Full-duplex transmission of multi-Gb/s subcarrier multiplexing and 5G NR signals in 39 GHz band over fiber and space

[EN] We propose a stable full-duplex transmission of millimeter-wave signals over a hybrid single-mode fiber (SMF) and free-space optics (FSO) link for the fifth-generation (5G) radio access networks to accelerate the Industry 4.0 transformation. For the downlink (DL), we transmit 39 GHz subcarrier multiplexing (SCM) signals using variable quadrature amplitude modulation (QAM) allocations for multi-user services. As a proof of operation, we experimentally demonstrate the transmission of 3 Gb/s SCM signals (1 Gb/s per user) over a hybrid system consisting of a 10 km SMF and 1.2 m FSO link. For the uplink (UL), satisfactory performance for the transmission of 2.4 Gb/s 5G new radio (NR) signal at 37 GHz over the hybrid system is experimentally confirmed for the first time, to the best of our knowledge. The measured error vector magnitudes for both DL and UL signals using 4/16/64-QAM formats are well below the third generation partnership project (3GPP) requirements. We also further evaluate by simulation the full-duplex transmission over the system in terms of received optical and RF powers and bit error rate performance. A wireless radio distance of approximately 200 m, which is sufficient for 5G small-cell networks, is estimated for both DL and UL direction under the heavy rain condition, based on the available data from Spain. Furthermore, simulation for the DL direction is conducted to verify the superior performance of the system using variable QAM allocation over uniform QAM allocation. Using a variable modulation allocation, up to five users (2 Gb/s per user) can be transmitted over a hybrid 10 km SMF and 150 m FSO link.Ceske Vysoke Uceni Technicke v Praze (SGS20/166/OHK3/3T/13); European Cooperation in Science and Technology (CA19111 NEWFOCUS).Nguyen, D.; Vallejo-Castro, L.; Almenar Terre, V.; Ortega Tamarit, B.; Dat, PT.; Le, ST.; Bohata, J.... (2022). Full-duplex transmission of multi-Gb/s subcarrier multiplexing and 5G NR signals in 39 GHz band over fiber and space. Applied Optics. 61(5):1183-1193. https://doi.org/10.1364/AO.4475291183119361

Hardware Impairments Aware Transceiver Design for Bidirectional Full-Duplex MIMO OFDM Systems

In this paper we address the linear precoding and decoding design problem for a bidirectional orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM) communication system, between two multiple-input multiple-output (MIMO) full-duplex (FD) nodes. The effects of hardware distortion as well as the channel state information error are taken into account. In the first step, we transform the available time-domain characterization of the hardware distortions for FD MIMO transceivers to the frequency domain, via a linear Fourier transformation. As a result, the explicit impact of hardware inaccuracies on the residual selfinterference (RSI) and inter-carrier leakage (ICL) is formulated in relation to the intended transmit/received signals. Afterwards, linear precoding and decoding designs are proposed to enhance the system performance following the minimum-mean-squarederror (MMSE) and sum rate maximization strategies, assuming the availability of perfect or erroneous CSI. The proposed designs are based on the application of alternating optimization over the system parameters, leading to a necessary convergence. Numerical results indicate that the application of a distortionaware design is essential for a system with a high hardware distortion, or for a system with a low thermal noise variance.Comment: Submitted to IEEE for publicatio

Integration of unidirectional technologies into wireless back-haul architecture

This thesis was submitted for the degree of Docter of Philosophy and awarded by Brunel University.Back-haul infrastructures of today's wireless operators must support the triple-play services demanded by the market or regulatory bodies. To cope with increasing capacity demand, the EU FP7 project CARMEN has developed a cost-effective heterogeneous multi-radio wireless back-haul architecture, which may also leverage the native multicast capabilities of broadcast technologies such as DVB-T to off-load high-bandwidth broadcast content delivery. However, the integration of such unidirectional technologies into a packet-switched architecture requires careful considerations. The contribution of this thesis is the investigation, design and evaluation of protocols and mechanisms facilitating the integration of such unidirectional technologies into the wireless back-haul architecture so that they can be configured and utilized by the spectrum and capacity optimization modules. This integration mainly concerns the control plane and, in particular, the aspects related to resource and capability descriptions, neighborhood, link and Multi Protocol Label Switching (MPLS) Label-Switched Path (LSP) monitoring, unicast and multicast LSP signalling as well as topology forming and maintenance. During the course of this study we have analyzed the problem space, proposed solutions to the resulting research questions and evaluated our approach. Our results show that the now Unidirectional Technology (UDT)-aware architecture can readily consider Unidirectional Technologies (UDTs) to distribute, for example, broadcast content

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

TEMPORAL CONNECTIVITY AS A MEASURE OF ROBUSTNESS IN NONORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS WIRELESS NETWORKS

Supplementary Material has been provided, but is not yet published.Nonorthogonal multiple access (NOMA) is recognized as an important technology to meet the performance requirements of fifth generation (5G) and beyond 5G (B5G) wireless networks. Through the technique of overloading, NOMA has the potential to support higher connection densities, increased spectral efficiency, and lower latency than orthogonal multiple access. The role of NOMA in 5G/B5G wireless networks necessitates a clear understanding of how overloading variability affects network robustness. This dissertation considers the relationship between variable overloading and network robustness through the lens of temporal network theory, where robustness is measured through the evolution of temporal connectivity between network devices (ND). We develop a NOMA temporal graph model and stochastic temporal component framework to characterize time-varying network connectivity as a function of NOMA overloading. The analysis is extended to derive stochastic expressions and probability mass functions for unidirectional connectivity, bidirectional connectivity, the inter-event time between unidirectional connectivity, and the minimum time required for bidirectional connectivity between all NDs. We test the accuracy of our analytical results through numerical simulations. Our results provide an overloading-based characterization of time-varying network robustness that is generalizable to any underlying NOMA implementation.National Security Agency, Fort George G. Meade, MD 20775Major, United States Marine CorpsApproved for public release. Distribution is unlimited