5G: 2020 and Beyond

The future society would be ushered in a new communication era with the emergence of 5G. 5G would be significantly different, especially, in terms of architecture and operation in comparison with the previous communication generations (4G, 3G...). This book discusses the various aspects of the architecture, operation, possible challenges, and mechanisms to overcome them. Further, it supports users? interac- tion through communication devices relying on Human Bond Communication and COmmunication-NAvigation- SENsing- SErvices (CONASENSE).Topics broadly covered in this book are; • Wireless Innovative System for Dynamically Operating Mega Communications (WISDOM)• Millimeter Waves and Spectrum Management• Cyber Security• Device to Device Communicatio

5G: 2020 and Beyond

The future society would be ushered in a new communication era with the emergence of 5G. 5G would be significantly different, especially, in terms of architecture and operation in comparison with the previous communication generations (4G, 3G...). This book discusses the various aspects of the architecture, operation, possible challenges, and mechanisms to overcome them. Further, it supports users? interac- tion through communication devices relying on Human Bond Communication and COmmunication-NAvigation- SENsing- SErvices (CONASENSE).Topics broadly covered in this book are; • Wireless Innovative System for Dynamically Operating Mega Communications (WISDOM)• Millimeter Waves and Spectrum Management• Cyber Security• Device to Device Communicatio

Boom and bust in telecommunications

Telecommunication

Coherent terabit/s communications using chip-scale optical frequency comb sources

Der Visual Networking Index (VNI) der Firma Cisco weist für den weltweiten Internetverkehr eine durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26% aus und prognostiziert 2022 einen jährliche Datenverkehr von 4,8 Zettabyte [1]. Um diesem Anstieg des Netzwerkverkehrs zu begegnen, ist die kohärente Datenübertragung in Kombination mit sogenanntem Wellenlängenmultiplex (engl. wavelength-division multiplexing, WDM) in Langstrecken-Glasfasernetzwerken zum Standard geworden. Mit der verstärkten Nutzung von Cloud-basierten Diensten, dem wachsenden Trend, Inhalte in die Nähe der Endbenutzer zu bringen, und der steigenden Anzahl angeschlossener Geräte in sog. Internet-of-Things-(IoT-)Szenarien, wird der Datenverkehr auf allen Netzebenen voraussichtlich weiter drastisch ansteigen. Daher wird erwartet, dass die WDM-Übertragung mittelfristig auch kürzere Verbindungen verwendet werden wird, die in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden als Langstreckenverbindungen und bei denen die Größe und die Kosten der Transceiver-Baugruppen daher wesentlich wichtiger sind. In diesem Zusammenhang werden optische Frequenzkammgeneratoren als kompakte und robuste Mehrwellenlängen-Lichtquellen eine wichtige Rolle spielen. Sie können sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite einer kohärenten WDM-Verbindung eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger oder Lokaloszillator-Signale liefern. Ein besonders wichtiger Vorteil der Frequenzkämme ist die Tatsache, dass die Spektrallinien von Natur aus äquidistant sind und durch nur zwei Parameter − die Mittenfrequenz und den freien Spektralbereich − definiert werden. Dadurch kann eine auf eine individuelle Frequenzüberwachung der einzelnen Träger verzichtet werden, und etwaige spektrale Schutzbänder zwischen benachbarten Kanälen können stark reduziert werden oder komplett wegfallen. Darüber hinaus erleichtert die inhärente Phasenbeziehung zwischen den Trägern eines Frequenzkamms die gemeinsame digitale Signalverarbeitung der WDM-Kanäle, was die Empfängerkomplexität reduzieren und darüber hinaus auch die Kompensation nichtlinearer Kanalstörungen ermöglichen kann. Unter den verschiedenen Kammgeneratoren sind Bauteile im Chip-Format der Schlüssel für künftige WDM-Transceiver, die eine kompakte Bauform aufweisen und sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen lassen sollen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von neuartigen Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format im Hinblick auf deren Eignung für die massiv parallele WDM-Übertragung. Diese Bauteile lassen sich nicht nur als Mehrwellenlängen-Lichtquellen auf der Senderseite einsetzen, sondern bieten sich auch als Mehrwellenlängen-Lokaloszillatoren (LO) für den parallelen kohärenten Empfang mehrerer WDM-Kanäle an. Bei den untersuchten Bauteilen handelt es sich um gütegeschaltete Laserdioden (engl. Gain-Switched Laser Diodes), modengekoppelte Laserdioden auf Basis von Quantenstrich-Strukturen (Quantum-Dash Mode-Locked Laser Diodes, QD-MLLD) und sog. Kerr-Kamm-Generatoren, die optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung in Ringresonatoren hoher Güte ausnutzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Datenübertragungsexperimenten, die die Eignung der verschiedenen Kammquellen untersuchen und die in den internationalen Fachzeitschriften Nature und Optics Express veröffentlicht wurden [J1]-[J4]. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in das Thema der optischen Datenübertragung und der zugehörigen WDM-Verfahren. In diesem Zusammenhang werden die Vorteile optischer Frequenzkämme als Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung und den WDM-Empfang erläutert. Die einige Inhalte dieses Kapitels sind dem Buchkapitel [B1] entnommen, wobei Änderungen zur Anpassung an die Struktur und Notation der vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden. In Kapitel 2 wird eine grundlegende Einführung in optische Kommunikations-systeme mit Schwerpunkt auf Hochleistungsverbindungen gegeben, die auf WDM und kohärenten Übertragungsverfahren beruhen. Außerdem wird die integrierte Optik als wichtiges technologisches Element zum Bau kostengünstiger und kompakter WDM-Transceiver vorgestellt. Das Kapitel gibt ferner einen Überblick über verschiedene optische Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format, die sich als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für solche Transceiver anbieten, und es werden grundlegende Anforderungen an optische Frequenzkammgeneratoren formuliert, die für WDM-Anwendungen relevant sind. Das Kapitel endet mit einer vergleichenden Diskussion der verschiedenen Kammgeneratoren sowie einer Zusammenfassung ausgewählter WDM-Datenübertragungsexperimente, die mit diesen Kammgeneratoren demonstriert wurden. In Kapitel 3 wird die kohärente WDM-Sendetechnik und der kohärente WDM-Empfang mit einer gütegeschalteten Laserdiode (GSLD) diskutiert. Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Versuchsaufbau, in dem der empfängerseitige Kammgenerator aktiv mit dem senderseitigen Generator synchronisiert wurde. Das Experiment stellt die weltweit erste Demonstration einer kohärenten WDM-Übertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s dar, bei dem synchronisierte Frequenzkämme als Mehrwellenlängen-Lichtquelle am Sender und als Mehrwellenlängen-LO am Empfänger verwendet werden. Kapitel 4 untersucht das Potenzial von QD-MLLD als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung. Diese Kammgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Größe und des einfachen Betriebs besonders attraktiv. Die erzeugten Kammlinien weisen jedoch ein hohes Phasenrauschen auf, das die Modulationsformate in früheren Übertragungsexperimenten auf 16QAM begrenzte. In diesem Kapitel wird gezeigt, dass QD-MLLD die WDM-Übertragung mit Modulationsformaten jenseits von 16QAM unterstützen kann, wenn eine optische Rückkopplung durch einen externen Resonator zur Reduzierung des Phasenrauschens der Kammlinien verwendet wird. In den Experimenten wird eine Reduzierung der intrinsischen Linienbreite um etwa zwei Größenordnungen demonstriert, was eine 32QAM-WDM-Übertragung ermöglicht. Die Demonstration der Datenübertragung mit einer Rate von 12 Tbit/s über eine 75 km lange Faser mit einer spektralen Netto-Effizienz von 7,5 Bit/s/Hz stellt dabei die höchste für diese Bauteile gezeigte spektrale Effizienz dar. Gegenstand von Kapitel 5 ist die WDM-Übertragung und der kohärente Empfang mit QD-MLLD vor. Die Vorteile der Skalierbarkeit von QD-MLLD für massiv parallele WDM-Verbindungen werden also nicht nur am Sender, wie in Kapitel 4 beschrieben, sondern auch am Empfänger ausgenutzt. So konnte ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 4,1 Tbit/s über eine Distanz von 75 km übertragen werden, indem ein Paar von QD-MLLD mit ähnlichen freien Spektralbereichen verwendet wurde – ein Bauteil zur Erzeugung der optischen Träger am WDM-Sender und ein weiteres Bauteil zur Bereitstellung der erforderlichen LO-Töne für den kohärenten WDM-Empfang. Kapitel 6 beschreibt WDM-Datenübertragungsexperimente mit Hilfe von Kerr-Kamm-Generatoren. Dazu werden sog. dissipative Kerr-Solitonen (engl. dissipative Kerr solitons, DKS) in integriert-optischen Mikroresonatoren genutzt, die wegen zur Erzeugung einer streng periodischen Folge ultra-kurzer optischer Impulsen im Zeitbereich und damit zu einem breitbandigen, für WDM-Systeme sehr gut geeigneten Frequenzkamm führen. Mit diesen DKS-Kämmen wird ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 55,0 Tbit/s über eine 75 km lange Faser übertragen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies die höchste Datenrate, welche mit einer chip-basierten Frequenzkammquelle erreicht wurde. Das Ergebnis zeigt das Potenzial der Kammquellen für WDM-Übertragung. Darüber hinaus wird der kohärente Empfang von 93 WDM-Kanälen mit einer Datenrate von 37,2 Tbit/s unter Verwendung eines DKS-Kamms als Multiwellenlängen-LO demonstriert; die Übertragung erfolgt über eine 75 km lange Faser. Diese Arbeiten wurde in der international renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature publiziert. Kapitel 7 fasst die Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Anwendung der diskutierten Kammgeneratoren in zukünftigen WDM-Systemen

Beyond Power over Ethernet : the development of Digital Energy Networks for buildings

Alternating current power distribution using analogue control and safety devices has been the dominant process of power distribution within our buildings since the electricity industry began in the late 19th century. However, with advances in digital technology, the seeds of change have been growing over the last decade. Now, with the simultaneous dramatic fall in power requirements of digital devices and corresponding rise in capability of Power over Ethernet, an entire desktop environment can be powered by a single direct current (dc) Ethernet cable. Going beyond this, it will soon be possible to power entire office buildings using dc networks. This means the logic of “one-size fits all” from the existing ac system is no longer relevant and instead there is an opportunity to redesign the power topology to be appropriate for different applications, devices and end-users throughout the building. This paper proposes a 3-tier classification system for the topology of direct current microgrids in commercial buildings – called a Digital Energy Network or DEN. The first tier is power distribution at a full building level (otherwise known as the microgrid); the second tier is power distribution at a room level (the nanogrid); and the third tier is power distribution at a desktop or appliance level (the picogrid). An important aspect of this classification system is how the design focus changes for each grid. For example; a key driver of the picogrid is the usability of the network – high data rates, and low power requirements; however, in the microgrid, the main driver is high power and efficiency at low cost

Convergence of millimeter-wave and photonic interconnect systems for very-high-throughput digital communication applications

In the past, radio-frequency signals were commonly used for low-speed wireless electronic systems, and optical signals were used for multi-gigabit wired communication systems. However, as the emergence of new millimeter-wave technology introduces multi-gigabit transmission over a wireless radio-frequency channel, the borderline between radio-frequency and optical systems becomes blurred. As a result, there come ample opportunities to design and develop next-generation broadband systems to combine the advantages of these two technologies to overcome inherent limitations of various broadband end-to-end interconnect systems in signal generation, recovery, synchronization, and so on. For the transmission distances of a few centimeters to thousands of kilometers, the convergence of radio-frequency electronics and optics to build radio-over-fiber systems ushers in a new era of research for the upcoming very-high-throughput broadband services. Radio-over-fiber systems are believed to be the most promising solution to the backhaul transmission of the millimeter-wave wireless access networks, especially for the license-free, very-high-throughput 60-GHz band. Adopting radio-over-fiber systems in access or in-building networks can greatly extend the 60-GHz signal reach by using ultra-low loss optical fibers. However, such high frequency is difficult to generate in a straightforward way. In this dissertation, the novel techniques of homodyne and heterodyne optical-carrier suppressions for radio-over-fiber systems are investigated and various system architectures are designed to overcome these limitations of 60-GHz wireless access networks, bringing the popularization of multi-gigabit wireless networks to become closer to the reality. In addition to the advantages for the access networks, extremely high spectral efficiency, which is the most important parameter for long-haul networks, can be achieved by radio-over-fiber signal generation. As a result, the transmission performance of spectrally efficient radio-over-fiber signaling, including orthogonal frequency division multiplexing and orthogonal wavelength division multiplexing, is broadly and deeply investigated. On the other hand, radio-over-fiber is also used for the frequency synchronization that can resolve the performance limitation of wireless interconnect systems. A novel wireless interconnects assisted by radio-over-fiber subsystems is proposed in this dissertation. In conclusion, multiple advantageous facets of radio-over-fiber systems can be found in various levels of end-to-end interconnect systems. The rapid development of radio-over-fiber systems will quickly change the conventional appearance of modern communications.PhDCommittee Chair: Gee-Kung Chang; Committee Member: Bernard Kippelen; Committee Member: Shyh-Chiang Shen; Committee Member: Thomas K. Gaylord; Committee Member: Umakishore Ramachandra

ACUTA eNews June 1995, Vol. 24, No. 6

In This Issue Board report President\u27s message Charles Co. Community College\u27s telecommuting project Brock\u27s campus ID card From ACUTA Headquarter