title: Advanced FSO Communication Systems for Next Generation Wireless X-Hauling
title: Moderne FSO-Kommunikationssysteme für die nächste Generation des drahtlosen X-Hauling
Creators: name: Najafi, Marzieh
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: free space optical communications, wireless backhauling, 6G, optical wireless communications

description: Free space optical (FSO) communication systems transmit data at optical frequencies across the unguided wireless medium. These systems exploit the large unlicensed bandwidth available at optical frequencies offering a cost-effective, energy-efficient, and quickly deployable solution for realizing the massive connectivity and high-data rate communication required for future mobile communication networks. In fact, high-data rate x-hauling (backhauling and fronthauling) is essential for numerous emerging communication technologies, including cloud-radio access networks (C-RANs), which rely on high capacity x-haul links for delivering data from remote radio units (RUs) to a common/central unit (CU). Furthermore, FSO systems can be complemented or integrated with emerging technologies such as unmanned aerial vehicles (UAVs) and intelligent reflecting surfaces (IRSs), enabling seamless delivery of mobile services. Nevertheless, the aforementioned beneficial properties of FSO systems come at the expense of some drawbacks and challenges, which include the requirement of having a line-of-sight (LoS) between transmitter (Tx) and receiver (Rx), the adverse effects of atmospheric turbulence, and unpredictable connectivity and temporary link outages due to visibility limiting conditions, including snow, fog, and dust. This dissertation tackles these challenges, paving the way for their application in next generation wireless x-hauling systems. The contributions of the thesis can be classified into two main categories. In the first category, communication-theoretic channel models for two emerging advanced FSO x-hauling systems are developed, namely IRS- and UAV-assisted FSO systems, for which the statistical characteristics of the FSO channel are not well understood, yet. In the second category, multi-link hybrid radio frequency (RF)/FSO x-hauling systems are investigated, specifically within the framework of fronthauling for C-RANs and backhauling with parallel relay channels, respectively. In this context, efficient system designs for coordinated operation and optimization of shared resources are presented. The key contributions for each of these topics are summarized in the following: IRS-assisted FSO x-hauling: Employing optical IRSs to relax the LoS require- ment in FSO communication systems is proposed. Comprising tunable sub-wavelength elements, IRSs enable advanced wave manipulation functionalities, including the gen- eralized law of reflection used in this dissertation. Statistical FSO channel models are developed that account for the effect of the physical parameters of the IRS, such as size, position, and orientation, as well as the random movements of the IRS, Tx, and Rx due to random mechanical vibrations in the system caused by, e.g., building sway. UAV-based FSO x-hauling: Compared with conventional FSO systems with static transceivers, UAV-based FSO systems possess unique features due to the movement of UAVs and the inherent random fluctuations in their positions and orientations. In this study, a novel statistical FSO channel model is developed which captures the non-orthogonality of the laser beam to the Rx lens plane due to the UAV’s movement as well as the random fluctuations of the UAV’s position and orientation for several fluctuation models representing a wide range of different weather conditions. C-RANs with hybrid RF/FSO fronthauling: Efficient utilization of the capacity-constrained fronthaul links is crucial for optimal operation of C-RANs. To this end, a comprehensive resource allocation framework is developed which jointly optimizes the quantization strategy at the RUs and the RF time shared between access and fronthaul links for several choices of quantization schemes, fronthaul transmission strategies, and detection methods at the CU. Parallel relay channels with hybrid RF/FSO backhauling: This network architecture models the wireless backhauling from small-cell base stations (BSs) to macro-cell BSs via multiple relays when the LoS link between the source and destination is obstructed. For this setting, for the maximization of the end-to-end throughput, optimal relay selection policies for the RF and FSO links, as well as optimal time allocation policies for transmission and reception for the RF links are derived. As the optimal policies require global channel state information (CSI) and their delays are not constrained, distributed implementations are developed relying on only local CSI and suboptimal delay-constrained protocols that approach the performance of the optimal delay-unconstrained polices for moderate average delays. For all contributions, a comprehensive set of simulation results is presented to validate the accuracy of the proposed communication-theoretic channel models and/or assess the performance of the proposed designs and optimization policies against state-of-the-art methods.
description: Freiraumoptische Kommunikationssysteme („free-space optics“, FSO) übertragen Daten über optische Frequenzen in drahtlosen Medien. Diese Systeme profitieren von der großen, unregulierten Bandbreite, die im optischen Frequenzbereich zur Verfü- gung steht, und bieten eine kostengünstige, energieeffiziente und schnell einsatzbereite Lösung für die Realisierung hoher Konnektivität und sehr großer Datenraten, die für zukünftige mobile Kommunikationsnetze erforderlich sind. X-Hauling (Back- hauling und Fronthauling) mit sehr großen Datenraten ist in der Tat entscheidend für verschiedene neue Kommunikationstechnologien wie Cloud-Radiozugangsnetze („cloud-radio access networks“, C-RANs), die auf Hochleistungs-X-Haul-Verbindungen angewiesen sind, um Daten von entfernten Funkeinheiten („radio units“, RUs) zu einer zentralen Einheit („central unit“, CU) zu übertragen. Außerdem können FSO- Systeme durch neue Technologien, wie Drohnen („unmanned aerial vehicles“, UAVs) oder intelligente reflektierende Oberflächen („intelligent reflecting surfaces“, IRSs) ergänzt oder darin integriert werden, um die dauerhafte Bereitstellung mobiler Dienste zu ermöglichen. Die vorteilhaften Eigenschaften von FSO-Systemen werden jedoch durch einige Nachteile und Herausforderungen eingeschränkt, wie die Notwendigkeit einer direkten Sichtverbindung („line-of-sight“, LoS) zwischen Sender („transmitter“, Tx) und Empfänger („receiver“, Rx), die nachteiligen Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen und unvorhersehbare Konnektivität und vorübergehende Link-Ausfälle aufgrund von Sichteinschränkungen wie Schnee, Nebel und Staub. Diese Dissertation nimmt sich diesen Herausforderungen an und ebnet den Weg für ihren Einsatz in der nächsten Generation drahtloser X-Hauling-Systeme. Die Beiträge der Arbeit lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen. In der ersten Kategorie werden kommunikationstheoretische Kanalmodelle für zwei neuartige FSO-X-Hauling-Systeme entwickelt, nämlich Systeme, die durch IRS und durch UAV unterstützt werden, für die die statistischen Charakteristika des FSO-Kanals bisher noch nicht gut verstanden sind. In der zweiten Kategorie werden hybrid Hochfrequenz („radio frequency“, RF)/FSO- X-Hauling-Systeme untersucht, speziell im Rahmen des Fronthaulings für C-RANs und des Backhaulings mit parallelen Relaiskanälen. In diesem Kontext werden effiziente Systementwürfe für den koordinierten Betrieb und die Optimierung der Allokation von Ressourcen vorgestellt. Die wichtigsten Beiträge zu jedem dieser Themen werden im Folgenden zusammengefasst: FSO-X-Hauling unterstützt durch IRS: Es wird vorgeschlagen, optische IRS in FSO-Kommunikationssystemen einzusetzen, um die Notwendigkeit einer Sichtverbindung zu vermeiden. IRS bestehen aus adaptiven Elementen, deren Größe unterhalb der Wellenlänge liegt, und ermöglichen Wellenmanipulation, einschließlich der in dieser Dissertation verwendeten generalisierten Reflexion. Es werden statistische FSO- Kanalmodelle entwickelt, die die Effekte der physikalischen Parameter des IRS, wie dessen Größe, Position und Ausrichtung berücksichtigen, sowie die zufälligen Bewegun- gen des IRS, des Tx und des Rx, verursacht durch zufällige mechanische Schwingungen im System, wie z.B. Gebäudeschwankungen, miteinbeziehen. UAV-gestütztes FSO-X-Hauling: Im Vergleich zu konventionellen FSO-Systemen mit stationären Tx und Rx weisen UAV-basierte FSO-Systeme, aufgrund der Bewe- gung der UAVs und der damit verbundenen zufälligen Schwankungen in ihrer Position und Orientierung, neue Eigenschaften auf. In dieser Studie wird ein neues statis- tisches FSO-Kanalmodell entwickelt, das die Nicht-Orthogonalität des Laserstrahls bezüglich der Empfängeroptik, sowie die zufälligen Fluktuationen der UAV-Position und -Orientierung erfasst. C-RANs mit hybriden RF/FSO-Fronthauling: Die effiziente Nutzung von kapazitätsbeschränkten Fronthaul-Links ist für den optimalen Betrieb von C-RANs entscheidend. Zu diesem Zweck wird ein umfassendes Ressourcenzuweisungsverfahren entwickelt, das die Quantisierungsstrategie an den RUs und die RF-Zeitaufteilung zwis- chen den Zugangs- und Fronthaul-Links gemeinsam optimiert. Dabei werden mehrere Kombinationen von Quantisierungsmethoden, Fronthaul-Übertragungsstrategien und Detektionsmethoden an der CU berücksichtigt. Parallele Relaiskanäle mit hybriden RF/FSO-Backhauling: Diese Netz- werkarchitektur modelliert das drahtlose Backhauling von Kleinzellen-Basisstationen (BSs) zu Makrozellen-BSs über mehrere Relais, wenn der direkte LoS-Link zwischen Tx und Rx blockiert ist. In diesem Szenario werden, um den Ende-zu-Ende-Datendurchsatz zu maximieren, optimale Relaisselektionsverfahren für die RF- und FSO-Links sowie optimale Zeitallokationsmethoden für die RF-Links abgeleitet. Da die optimalen Verfahren globale Kanalzustandsinformationen („channel state information“, CSI) benötigen und die damit verbundenen Verzögerungen nicht begrenzt sind, werden verteilte Implementierungen entwickelt, die sich nur auf lokale CSI stützen und subop- timale, verzögerungsbeschränkte Protokolle nutzen, die der Performanz der optimalen verzögerungsunabhängigen Verfahren bei moderaten durchschnittlichen Verzögerungen nahe kommen.