Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described.[ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC).[CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es presePiqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264TESI

Heterogeneous Wireless Networks: Traffic Offloading, Resource Allocation and Coverage Analysis

Unlike 2G systems where the radius of macro base station (MBS) could reach several kilometers, the cell radius of LTE-Advanced and next generation wireless networks (NGWNs) such as 5G networks would be random and up to a few hundred meters in order to overcome the radio signal propagation impairments. Heterogeneous wireless networks (HetNets) are becoming an integral part of the NGWNs especially 5G networks, where small cell base stations (SBSs), wireless-fidelity (WiFi) access points (APs), cellular BSs and device-to-device (D2D) enabled links coexist together. HetNets represent novel approaches for the mobile data offloading, resource allocation and coverage probability problems that help to optimize the network traffic. However, heterogeneity and interworking among different radio access technologies bring new challenges such as bandwidth resource allocation, user/cell association, traffic offloading based on the user activity and coverage probability in HetNets. This dissertation attempts to address three key research areas: traffic offloading, bandwidth resource allocation and coverage probability problems in HetNets. In the first part of this dissertation, we derive the mathematical framework to calculate the required active user population factor (AUPF) of small cells based on the probabilistic traffic models. The number of total mobile users and number of active mobile users have different probabilistic distributions such as different combinations of Binomial and Poisson distributions. Furthermore, AUPF is utilized to investigate the downlink BS and backhaul power consumption of HetNets. In the second part, we investigate two different traffic offloading (TO) schemes (a) Path loss (PL) and (b) Signal-to-Interference ratio (SIR) based strategies. In this context, a comparative study on two techniques to offload the traffic from macrocell to small cell is studied. Additionally, the AUPF, small cell access scheme and traffic type are included into a PL based TO strategy to minimize the congested macrocell traffic. In the third part, the joint user assignment and bandwidth resource allocation problem is formulated as a mixed integer non-linear programming (MINLP). Due to its intractability and computational complexity, the MINLP problem is transformed into a convex optimization problem via a binary variable relaxation approach. Based on the mathematical analysis of the problem, a heuristic algorithm for joint user assignment and bandwidth allocation is presented. The proposed solution achieves a near optimal user assignment and bandwidth allocation at reduced computational complexity. Lastly, we investigate the transition between traditional hexagonal BS deployment to random BS placement in HetNets. Independent Poisson Point Processes (PPPs) are used to model the random locations of BSs. Lloyds algorithm is investigated for analyzing the coverage probability in a network which functions as a bridge between random and structural BS deployments. The link distance distribution is obtained by using the Expectation-Maximization (EM) algorithm which is further utilized for calculating the coverage probability

Wavelength reconfigurability for next generation optical access networks

Next generation optical access networks should not only increase the capacity but also be able to redistribute the capacity on the fly in order to manage larger variations in traffic patterns. Wavelength reconfigurability is the instrument to enable such capability of network-wide bandwidth redistribution since it allows dynamic sharing of both wavelengths and timeslots in WDM-TDM optical access networks. However, reconfigurability typically requires tunable lasers and tunable filters at the user side, resulting in cost-prohibitive optical network units (ONU). In this dissertation, I propose a novel concept named cyclic-linked flexibility to address the cost-prohibitive problem. By using the cyclic-linked flexibility, the ONU needs to switch only within a subset of two pre-planned wavelengths, however, the cyclic-linked structure of wavelengths allows free bandwidth to be shifted to any wavelength by a rearrangement process. Rearrangement algorithm are developed to demonstrate that the cyclic-linked flexibility performs close to the fully flexible network in terms of blocking probability, packet delay, and packet loss. Furthermore, the evaluation shows that the rearrangement process has a minimum impact to in-service ONUs. To realize the cyclic-linked flexibility, a family of four physical architectures is proposed. PRO-Access architecture is suitable for new deployments and disruptive upgrades in which the network reach is not longer than 20 km. WCL-Access architecture is suitable for metro-access merger with the reach up to 100 km. PSB-Access architecture is suitable to implement directly on power-splitter-based PON deployments, which allows coexistence with current technologies. The cyclically-linked protection architecture can be used with current and future PON standards when network protection is required

Ultra Wideband

Ultra wideband (UWB) has advanced and merged as a technology, and many more people are aware of the potential for this exciting technology. The current UWB field is changing rapidly with new techniques and ideas where several issues are involved in developing the systems. Among UWB system design, the UWB RF transceiver and UWB antenna are the key components. Recently, a considerable amount of researches has been devoted to the development of the UWB RF transceiver and antenna for its enabling high data transmission rates and low power consumption. Our book attempts to present current and emerging trends in-research and development of UWB systems as well as future expectations