Radio-Communications Architectures

Wireless communications, i.e. radio-communications, are widely used for our different daily needs. Examples are numerous and standard names like BLUETOOTH, WiFI, WiMAX, UMTS, GSM and, more recently, LTE are well-known [Baudoin et al. 2007]. General applications in the RFID or UWB contexts are the subject of many papers. This chapter presents radio-frequency (RF) communication systems architecture for mobile, wireless local area networks (WLAN) and connectivity terminals. An important aspect of today's applications is the data rate increase, especially in connectivity standards like WiFI and WiMAX, because the user demands high Quality of Service (QoS). To increase the data rate we tend to use wideband or multi-standard architecture. The concept of software radio includes a self-reconfigurable radio link and is described here on its RF aspects. The term multi-radio is preferred. This chapter focuses on the transmitter, yet some considerations about the receiver are given. An important aspect of the architecture is that a transceiver is built with respect to the radio-communications signals. We classify them in section 2 by differentiating Continuous Wave (CW) and Impulse Radio (IR) systems. Section 3 is the technical background one has to consider for actual applications. Section 4 summarizes state-of-the-art high data rate architectures and the latest research in multi-radio systems. In section 5, IR architectures for Ultra Wide Band (UWB) systems complete this overview; we will also underline the coexistence and compatibility challenges between CW and IR systems

Characterization and design of coherent optical OFDM transmission systems based on Hartley Transform

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement.Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red.Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa

Compensation of fibre impairments in coherent optical systems

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

Optical Delay Interferometers and their Application for Self-coherent Detection

Self-coherent receivers are promising candidates for reception of 100 Gbit/s data rates in optical networks. Self-coherent receivers consist of multiple optical delay interferometers (DI) with high-speed photodiodes attached to the outputs. By DSP of the photo currents it becomes possible to receive coherently modulated optical signals. Especially promising for 100 Gbit/s networks is the PolMUX DQPSK format, the self-coherent reception of which is described in detail

Implementation and investigation of a real-time optical 16-QAM transmission system with FPGA-based coherent receiver

Diese Dissertation stellt die erste Echtzeitübertragung von 16-QAM mit FPGA-basierter DSPU vor. 2.5 Gb/s wurden dabei über 20 und 100 km übertragen und kohärent (heterodyn) in Echtzeit empfangen. Die Bitfehlerquote (BER) lag dabei unterhalb der Schwelle moderner Fehlervorwärtskorrekturverfahren mit 7% Overhead. Mit BPS (Blind Phase Search) und QPSK partitioning (QPSKP) wurden zwei unterschiedliche Techniken zur Phasenrückgewinnung implementiert und durch Echtzeitmessung verglichen. Der Einfluss der Auflösung der erforderlichen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) wurde ebenfalls untersucht, welche ebenfalls eine Herausforderung für kohärente Echtzeitübertragung darstellt. Der Einfluss von Phasenrauschen wird hier auch gezeigt, welches vorwiegend von den verwendeten Lasern, optischen Verstärkern und nichtlinearen Effekten in den optischen Fasern abhängt. Darüber hinaus wurden verschiedene Arbeitspunkte des 16-QAM-Modulators in Echtzeit getestet und die optimalen Bedingungen für eine minimale Bitfehlerquote gefunden.In this dissertation the first published real-time implementation of a 16-QAM transmission system with FPGA-based DSP is presented. 2.5 Gb/s coherent 16-QAM data has been optically transmitted over 20 and 100 km and synchronously received by heterodyning in a real-time I&Q receiver, with BER below the threshold of a state-of-the-art FEC (7% overhead). Two techniques of feed-forward carrier phase recovery (Blind Phase Search (BPS) and QPSK partitioning (QPSKP)) were tested in a real-time transmission experiment and compared with each other. The influence of the required resolution of the analog-to-digital converter (ADC) has been investigated, which is a challenge of real-time coherent transmission systems. The influence of phase noise in 16-QAM, which is mainly contributed from laser sources, optical amplifiers, and nonlinear effects in optical fibers is also shown. Moreover, different operation points of a 16-QAM modulator were tested in real-time and an optimal condition is found which minimizes the BER.Tag der Verteidigung: 10.09.2013Paderborn, Univ., Diss., 201

Power Consumption and Joint Signal Processing in Fiber-Optical Communication

The power consumption of coherent fiber-optical communication systems is becoming increasingly important, for both environmental and economic reasons. The data traffic on the Internet is increasing at a faster pace than that at which optical network equipment is becoming more energy efficient, which means that the overall power consumption of the Internet is increasing. In addition, wasted energy leads to higher costs for network operators, through increased electricity expenses but also because the heat generated in the equipment limits how closely it can be packed.This thesis includes both power consumption modelling and trade-off studies, as well as investigations of novel schemes for joint signal processing that may lead to an improved energy efficiency and increased performance in future systems. The power consumption modelling part includes a model of optical amplifier power consumption, which is connected to a performance model based on the Gaussian-noise model. Using these models, the trade-offs between amplifier power consumption and the choice of modulation format and forward-error-correction (FEC) scheme can be analyzed. Furthermore, the power consumption for a coherent link with minimal digital signal processing (DSP) is studied as well.In the second part we investigate joint signal processing for phase-coherent superchannel systems based on optical frequency combs or multicore fiber. We find that the phase-coherence of optical frequency comb lines enables joint carrier recovery, which can increase performance and reduce the power consumption of the digital signal processing. The possible power consumption savings are quantified for a blind phase search method for phase tracking. Finally, we quantify the performance of joint carrier recovery for wavelength division multiplexed multicore fiber transmission in presence of nonlinear interference and inter-core skew

Directly Phase Modulated Transmitters and Coherent Recivers for Future Passive Optical Networks (PON)

En los últimos años, el tráfico de dato transmitido en las redes ópticas de acceso ha crecido exponencialmente debido a nuevos servicios como pueden ser la computación en la nube, el video online, la realidad virtual y aumentada, el internet de las cosas (IoT) y la convergencia entre las redes ópticas y redes inalámbricas en el paradigma del 5G. Estos nuevos servicios endurecen los requerimientos de las redes ópticas de acceso, como pueden ser unas tasas de datos más altas, un mayor alcance y un mayor número de usuarios. Para abordar estos requerimientos, esta tesis ha investigado, desarrollado y analizado nuevas tecnologías para transmisores y receptores orientadas a los dos tipos de redes ópticas de acceso que la comunidad científica ha identificado como posibles candidatas. Estos dos tipos de redes ópticas son las redes uDWDM y las redes TWDM como las redes NG-PON2 y sus evoluciones.Las redes uDWDM están basadas en la transmisión de tasas de datos relativamente bajas, por debajo de 2.5 Gbps, que son dedicadas en su totalidad a los usuarios finales. Estas tasas de datos relativamente bajas son multiplexadas en longitud de onda usando intervalos frecuenciales estrechos, del orden de 12.5 GHz o 6.25 GHz. En esta tesis, los transmisores modulados directamente en fase se han propuesto como posibles candidatos para estas redes uDWDM. En concreto, se han propuesto un DFB modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; un RSOA bombeado por un VCSEL y modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; y un VCSEL modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1.25 Gbps y 2.5 Gbps. Estas señales moduladas directamente en fase son recibidas con un receptor heterodino con un único fotodiodo (PD) para mantener el coste tan bajo como sea posible. La combinación de estos transmisores modulados directamente en fase con el receptor heterodino con un único PD ha sido probada como unos candidatos muy prometedores para las redes ópticas de acceso basadas en redes uDWDM. Estas combinaciones proveen sensibilidades que varían entre -39.5 dBm y -52 dBm, que se traducen en balances de potencia que van desde 38.5 dB a 51 dB y por lo tanto en ratios de división o número de usuarios de entre 128 y 1024 después de una transmisión de 50 km a través de fibra monomodo estándar (SSMF).Además, los links de 1 Gbps formados por la modulación directa de DFBs o de RSOAs bombeados por VCSELs y el receptor heterodino con un único PD son usados como enlace de subida en canales bidireccionales. Estos enlaces de subida son combinados con enlaces de bajada basados en Nyquist-DPSK generada con un MZM y recibidos con un receptor heterodino de un único PD. Como parte de análisis de los canales bidireccionales, se ha analizado el estudio de la viabilidad del uso de LOs de bajo coste, como DFBs o VCSELs, en los receptores heterodinos con un único PD. Estos canales bidireccionales son también unos candidatos prometedores para las futuras redes uDWDM, ya que en esta tesis se ha probado que pueden proveer enlaces full-duplex de 1 Gbps usando intervalos frecuenciales tan pequeños como 6.25 GHz o 5 GHz. Estos canales bidireccionales tienen balances de potencia que van desde 37 dB a 42 dB y tienen posibles ratios de división de 128 o 256 después de una transmisión de 50 km a través de SSMF.Esta tesis también ha investigado y desarrollado receptores quasicoherentes para redes NG-PON2 y sus evoluciones. Este tipo de redes están basadas en altas tasas de datos, como 10 Gbps para redes NG-PON2 y 25 Gbps para las futuras evoluciones de NG-PON2, en entornos multi longitud de onda donde los usuarios son multiplexados en tiempo y longitud de onda (TWDM). El receptor quasicoherente usa la amplificación coherente gracias a la recepción heterodina y por tanto la sensibilidad del receptor es mejorada en comparación con los esquemas de detección directa. El receptor quasicoherente es independiente a la polarización, lo cual es una característica importante para los receptores coherentes. Además, el receptor quasicoherente permite seleccionar el canal de trabajo sin la necesidad de filtros ópticos y es un receptor independiente de la longitud de onda debido a que el canal de trabajo se puede elegir ajustando la longitud de onda del LO. El receptor quasicoherente de 10 Gbps muestra una sensibilidad -35.2 dBm y por tanto permite un balance de potencias de 35.64 dB y un ratio de división de 128 después de una transmisión de 40 km a través de SSMF.La combinación del receptor quasicoherente con un ecualizador FFE/DFE permite combatir la dispersión cromática de la banda C y conseguir un link de 25 Gbps con un alcance de 20 km a través de SSMF. El receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE muestra una mejor sensibilidad de -30.5 dBm con el llamado ecualizador de altas prestaciones, lo que lleva a un balance de potencias de25 dB. Si se utilizada el llamado ecualizador de baja complejidad, la sensibilidad cae a -27 dBm y el balance de potencias cae a 23 dBm. En ambos casos, el receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE permite un ratio de división de 32 después de una transmisión de 20 km a través de SSMF.En conclusión, esta tesis ha presentado transmisores (DFB, RSOA y VCSEL) modulados directamente en fase combinados con un receptor heterodino con un único PD como potenciales candidatos para las redes uDWDM. Esta tesis también ha presentados los receptores quasicoherentes como unos candidatos muy prometedores para las redes NG-PON2 y sus futuras evoluciones.<br /

Transmission optique longue distance avec le format MB-OFDM cohérent à 100 Gbps

Today the 100 Gbps coherent dual polarization quadrature phase shift keying (Co-DP-QPSK) is standardized as the industrial solution for long-haul WDM transmission. Another alternative format to DP-QPSK that permits also to reach a data rate of 100 Gbps and beyond is the coherent orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) format. However a doubt exists over the ability of OFDM to be as efficient as QPSK for long-haul WDM transmission due to its supposed higher sensitivity to nonlinear effects . In this thesis, we have investigated the potential of Co-DP-OFDM for 100 Gbps WDM transport. The digital signal processing algorithms are detailed as well as the various experimental set-ups required to carry out and validate the 100 Gbps transceiver. We also present the transmission results obtained with several configurations. In one of these configurations, the 100 Gbps Co-DP-OFDM channel is multiplexed with forty 100 Gbps DP-QPSK channels and all these channels are transmitted over 1000 km of DCF-free G.652 fiber, while in another configuration, the Co-DP-OFDM and Co-DP-QPSK channels are combined with seventy eight 10 Gbps NRZ-OOK channels and transmitted over 1000 km of dispersion managed G.652 fiber line. We have demonstrated that OFDM and QPSK have nearly the same performance after a transmission over 1000 km, and also we have demonstrated that the transmission of these two formats over legacy fiber infrastructure is possible under the condition of decreasing by 5 dB the 10 Gbps NRZ-OOK channel power with respect to the 100 Gbps channels. The results presented in this thesis are very valuable when considering the next generation of 400 Gbps or 1 Tbps for WDM systems.Aujourd'hui, le format « Quadrature Phase Shift Keying » avec multiplexage de polarisation (DP-QPSK) opérant à 100 Gbps est devenue un standard pour la transmission WDM longue distance. Une alternative au format DP-QPSK permettant d’atteindre des débits de 100 Gbps et plus (400 G & 1Tbps) est l’ « Orthogonal Frequency Division Multiplexing » (OFDM). Mais, des interrogations subsistent quant à sa robustesse aux effets non linéaires. Dans cette thèse nous avons étudié le potentiel de la technologie OFDM pour la transmission WDM longue distance à 100 Gbps. Le traitement du signal est détaillé ainsi que la mise en œuvre du transmetteur et récepteur OFDM cohérent. Nous présentons aussi les résultats expérimentaux de la transmission obtenus dans plusieurs configurations. Dans l’une de ces configurations, le canal modulé avec le format DP-OFDM coherent (Co-DP-OFDM) est multiplexé avec 40 canaux modulés en DP-QPSK à 100 Gbps. Les canaux ont ensuite été transmis sur 1000 km de fibre G.652 sans gestion de dispersion chromatique. Dans une autre configuration, les canaux Co-DP-OFDM et Co-DP-QPSK sont combinés avec 78 canaux 10 Gbps NRZ-OOK et transmis sur 1000 km de fibre G.652 avec gestion de dispersion. Nous avons montré que le Co-DP-OFDM et Co-DP-QPSK ont des performances similaires après une transmission de 1000 km sur une ligne sans gestion de dispersion, et nous avons aussi montré que la transmission de ces formats sur une infrastructure de fibre deployée est possible à condition de réduire de 5 dB la puissance des canaux 10 Gbps NRZ-OOK par rapport aux canaux à100 Gbps. Ces résultats sont précieux pour la prochaine génération de systèmes WDM à 400 Gbps ou 1 Tbps