Characterization of dual-polarization analogue radio over fiber fronthaul for LTE C-RAN architecture

En este artículo se presentan los resultados de la medición ampliada de la radio analógica de doble polarización (DP) sobre fibra (RoF) en una arquitectura de red de acceso radio en la nube (C-RAN) de evolución a largo plazo (LTE). Esta técnica se propone para las conexiones de fibra entre las oficinas centrales y las estaciones base remotas. Se investigan varias longitudes de fibra óptica para determinar el mejor rendimiento del sistema en términos de magnitud de vector de error (EVM) y tasa de error de bit. La distancia máxima alcanzada para el caso de un ancho de banda LTE de 20 MHz es de 50 km, mostrando un valor de EVM admisible del 8,5% a la frecuencia de radio de 2,6 GHz cuando se utiliza el esquema de modulación 64 QAM.JCI-2012-14805SGS14/190/OHK3/3T/13COST Action IC1101 OPTICWISEIn this paper the results from extended measurement of dual-polarization (DP) analogue radio over fiber (RoF) in a long term evolution (LTE) cloud radio access network (C-RAN) architecture are presented. This technique is proposed for fiber connections between central offices and remote base stations. Investigation of various optical fiber length is carried out to determine the best system performance in terms of error vector magnitude (EVM) and bit error rate. Maximal achieved distance for the case of LTE bandwidth of 20 MHz is 50 km displaying permissible EVM value of 8.5 % at the radio frequency of 2.6 GHz when using 64 QAM modulation scheme

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

Analog radio over fiber solutions for multi-band 5g systems

This study presents radio over fiber (RoF) solutions for the fifth-generation (5G) of wireless networks. After the state of the art and a technical background review, four main contributions are reported. The first one is proposing and investigating a RoF technique based on a dual-drive Mach-Zehnder modulator (DD-MZM) for multi-band mobile fronthauls, in which two radiofrequency (RF) signals in the predicted 5G bands individually feed an arm of the optical modulator. Experimental results demonstrate the approach enhances the RF interference mitigation and can prevail over traditional methods. The second contribution comprises the integration of a 5G transceiver, previously developed by our group, in a passive optical network (PON) using RoF technology and wavelength division multiplexing (WDM) overlay. The proposed architecture innovates by employing DD-MZM and enables to simultaneously transport baseband and 5G candidate RF signals in the same PON infrastructure. The proof-of-concept includes the transmission of a generalized frequency division multiplexing (GFDM) signal generated by the 5G transceiver in the 700 MHz band, a 26 GHz digitally modulated signal as a millimeter-waves 5G band, and a baseband signal from an gigabit PON (GPON). Experimental results demonstrate the 5G transceiver digital performance when using RoF technology for distributing the GFDM signal, as well as Gbit/s throughput at 26 GHz. The third contribution is the implementation of a flexible-waveform and multi-application fiber-wireless (FiWi) system toward 5G. Such system includes the FiWi transmission of the GFDM and filtered orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM) signals at 788 MHz, toward long-range cells for remote or rural mobile access, as well as the recently launched 5G NR standard in microwave and mm-waves, aiming enhanced mobile broadband indoor and outdoor applications. Digital signal processing (DSP) is used for selecting the waveform and linearizing the RoF link. Experimental results demonstrate the suitability of the proposed solution to address 5G scenarios and requirements, besides the applicability of using existent fiber-to-the-home (FTTH) networks from Internet service providers for implementing 5G systems. Finally, the fourth contribution is the implementation of a multi-band 5G NR system with photonic-assisted RF amplification (PAA). The approach takes advantage of a novel PAA technique, based on RoF technology and four-wave mixing effect, that allows straightforward integration to the transport networks. Experimental results demonstrate iv uniform and stable 15 dB wideband gain for Long Term Evolution (LTE) and three 5G signals, distributed in the frequency range from 780 MHz to 26 GHz and coexisting in the mobile fronthaul. The obtained digital performance has efficiently met the Third-Generation Partnership Project (3GPP) requirements, demonstrating the applicability of the proposed approach for using fiber-optic links to distribute and jointly amplify LTE and 5G signals in the optical domain.Agência 1Este trabalho apresenta soluções de rádio sobre fibra (RoF) para aplicações em redes sem fio de quinta geração (5G), e inclui quatro contribuições principais. A primeira delas refere-se à proposta e investigação de uma técnica de RoF baseada no modulador eletroóptico de braço duplo, dual-drive Mach-Zehnder (DD-MZM), para a transmissão simultânea de sinais de radiofrequência (RF) em bandas previstas para redes 5G. Resultados experimentais demonstram que o uso do DD-MZM favorece a ausência de interferência entre os sinais de RF transmitidos. A segunda contribuição trata da integração de um transceptor de RF, desenvolvido para aplicações 5G e apto a prover a forma de onda conhecida como generalized frequency division multiplexing (GFDM), em uma rede óptica passiva (PON) ao utilizar RoF e multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). A arquitetura proposta permite transportar, na mesma infraestrutura de rede, sinais em banda base e de radiofrequência nas faixas do espectro candidatas para 5G. A prova de conceito inclui a distribuição conjunta de três tipos de sinais: um sinal GFDM na banda de 700 MHz, proveniente do transceptor desenvolvido; um sinal digital na frequência de 26 GHz, assumindo a faixa de ondas milimétricas; sinais em banda base provenientes de uma PON dedicada ao serviço de Internet. Resultados experimentais demonstram o desempenho do transceptor de RF ao utilizar a referida arquitetura para distribuir sinais GFDM, além de taxas de transmissão de dados da ordem de Gbit/s na faixa de 26 GHz. A terceira contribuição corresponde à implementação de um sistema fibra/rádio potencial para redes 5G, operando inclusive com o padrão ―5G New Radio (5G NR)‖ nas faixas de micro-ondas e ondas milimétricas. Tal sistema é capaz de prover macro células na banda de 700 MHz para aplicações de longo alcance e/ou rurais, utilizando sinais GFDM ou filtered orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM), assim como femto células na banda de 26 GHz, destinada a altas taxas de transmissão de dados para comunicações de curto alcance. Resultados experimentais demonstram a aplicabilidade da solução proposta para redes 5G, além da viabilidade de utilizar redes ópticas pertencentes a provedores de Internet para favorecer sistemas de nova geração. Por fim, a quarta contribuição trata da implementação de um sistema 5G NR multibanda, assistido por amplificação de RF no domínio óptico. Esse sistema faz uso de um novo método de amplificação, baseado no efeito não linear da mistura de quatro ondas, que vi permite integração direta em redes de transporte envolvendo rádio sobre fibra. Resultados experimentais demonstram ganho de RF igual a 15 dB em uma ampla faixa de frequências (700 MHz até 26 GHz), atendendo simultaneamente tecnologias de quarta e quinta geração. O desempenho digital obtido atendeu aos requisitos estabelecidos pela 3GPP (Third-Generation Partnership Project), indicando a aplicabilidade da solução em questão para distribuir e conjuntamente amplificar sinais de RF em enlaces de fibra óptica

Digital Signal Processing Techniques Applied to Radio over Fiber Systems

The dissertation aims to analyze different Radio over Fiber systems for the front-haul applications. Particularly, analog radio over fiber (A-RoF) are simplest and suffer from nonlinearities, therefore, mitigating such nonlinearities through digital predistortion are studied. In particular for the long haul A-RoF links, direct digital predistortion technique (DPDT) is proposed which can be applied to reduce the impairments of A-RoF systems due to the combined effects of frequency chirp of the laser source and chromatic dispersion of the optical channel. Then, indirect learning architecture (ILA) based structures namely memory polynomial (MP), generalized memory polynomial (GMP) and decomposed vector rotation (DVR) models are employed to perform adaptive digital predistortion with low complexities. Distributed feedback (DFB) laser and vertical capacity surface emitting lasers (VCSELs) in combination with single mode/multi-mode fibers have been linearized with different quadrature amplitude modulation (QAM) formats for single and multichannel cases. Finally, a feedback adaptive DPD compensation is proposed. Then, there is still a possibility to exploit the other realizations of RoF namely digital radio over fiber (D-RoF) system where signal is digitized and transmits the digitized bit streams via digital optical communication links. The proposed solution is robust and immune to nonlinearities up-to 70 km of link length. Lastly, in light of disadvantages coming from A-RoF and D-RoF, it is still possible to take only the advantages from both methods and implement a more recent form knows as Sigma Delta Radio over Fiber (S-DRoF) system. Second Order Sigma Delta Modulator and Multi-stAge-noise-SHaping (MASH) based Sigma Delta Modulator are proposed. The workbench has been evaluated for 20 MHz LTE signal with 256 QAM modulation. Finally, The 6x2 GSa/s sigma delta modulators are realized on FPGA to show a real time demonstration of S-DRoF system. The demonstration shows that S-DRoF is a competitive competitor for 5G sub-6GHz band applications

Transmission of 5G signals in multicore fibers impaired by inter-core crosstalk

A capacidade de dados exigida pelo surgimento do 5G levou a mudanças na arquitetura das redes sem fios passando a incluir fibras multinúcleo (MCFs, acrónimo anglo-saxónico de multicore fibers) no fronthaul. No entanto, a transmissão de sinais nas MCFs é degradada pela interferência entre núcleos (ICXT, acrónimo anglo-saxónico de intercore crosstalk). Neste trabalho, o impacto da ICXT sobre o desempenho na transmissão de sinais CPRI (acrónimo anglo-saxónico de Common Public Radio Interface) numa rede de acesso 5G com detecção direta, suportada por MCFs homogéneas com um acoplamento reduzido entre núcleos, é estudado através de simulação numérica. A taxa de erros de bit (BER, acrónimo anglo-saxónico de bit error rate), a análise de padrões de olho, a penalidade de potência e a indisponibilidade são utilizadas como métricas para avaliar o impacto da ICXT no desempenho do sistema, considerando dois modelos para a polariza- ção dos sinais. Os resultados numéricos são obtidos através da combinação de simulação de Monte Carlo com um método semi-analítico para avaliar a BER. Para uma penalidade de potência de 1 dB, para sinais CPRI com FEC (acrónimo anglo-saxónico de forward-error correction), devido ao aumento do walkoff da MCF de 1 ps/km para 50 ps/km, a tolerância dos sinais CPRI relativamente à ICXT aumenta 1.4 dB. No entanto, para níveis de interferência que levam a uma penalidade de potência de 1 dB, o sistema está praticamente indisponível. Para alcançar uma probabilidade de indisponibilidade de 10-5 usando sinais com FEC, são necessários níveis de interferência muito mais reduzidos, abaixo de -27:8 dB e -24:8 dB, para sinais de polarização única e dupla, respectivamente. Este trabalho demonstra que é essencial estudar a indisponibilidade em vez da penalidade de potência de 1 dB para garantir a qualidade do serviço em sistemas de comunicação óptica com detecção direta suportados por MCFs homogéneas com um acoplamento reduzido entre núcleos onde a ICXT domina a degradação do desempenho.The data capacity demanded by the emergence of 5G lead to changes in the wireless network architecture with proposals including multicore fibers (MCFs) in the fronthaul. However, the transmission of signals in MCFs is impaired by intercore crosstalk (ICXT). In this work, the impact of ICXT on the transmission performance of Common Public Radio Interface (CPRI) signals in a 5G network fronthaul supported by homogeneous weakly-coupled MCFs with direct detection is studied by numerical simulation. Bit error rate (BER), eye-patterns analysis, power penalty and outage probability are used as metrics to assess the ICXT impact on the system performance, considering two models for the signals polarizations. The results are obtained by combining Monte Carlo simulation and a semi-analytical method to assess numerically the BER. For 1 dB power penalty, with forward error correction (FEC) CPRI signals, due to the increase of the MCF walkoff from 1 ps/km to 50 ps/km, an improvement of the tolerance of CPRI signals to ICXT of 1.4 dB is observed. However, for crosstalk levels that lead to 1 dB power penalty, the system is unavailable with very high outage probability. To reach a reasonable outage probability of 10−5 for FEC signals, much lower crosstalk levels, below -27:8 dB, and -24:8 dB, for single and dual polarization signals, respectively, are required. Hence, this work shows that it is essential to study the outage probability instead of the 1 dB power penalty to guarantee quality of service in direct-detection optical communication systems supported by weakly-coupled homogeneous MCFs and impaired by ICXT

Analyses of Dual Polarization WDM and SCM Radio over Fiber and Radio over FSO for C-RAN Architecture

En este trabajo se simulan y verifican experimentalmente los esquemas de transmisión para una Arquitectura de Red de Acceso Radio Centralizada (C-RAN) basados en la combinación de dos tecnologías: Radio sobre Fibra (RoF) y Radio sobre FSO (RoFSO). Las configuraciones propuestas se optimizan para la evolución a largo plazo (LTE) con un ancho de banda de 20 MHz utilizando una modulación de amplitud en cuadratura de 64-QAM en términos de magnitud de vector de error (EVM). En primer lugar, se comparan las mediciones de la multiplexación por división de polarización mediante la combinación de RoF y RoFSO (PDM-RoF/FSO) con los modelos de simulación. Esto se amplía con la combinación de PDM-Multiplexación por División por Longitud de Onda (WDM)-RoF/FSO y PDM-Multiplexación por Subportadora (SCM)-RoF/FSO, respectivamente. Los resultados indican un mejor rendimiento de PDM-SCM-RoF/FSO que de WDM RoF/RoFSO en términos de potencia de lanzamiento para alcanzar el límite EVM.JCI-2012-14805SGS14/190/OHK3/3T/13In this paper, the transmission schemes for Centralized Radio Access Network Architecture (C-RAN) based on combination of two technologies - Radio over Fiber (RoF) and Radio over FSO (RoFSO) are simulated and experimentally verified. The proposed setups are optimized for Long Term Evolution (LTE) with 20 MHz bandwidth using 64 Quadrature amplitude modulation in terms of Error Vector Magnitude (EVM). At the first, the measurements of Polarization Division Multiplexing using combination of RoF a RoFSO (PDM-RoF/FSO) is compared with simulation models. This is further extended by combination of PDM-Wavelength Division Multiplexing (WDM)-RoF/FSO and PDM-Subcarrier Multiplexing (SCM)-RoF/FSO, respectively. Results indicate better performance of PDM-SCM-RoF/FSO than WDM RoF/RoFSO in terms of launch power to reach EVM limit

Telecommunication Systems

This book is based on both industrial and academic research efforts in which a number of recent advancements and rare insights into telecommunication systems are well presented. The volume is organized into four parts: "Telecommunication Protocol, Optimization, and Security Frameworks", "Next-Generation Optical Access Technologies", "Convergence of Wireless-Optical Networks" and "Advanced Relay and Antenna Systems for Smart Networks." Chapters within these parts are self-contained and cross-referenced to facilitate further study