Optical beamforming networks for next generation mobile communication systems
Authors: Τσώκος Χρήστος 
Published: November 2022

Τα ασύρματα δίκτυα πέμπτης Γενεάς (5G) βρίσκονται ήδη σε προχωρημένο στάδιο ανάπτυξης, ανοίγοντας νέους ορίζοντες όχι μόνο για το κόσμο των τηλεπικοινωνιών αλλά και για τις ανθρώπινες κοινωνίες, αφού αλλάζουν ριζικά τον τρόπο που σκεφτόμαστε, εργαζόμαστε και ακόμα πιο σημαντικά, τον τρόπο και τα εργαλεία με τα οποία αλληλοεπιδράμε με τους συνανθρώπους μας και το περιβάλλον. Σε σύγκριση με τις προηγούμενες Γενεές, τα δίκτυα 5G υπόσχονται 10 με 100 φορές πιο γρήγορες συνδέσεις στο διαδίκτυο μέσω δεδομένων, καθυστερήσεις της τάξεως μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου, την ταυτόχρονη υποστήριξη χιλιάδων τερματικών συσκευών, μεγάλη πληθυσμιακή κάλυψη, βελτιωμένη χρήση του φάσματος και όλα αυτά χρησιμοποιώντας λιγότερη ενέργεια και μειώνοντας το κόστος. Για να εκπληρώσει αυτές τις φιλόδοξες απαιτήσεις, έχει γίνει φανερό τόσο στους μεγάλους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους όσο και στην παγκόσμια ερευνητική κοινότητα ότι οι περιορισμένοι φασματικοί πόροι που είναι διαθέσιμοι κάτω από τα 6 GHz δεν επαρκούν. Ως εκ τούτου, τα συστήματα κινητών επικοινωνιών υψηλής χωρητικότητας σε συχνότητες άνω των 6 GHz, θεωρούνται το μέσο όχι μόνο για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων των δικτύων 5G αλλά και για την ανάπτυξη των επόμενων Γενεών. Ωστόσο, όσο η συχνότητα λειτουργίας μετατοπίζεται σε υψηλότερες φασματικές ζώνες, η απόδοση του συστήματος αρχίζει να επιδεινώνεται λόγω των σοβαρών απωλειών διάδοσης. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, στοιχειοκεραίες αποτελούμενες από εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες στοιχεία πρέπει να χρησιμοποιηθούν ώστε να δημιουργήσουν κατευθυντικές δέσμες έτσι ώστε να αυξήσουν το κέρδος της ασύρματης ζεύξης και να βελτιώσουν το σηματοθορυβικό λόγο του συστήματος. Ωστόσο, αυτές οι δέσμες παρέχουν μόνο περιορισμένη χωρική κάλυψη, η οποία δεν ενδείκνυται για χρήση σε ένα γρήγορα μεταβαλλόμενο περιβάλλον με πολλούς χρήστες. Σε αυτό το πλαίσιο, ο ρόλος της λειτουργίας της σχηματοποίησης δεσμών, μιας λειτουργίας γνωστής στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα χάρη στην ικανότητά της να κατευθύνει μία ή περισσότερες ασύρματες δέσμες προς τις επιθυμητές κατευθύνσεις, αναμένεται να γίνει ακόμη σπουδαιότερος.Τόσο στην περίπτωση λειτουργίας μιας δέσμης όσο και στην περίπτωση λειτουργίας πολλαπλών δεσμών, τα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών εφαρμόζουν κατάλληλα σήματα διέγερσης σε κάθε ξεχωριστό στοιχείο μιας στοιχειοκεραίας με σχετικές χρονικές καθυστερήσεις ή σχετικές φάσεις που αντιστοιχούν στις επιθυμητές γωνίες στόχευσής των μικροκυματικών δεσμών. Στα τρέχοντα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών που λειτουργούν στη φασματική περιοχή κάτω των 6 GHz, η προσαρμογή αυτών των καθυστερήσεων πραγματοποιείται είτε ψηφιακά, είτε αναλογικά με τη χρήση αναλογικών μικροκυμάτων στοιχείων είτε με υβριδικές υλοποιήσεις. Ωστόσο, στις υψηλότερες συχνότητες, το εύρος ζώνης των σημάτων σε σχέση με την φέρουσα συχνότητα αυξάνεται όπως και ο αριθμός των κεραιών, με αποτέλεσμα αυτές οι ηλεκτρονικές λύσεις να αρχίζουν να έχουν σημαντικούς περιορισμούς όσον αφορά την ακρίβεια χρονικής καθυστέρησης, τις απώλειες, το μέγεθος, το βάρος, τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, τη κατανάλωση ισχύος (ειδικά στην περίπτωση ψηφιακών λύσεων) αλλά και το κόστος. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, έχουν προταθεί λύσεις που βασίζονται στην τεχνολογία μικροκυματικής φωτονικής (Microwave Photonics) ως μια ισχυρή εναλλακτική τεχνολογία για την επεξεργασία σημάτων μικροκυμάτων και την υλοποίηση δικτύων σχηματοποίησης δεσμών υψηλής απόδοσης, αμιγώς στο οπτικό πεδίο.Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το σχεδιασμό, την υλοποίηση, την ολοκλήρωση συστημάτων και την πειραματική αξιολόγηση της απόδοσης των οπτικών δικτύων σχηματοποίησης δεσμών (Optical Beamforming Networks) για στοιχειοκεραίες πολλαπλών στοιχείων. Ακολουθώντας μια ολιστική και συστηματική προσέγγιση, η ανάλυση ξεκινάει από τη θεωρία που υπαγορεύει τη λειτουργία τέτοιων πολύπλοκων συστημάτων και συνεχίζει με το σχεδιασμό, την υλοποίηση, καθώς και την πειραματική αξιολόγηση τεσσάρων διαφορετικών οπτικών δικτύων σχηματοποίησης δεσμών.Συγκεκριμένα, η θεωρητική ανάλυση ξεκινά από τη θεμελιώδη θεωρία μιας απλής κεραίας και συνεχίζει με τη θεωρία που υπαγορεύει τη λειτουργία στοιχειοκεραιών. Εστιάζοντας στις γραμμικές στοιχειοκεραίες, εισάγεται η θεωρία του παράγοντα διάταξης ο οποίος καθορίζει το σχήμα και τις γωνίες στόχευσης των δεσμών. Έπειτα, αναλύεται πως ακριβώς πρέπει να τροποποιηθεί ο παράγοντας διάταξης μέσω του δικτύου σχηματοποίησης δεσμών έτσι ώστε να επιτευχθεί σχηματοποίηση-μονής δέσμης, -πολλαπλών δεσμών αλλά και λειτουργία πολλαπλής εκπομπής. Με βάση τον μηχανισμό εισαγωγής της καθυστέρησης, υπάρχουν δυο κατηγορίες δικτύων σχηματοποίησης δεσμών. Στη πρώτη κατηγορία, τα δίκτυα εισάγουν πραγματική καθυστέρηση στα ρεύματα διέγερσης ενώ στη δεύτερη κατηγορία χρησιμοποιούν ολισθητές φάσεων. Επιπλέον, αναφέρονται οι τεχνικές που καθορίζουν τα σχετικά πλάτη των ρευμάτων διέγερσης με στόχο την μείωση της ισχύος των πλευρικών λοβών με τίμημα όμως την αύξηση του εύρους του κύριου λοβού.Στη συνέχεια, εισάγεται η μικροκυματική φωτονική τεχνολογία, η οποία ορίζεται ως το πεδίο το οποίο συνδυάζει τις αρχές της μικροκυματικής τεχνολογίας με εκείνες της φωτονικής, με σκοπό να υλοποιήσει λειτουργίες οι οποίες είτε είναι πολύπλοκες ή ακόμα και αδύνατες να υλοποιηθούν με κλασσικά μικροκυματικά στοιχεία, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών. Τα δομικά στοιχεία μιας τυπικής μικροκυματικής φωτονικής ζεύξης αναλύονται διεξοδικά και ορίζονται τα βασικά μετρητικά με βάση τα οποία αξιολογείται η απόδοση τέτοιων ζεύξεων. Έχοντας αναλύσει την αρχή λειτουργίας των οπτικών συστημάτων σχηματοποίησης δεσμών, το επόμενο βήμα ήταν ο σχεδιασμός μιας καινοτόμου αρχιτεκτονικής. Συγκεκριμένα, προτάθηκε και αναλύθηκε μια αρχιτεκτονική ενός M×N οπτικού δικτύου σχηματοποίησης δεσμών, η οποία υποθέτοντας λειτουργία στη καθοδική ζεύξη (downlink) ενός τηλεπικοινωνιακού καναλιού μπορεί να οδηγήσει μια στοιχειοκεραία με N στοιχεία και να συνθέσει M ανεξάρτητες μικροκυματκές δέσμες, ενώ υποθέτοντας λειτουργία στην ανοδική ζεύξη, μπορεί να υποστηρίξει την λήψη M ανεξάρτητων δεσμών. Η λειτουργία του δικτύου βασίζεται στη χρήση μιας συστοιχίας ρυθμιζόμενων οπτικών γραμμών καθυστέρησης καθώς και στη χρήση μιας συστοιχίας ρυθμιζόμενων οπτικών εξασθενητών. Για την πειραματική επαλήθευση της αρχής λειτουργίας της παραπάνω αρχιτεκτονικής, αναπτύχθηκε ένα πλήρως λειτουργικό σύστημα το οποίο μοντελοποιεί ένα 2×4 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης δεσμών. Η ανάπτυξη του συστήματος ακολούθησε τις βασικές αρχές της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής και η υλοποίηση της βασίστηκε σε εμπορικά διαθέσιμα οπτικά και οπτό-ηλεκτρονικά στοιχεία. Χρησιμοποιώντας διαμορφωμένα QAM σήματα με φέρουσες συχνότητες στα 15 GHz, το οπτικό δίκτυο αξιολογήθηκε, υπολογίζοντας τον αριθμό των εσφαλμένων ψηφίων και για τις τρεις διαφορετικές λειτουργίας (σχηματοποίηση μονής δέσμης, σχηματοποίηση πολλαπλών δεσμών και πολυεκπομπή). Σε όλες τις περιπτώσεις, το δίκτυο ήταν σε θέση να επιδείξει λειτουργία χωρίς λάθη, επιβεβαιώνοντας την ικανότητα του να υποστηρίξει και τις τρεις λειτουργίες.Στη συνέχεια, παρουσιάζεται και αξιολογείται πειραματικά ένα πλήρως ολοκληρωμένο 1×4 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης δέσμης χάρη στις InP και Si3N4 φωτονικές πλατφόρμες ολοκλήρωσης. Το ολοκληρωμένο δίκτυο υποστηρίζει τη δημιουργία και σχηματοποίηση μιας μικροκυματικής δέσμης με κεντρικές συχνότητες έως και 40 GHz και μπορεί να επιλέγει γωνίες στόχευσης με συνεχές βήμα. Στην InP πλατφόρμα έχουν ολοκληρωθεί ένα ζεύγος 40 GHz οπτικών διαμορφωτών φάσης και μια τετραπλή συστοιχία 40 GHz φωτοδιόδων, ενώ η Si3N4 πλατφόρμα φιλοξενεί ένα οπτικό φίλτρο και τέσσερις παράλληλες ρυθμιζόμενες οπτικές γραμμές πραγματικής καθυστέρησης χρόνου. Συγκεκριμένα, οι οπτικές γραμμές καθυστέρησης χρόνου βασίζονται στη χρήση οκτώ οπτικών συντονιστών μικρό-δακτυλίου, οι οποίοι μπορούν να εισάγουν πραγματική καθυστέρηση στα διερχόμενα οπτικά σήματα. Επιπρόσθετα, το πρωτότυπο φιλοξενεί μια οπτική πηγή εξωτερικής κοιλότητας, της οποίας το ενεργό στοιχείο ενώ η κοιλότητα στην Si3N4 πλατφόρμα. Η πειραματική αξιολόγηση του συστήματος πραγματοποιήθηκε σε δυο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μετρήθηκε το κέρδος ζεύξης μέχρι τα 40 GHz, η εικόνα θορύβου καθώς και το SFDR2,3 στις συχνότητες 5 GHz και 10 GHz. Στο δεύτερο στάδιο, θεωρώντας το οπτικό δίκτυο είναι μέρος μιας καθοδικής ζεύξης ενός ασύρματου τηλεπικοινωνιακού συστήματος και χρησιμοποιώντας σήματα QAM με ρυθμό συμβόλων ίσο με 500 Mbaud στα 5 και 10 GHz ως σήματα εισόδου, αξιολογήσαμε την απόδοση του ως προς το ρυθμό εσφαλμένων ψηφίων και το διανυσματικό μέγεθος σφάλματος για γωνίες στόχευσης από 45° έως 135°. Σε όλες τις περιπτώσεις, δεν ανιχνεύτηκαν λάθη στα ληφθέντα σήματα.Ειδικά, για τα δίκτυα 5G αλλά για τα δίκτυα επόμενων Γενεών, τα οπτικά δίκτυα σχηματοποίησης πολλαπλών δεσμών είναι υψίστης σημασίας. Η πιο πολλά υποσχόμενη αρχιτεκτονική είναι η αρχιτεκτονική Blass-matrix η οποία αποτελείται από οπτικούς ολισθητές φάσης και οπτικά συμβολόμετρα τύπου Mach-Zehnder (MZIs). Για πρώτη φορά, παρέχεται ένα στέρεο υπόβαθρο για το σχεδιασμό και τη λειτουργία ενός δικτύου οπτικής διαμόρφωσης δέσμης πολλαπλών δεσμών με βάση τη μήτρα Blass μέσω μαθηματικής ανάλυσης και εκτεταμένων μελετών προσομοίωσης. Αρχικά, επιβεβαιώνεται η αρχή λειτουργίας της αρχιτεκτονικής και συγκεκριμένα, αναλύεται πως η στροφή της οπτικής φάσης των διαμορφωμένων οπτικών σημάτων, η οποία επιτυγχάνεται χάρη στην οπτική μήτρα, μεταφράζεται σε ισοδύναμη στροφή φάσης στα μικροκυματικά σήματα στην έξοδο του δικτύου. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου ο οποίος καθορίζει την λειτουργία τόσο οπτικών ολισθητών φάσεων αλλά και των συμβολόμετρων MZIs της μήτρας, έτσι ώστε να επιτευχθεί η σχηματοποίηση πολλαπλών και ανεξάρτητων δεσμών. Μέσω εκτενών προσομοιώσεων, επιβεβαιώνεται η ορθότητα του αλγορίθμου και αξιολογείται η επίδραση του φαινομένου beam-squint στην απόδοση του συστήματος συναρτήσει του ρυθμού συμβόλων και του σχήματος διαμόρφωσης των μικροκυματικών σημάτων, θεωρώντας διαφορετικά pulse shaping σχήματα. Υποθέτοντας λειτουργία με QAM μικροκυματικά σήματα με φέρουσες συχνότητας γύρω από τα 28.5 GHz, αποδεικνύεται μέσω υπολογισμών του EVM ότι το beam-squinting φαινόμενο δεν επηρεάζει την απόδοση του συστήματος σε τυπικές περιπτώσεις, όπου ο ρυθμός συμβόλων παραμένει κάτω από 3 Gbaud. Επιπλέον, διερευνάται η επιπρόσθετη φασματική εξάρτησή του δικτύου λόγω αναπόφευκτών ασυμμετριών των MZIs, διακυμάνσεων των φυσικών διαστάσεων των κυματοδηγών εντός της μήτρας καθώς και η πρόσθετη επίδραση των κατασκευαστικών ατελειών των MZIs αλλά και των ολισθητών φάσεων. Σε όλες τις περιπτώσεις, η επίδραση των ασυμμετριών και των ατελειών παραμένει αμελητέα για ρεαλιστικές συνθήκες κατασκευής και λειτουργίας.Στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού έργου, ICT-HAMLET, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα υβριδική οπτική πλατφόρμα ολοκλήρωσης, συνδυάζοντας δυο παθητικές πλατφόρμες, την πολυμερική (PolyBoard) και την TriPleX, με την ενεργή InP πλατφόρμα, με στόχο την ανάπτυξη οπτικών πομποδεκτών οι οποίοι θα λειτουργούν στη διεπαφή μεταξύ του fronthaul δικτύου και του δικτύου ασύρματης πρόσβασης των 5G συστημάτων. Το πρώτο πρωτότυπο (Precursor-1), φιλοξενεί ένα 2×2 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών βασισμένο στην αρχιτεκτονική Blass-matrix. Κατά την πειραματική αξιολόγηση του, μετρήθηκαν υψηλές απώλειες διάδοσης και ζεύξεις μεταξύ των διαφορετικών πλατφορμών, οι οποίες δεν κατέστησαν δυνατό τον πλήρη χαρακτηρισμό του. Παρόλα αυτά, αναπτύχθηκαν τρείς διαφορετικές πειραματικές διατάξεις, χρησιμοποιώντας εξωτερικά οπτό-ηλεκτρονικά στοιχεία για την πειραματική αξιολόγηση του ολοκληρωμένου φίλτρου και του οπτικού δικτύου σχηματοποίησης δεσμών. Λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις πληροφορίες και ευρήματα από τον χαρακτηρισμό του Precursor-1 πρωτότυπου, η κοινοπραξία προχώρησε στον σχεδιασμό και κατασκευή ενός 8×8 οπτικού δικτύου σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών (Module-1). Εκτός από το μεγαλύτερο Blass-matrix δίκτυο, το οποίο βασίζονταν αμιγώς σε οπτικούς πιεζό-ηλεκτρικούς (PZT) ολισθητές φάσης, το πρωτότυπο Module-1 σε σχέση με το Precursor-1, φιλοξενούσε μια οπτική πηγή άμεσης διαμόρφωσης για την επικοινωνία με τον οπτικό δίκτυο fronthaul, 8 InP διαμορφωτές πλάτους, 8 οπτικά φίλτρα και 16 φωτοδιόδους. Ο χαρακτηρισμός του Module-1 ξεκίνησε από την οπτική πηγή άμεσης διαμόρφωσης. Αρχικά, μετρήθηκε η εκπεμπόμενη οπτική ισχύ σε σχέση με τον ρεύμα άντλησης. Η μέγιστη οπτική ισχύ ήταν -1 dBm για ρεύματα άντλησης ίσα με 90 mA. Εν συνεχεία, αναπτύχθηκε η μεθοδολογία για τον χαρακτηρισμό του 8×8 οπτικού δικτύου σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν ότι μόνο το 36 % από τα συνολικά 64 MZIs λειτουργούσαν ικανοποιητικά επιδεικνύοντας λόγους σβέσης από 1.75 dB μέχρι 23.3 dB. Το γεγονός αυτό κατέστησε αδύνατον τον περαιτέρω χαρακτηρισμό του οπτικού δικτύου καθώς ο μικρός αριθμός λειτουργικών συμβολόμετρων δεν επέτρεπε την δρομολόγηση των σημάτων εισόδων στους αντίστοιχους κυματοδηγούς στην έξοδο. Παρά το γεγονός ότι και τα δυο πρωτότυπα δεν ήταν πλήρως λειτουργικά, τα πειραματικά ευρήματα συνέβαλαν καθοριστικά στην απόκτηση της απαιτούμενης τεχνογνωσίας για την ανάπτυξη τέτοιων περίπλοκων κυκλωμάτων καθώς βελτίωσαν σημαντικά τις τεχνικές ολοκλήρωσης μεταξύ των τριών οπτικών πλατφορμών. Το Ευρωπαϊκό έργο HAMLET καθώς και οι παραπάνω πειραματικές μελέτες αποτέλεσαν το εφαλτήριο για το Ευρωπαϊκό έργο TERAWAY, το οποίο στοχεύει στην ανάπτυξη πομποδεκτών για τα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών των επόμενων Γενεών, με ικανότητα λειτουργίας στις φασματικές περιοχές W (92-114.5 GHz), D (130-174.8 GHz) και THz (252-322). Τα πρωτότυπα βασίζονται στην υβριδική ολοκλήρωση των τριών φωτονικών πλατφορμών και στον πυρήνα τους βρίσκονται οπτικά δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών ακολουθώντας την αρχιτεκτονική Blass-matrix.