White Paper for Research Beyond 5G

The documents considers both research in the scope of evolutions of the 5G systems (for the period around 2025) and some alternative/longer term views (with later outcomes, or leading to substantial different design choices). This document reflects on four main system areas: fundamental theory and technology, radio and spectrum management; system design; and alternative concepts. The result of this exercise can be broken in two different strands: one focused in the evolution of technologies that are already ongoing development for 5G systems, but that will remain research areas in the future (with “more challenging” requirements and specifications); the other, highlighting technologies that are not really considered for deployment today, or that will be essential for addressing problems that are currently non-existing, but will become apparent when 5G systems begin their widespread deployment

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 /

DSP-enabled Reconfigurable Optical Network Devices and Architectures for Cloud Access Networks

To meet the ever-increasing bandwidth requirements, the rapid growth in highly dynamic traffic patterns, and the increasing complexity in network operation, whilst providing high power consumption efficiency and cost-effectiveness, the approach of combining traditional optical access networks, metropolitan area networks and 4-th generation (4G)/5-th generation (5G) mobile front-haul/back-haul networks into unified cloud access networks (CANs) is one of the most preferred “future-proof” technical strategies. The aim of this dissertation research is to extensively explore, both numerically and experimentally, the technical feasibility of utilising digital signal processing (DSP) to achieve key fundamental elements of CANs from device level to network architecture level including: i) software reconfigurable optical transceivers, ii) DSP-enabled reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADMs), iii) network operation characteristics-transparent digital filter multiple access (DFMA) techniques, and iv) DFMA-based passive optical network (PON) with DSP-enabled software reconfigurability. As reconfigurable optical transceivers constitute fundamental building blocks of the CAN’s physical layer, digital orthogonal filtering-based novel software reconfigurable transceivers are proposed and experimentally and numerically explored, for the first time. By making use of Hilbert-pair-based 32-tap digital orthogonal filters implemented in field programmable gate arrays (FPGAs), a 2GS/s@8-bit digital-to-analogue converter (DAC)/analogue-to-digital converter (ADC), and an electro-absorption modulated laser (EML) intensity modulator (IM), world-first reconfigurable real-time transceivers are successfully experimentally demonstrated in a 25km IMDD SSMF system. The transceiver dynamically multiplexes two orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) channels with a total capacity of 3.44Gb/s. Experimental results also indicate that the transceiver performance is fully transparent to various subcarrier modulation formats of up to 64-QAM, and that the maximum achievable transceiver performance is mainly limited by the cross-talk effect between two spectrally-overlapped orthogonal channels, which can, however, be minimised by adaptive modulation of the OFDM signals. For further transceiver optimisations, the impacts of major transceiver design parameters including digital filter tap number and subcarrier modulation format on the transmission performance are also numerically explored. II Reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADMs) are also vital networking devices for application in CANs as they play a critical role in offering fast and flexible network reconfiguration. A new optical-electrical-optical (O-E-O) conversion-free, software-switched flexible ROADM is extensively explored, which is capable of providing dynamic add/drop operations at wavelength, sub-wavelength and orthogonal sub-band levels in software defined networks incorporating the reconfigurable transceivers. Firstly, the basic add and drop operations of the proposed ROADMs are theoretically explored and the ROADM designs are optimised. To crucially validate the practical feasibility of the ROADMs, ROADMs are experimentally demonstrated, for the first time. Experimental results show that the add and drop operation performances are independent of the sub-band signal spectral location and add/drop power penalties are <2dB. In addition, the ROADMs are also robust against a differential optical power dynamic range of >2dB and a drop RF signal power range of 7.1dB. In addition to exploring key optical networking devices for CANs, the first ever DFMA PON experimental demonstrations are also conducted, by using two real-time, reconfigurable, OOFDM-modulated optical network units (ONUs) operating on spectrally overlapped multi-Gb/s orthogonal channels, and an offline optical line terminal (OLT). For multipoint-to-point upstream signal transmission over 26km SSMF in an IMDD DFMA PON, experiments show that each ONU achieves a similar upstream BER performance, excellent robustness to inter-ONU sample timing offset (STO) and a large ONU launch power variation range. Given the importance of IMDD DFMA-PON channel frequency response roll-off, both theoretical and experimental explorations are undertaken to investigate the impact of channel frequency response roll-off on the upstream transmission of the DFMA PON system Such work provides valuable insights into channel roll-off-induced performance dependencies to facilitate cost-effective practical network/transceiver/component designs