47 research outputs found

    Analysis of a framework implementation of the transceiver performances for integrating optical technologies and wireless LAN based on OFDM-RoF

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    The greatest advantages of optical fibers are the possibility of extending data rate transmission and propagation distances. Being a multi-carrier technique, the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) can be applicable in hybrid optical-wireless systems design owing to its best spectral efficiency for the interferences of radio frequency (RF) and minor multi-path distortion. An optical OFDM-RoF-based wireless local area network (W-LAN) system has been studied and evaluated in this work. The outline for integrating an optical technology and wireless in a single system was provided with the existence of OFDM-RoF technology and the microstrip patch antenna; these were applied in the Optisystem communication tool. The design of the proposed OFDM-RoF system is aimed at supporting mm-wave services and multi-standard operations. The proposed system can operate on different RF bands using different modulation schemes like 4,16 and 64QAM, that may be associated to OFDM and multidata rates up to 5 Gbps. The results demonstrate the robustness of the integrated optical wireless link in propagating OFDM-RoF-based WLAN signals across optical fibers

    Analog radio over fiber solutions for multi-band 5g systems

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    This study presents radio over fiber (RoF) solutions for the fifth-generation (5G) of wireless networks. After the state of the art and a technical background review, four main contributions are reported. The first one is proposing and investigating a RoF technique based on a dual-drive Mach-Zehnder modulator (DD-MZM) for multi-band mobile fronthauls, in which two radiofrequency (RF) signals in the predicted 5G bands individually feed an arm of the optical modulator. Experimental results demonstrate the approach enhances the RF interference mitigation and can prevail over traditional methods. The second contribution comprises the integration of a 5G transceiver, previously developed by our group, in a passive optical network (PON) using RoF technology and wavelength division multiplexing (WDM) overlay. The proposed architecture innovates by employing DD-MZM and enables to simultaneously transport baseband and 5G candidate RF signals in the same PON infrastructure. The proof-of-concept includes the transmission of a generalized frequency division multiplexing (GFDM) signal generated by the 5G transceiver in the 700 MHz band, a 26 GHz digitally modulated signal as a millimeter-waves 5G band, and a baseband signal from an gigabit PON (GPON). Experimental results demonstrate the 5G transceiver digital performance when using RoF technology for distributing the GFDM signal, as well as Gbit/s throughput at 26 GHz. The third contribution is the implementation of a flexible-waveform and multi-application fiber-wireless (FiWi) system toward 5G. Such system includes the FiWi transmission of the GFDM and filtered orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM) signals at 788 MHz, toward long-range cells for remote or rural mobile access, as well as the recently launched 5G NR standard in microwave and mm-waves, aiming enhanced mobile broadband indoor and outdoor applications. Digital signal processing (DSP) is used for selecting the waveform and linearizing the RoF link. Experimental results demonstrate the suitability of the proposed solution to address 5G scenarios and requirements, besides the applicability of using existent fiber-to-the-home (FTTH) networks from Internet service providers for implementing 5G systems. Finally, the fourth contribution is the implementation of a multi-band 5G NR system with photonic-assisted RF amplification (PAA). The approach takes advantage of a novel PAA technique, based on RoF technology and four-wave mixing effect, that allows straightforward integration to the transport networks. Experimental results demonstrate iv uniform and stable 15 dB wideband gain for Long Term Evolution (LTE) and three 5G signals, distributed in the frequency range from 780 MHz to 26 GHz and coexisting in the mobile fronthaul. The obtained digital performance has efficiently met the Third-Generation Partnership Project (3GPP) requirements, demonstrating the applicability of the proposed approach for using fiber-optic links to distribute and jointly amplify LTE and 5G signals in the optical domain.Agência 1Este trabalho apresenta soluções de rádio sobre fibra (RoF) para aplicações em redes sem fio de quinta geração (5G), e inclui quatro contribuições principais. A primeira delas refere-se à proposta e investigação de uma técnica de RoF baseada no modulador eletroóptico de braço duplo, dual-drive Mach-Zehnder (DD-MZM), para a transmissão simultânea de sinais de radiofrequência (RF) em bandas previstas para redes 5G. Resultados experimentais demonstram que o uso do DD-MZM favorece a ausência de interferência entre os sinais de RF transmitidos. A segunda contribuição trata da integração de um transceptor de RF, desenvolvido para aplicações 5G e apto a prover a forma de onda conhecida como generalized frequency division multiplexing (GFDM), em uma rede óptica passiva (PON) ao utilizar RoF e multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). A arquitetura proposta permite transportar, na mesma infraestrutura de rede, sinais em banda base e de radiofrequência nas faixas do espectro candidatas para 5G. A prova de conceito inclui a distribuição conjunta de três tipos de sinais: um sinal GFDM na banda de 700 MHz, proveniente do transceptor desenvolvido; um sinal digital na frequência de 26 GHz, assumindo a faixa de ondas milimétricas; sinais em banda base provenientes de uma PON dedicada ao serviço de Internet. Resultados experimentais demonstram o desempenho do transceptor de RF ao utilizar a referida arquitetura para distribuir sinais GFDM, além de taxas de transmissão de dados da ordem de Gbit/s na faixa de 26 GHz. A terceira contribuição corresponde à implementação de um sistema fibra/rádio potencial para redes 5G, operando inclusive com o padrão ―5G New Radio (5G NR)‖ nas faixas de micro-ondas e ondas milimétricas. Tal sistema é capaz de prover macro células na banda de 700 MHz para aplicações de longo alcance e/ou rurais, utilizando sinais GFDM ou filtered orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM), assim como femto células na banda de 26 GHz, destinada a altas taxas de transmissão de dados para comunicações de curto alcance. Resultados experimentais demonstram a aplicabilidade da solução proposta para redes 5G, além da viabilidade de utilizar redes ópticas pertencentes a provedores de Internet para favorecer sistemas de nova geração. Por fim, a quarta contribuição trata da implementação de um sistema 5G NR multibanda, assistido por amplificação de RF no domínio óptico. Esse sistema faz uso de um novo método de amplificação, baseado no efeito não linear da mistura de quatro ondas, que vi permite integração direta em redes de transporte envolvendo rádio sobre fibra. Resultados experimentais demonstram ganho de RF igual a 15 dB em uma ampla faixa de frequências (700 MHz até 26 GHz), atendendo simultaneamente tecnologias de quarta e quinta geração. O desempenho digital obtido atendeu aos requisitos estabelecidos pela 3GPP (Third-Generation Partnership Project), indicando a aplicabilidade da solução em questão para distribuir e conjuntamente amplificar sinais de RF em enlaces de fibra óptica

    28 GHz 5G Radio over Fiber using UF-OFDM with Optical Heterodyning

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    A 5G millimeter-wave radio over fibre optical fronthaul system based on optical heterodyning, utilising an externally injected gain switched distributed feedback laser, is successfully demonstrated. Five bands of UF-OFDM are transmitted over 25 km of fibre and a 28 GHz Vivaldi Antenna wireless link. Transmission performance below the 7% FEC limit is achieved with an aggregate total data rate of 4.56 Gb/s

    Analog Radio-over-Fiber for 5G/6G Millimeter-Wave Communications

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    A survey of 5G technologies: regulatory, standardization and industrial perspectives

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    In recent years, there have been significant developments in the research on 5th Generation (5G) networks. Several enabling technologies are being explored for the 5G mobile system era. The aim is to evolve a cellular network that is intrinsically flexible and remarkably pushes forward the limits of legacy mobile systems across all dimensions of performance metrics. All the stakeholders, such as regulatory bodies, standardization authorities, industrial fora, mobile operators and vendors, must work in unison to bring 5G to fruition. In this paper, we aggregate the 5G-related information coming from the various stakeholders, in order to i) have a comprehensive overview of 5G and ii) to provide a survey of the envisioned 5G technologies; their development thus far from the perspective of those stakeholders will open up new frontiers of services and applications for next-generation wireless networks. Keywords: 5G, ITU, Next-generation wireless network

    Millimetre-Wave Fibre-Wireless Technologies for 5G Mobile Fronthaul

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    The unprecedented growth in mobile data traffic, driven primarily by bandwidth rich applications and high definition video is accelerating the development of fifth generation (5G) mobile network. As mobile access network evolves towards centralisation, mobile fronthaul (MFH) architecture becomes essential in providing high capacity, ubiquitous and yet affordable services to subscribers. In order to meet the demand for high data rates in the access, Millimetre-wave (mmWave) has been highlighted as an essential technology in the development of 5G-new radio (5G-NR). In the present MFH architecture which is typically based on common public radio interface (CPRI) protocol, baseband signals are digitised before fibre transmission, featuring high overhead data and stringent synchronisation requirements. A direct application of mmWave 5G-NR to CPRI digital MFH, where signal bandwidth is expected to be up to 1GHz will be challenging, due to the increased complexity of the digitising interface and huge overhead data that will be required for such bandwidth. Alternatively, radio over fibre (RoF) technique can be employed in the transportation of mmWave wireless signals via the MFH link, thereby avoiding the expensive digitisation interface and excessive overhead associated with its implementation. Additionally, mmWave carrier can be realised with the aid of photonic components employed in the RoF link, further reducing the system complexity. However, noise and nonlinearities inherent to analog transmission presents implementation challenges, limiting the system dynamic range. Therefore, it is important to investigate the effects of these impairments in RoF based MFH architecture. This thesis presents extensive research on the impact of noise and nonlinearities on 5G candidate waveforms, in mmWave 5G fibre wireless MFH. Besides orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), another radio access technology (RAT) that has received significant attention is filter bank multicarrier (FBMC), particularly due to its high spectral containment and excellent performance in asynchronous transmission. Hence, FBMC waveform is adopted in this work to study the impact of noise and nonlinearities on the mmWave fibre-wireless MFH architecture. Since OFDM is widely deployed and it has been adopted for 5G-NR, the performance of OFDM and FBMC based 5G mmWave RAT in fibre wireless MFH architecture is compared for several implementations and transmission scenarios. To this extent, an end to end transmission testbed is designed and implemented using industry standard VPI Transmission Maker® to investigate five mmWave upconversion techniques. Simulation results show that the impact of noise is higher in FBMC when the signal to-noise (SNR) is low, however, FBMC exhibits better performance compared to OFDM as the SNR improved. More importantly, an evaluation of the contribution of each noise component to the overall system SNR is carried out. It is observed in the investigation that noise contribution from the optical carriers employed in the heterodyne upconversion of intermediate frequency (IF) signals to mmWave frequency dominate the system noise. An adaptive modulation technique is employed to optimise the system throughput based on the received SNR. The throughput of FBMC based system reduced significantly compared to OFDM, due to laser phase noise and chromatic dispersion (CD). Additionally, it is shown that by employing frequency domain averaging technique to enhance the channel estimation (CE), the throughput of FBMC is significantly increased and consequently, a comparable performance is obtained for both waveforms. Furthermore, several coexistence scenarios for multi service transmission are studied, considering OFDM and FBMC based RATs to evaluate the impact inter band interference (IBI), due to power amplifier (PA) nonlinearity on the system performance. The low out of band (OOB) emission in FBMC plays an important role in minimising IBI to adjacent services. Therefore, FBMC requires less guardband in coexistence with multiple services in 5G fibre-wireless MFH. Conversely, OFDM introduced significant OOB to adjacent services requiring large guardband in multi-service coexistence transmission scenario. Finally, a novel transmission scheme is proposed and investigated to simultaneously generate multiple mmWave signals using laser heterodyning mmWave upconversion technique. With appropriate IF and optical frequency plan, several mmWave signals can be realised. Simulation results demonstrate successful simultaneous realisation of 28GHz, 38GHz, and 60GHz mmWave signals

    Bidirectional single sideband transmission of Millimeter Waves over Fiber for 5G Mobile Networks

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    Una arquitectura de red para el transporte de ondas milimétricas (MMW) basada en las técnicas de Radio sobre Fibra (RoF) para el transporte de señales en el segmento de fronthaul de los futuros sistemas 5G se propone, se demuestra experimentalmente y se simula en este artículo. La propuesta aprovecha los beneficios de una doble modulación en banda lateral única para generar una subportadora óptica para la transmisión en el enlace descendente y una segunda subportadora para el transporte de los servicios en el enlace ascendente, así como la centralización de las fuentes ópticas. La evaluación de la arquitectura propuesta se basa en el análisis del rendimiento de la Tasa de Error de Bit (BER) y la Magnitud de Vector de Error (EVM) tanto en el enlace descendente como en el enlace ascendente. Del mismo modo, se realizó un modelo de simulación de la propuesta para evaluar la calidad de las señales en MMW a diferentes frecuencias del espectro disponible de MMW. Los resultados muestran una penalización en potencia de 2 dB para un BER de 1x10-12y un EVM inferior al 12% en un margen de potencia de 6 dB, demostrando la factibilidad del sistema propuesto.This study proposes, experimentally demonstrates, and simulates a network architecture for the transport of millimeter waves (MMW) based on Radio over Fiber (RoF) techniques for the transport of signals in the fronthaul segment of the next 5G generation mobile systems. Such approach exploits the benefits of bidirectional single-sideband modulation in order to generate an optical subcarrier for the downlink transmission and a second subcarrier for the transport of the uplink services, as well as the centralization of optical sources. The proposed architecture is evaluated based on the analyses of the Bit Error Rate (BER) performance and Error Vector Magnitude (EVM) in both downlink and uplink. Likewise, simulation modeling of the approach was conducted in order to evaluate the quality of the MMW signals at different frequencies available in the MMW spectrum. The results show a power penalty lower than 2 dB for a 1x1-12 BER and an EVM below 12% within a power margin of 6 dB, which demonstrates the feasibility of the approach

    Millimeter Wave Hybrid Beamforming Systems

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    Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks

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    [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

    Hybrid optical fiber-wireless communication to support tactile internet

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    5G technologies are systems that will set to change the way people, devices and machines connect. This generation of mobile services provide connection in just one click. The advanced 5G infrastructure, defined as “ubiquitous ultra-broadband network supporting future Internet”, represents a revolution in the telecommunications field. It will enable new secure and reliable services to everyone and everything with ultra-low latency. “Full Immersive Experience”, enriched by “Context Information” and “Anything as a Service” are the main drivers for a substantial adoption of the fifth generation networks [1]. The technical challenges that must be taken into account in the design of the 5G system are many and unprecedented. Therefore,5G is expected to be about 10 times faster than LTE-4G, in addition, it is projected that this network will have100-1000 times higher system capacity, user data rates in the order of Gbps everywhere, 10-100 higher number of connected devices per area, latency in the order of 1 millisecond, and 10 times longer battery life for devices. Due to all these technological changes, for years, researchers, suppliers and manufacturers around the world have studied this new network. In order to transform the user's wireless experience and be able to offer fast generalized connectivity anytime, anywhere, to any device.[2]. All this requires an enabler in the new approach of radio access networks, which could be hybrid optical Fiber-Wireless communications. “Photonics technology has been recognized by the European Union as a Key Enabling Technology (KET), which is a technology that enables a market, many times larger than the market of technology itself”. Photonic techniques have become key enablers to unlock future broadband wireless communications with terabit data rates in order to support the current trends of mobile data traffic[3]. The aim of this thesis is to conceive experimentally and validate 1 millisecond latency hybrid optical Fiber-Wireless access links support for tactile Internet taking into account the system requirements. For this purpose, first a review about the implementation of high-speed data links at 75-110 GHz band with low latency was made. Likewise, this work summarizes the components of hybrid optical Fiber-Wireless communication in W- Band. Second, measurements of the delay contribution from individual elements in the W -Band hybrid system were made. In addition, the main contribution was to develop a procedure for measuring latency physically using software defined radio (SDR) and estimating the overall system latency. In this procedure, potential sources of delay can be identified in current high-data-rate hybrid optical-RF communication systems. After knowing how to measure latency in a hybrid optical Fiber-Wireless system, the following objectives were developed: to test an appropriate multiplexing scheme such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), and Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM), to achieve the lowest latency with improved performance; and to implement WDM (Wavelength Division Multiplexing) to achieve the required low latency.Resumen: Las tecnologías 5G son sistemas de generación de servicios móviles configurados para cambiar la forma en que las personas, los dispositivos y las máquinas se conectan. La infraestructura 5G está definida como una red ubicua de banda ultra-ancha que soportará Internet en el futuro, dicha red representa una revolución en el campo de las telecomunicaciones. Permitirá eficientemente nuevos servicios ultra-confiables, rápidos y seguros, preservando la privacidad y acelerando los servicios críticos para todos y para cada cosa. Estas redes son la evolución del Internet de las cosas, en donde cada una de ellas es tratada como un objeto cognitivo formando sistemas cibernéticos (CPS). La "experiencia de inmersión total", enriquecida con "información de contexto" y "todo como un servicio" son los principales impulsores para una adopción masiva de los nuevos componentes de ésta tecnología y su aceptación del mercado [1]. Se espera que 5G sea aproximadamente 10 veces más rápido que 4G LTE. Por lo tanto, los desafíos técnicos que deben abordarse en el diseño del sistema 5G son muchos y sin precedentes. Actualmente hay varias actividades en todo el mundo para capturar las aplicaciones y los requisitos para 5G, algunas empresas proveedoras de servicio y fabricantes incluso ya han realizado pruebas para la implementación de dichas redes. Algunos de los principales requisitos que demandan estas redes se pueden resumir en: 100-1000 veces más capacidad del sistema, tasas de datos de usuario en el orden de Gbps en todas partes, latencia en el orden de 1 milisegundo, 10-100 veces mayor número de dispositivos conectados por área, 10 veces más duración de la batería para dispositivos. Estos requisitos transformarán dramáticamente la experiencia inalámbrica de un usuario en un sistema 5G al ofrecer conectividad generalizada rápida en cualquier momento, en cualquier lugar, a cualquier dispositivo [2]. Todo esto requiere un habilitador en el nuevo enfoque de las redes de acceso por radio, que podrían ser comunicaciones híbridas de fibra óptica y transmisiones inalámbricas vía radio. La fotónica por su parte ha sido reconocida por la Unión Europea como una Tecnología Clave Habilitadora (KET), una tecnología que permite un mercado que es muchas veces más grande que el mercado de la tecnología en sí. Las técnicas fotónicas combinadas con la generación de microondas en lo que se conoce en su término en inglés como microwave-photonics se han convertido en habilitadores clave para desbloquear futuras comunicaciones inalámbricas de banda ancha con tasas de datos de terabit a fin de soportar las tendencias actuales del tráfico de datos móviles [3]. El objetivo de esta tesis es concebir experimentalmente y validar enlaces de acceso híbridos de fibra óptica-radio, cuya latencia sea de 1 milisegundo con el fin de soportar Internet táctil, el cual es una aplicación de 5G, teniendo en cuenta los requisitos del sistema. Para ello, primero se realizó una investigación sobre la implementación de enlaces de datos con redes híbridas fibra óptica-radio en la banda de 75-110 GHz con baja latencia. Con esto, se analizaron los componentes de la comunicación híbrida fibra ópticaradio en la banda W. En segundo lugar, se realizaron mediciones de los retardos que se generan en cada uno de los elementos en el sistema híbrido de banda W, haciendo la estimación de la latencia general del sistema e identificando fuentes potenciales de demora en los sistemas híbridos de comunicación óptica-RF de alta velocidad de datos. La principal contribución de este trabajo fue el desarrollo de un procedimiento para medir la latencia utilizando radio definida por software (SDR), además de introducir estos sistemas en los enlaces híbridos fibra óptica-radio. Una vez conocido como medir la latencia en un sistema híbrido de fibra óptica-radio, los siguientes objetivos que se desarrollaron fueron: probar un esquema de multiplexación apropiado, como la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) y la multiplexación por división de frecuencia generalizada (GFDM), para lograr una latencia más baja. A su vez, implementar Multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para conocer la latencia y la confiabilidad en cuanto a tasa de error de bits variando la multiplexacion eléctrica y óptica.Doctorad
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