Design and implementation of digital signal processing algorithms and optical circuits in 5G optical networks

Abstract

In the context of this doctoral thesis, the design and implementation of digital signal processing algorithms and optical circuits in 5G optical networks is being investigated. More specifically, the development of an end-to-end transceiver signal processing toolbox, that is tailor made for the generation, demodulation, and treatment of multicarrier signals, that are appropriate for converged analog fiber-wireless transmission schemes is presented. The validation of the functionality of this toolbox, as well as the performance evaluation of CP-OFDM signals propagated over different optical and optical-wireless layouts is showcased within the current document, through the presentation of small-scale laboratory setups and field-trials. In all cases, the bandwidth efficient Analog IFoF transmission scheme, along with mmWave radio equipment have been employed. The DSP-assisted deployed testbeds emulate transport alternatives, aiming to provide efficient solutions towards efficient future mobile X-Haul infrastructures by focusing on the integrability of the investigated transport link into actual Mobile Network Operators’ fiber deployments and mobile equipment. Chapter 1 is an introductory chapter that lays the groundwork for understanding the historical trajectory and transformative milestones that have shaped the mobile communication ecosystem. Moving forward, the pivotal role of optical access network Interfaces in the era of 5G and beyond is illustrated. The exploration deepens with a dedicated focus on Future mobile networks' applications and use cases providing insights into the anticipated applications and performance metrics that will define the landscape of mobile networks in the foreseeable future and pave the path towards future RAN evolution strategies. Chapter 2 investigates analog fiber-wireless links as a crucial element for efficient RAN extensions in 5G networks. This chapter covers various aspects, including the transition to C-RAN architectures, optical transport for MFH, and DSP-assisted analog Fronthaul. Analog RoF-based mobile Fronthaul, mmWave wireless technologies, and proof-of-concept experimental evaluations are also explored. Moving forward, Chapter 3 delves into modulation and signal processing techniques, elucidating the role of these techniques in supporting analog fiber and fiber-wireless transport transmission. It encompasses an in-depth examination of digital modulation schemes, OFDM modulation, multi-carrier candidates for 5G, and the integration of DSP algorithms for processing CP-OFDM waveforms. Chapter 4 shifts the focus to analog fiber-wireless downlink transmission of IFoF/mmWave over in-field deployed legacy PON infrastructure, presenting a detailed analysis of converged PON/mmWave topology through experimental evaluation. The dissertation culminates in Chapter 5, where a live demonstration of an SDN-reconfigurable, FPGA-based TxRx for Analog-IFoF/mmWave RAN is showcased. This chapter provides insights into the envisioned Fronthaul architecture, RFSoC-based A-IFoF transceivers, SDN-powered Management & Control Plane, and the experimental evaluation of the real-time analog Fronthaul topology. In the final chapter, Chapter 6, the dissertation concludes by summarizing key findings and insights gained throughout the exploration of analog fiber and fiber-wireless transport in the realm of 5G networks, while also discussing future research extensions related to the presented work.

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, ερευνάται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και οπτικών κυκλωμάτων σε οπτικά δίκτυα 5G. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η ανάπτυξη εργαλείων επεξεργασίας σήματος που προορίζονται για χρήση σε αναλογικούς πομποδέκτες, για τη διαμόρφωση, την επεξεργασία και αποδιαμόρφωση κυματομορφών πολλαπλών φερουσών. Οι πομποδέκτες αυτοί είναι αναγκαίοι για την υποστήριξη μετάδοσης πληροφορίας σε αναλογικές οπτικές ή οπτικές-ασύρματες ζεύξεις. Η παρούσα εργασία εστιάζει στην παρουσίαση και επικύρωση της λειτουργικότητας αυτών των αλγορίθμων, καθώς και την αξιολόγηση της ποιότητας σημάτων πολλαπλών φερουσών (CP-OFDM) επείτα από διάδοση σε οπτικές και οπτικές-ασύρματες διατάξεις. Για το σκοπό αυτό παρουσιάζεται μια σειρά πειιραματικών δραστηριοτήτων που έλαβαν χώρα είτε σε εργαστηριακό περιβάλλον, είτε σε μεγαλύερης κλίμακας πειραματικών επιδείξεων σε πραγματικές τηλεπικοινωνιακές εγκαταστάσεις. Σε όλες τις περιπτώσεις, χρησιμοποιήθηκε το σχήμα αναλογικής μετάδοσης ηλεκτρικά διαμορφωμένων κυματομορφών σε υψίσυχνο φέρον για το κομμάτι της οπτικής ζεύξης, σε συνδυασμό με ασύρματο εξοπλισμό χιλιοστομετρικού κύματος για τη μετάδοση στον αέρα. Οι δοκιμές που έγιναν είχαν σα στόχο την επίδειξη εναλλακτικών υλοποιήσεων δικτύων μεταφορές, με εφαρμογή σε μελλοντικές υποδομές κινητών δικτύων πρόσβασης κινητής X-Haul, ενώ έμφαση δόθηκε και την επιτυχή ενσωμάτωση των υπό μελέτη αναλογικών δικτύων μεταφοράς είτε σε πραγματικές υποδομές οπτικών ινών είτε σε διασυνδέσης που υποστηρίζονται από εμπορικά διαθέσιμο εξοπλισμό κινητών τηλεπικοινωνιών σε συνεργασία με φορείς κινητής τηλεφωνίας.Το Κεφάλαιο 1 είναι ένα εισαγωγικό κεφάλαιο που θέτει τις βάσεις για την κατανόηση της ιστορικής πορείας του οικοσυστήματος των κινητών επικοινωνιών. Ταυτόχρονα, επισημαίνεται ο ρόλος των διεπαφών δικτύου πρόσβασης οπτικών συνδέσεων, τόσο στην εποχή του 5G όσο και σε μελλοντικές αναβαθμίσεις των δικτύων κινητών. Το Κεφάλαιο 2 επικεντρώνεται στη χρήση απρόσκοπτης οπτικής-αύρματης μετάδοσης, ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική για την κατασκευή αποδοτικών δικτύων πρόσβασης 5G. Αυτό το κεφάλαιο καλύπτει διάφορες πτυχές που αφορούν στα οπτικά-ασύρματα δίκτυα μεταφοράς, συμπεριλαμβανομένης της ενσωμάτωσής τους σε κεντρικοποιημένες αρχιτεκτονικές δικτύων ασύρματης πρόσβασης, της περιγραφής του κοβικού ρόλου του σχήματος αναλογικής οπτικής μετάδοσης ηλεκτρικά διαμορφωμένων κυματομορφών σε υψίσυχνο φέρον στις τοπολογίες αυτές, καθώς και στη χρήση ασύρματου εξοπλισμού χιλιοστομετρικού κύματος. Έπειτα, το Κεφάλαιο 3 αναλύει τις τεχνικές διαμόρφωσης και επεξεργασίας σημάτων που είναι απαραίτητες για την επιτυχή μετάδοση πληροφορίας σε αναλογικές τοπολογίες οπτικής-ασύρματης ζεύξης. Στα πλαίσια αυτά, περιλαμβάνει λεπτομερή εξέταση των διαφορετικών ψηφιακών σχημάτων διαμόρφωσης, της διαμόρφωσης πολλαπλών φερουσών, καθώς και της ανάπτυξης και αξιολόγησης αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος προορισμένων για την περίπτωση σημάτων πολλαπλών φερουσών. Το Κεφάλαιο 4 παρουσιάζει την πρώτη περιαματική αξιολόγηση του σχήματος μεταφοράς που περιγράφεται παραπάνω σε συνθήκες πραγματικών οπτικών εγκαταστάσεων και συγκεκριμένα στο Παθητικό Οπτικό Δίκτυο του Τορίνο. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται η επίδειξη ενός ολοκληρωμένου ψηφιακού πομποδέκτη κυματομορφών πολλαπλών φερόντων, ο οποίος μετά από σύνδεση με τυπικά ηλεκτρο-οπτικά στοιχεία (διαμορφωμένο λέιζερ ηλεκτροαπορόφησης και φωτοδέκτης), χρησιμοποιήθηκε ως αναλογική οπτική διεπαφή, συμβατή με κίνηση Ethernet την ενσωμάτωση ενός αναλογικού καναλιού μεταφοράς, στην υποδομή ενός υπαρκτού δικτύου κινητής τηλεφωνίας στην Αθήνα. Τέλος στο Κεφάλαιο 6, συνοψίζονται τα κύρια αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατραβής, ενώ επίσης συζητούνται πιθανές μελλοντικές ερευνητκές δραστηριότητες που σχείζονται με το παρουσιαζόμενο έργο.