C-RAN fronthaul
is the common public radio interface (CPRI). However, optical links
based on CPRI interfaces requires large bandwidth. Also, the aforementioned
requirements can be realized with the implementation of free space
optical (FSO) link, which is an optical wireless system. The FSO is an appealing
alternative to the radio frequency (RF) communication system that
combines the flexibility and mobility offered by the RF networks with the
high-data rates provided by the optical systems. However, the FSO links are
susceptible to atmospheric impairments which eventually hinder the system
performance. Consequently, these limitations prevent FSO from being an
efficient standalone fronthaul solution. So, precise channel characterizations
and advanced technologies are required for practical FSO link deployment
and operation. In this thesis, we study an efficient fronthaul implementation
that is based on radio-on-FSO (RoFSO) technologies. We propose closedform
expressions for fading-mitigation and for the estimation of channel
capacity so as to alleviate the system complexity. Numerical simulations
are presented for adaptive modulation scheme using advanced modulation
formats. We also consider schemes like hybrid RF/FSO and relay-assisted
transmission technologies that can help in alleviating the stringent requirements
by the C-RAN backhaul/fronthaul. The propose models not only
reduce the computational requirements/efforts, but also have a number of
diverse merits such as high-accuracy, low-memory requirements, fast and
stable operation compared to the current state-of-the-art analytical based
approaches. In addition to the FSO channel characterization, we present
a proof-of-concept experiment in which we study the transmission capabilities
of a hybrid passive optical network (PON)-FSO system. This is
implemented with the real-time receiver that is emulated by a commercial
field-programmable gate array (FPGA). This helps in facilitating an
open system and hence enables interoperability, portability, and open software
standards. The hybrid schemes have the ability to support different
applications, services, and multiple operators over a shared optical fiber
infrastructure
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