Radio-over-fiber architectures for high-throughput 5G networks

Abstract

The research efforts of this thesis build upon radio-over-fiber architectures and techniques, aiming at resolving the potential capacity bottleneck on fifth generation access networks. At first, a passive optical architecture that was capable of delivering heterogeneous wireless services at the frequency bands of 5 GHz and 60 GHz was investigated. The sub-carrier multiplexing technique was employed in order to enable the transportation of the heterogeneous data signals by a single wavelength. The proposed architecture also employed the WDM technique in order to enhance the available capacity of the network without requiring the installation of multiple fiber links. Going a step further towards enabling broadband end-user connectivity for the most challenging 5G scenario of overcrowded hotspot areas, an analog fronthaul 5G architecture was investigated. The proposed fronthaul supports high spectral efficiency OFDM modulation formats, intermediate frequency channel aggregation and the use of cost-efficient photonic integrated building blocks. Moreover, novel all-optical physical-layer network coding schemes were developed, targeting to provide network throughput enhancements and improved capacity resources utilization in the Fiber Wireless access networks. In these schemes, network coding is performed on-the-fly at the centralized processing unit and the resultant packet carried by a single wavelength is broadcasted at the wireless end-users, where the decoding takes place. At first, a network coding technique between amplitude formatted data signals was developed and experimentally evaluated. At the end, the use of the network coding technique was extended in phase modulation formats.

Η έρευνα που έχει πραγματοποιηθεί στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής έχει επικεντρωθεί στη μελέτη αρχιτεκτονικών και τεχνικών μετάδοσης ραδιοσημάτων - μέσω - οπτικής ίνας με σκοπό την αύξηση της χωρητικότητας των δικτύων πρόσβασης πέμπτης γενιάς. Αρχικά, εξετάστηκε μια παθητική οπτική αρχιτεκτονική, η οποία είναι ικανή να μεταφέρει ταυτόχρονα ετερογενείς ασύρματες υπηρεσίες στην υπάρχουσα ζώνη ραδιο-συχνοτήτων των 5 GHz και στη ζώνη συχνοτήτων των 60 GHz με χρήση της τεχνικής πολυπλεξίας υπο-φερουσών. Επίσης υιοθετήθηκε η τεχνική της πολυπλεξίας μήκους κύματος με σκοπό την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου και την αποφυγή εγκατάστασης πολλαπλών οπτικών ινών. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε μια αρχιτεκτονική δικτύου πρόσβασης για την παροχή ευρυζωνικής συνδεσιμότητας στο πλέον απαιτητικό σενάριο των υπερπληθών περιοχών. Η αρχιτεκτονική αυτή υποστηρίζει διαμορφώσεις υψηλής φασματικής απόδοσης με χρήση ορθογώνιας πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας, την τεχνική πολλαπλών σημάτων ενδιάμεσης συχνότητας - πάνω από - οπτική ίνα και τη χρήση οικονομικά αποδοτικών φωτονικά ολοκληρωμένων δομικών στοιχείων. Ακόμη αναπτύχθηκαν τεχνικές αμιγώς οπτικής κωδικοποίησης δικτύου φυσικού επιπέδου, οι οποίες έχουν στόχο να προσφέρουν αύξηση της ρυθμο-απόδοσης του δικτύου και βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων χωρητικότητας των οπτικών-ασύρματων δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς. Στις προτεινόμενες τεχνικές, η κωδικοποίηση δικτύου εκτελείται με απευθείας αμιγώς-οπτική μετατροπή στο κεντρικό σημείο συγκέντρωσης του δικτύου και το προκύπτων πακέτο μεταδίδεται στους ασύρματους χρήστες όπου λαμβάνει χώρα η λειτουργία της αποκωδικοποίησης. Αρχικά αναπτύχθηκε και εξετάστηκε μέσω πειραμάτων η τεχνική κωδικοποίησης δικτύου για σήματα διαμορφωμένα κατά πλάτος. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η επέκταση της χρήσης της τεχνικής κωδικοποίησης δικτύου σε σχήματα διαμόρφωσης κατά φάση.