Design and implementation of digital signal processing algorithms and optical circuits in 5G optical networks
Authors: Καντά Κωνσταντίνα 
Published: July 2024

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.