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

Modelling, Dimensioning and Optimization of 5G Communication Networks, Resources and Services

This reprint aims to collect state-of-the-art research contributions that address challenges in the emerging 5G networks design, dimensioning and optimization. Designing, dimensioning and optimization of communication networks resources and services have been an inseparable part of telecom network development. The latter must convey a large volume of traffic, providing service to traffic streams with highly differentiated requirements in terms of bit-rate and service time, required quality of service and quality of experience parameters. Such a communication infrastructure presents many important challenges, such as the study of necessary multi-layer cooperation, new protocols, performance evaluation of different network parts, low layer network design, network management and security issues, and new technologies in general, which will be discussed in this book

Advances in Computer Recognition, Image Processing and Communications, Selected Papers from CORES 2021 and IP&C 2021

As almost all human activities have been moved online due to the pandemic, novel robust and efficient approaches and further research have been in higher demand in the field of computer science and telecommunication. Therefore, this (reprint) book contains 13 high-quality papers presenting advancements in theoretical and practical aspects of computer recognition, pattern recognition, image processing and machine learning (shallow and deep), including, in particular, novel implementations of these techniques in the areas of modern telecommunications and cybersecurity

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

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

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