Overlaying 5G radio access networks on wavelength division multiplexed optical access networks with carrier distribution

As 5G communication matures, the requirement for advanced radio access networks (RAN) drives the evolution of optical access networks to support these needs. Basic RAN functions, mobile front-haul to the backbone and interconnected front-end remote radio units, must support and enable data rate surges, low-latency applications, RF coordination, etc. Wavelength division multiplexed optical access networks (WDM-OANs) provide sufficient network capacity to support the addition of RAN services, especially in unused portions of WDM. We propose and demonstrate a method for RAN overlay in WDM-OANs that employ distributed carriers. In such systems, the carrier is modulated at the central office for direct-detected downstream digital data services; later the same carrier is remodulated for the uplink. We propose the use of silicon photonics to intercept the downstream and add 5G signals. We examine the distributed-carrier power budget issues in this overlay scenario. The carrier power must be harvested for direct detection of both digital and RoF services, and yet hold in reserve sufficient power for the uplink remodulation of all services. We concentrate on the silicon photonics subsystem at the remote node to add RoF signals. We demonstrate the overlay with a fabricated chip and study strategic allocations of carrier power at the optical network units housing the radio units to support the overlay. After the successful drop and reception of both conventional WDM-OAN and the newly overlaid RoF signals, we demonstrate sufficient carrier power margin for the upstream remodulation

Converged Analog Fiber-Wireless Point-to-Multipoint Architecture for eCPRI 5G Fronthaul Networks

5G New Radio's (NR) spectrum expansion towards higher bands, although critical towards achieving the envisioned 5G capacity requirements, creates the need for installing a very large number of Access Points (APs), which asserts tremendous capital burden on the Mobile Network Operators. Current centralization solutions such as the Cloud Radio Access Network (C-RAN) alleviate partially the costs of densification by moving the majority of radio processing functionalities from the Remote Radio Heads (RRHs) to the central Base Band Unit (BBU), but still require very high-speed Point-to-Point links between the BBU and each RRH mainly due to the digitized Common Public Radio Interface (CPRI) that is excessively inefficient for hauling broadband signals. In this article, we present a novel architecture that employs an analog converged Fiber-Wireless scheme in order to create a very spectrally efficient Point-to-Multipoint network capable of interconnecting a large number of APs, while allowing compatibility with mature Ethernet-based low-cost equipment. Preliminary simulation results show very low end-to-end Ethernet packet delay, well below eCPRI's 100 μs mark, even for fiber lengths up to 10 km, indicating the suitability of our solution for employment in 5G NR large-scale fronthaul networks.© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works

Efficient Management of Flexible Functional Splits in 5G Second Phase Networks

The fifth mobile network generation (5G), which offers better data speeds, reduced latency, and a huge number of network connections, promises to improve the performance of the cellular network in practically every way available. A portion of the network operations are deployed in a centralized unit in the 5G radio access network (RAN) partially centralized design. By centralizing these functions, operational expenses are decreased and coordinating strategies are made possible. To link centralized units (CU) and distributed units (DU), and the DU to remote radio units (RRU), both the midhaul and fronthaul networks must have higher capacity. The necessary fronthaul capacity is also influenced by the fluctuating instantaneous user traffic. Consequently, the 5G RAN must be able to dynamically change its centralization level to the user traffic to maximize its performance. To try to relieve this fronthaul capacity it has been considered a more flexible distribution between the base band unit (BBU) (or CU and DU if enhanced common public radio interface (eCPRI) is considered) and the RRU. It may be challenging to provide high-speed data services in crowded areas, particularly when there is imperfect coverage or significant interference. Because of this, the macrocell deployment is insufficient. This problem for outdoor users could be resolved by the introduction of low-power nodes with a limited coverage area. In this context, this MSc dissertation explores, in an urban micro cell scenario model A (UMi_A) for three frequency bands (2.6 GHz, 3.5 GHz, and 5.62 GHz), the highest data rate achievable when a numerology zero is used. For this, it was necessary the implementation of the UMi_A in the 5G-air-simulator. Allowing the determination of the saturation level using the results for the packet loss ratio (PLR=2%). By assuming Open RAN (O-RAN) and functional splitting, the performance of two schedulers in terms of quality-of-service (QoS) were also studied. The QoS-aware modified largest weighted delay first (M-LWDF) scheduler and the QoS-unaware proportional fair (PF) scheduler. PLR was evaluated for both schedulers, whilst analyzing the impact of break point distance while changing the frequency band. The costs, revenues, profit in percentage terms, and other metrics were also estimated for the PF and M-LWDF schedulers when used video (VID) and video plus best effort (VID+BE), with or without consideration of the functional splits 7.2 and 6, for the three frequency bands. One concluded that the profit in percentage terms with functional split option 7.2 applied is always slightly higher than with functional split option 6. It reaches a maximum profit of 366.92% in the case of the M-LWDF scheduler, and 305.51% in the case of the PF scheduler, at a cell radius of 0.4 km for the 2.6 GHz frequency band, considering a price of the traffic of 0.0002 €/min.A quinta geração de redes móveis (5G), oferece ritmos de transmissão melhorados, atraso extremo-a-extremo reduzido, e um vasto número de ligações de rede. A 5G promete melhorar o desempenho das redes celulares em praticamente todos os aspectos relevantes. Uma parte da operação da rede é colocada numa unidade centralizada na rede de acesso de rádio (RAN) 5G com dimensionamento parcialmente centralizado. Ao centralizar estas funções, os custos operacionais decrescem, viabilizando-se as estratégias de coordenação. Para ligar as unidades centralizadas e unidades distribuídas, e por sua vez, unidades distribuidas e unidades de rádio remotas, ambos os midhaul e fronthaul devem ter uma capacidade mais elevada. A capacidade da fronthaul necessária é também influenciada pela flutuação do tráfego instantâneo dos utilizadores. Consequentemente, a RAN 5G deve ser capaz de alterar dinamicamente o seu nível de centralização para o tráfego de utilizadores, com objetivo de maximizar o seu desempenho. Para tentar aliviar o aumento da capacidade suportada pelo fronthaul, tem sido considerada uma distribuição mais flexível entre a unidade de banda base, BBU (ou unidade central e unidade distribuída se a interface de rádio pública comum melhorada, eCPRI, for considerada), e a unidade de rádio remota, RRU. Em áreas densamente povoadas, pode ser um desafio fornecer serviços de dados de elevada velocidade, particularmente quando existe uma cobertura deficiente ou interferência significativa. Por este motivo, o desenvolvimento de macrocélulas pode ser insuficiente, mas este problema para utilizadores em ambiente de exterior pode ser mitigado com a introdução de nós de potência reduzida com uma área de cobertura limitada. Neste contexto, esta dissertação de mestrado explora, num cenário urbano de microcélulas caracterizado pelo modelo A (UMi_A) para três bandas de frequência (2.6 GHz, 3.5 GHz, e 5.62 GHz), o débito binário máximo que se pode alcançar quando se utiliza numerologia zero. Para tal, foi necessária a implementação do UMi_A no 5G - air - simulator. Determinou-se o nivel de saturação, considerandose os resultados para a taxa de perda de pacotes (PLR=2%). Estudou-se o desempenho de dois escalonadores de pacotes em termos de qualidade de serviço (QoS), assumindo-se o OpenRAN (O-RAN) e as divisões funcionais (functionalsplitting). Um dos escalonadores é ciente da QoS, e é de atraso máximo-superior ponderado primeiro (M-LWDF), enquanto que o outro não é ciente da QoS, e é de justiça proporcional (PF). Avaliou-se o PLR para ambos os escalonadores de pacotes, estudando-se o impacto da distância de ponto de quebra (breakpointdistance), variando-se a banda de frequências. Foram também estimados os custos, proveitos, o lucro (em percentagem), e outras metricas, para os escalonadores PF e M-LWDF, considerando o vídeo (VID) e vídeo mais besteffort (VID+BE) como aplicações, com ou sem a consideração das divisões funcionais 7.2 e 6, para as três bandas de frequência. Concluiu-se que o lucro em termos percentuais, com a escolha da opção de divisão funcional 7.2, é sempre ligeiramente mais elevado do que com a opção de divisão funcional 6. Atingese um lucro máximo de 366,92% no caso do escalonador M-LWDF, e de 305,51% no caso do escalonador PF, para um raio de célula de 0,4 km, para a banda de frequência de 2,6 GHz, considerando-se um preço do tráfego de 0,0002 €/min

Optimization of 5G Second Phase Heterogeneous Radio Access Networks with Small Cells

Due to the exponential increase in high data-demanding applications and their services per coverage area, it is becoming challenging for the existing cellular network to handle the massive sum of users with their demands. It is conceded to network operators that the current wireless network may not be capable to shelter future traffic demands. To overcome the challenges the operators are taking interest in efficiently deploying the heterogeneous network. Currently, 5G is in the commercialization phase. Network evolution with addition of small cells will develop the existing wireless network with its enriched capabilities and innovative features. Presently, the 5G global standardization has introduced the 5G New Radio (NR) under the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). It can support a wide range of frequency bands (<6 GHz to 100 GHz). For different trends and verticals, 5G NR encounters, functional splitting and its cost evaluation are well-thought-out. The aspects of network slicing to the assessment of the business opportunities and allied standardization endeavours are illustrated. The study explores the carrier aggregation (Pico cellular) technique for 4G to bring high spectral efficiency with the support of small cell massification while benefiting from statistical multiplexing gain. One has been able to obtain values for the goodput considering CA in LTE-Sim (4G), of 40 Mbps for a cell radius of 500 m and of 29 Mbps for a cell radius of 50 m, which is 3 times higher than without CA scenario (2.6 GHz plus 3.5 GHz frequency bands). Heterogeneous networks have been under investigation for many years. Heterogeneous network can improve users service quality and resource utilization compared to homogeneous networks. Quality of service can be enhanced by putting the small cells (Femtocells or Picocells) inside the Microcells or Macrocells coverage area. Deploying indoor Femtocells for 5G inside the Macro cellular network can reduce the network cost. Some service providers have started their solutions for indoor users but there are still many challenges to be addressed. The 5G air-simulator is updated to deploy indoor Femto-cell with proposed assumptions with uniform distribution. For all the possible combinations of apartments side length and transmitter power, the maximum number of supported numbers surpassed the number of users by more than two times compared to papers mentioned in the literature. Within outdoor environments, this study also proposed small cells optimization by putting the Pico cells within a Macro cell to obtain low latency and high data rate with the statistical multiplexing gain of the associated users. Results are presented 5G NR functional split six and split seven, for three frequency bands (2.6 GHz, 3.5GHz and 5.62 GHz). Based on the analysis for shorter radius values, the best is to select the 2.6 GHz to achieve lower PLR and to support a higher number of users, with better goodput, and higher profit (for cell radius u to 400 m). In 4G, with CA, from the analysis of the economic trade-off with Picocell, the Enhanced multi-band scheduler EMBS provide higher revenue, compared to those without CA. It is clearly shown that the profit of CA is more than 4 times than in the without CA scenario. This means that the slight increase in the cost of CA gives back more than 4-time profit relatively to the ”without” CA scenario.Devido ao aumento exponencial de aplicações/serviços de elevado débito por unidade de área, torna-se bastante exigente, para a rede celular existente, lidar com a enormes quantidades de utilizadores e seus requisitos. É reconhecido que as redes móveis e sem fios atuais podem não conseguir suportar a procura de tráfego junto dos operadores. Para responder a estes desafios, os operadores estão-se a interessar pelo desenvolvimento de redes heterogéneas eficientes. Atualmente, a 5G está na fase de comercialização. A evolução destas redes concretizar-se-á com a introdução de pequenas células com aptidões melhoradas e características inovadoras. No presente, os organismos de normalização da 5G globais introduziram os Novos Rádios (NR) 5G no contexto do 3rd Generation Partnership Project (3GPP). A 5G pode suportar uma gama alargada de bandas de frequência (<6 a 100 GHz). Abordam-se as divisões funcionais e avaliam-se os seus custos para as diferentes tendências e verticais dos NR 5G. Ilustram-se desde os aspetos de particionamento funcional da rede à avaliação das oportunidades de negócio, aliadas aos esforços de normalização. Exploram-se as técnicas de agregação de espetro (do inglês, CA) para pico células, em 4G, a disponibilização de eficiência espetral, com o suporte da massificação de pequenas células, e o ganho de multiplexagem estatística associado. Obtiveram-se valores do débito binário útil, considerando CA no LTE-Sim (4G), de 40 e 29 Mb/s para células de raios 500 e 50 m, respetivamente, três vezes superiores em relação ao caso sem CA (bandas de 2.6 mais 3.5 GHz). Nas redes heterogéneas, alvo de investigação há vários anos, a qualidade de serviço e a utilização de recursos podem ser melhoradas colocando pequenas células (femto- ou pico-células) dentro da área de cobertura de micro- ou macro-células). O desenvolvimento de pequenas células 5G dentro da rede com macro-células pode reduzir os custos da rede. Alguns prestadores de serviços iniciaram as suas soluções para ambientes de interior, mas ainda existem muitos desafios a ser ultrapassados. Atualizou-se o 5G air simulator para representar a implantação de femto-células de interior com os pressupostos propostos e distribuição espacial uniforme. Para todas as combinações possíveis do comprimento lado do apartamento, o número máximo de utilizadores suportado ultrapassou o número de utilizadores suportado (na literatura) em mais de duas vezes. Em ambientes de exterior, propuseram-se pico-células no interior de macro-células, de forma a obter atraso extremo-a-extremo reduzido e taxa de transmissão dados elevada, resultante do ganho de multiplexagem estatística associado. Apresentam-se resultados para as divisões funcionais seis e sete dos NR 5G, para 2.6 GHz, 3.5GHz e 5.62 GHz. Para raios das células curtos, a melhor solução será selecionar a banda dos 2.6 GHz para alcançar PLR (do inglês, PLR) reduzido e suportar um maior número de utilizadores, com débito binário útil e lucro mais elevados (para raios das células até 400 m). Em 4G, com CA, da análise do equilíbrio custos-proveitos com pico-células, o escalonamento multi-banda EMBS (do inglês, Enhanced Multi-band Scheduler) disponibiliza proveitos superiores em comparação com o caso sem CA. Mostra-se claramente que lucro com CA é mais de quatro vezes superior do que no cenário sem CA, o que significa que um aumento ligeiro no custo com CA resulta num aumento de 4-vezes no lucro relativamente ao cenário sem CA