Exploração de transmissores integralmente digitais em cenários C-RAN

In order to accommodate the ever-growing demand for higher transmission rates, the next generation of mobile telecommunications (5G) will need larger bandwidths, as well as, new frequencies with available spectrum capable of accommodate such bandwidths. The rise in frequency is being pointed out as a solution for this problem, however, the low coverage areas presented by these frequency bands (mmWave) will require a new way of implementing base stations. Those, in their turn, will exist in higher numbers and closer together. It is where that the new radio access network architecture, C-RAN, may allow for the ful lment of these requirements, besides also allowing for the reduction in cost of each base station as well as providing an increase in its energy e ciency. This dissertation aims to create a point-to-point optical link based on All- Digital Transmitters (ADT) capable of being used for data transmission in the fronthaul. Taking advantage of recent developments in ADT, it is now possible to create one with large bandwidths. Besides, the eld programmable gate arrays (FPGAs) have been providing each time higher processing capacity using each time less energy, making the nal product cheaper and more e cient. Recurring to delta-sigma modulation ( M), a reduction in the complexity of the remote radio head (RRH) can be achieved. In this work the optical link that will be used to transport the data through the fronthaul will be based on an SFP. However, other techniques of radio over bre (RoF) can be used to enable, for example, optical upconversion. From the conclusion of this work, a point-to-point optical link based on an ADT was achieved with an Error Vector Magnitude (EVM) always lower than 5%. Also, from this work, two optical upconversions were developed with an output frequency range from 27 GHz up to 63 GHz.De modo a acompanhar a sempre crescente exigência de maiores taxas de transmissão, a próxima geração de telecomunicações móveis (5G) irá necessitar de maiores larguras de banda, bem como novas frequências de transmissão com espectro livre capaz de acomodar tais larguras de banda. A subida em frequência é apontada como uma solução para este problema, contudo as baixas áreas de cobertura apresentadas por estas bandas de frequência (mmWave) irão necessitar de uma nova forma de implementar estações base. Estas, por sua vez, terão de existir em maior número e mais próximas. É aqui que a nova arquitetura de redes de acesso radio, C-RAN, pode permitir cumprir com estes requisitos, além de poder baixar o custo de cada estação base e aumentar a sua eficiência energética. Esta dissertação tem como objetivo a criação de uma ligação ponto a ponto baseada em transmissores integralmente digitais (ADTs) capaz de ser usada para a transmissão de dados no fronthaul. Aproveitando os desenvolvimentos recentes nos ADT, a criação de um transmissor integralmente digital com largura de banda elevada é agora possível. Além disto, os agregados de células lógicas reprogramáveis (FPGAs) têm vindo a fornecer cada vez uma maior capacidade de processamento, usando menos energia, tornando o produto final, mais barato e mais eficiente. O recurso à modelação deltasigma ( M) no ADT poderá reduzir consideravelmente a complexidade da cabeça remota de rádio (RRH). Neste trabalho a ligaçãao ótica que irá ser usada para enviar os dados no fronthaul será baseada num SFP, mas outras técnicas de rádio sobre fibra (RoF) poderão ser também usadas de forma a possibilitar, por exemplo, upconversion ótico. Da conclusão deste trabalho resulta uma ligação ponto a ponto baseada num ADT com um Error Vector Magnitude (EVM) sempre abaixo dos 5%, bem como duas arquiteturas de upconversion ótico com uma gama possível para o sinal de saída que pode variar entre os 27 GHz e os 63 GHz. uma maior capacidade de processamento, usando menos energia, tornando o produto nal, mais barato e mais e ciente. O recurso a modelação deltasigma ( M) no ADT poder a reduzir consideravelmente a complexidade da cabeça remota de radio (RRH). Neste trabalho a ligação otica que ir a ser usada para enviar os dados no fronthaul ser a baseada num SFP, mas outras t ecnicas de r adio sobre bra (RoF) poderão ser também usadas de forma a possibilitar, por exemplo, upconversion otico. Da conclusão deste trabalho resulta uma ligação ponto a ponto baseada num ADT com um Error Vector Magnitude (EVM) sempre abaixo dos 5%, bem como duas arquiteturas de upconversion otico com uma gama possível para o sinal de saída que pode variar entre os 27 GHz e os 63 GHz.POCI-01-0247-FEDER- 024539; POCI-01-0145- FEDER-016432Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Assessment and Real Time Implementation of Wireless Communications Systems and Applications in Transportation Systems

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e das Comunicacións en Redes Móbiles. 5029V01[Resumo] Os sistemas de comunicación sen fíos de cuarta e quinta xeración (4G e 5G) utilizan unha capa física (PHY) baseada en modulacións multiportadora para a transmisión de datos cun gran ancho de banda. Este tipo de modulacións proporcionan unha alta eficiencia espectral á vez que permiten corrixir de forma sinxela os efectos da canle radio. Estes sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para a repartición dos recursos radio dispoñibles entre os diferentes usuarios. Este repartimento realízase asignando un subconxunto de subportadoras a cada usuario nun instante de tempo determinado. Isto aporta unha gran flexibilidade ó sistema que lle permite adaptarse tanto ós requisitos de calidade de servizo dos usuarios como ó estado da canle radio. A capa de acceso ó medio (MAC) destes sistemas encárgase de configurar os diversos parámetros proporcionados pola capa física OFDMA, ademais de xestionar os diversos fluxos de información de cada usuario, transformando os paquetes de capas superiores en paquetes da capa física. Neste traballo estúdase o deseño e implementación das capas MAC e PHY de sistemas de comunicación 4G ademais da súa aplicabilidade en sistemas de transporte ferroviarios. Por unha parte, abórdase o deseño e implementación en tempo real do estándar WiMAX. Estúdanse os mecanismos necesarios para establecer comunicacións bidireccionais entre unha estación base e múltiples dispositivos móbiles. Ademais, estúdase como realizar esta implementación nunha arquitectura hardware baseada en DSPs e FPGAs, na que se implementan as capas MAC e PHY. Dado que esta arquitectura ten uns recursos computacionais limitados, tamén se estudan as necesidades de cada módulo do sistema para poder garantir o funcionamento en tempo real do sistema completo. Por outra parte, tamén se estuda a aplicabilidade dos sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Os sistemas de comunicacións e sinalización son unha parte vital para os sistemas de transporte ferroviario e metro. As comunicacións sen fíos utilizadas por estes sistemas deben ser robustas e proporcionar unha alta fiabilidade para permitir a supervisión, control e seguridade do tráfico ferroviario. Para levar a cabo esta avaliación de viabilidade realízanse simulacións de redes de comunicacións LTE en contornos de transporte ferroviarios, comprobando o cumprimento dos requisitos de fiabilidade e seguridade. Realízanse diferentes simulacións do sistema de comunicacións para poder ser avaliadas e seleccionar a configuración e arquitectura do sistema máis axeitada en función do escenario considerado. Tamén se efectúan simulacións de redes baseadas en Wi-Fi, dado que é a solución máis utilizada nos metros, para confrontar os resultados cos obtidos para LTE. Para que os resultados das simulacións sexan realistas débense empregar modelos de propagación radio axeitados. Nas simulacións utilízanse tanto modelos deterministas como modelos baseados nos resultados de campañas de medida realizadas nestes escenarios. Nas simulacións empréganse os diferentes fluxos de información destes escenarios para comprobar que se cumpren os requisitos de calidade de servicio (QoS). Por exemplo, os fluxos críticos para o control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) ou Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan unha alta fiabilidade e un retardo mínimo nas comunicacións para garantir o correcto funcionamento do sistema.[Resumen] Los sistemas de comunicación inalámbricos de cuarta y quinta generación (4G y 5G) utilizan una capa física (PHY) basada en modulaciones multiportadora para la transmisión de datos con un gran ancho de banda. Este tipo de modulaciones han demostrado tener una alta eficiencia espectral a la vez que permiten corregir de forma sencilla los efectos del canal radio. Estos sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para el reparto de los recursos radio disponibles entre los diferentes usuarios. Este reparto se realiza asignando un subconjunto de subportadoras a cada usuario en un instante de tiempo determinado. Esto aporta una gran flexibilidad al sistema que le permite adaptarse tanto a los requisitos de calidad de servicio de los usuarios como al estado del canal radio. La capa de acceso al medio (MAC) de estos sistemas se encarga de configurar los diversos parámetros proporcionados por la capa física OFDMA, además de gestionar los diversos flujos de información de cada usuario, transformando los paquetes de capas superiores en paquetes de la capa física. En este trabajo se estudia el diseño e implementación de las capas MAC y PHY de sistemas de comunicación 4G además de su aplicabilidad en sistemas de transporte ferroviarios. Por una parte, se aborda el diseño e implementación en tiempo real del estándar WiMAX. Se estudian los mecanismos necesarios para establecer comunicaciones bidireccionales entre una estación base y múltiples dispositivos móviles. Además, se estudia cómo realizar esta implementación en una arquitectura hardware basada en DSPs y FPGAs, en la que se implementan las capas MAC y PHY. Dado que esta arquitectura tiene unos recursos computacionales limitados, también se estudian las necesidades de cada módulo del sistema para poder garantizar el funcionamiento en tiempo real del sistema completo. Por otra parte, también se estudia la aplicabilidad de los sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Los sistemas de comunicaciones y señalización son una parte vital para los sistemas de transporte ferroviario y metro. Las comunicaciones inalámbricas utilizadas por estos sistemas deben ser robustas y proporcionar una alta fiabilidad para permitir la supervisión, control y seguridad del tráfico ferroviario. Para llevar a cabo esta evaluación de viabilidad se realizan simulaciones de redes de comunicaciones LTE en entornos de transporte ferroviarios, comprobando si se cumplen los requisitos de fiabilidad y seguridad. Se realizan diferentes simulaciones del sistema de comunicaciones para poder ser evaluados y seleccionar la configuración y arquitectura del sistema más adecuada en función del escenario planteado. También se efectúan simulaciones de redes basadas en Wi-Fi, dado que es la solución más utilizada en los metros, para comparar los resultados con los obtenidos para LTE. Para que los resultados de las simulaciones sean realistas se deben utilizar modelos de propagación radio apropiados. En las simulaciones se utilizan tanto modelos deterministas como modelos basados en los resultados de campañas de medida realizadas en estos escenarios. En las simulaciones se utilizan los diferentes flujos de información de estos escenarios para comprobar que se cumplen sus requisitos de calidad de servicio. Por ejemplo, los flujos críticos para el control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) o Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan una alta fiabilidad y un retardo bajo en las comunicaciones para garantizar el correcto funcionamiento del sistema.[Abstract] The fourth and fifth generation wireless communication systems (4G and 5G) use a physical layer (PHY) based on multicarrier modulations for data transmission using high bandwidth. This type of modulations has shown to provide high spectral efficiency while allowing low complexity radio channel equalization. These systems use OFDMA as a mechanism for distributing the available radio resources among different users. This allocation is done by assigning a subset of subcarriers to each user in a given instant of time. This provides great flexibility to the system that allows it to adapt to both the quality of service requirements of users and the radio channel state. The media access layer (MAC) of these systems is in charge of configuring the multiple OFDMA PHY layer parameters, in addition to managing the data flows of each user, transforming the higher layer packets into PHY layer packets. This work studies the design and implementation of MAC and PHY layers of 4G communication systems as well as their applicability in rail transport systems. On the one hand, the design and implementation in real time of the WiMAX standard is addressed. The required mechanisms to establish bidirectional communications between a base station and several mobile devices are also evaluated. Moreover, a MAC layer and PHY layer implementation is presented, using a hardware architecture based in DSPs and FPGAs. Since this architecture has limited computational resources, the requirements of each processing block of the system are also studied in order to guarantee the real time operation of the complete system. On the other hand, the applicability of 4G systems to public transportation systems is also studied. Communications and signaling systems are a vital part of rail and metro transport systems. The wireless communications used by these systems must be robust and provide high reliability to enable the supervision, control and safety of rail traffic. To carry out this feasibility assessment, LTE communications network simulations are performed in rail transport environments to verify that reliability and safety requirements are met. Several simulations are carried out in order to evaluate the system performance and select the most appropriate system configuration in each case. Simulations of Wi-Fi based networks are also carried out, since it is the most used solution in subways, to compare the results with those obtained for LTE. To perform the simulations correctly, appropriate radio propagation models must be used. Both deterministic models and models based on the results of measurement campaigns in these scenarios are used in the simulations. The simulations use the different information flows present in the railway transportation systems to verify that its quality of service requirements are met. For example, critical flows for railway control, such as the European Train Control System (ETCS) or Communication-Based Train Control (CBTC), require high reliability and low delay communications to ensure the proper functioning of the system

Design and implementation of low complexity adaptive optical OFDM systems for software-defined transmission in elastic optical networks

Due to the increasing global IP traffic and the exponential growing demand for broadband services, optical networks are experimenting significant changes. Advanced modulation formats are being implemented at the Digital Signal Processing (DSP) level as key enablers for high data rate transmission. Whereas in the network layer, flexi Dense Wavelength-Division Multiplexing (DWDM) grids are being investigated in order to efficiently use the optical spectrum according to the traffic demand. Enabling these capabilities makes high data rate transmission more feasible. Hence, introducing flexibility in the system is one of the main goals of this thesis. Furthermore, minimizing the cost and enhancing the Spectral Efficiency (SE) of the system are two crucial issues to consider in the transceiver design. This dissertation investigates the use of Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (O-OFDM) based either on the Fast Fourier Transform (FFT) or the Fast Hartley Transform (FHT) and flexi-grid technology to allow high data rate transmission over the fiber. Different cost-effective solutions for Elastic Optical Networks (EON) are provided. On the one hand, Direct Detection (DD) systems are investigated and proposed to cope with present and future traffic demand. After an introduction to the principles of OFDM and its application in optical systems, the main problems of such modulation is introduced. In particular, Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is presented as a limitation in OFDM systems, as well as clipping and quantization noise. Hence, PAPR reduction techniques are proposed to mitigate these impairments. Additionally, Low Complexity (LC) PAPR reduction techniques based on the FHT have also been presented with a simplified DSP. On the other hand, loading schemes have also been introduced in the analyzed system to combat Chromatic Dispersion (CD) when transmitting over the optical link. Moreover, thanks to Bit Loading (BL) and Power Loading (PL), flexible and software-defined transceivers can be implemented maximizing the spectral efficiency by adapting the data rate to the current demand and the actual network conditions. Specifically, OFDM symbols are created by mapping the different subcarriers with different modulation formats according to the channel profile. Experimental validation of the proposed flexible transceivers is also provided in this dissertation. The benefits of including loading capabilities in the design, such as enabling high data rate and software-defined transmission, are highlighted.Degut al creixement del tràfic IP i de la demanda de serveis de banda ampla, les xarxes òptiques estan experimentant canvis significatius. Els formats avançats de modulació, implementats a nivell de processat del senyal digital, habiliten la transmissió a alta velocitat. Mentre que a la capa de xarxa, l'espectre òptic es dividit en ranures flexibles ocupant l'ample de banda necessari segons la demanda de tràfic. La transmissió a alta velocitat és fa més tangible un cop habilitades totes aquestes funcionalitats. D'aquesta manera un dels principals objectius d'aquesta tesis es introduir flexibilitat al sistema. A demés, minimitzar el cost i maximitzar l'eficiència espectral del sistema són també dos aspectes crucials a considerar en el disseny del transmissor i receptor. Aquesta tesis investiga l'ús de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) i la de Hartley (FHT) per tal de dissenyar un sistema flexible i capaç de transmetre a alta velocitat a través de la fibra òptica. Per tant, es proposen diferent solucions de baix cost vàlides per a utilitzar en xarxes òptiques elàstiques. En primer lloc, s'investiguen i es proposen sistemes basats en detecció directa per tal de suportar la present i futura demanda. Després d'una introducció dels principis d' OFDM i la seva aplicació als sistemes òptics, s'introdueixen alguns dels problemes d'aquesta modulació. En particular, es presenten el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) i els sorolls de clipping i de quantizació com a limitació dels sistemes OFDM. S'analitzen tècniques de reducció de PAPR per tal de reduir l'impacte d'aquests impediments. També es proposen tècniques de baixa complexitat per a reduir el PAPR basades en la FHT. Finalment, s'utilitzen algoritmes d'assignació de bits i de potència, Bit Loading (BL) i Power Loading (PL), per tal de combatre la dispersió cromàtica quan es transmet pel canal òptic. Amb la implementació dels algoritmes de BL i PL, es poden dissenyar transmissors i receptors flexibles adaptant la velocitat a la demanda del moment i a les actuals condicions de la xarxa. En particular, els símbols OFDM es creen mapejant cada portadora amb un format de modulació diferent segons el perfil del canal. El sistema és validat experimentalment mostrant les prestacions i els beneficis d'incloure flexibilitat per tal de facilitar la transmissió a alta velocitat i cobrir les necessitats de l'Internet del futurDebido al crecimiento del tráfico IP y de la demanda de servicios de banda ancha, las redes ópticas están experimentando cambios significativos. Los formatos avanzados de modulación, implementados a nivel de procesado de la señal digital, habilitan la transmisión a alta velocidad. Mientras que en la capa de red, el espectro óptico se divide en ranuras flexibles ocupando el ancho de banda necesario según la demanda de tráfico. La transmisión a alta velocidad es más tangible una vez habilitadas todas estas funcionalidades. De este modo uno de los principales objetivos de esta tesis es introducir flexibilidad en el sistema. Además, minimizar el coste y maximizar la eficiencia espectral del sistema son también dos aspectos cruciales a considerar en el diseño del transmisor y receptor. Esta tesis investiga el uso de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) y en la de Hartley (FHT) con tal de diseñar un sistema flexible y capaz de transmitir a alta velocidad a través de la fibra óptica. Por lo tanto, se proponen distintas soluciones de bajo coste válidas para utilizar en redes ópticas elásticas. En primer lugar, se investigan y se proponen sistemas basados en detección directa con tal de soportar la presente y futura demanda. Después de una introducción de los principios de OFDM y su aplicación en los sistemas ópticos, se introduce el principal problema de esta modulación. En particular se presentan el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) y los ruidos de clipping y cuantización como limitaciones de los sistemas OFDM. Se analizan técnicas de reducción de PAPR con tal de reducir el impacto de estos impedimentos. También se proponen técnicas de baja complejidad para reducir el PAPR basadas en la FHT. Finalmente, se utilizan algoritmos de asignación de bits y potencia, Bit Loading (BL) y Power Loading (PL), con tal de combatir la dispersión cromática cuando se transmite por el canal óptico. Con la implementación de los algoritmos de BL y PL, se pueden diseñar transmisores y receptores flexibles adaptando la velocidad a la demanda del momento y a las actuales condiciones de la red. En particular, los símbolos OFDM se crean mapeando cada portadora con un formato de modulaci_on distinto según el perfil del canal. El sistema se valida experimentalmente mostrando las prestaciones y los beneficios de incluir flexibilidad con tal de facilitar la transmisión a alta velocidad y cubrir las necesidades de Internet del futuro

STS and Cargo Glossary, acronyms, and abbreviations

Definitions are provided, and acronyms and abbreviations are explained