Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks

[ES] El estándar de quinta generación (5G) es la clave potencial para satisfacer el aumento exponencial en la demanda de nuevas aplicaciones, servicios y usuarios. La tecnología 5G ofrecerá una latencia extremadamente baja de 1 ms, una velocidad máxima de datos de 10 Gbit/s, una alta densidad de conexión de hasta 106 dispositivos/km2 y permitirá una alta movilidad de los dispositivos de hasta 500 km/h. En esta Tesis se proponen varias soluciones basadas en tecnologías habilitadoras para el despliegue de redes 5G. La arquitectura de la red de acceso de radio en la nube (C-RAN) se emplea junto con las técnicas de Fotónica de Microondas como una solución prometedora para generar y transmitir señales de ondas milimétricas (mmW) en la próxima generación de comunicaciones móviles. La tecnología radio sobre fibra (RoF) ha demostrado ser una buena opción para enfrentarse al desafío de la distribución inalámbrica mmW debido a la gran distancia de transmisión, el gran ancho de banda y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, entre algunas de las principales ventajas. Además, esta tecnología se puede ampliar con comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) en sistemas de radio sobre FSO (RoFSO) en las redes inalámbricas. En esta Tesis, las señales mmW se generan fotónicamente mediante modulación externa de doble banda lateral con supresión de portadora (CS-DSB) y se distribuyen a través de enlaces fronthaul híbridos RoF/FSO. Además, la generación múltiple de señales permite la distribución reconfigurable en canales multiplexados por división de longitud de onda (WDM) desde una oficina central hasta las estaciones base, y se ha evaluado el impacto de las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente en términos de fluctuaciones de potencia y ruido de fase de la señal. Se propone la técnica de modulación directa de un láser (DML) como solución principal para la transmisión de datos a través de enlaces ópticos híbridos que emplean un esquema de multiplicación de frecuencias ópticas, es decir, CS-DSB, para la generación de señales de mmW. En concreto, se evalúan teórica y experimentalmente los esquemas de generación fotónica local y remoto de señales mmW y se comparan para su implementación práctica en la red frontal de la C-RAN y, además, se estudia experimentalmente el impacto de la distorsión armónica y de la intermodulación en la transmisión de datos. Igualmente, con el fin de obtener la capacidad que ofrece el DML en términos de ancho de banda, también se presenta una evaluación teórica y experimental del efecto de la dispersión de la fibra y el chirp sobre diferentes anchos de banda de señales de M-modulación de amplitud en cuadratura (QAM). No obstante, la Tesis también incluye otro enfoque para la transmisión de datos basado en el uso de otro modulador externo. En este caso, la demostración experimental de la generación de señales ópticas empleando CS-DSB y la transmisión de señales a través de fibra híbrida y red frontal FSO se completa con un enlace de antena que permite transmitir señales 5G 64/256-QAM. La investigación realizada con los sistemas CS-DSB y DSB también permiten comparar la robustez frente al desvanecimiento inducido por la dispersión cromática de la fibra. Además, se ha realizado una evaluación experimental impacto las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente con diferentes distribuciones térmicas y se ha cuantificado la degradación de la señal de datos de acuerdo con las condiciones de la turbulencia. Como demostradores finales, esta Tesis incluye un sistema de transmisión full-dúplex que emplea señales 5G en enlace descendente (DL) a 39 GHz y en enlace ascendente (UL) a 37 GHz; y la transmisión de señales OFDM LTE de 60 GHz (DL) y 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogénea de frontal óptico que consiste en fibra óptica de 10 km, un canal FSO de 100 m y un enlace de radio inalámbrico de 2 m.[CA] L'estàndard de quinta generació (5G) és la clau potencial per a satisfer l'augment exponencial en la demanda de noves aplicacions, serveis i usuaris. La tecnologia 5G oferirà una latència extremadament baixa d'1 ms, una velocitat màxima de dades de 10 Gbit/s, una alta densitat de connexió de fins a 106 dispositius/km2 i permetrà una alta mobilitat dels dispositius de fins a 500 km/h. En aquesta tesi es proposen diverses solucions basades en tecnologies habilitadores per al desplegament de xarxes 5G. L'arquitectura de la xarxa d'accés de ràdio en el núvol (CRAN) s'empra junt amb les tècniques de Fotònica de Microones com una solució prometedora per a generar i transmetre senyals d'ones mil·limètriques (mmW) en la pròxima generació de comunicacions mòbils. La tecnologia ràdio sobre fibra ( RoF) ha demostrat ser una bona opció per a enfrontar-se al desafiament de la distribució sense fil mmW a causa de la gran distància de transmissió, el gran ample de banda i la immunitat a les interferències electromagnètiques, entre alguns dels principals avantatges. A més, aquesta tecnologia es pot ampliar amb comunicacions òptiques d'espai lliure (FSO) en sistemes de ràdio sobre FSO (RoFSO) en les xarxes sense fil. En aquesta Tesi, els senyals mmW es generen fotònicament per mitjà de modulació externa de doble banda lateral amb supressió de portadora (CS-DSB) i es distribueixen a través d'enllaços frontals híbrids RoF/FSO.. A més, la generació múltiple de senyals permet la distribució reconfigurable en canals multiplexats per divisió de longitud d'ona ( WDM) des d'una oficina central fins a les estacions base, i s'ha avaluat l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament en termes de fluctuacions de potència i soroll de fase del senyal. Aquest treball proposa la tècnica de modulació directa d'un làser (DML) com solució principal per a la transmissió de dades a través d'enllaços òptics híbrids que fan servir un esquema de multiplicació de freqüències òptiques, és a dir, CS-DSB, per a la generació de senyals de mmW. En concret, s'avalua teòric i experimentalment els esquemes de generació fotònica local i remota de senyals mmW i es comparen per a la seua implementació pràctica a la xarxa frontal de la C-RAN i a més, s'estudia experimentalment l'impacte de la distorsió harmònica i de la intermodulació en la transmissió de dades. Igualment, amb el fi d'obtindre la capacitat que ofereix el DML en termes d'amplada de banda, també es presenta una avaluació teòrica i experimental de l'efecte de la dispersió de la fibra i el chirp sobre diferents amples de banda de senyals de M-modulació d'amplitud en quadratura (QAM). No obstant això, la Tesis també inclou altre enfocament per a la transmissió de dades basat amb l¿ús d'altre modulador extern. En aquest cas, la demostració experimental de la generació de senyals òptics emprant CS-DSB i la transmissió de senyals a través de fibra híbrida i xarxa frontal FSO es completa com un enllaç d'antena que permet transmetre senyals 5G 64/256-QAM. La investigació realitzada amb els sistemes CS-DSB i DSB també permet comparar la seua robustesa davant l¿esvaïment induït per la dispersió cromàtica. A més, s'ha avaluat experimentalment l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament amb diferents distribucions tèrmiques i s'ha quantificat la degradació del senyal de dades d'acord amb les condicions de la turbulència. Com a demostradors finals, aquesta Tesi inclou un sistema de transmissió full-dúplex que empra senyals 5G en enllaç descendent (DL) a 39 GHz i en enllaç ascendent (UL) a 37 GHz; i la transmissió de senyals OFDM LTE de 60 GHz (DL) i 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogènia de frontal òptic que consisteix en fibra òptica de 10 km, un canal FSO de 100 m i un enllaç de ràdio sense fil de 2 m.[EN] The fifth generation (5G) standard is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the emerging applications, services and mobile end users. 5G technology will offer an extremely low latency of 1 ms, peak data rate of 10 Gbit/s, high contention density up to 106 devices/km2 and enable high mobility up to 500 km/h. This Thesis proposes several solutions based on enabling technologies for deploying 5G networks. Cloud-radio access network (C-RAN) architecture is employed in conjunction with microwave photonics techniques as a promising solution to generate and transmit millimeter wave (mmW) signals in the next generation of mobile communications. Radio over fiber (RoF) has been demonstrated as a good option to face the challenge of mmW wireless distribution, due to long transmission distance, large bandwidth and immunity to electromagnetic interference, as some of the main advantages. Moreover, this technology can be extended with free-space optical (FSO) communications in Radio over FSO systems (RoFSO) as wireless networks. In this Thesis, mmW signals are photonically generated by carrier suppressed double sideband (CS-DSB) external modulation and distributed over hybrid RoF/FSO fronthaul links. Moreover, multiple generated signals allow reconfigurable distribution in wavelength-division multiplexed (WDM) channels from a central office to the base stations, and the impact of turbulent FSO channels on photonically generated mmW signals has been evaluated in terms of power signal fluctuations and phase noise. A directly modulated laser (DML) is proposed as a major solution for signal transmission over hybrid optical links employing optical frequency multiplication scheme, i.e. CS-DSB, for mmW signal generation. Moreover, local and remote photonic mmW signal generation schemes are theoretically and experimentally evaluated and compared for practical deployment in C-RAN fronthaul network while the impact of harmonic and intermodulation distortion on data transmission is also experimentally studied. Furthermore, for the sake of obtaining the DML usability in terms of bandwidth, theoretical and experimental evaluation of the effect of fiber dispersion and chirp over different M-quadrature amplitude modulation (QAM) signals bandwidth is also presented. Another data transmission approach based on the cascade of two external modulators is also employed in the Thesis. In this case, the experimental demonstration of optical signal generation employing CS-DSB and signal transmission over hybrid fiber and FSO fronthaul network is completed with a seamless antenna link leading to successful transmission of 64/256-QAM 5G signals. The CS-DSB and DSB schemes are also investigated for the sake of comparison in terms of robustness against fiber chromatic dispersion-induced fading. Furthermore, experimental evaluation of the impact of turbulent FSO links on photonically generated mmW signals with different thermal distributions has been performed and data signal degradation has been quantified according to the turbulence conditions. As final demonstrators, the Thesis includes a full-duplex transmission system employing 39 GHz downlink (DL) and 37 GHz uplink (UL) 5G signals over hybrid links; and 60 GHz (DL) and 25 GHz (UL) OFDM LTE signal transmission over an heterogeneous optical fronthaul infrastructure consisting of 10 km optical fiber, 100 m FSO channel and 2 m wireless radio link.I would like to acknowledge the financial support given by Research Excellence Award Programme GVA PROMETEO 2017/103 Future Microwave Photonics and European Network for High Performance Integrated Microwave Photonics (EUIMWP) CA16220.Vallejo Castro, L. (2022). Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19025

Radio over fiber enabling PON fronthaul in a two-tiered cloud

Avec l’avènement des objets connectés, la bande passante nécessaire dépasse la capacité des interconnections électriques et interface sans fils dans les réseaux d’accès mais aussi dans les réseaux coeurs. Des systèmes photoniques haute capacité situés dans les réseaux d’accès utilisant la technologie radio sur fibre systèmes ont été proposés comme solution dans les réseaux sans fil de 5e générations. Afin de maximiser l’utilisation des ressources des serveurs et des ressources réseau, le cloud computing et des services de stockage sont en cours de déploiement. De cette manière, les ressources centralisées pourraient être diffusées de façon dynamique comme l’utilisateur final le souhaite. Chaque échange nécessitant une synchronisation entre le serveur et son infrastructure, une couche physique optique permet au cloud de supporter la virtualisation des réseaux et de les définir de façon logicielle. Les amplificateurs à semi-conducteurs réflectifs (RSOA) sont une technologie clé au niveau des ONU(unité de communications optiques) dans les réseaux d’accès passif (PON) à fibres. Nous examinons ici la possibilité d’utiliser un RSOA et la technologie radio sur fibre pour transporter des signaux sans fil ainsi qu’un signal numérique sur un PON. La radio sur fibres peut être facilement réalisée grâce à l’insensibilité a la longueur d’onde du RSOA. Le choix de la longueur d’onde pour la couche physique est cependant choisi dans les couches 2/3 du modèle OSI. Les interactions entre la couche physique et la commutation de réseaux peuvent être faites par l’ajout d’un contrôleur SDN pour inclure des gestionnaires de couches optiques. La virtualisation réseau pourrait ainsi bénéficier d’une couche optique flexible grâce des ressources réseau dynamique et adaptée. Dans ce mémoire, nous étudions un système disposant d’une couche physique optique basé sur un RSOA. Celle-ci nous permet de façon simultanée un envoi de signaux sans fil et le transport de signaux numérique au format modulation tout ou rien (OOK) dans un système WDM(multiplexage en longueur d’onde)-PON. Le RSOA a été caractérisé pour montrer sa capacité à gérer une plage dynamique élevée du signal sans fil analogique. Ensuite, les signaux RF et IF du système de fibres sont comparés avec ses avantages et ses inconvénients. Finalement, nous réalisons de façon expérimentale une liaison point à point WDM utilisant la transmission en duplex intégral d’un signal wifi analogique ainsi qu’un signal descendant au format OOK. En introduisant deux mélangeurs RF dans la liaison montante, nous avons résolu le problème d’incompatibilité avec le système sans fil basé sur le TDD (multiplexage en temps duplexé).With the advent of IoT (internet of things) bandwidth requirements triggered by aggregated wireless connections have exceeded the fundamental limitation of copper and microwave based wireless backhaul and fronthaul networks. High capacity photonic fronthaul systems employing radio over fiber technology has been proposed as the ultimate solution for 5G wireless system. To maximize utilization of server and network resources, cloud computing and storage based services are being deployed. In this manner, centralized resources could be dynamically streamed to the end user as requested. Since on demand resource provision requires the orchestration between the server and network infrastructure, a smart photonic (physical layer)PHY enabled cloud is foreseen to support network virtualization and software defined network. RSOAs (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) are being investigated as key enablers of the colorless ONU(Optical Network Unit) solution in PON (Passive Optical Network). We examine the use of an RSOA in radio over fiber systems to transport wireless signals over a PON simultaneously with digital data. Radio over fiber systems with flexible wavelength allocation could be achieved thanks to the colorless operation of the RSOA and wavelength reuse technique. The wavelength flexibility in optical PHY are inline with the paradigm of software defined network (SDN) in OSI layer 2/3. The orchestration between optical PHY and network switching fabric could be realized by extending the SDN controller to include optical layer handlers. Network virtualization could also benefit from the flexible optical PHY through dynamic and tailored optical network resource provision. In this thesis, we investigate an optical PHY system based on RSOA enabling both analog wireless signal and digital On-Off Keying (OOK) transportation within WDM (Wavelength Division Multiplexing) PON architecture. The RSOA has been characterized to show its potential ability to handle high dynamic range analog wireless signal. Then the RF and IF radio over fiber scheme is compared with its pros and cons. Finally we perform the experiment to shown a point to point WDM link with full duplex transmission of analog WiFi signal with downlink OOK signal. By introducing two RF mixer in the uplink, we have solved the incompatible problem with TDD (Time Division Duplex) based wireless system

Indoor wireless communications and applications

Chapter 3 addresses challenges in radio link and system design in indoor scenarios. Given the fact that most human activities take place in indoor environments, the need for supporting ubiquitous indoor data connectivity and location/tracking service becomes even more important than in the previous decades. Specific technical challenges addressed in this section are(i), modelling complex indoor radio channels for effective antenna deployment, (ii), potential of millimeter-wave (mm-wave) radios for supporting higher data rates, and (iii), feasible indoor localisation and tracking techniques, which are summarised in three dedicated sections of this chapter

M-QAM signal transmission at the photonically generated K-band over thermal-induced turbulent FSO links with different turbulence distributions

[EN] We present a theoretical and experimental study on the impact of different thermal-induced free-space turbulence distributions on the M-quadrature amplitude modulation (M-QAM) signal transmission in radio frequency K-band over hybrid optical links of standard single mode fiber (SSMF) and free-space optics (FSO). Frequency multiplication using an external intensity modulator biased at the null transmission point has been employed to photonically generate radio signals at a frequency of 25 GHz, included for the frequency bands for fifth-generation (5G) mobile networks. Moreover, extensive simulations have been performed for 10 Gb/s with 4-, 16-, and 64-QAM over 5 km of SSMF and 500 m long FSO channels under scenarios with different turbulence levels and distributions. Proof-of-concept experiments have been conducted for 20 MHz with 4- and 64-QAM over 5 km of SSMF and 2 m long FSO channels under turbulence conditions. Both theoretical and experimental systems have been analyzed in terms of error vector magnitude (EVM) performance showing feasible transmission over the hybrid links in the received optical power range. Non-uniform turbulence distributions are shown to have a different impact on M-QAM modulation formats, i.e., turbulence distributions with higher strength in the middle of the FSO link reveal a 1.9 dB penalty when using 64-QAM signals compared to a 1.3 dB penalty using 4-QAM signals, whereas higher penalties have been measured when 4-QAM format is transmitted over turbulence distributions with larger magnitude in the second half of the FSO link. The results have been validated by theoretical predictions and lead to practical consequences on future networks' deployment.Generalitat Valenciana (PROMETEO 2017/103); Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades (FOCAL RTI2018-101658-B-I00); Ministerstvo Prumyslu a Obchodu (FV30427) and within European Cooperation in Science andTechnology (CA16220).Vallejo-Castro, L.; Nguyen, D.; Bohata, J.; Ortega Tamarit, B.; Zvanovec, S. (2020). M-QAM signal transmission at the photonically generated K-band over thermal-induced turbulent FSO links with different turbulence distributions. Applied Optics. 59(16):4997-5005. https://doi.org/10.1364/AO.390103S499750055916Zhang, R., Lu, F., Xu, M., Liu, S., Peng, P.-C., Shen, S., … Chang, G.-K. (2018). An Ultra-Reliable MMW/FSO A-RoF System Based on Coordinated Mapping and Combining Technique for 5G and Beyond Mobile Fronthaul. Journal of Lightwave Technology, 36(20), 4952-4959. doi:10.1109/jlt.2018.2866767Lee, C. H. (Ed.). (2017). Microwave Photonics. doi:10.1201/b13886Checko, A., Christiansen, H. L., Yan, Y., Scolari, L., Kardaras, G., Berger, M. S., & Dittmann, L. (2015). Cloud RAN for Mobile Networks—A Technology Overview. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 17(1), 405-426. doi:10.1109/comst.2014.2355255Lim, C., Tian, Y., Ranaweera, C., Nirmalathas, T. A., Wong, E., & Lee, K.-L. (2019). Evolution of Radio-Over-Fiber Technology. Journal of Lightwave Technology, 37(6), 1647-1656. doi:10.1109/jlt.2018.2876722Doi, Y., Fukushima, S., Ohno, T., & Yoshino, K. (2001). Frequency stabilization of millimeter-wave subcarrier using laser heterodyne source and optical delay line. IEEE Photonics Technology Letters, 13(9), 1002-1004. doi:10.1109/68.942674Yao, J. (2009). Microwave Photonics. Journal of Lightwave Technology, 27(3), 314-335. doi:10.1109/jlt.2008.2009551Zhang, H., Cai, L., Xie, S., Zhang, K., Wu, X., & Dong, Z. (2017). A Novel Radio-Over-Fiber System Based on Carrier Suppressed Frequency Eightfold Millimeter Wave Generation. IEEE Photonics Journal, 9(5), 1-6. doi:10.1109/jphot.2017.2731620Khalighi, M. A., & Uysal, M. (2014). Survey on Free Space Optical Communication: A Communication Theory Perspective. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 16(4), 2231-2258. doi:10.1109/comst.2014.2329501Bloom, S., Korevaar, E., Schuster, J., & Willebrand, H. (2003). Understanding the performance of free-space optics [Invited]. Journal of Optical Networking, 2(6), 178. doi:10.1364/jon.2.000178Anderson, H. R. (2003). Fixed Broadband Wireless System Design. doi:10.1002/0470861290Ghassemlooy, Z., Popoola, W., & Rajbhandari, S. (2019). Optical Wireless Communications. doi:10.1201/9781315151724Borah, D. K., & Voelz, D. G. (2009). Pointing Error Effects on Free-Space Optical Communication Links in the Presence of Atmospheric Turbulence. Journal of Lightwave Technology, 27(18), 3965-3973. doi:10.1109/jlt.2009.2022771Esmail, M. A., Ragheb, A., Fathallah, H., & Alouini, M.-S. (2017). Investigation and Demonstration of High Speed Full-Optical Hybrid FSO/Fiber Communication System Under Light Sand Storm Condition. IEEE Photonics Journal, 9(1), 1-12. doi:10.1109/jphot.2016.2641741Libich, J., & Zvanovec, S. (2011). Influences of turbulences in near vicinity of buildings on free-space optical links. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 5(9), 1039. doi:10.1049/iet-map.2010.0630Niachou, K., Livada, I., & Santamouris, M. (2008). Experimental study of temperature and airflow distribution inside an urban street canyon during hot summer weather conditions. Part II: Airflow analysis. Building and Environment, 43(8), 1393-1403. doi:10.1016/j.buildenv.2007.01.040Nguyen, D.-N., Bohata, J., Spacil, J., Dousek, D., Komanec, M., Zvanovec, S., … Ortega, B. (2019). M-QAM transmission over hybrid microwave photonic links at the K-band. Optics Express, 27(23), 33745. doi:10.1364/oe.27.033745Nguyen, D.-N., Bohata, J., Komanec, M., Zvanovec, S., Ortega, B., & Ghassemlooy, Z. (2019). Seamless 25 GHz Transmission of LTE 4/16/64-QAM Signals Over Hybrid SMF/FSO and Wireless Link. Journal of Lightwave Technology, 37(24), 6040-6047. doi:10.1109/jlt.2019.2945588Vallejo, L., Komanec, M., Ortega, B., Bohata, J., Nguyen, D.-N., Zvanovec, S., & Almenar, V. (2020). Impact of Thermal-Induced Turbulent Distribution Along FSO Link on Transmission of Photonically Generated mmW Signals in the Frequency Range 26–40 GHz. IEEE Photonics Journal, 12(1), 1-9. doi:10.1109/jphot.2019.2959227Qi, G., Yao, J., Seregelyi, J., Paquet, S., Belisle, C., Zhang, X., … Kashyap, R. (2006). Phase-Noise Analysis of Optically Generated Millimeter-Wave Signals With External Optical Modulation Techniques. Journal of Lightwave Technology, 24(12), 4861-4875. doi:10.1109/jlt.2006.884990Ma, J., Yu, J., Yu, C., Xin, X., Zeng, J., & Chen, L. (2007). Fiber Dispersion Influence on Transmission of the Optical Millimeter-Waves Generated Using LN-MZM Intensity Modulation. Journal of Lightwave Technology, 25(11), 3244-3256. doi:10.1109/jlt.2007.907794Andrews, L. C., & Phillips, R. L. (2005). Laser Beam Propagation through Random Media. doi:10.1117/3.626196Chen, X., & Yao, J. (2015). A High Spectral Efficiency Coherent Microwave Photonic Link Employing Both Amplitude and Phase Modulation With Digital Phase Noise Cancellation. Journal of Lightwave Technology, 1-1. doi:10.1109/jlt.2015.241945