Analog Fiber-Wireless Fronthaul Architectures for mmWave 5G Networks
Creators: name: Ruggeri, Eugenio St.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: 5G
Millimeter wave
V-band
Fiber-wireless
Analog radio-over-fiber
Radio access network
Mobile fronthaul
Enhanced mobile broadband
Fixed-wireless access
Phased antenna array
Reconfigurable optical add/drop multiplexer
Over the air
Frequency/space/wavelength division multiplexing

description: Η ενσωμάτωση ασύρματων και οπτικών τεχνολογιών στον τομέα των συστημάτων κινητής επικοινωνίας έχει αποκτήσει αυξημένη σημασία τα τελευταία χρόνια, ειδικά με την εμφάνιση νέων εφαρμογών όπως η επαυξημένη πραγματικότητα, η εικονική πραγματικότητα, το διαδίκτυο των πραγμάτων, ο βιομηχανικός αυτοματισμός και τα αυτόνομα οχήματα. Αυτές οι εφαρμογές βρίσκονται στα πρόθυρα της μαζικής εμπορευματοποίησης τους και τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας αναμένεται να συνεισφέρουν το σημαντικότερο μερίδιο, έως και 50%, της αναμενόμενης αύξησης της κίνησης. Για να ανταποκριθούμε στον όγκο των δεδομένων και το εύρος ζώνης που θα καταναλώνεται από τα σύγχρονα ασύρματα κανάλια, πρέπει να αναπτυχθούν προηγμένες τεχνικές οπτικής επικοινωνίας στα άκρα των κυψελοειδών δικτύων. Αυτό διασφαλίζει ότι τα σήματα που μεταδίδονται ασύρματα μεταφέρονται αποτελεσματικά μέσω ενός κατάλληλου fronthaul, που αναφέρεται επίσης ως "μεταφορά BBU-to-RRH". Η επερχόμενη γενιά δικτύων κινητής τηλεφωνίας, γνωστά ως 5G, οδηγεί την ανάπτυξη τόσο ασύρματων όσο και οπτικών τεχνολογιών για την αύξηση της χωρητικότητας, της καθυστέρησης και της αξιοπιστίας του δικτύου. Οι προσδοκίες είναι υψηλές, με αναμενόμενη κίνηση δεδομένων δεκάδων Gb/s σε δίκτυα που χαρακτηρίζονται από εξαιρετικά υψηλή αξιοπιστία και χρόνους απόκρισης μικροδευτερολέπτων. Για να επιτευχθεί αυτός ο μετασχηματισμός του παγκόσμιου κυψελοειδούς συστήματος, ο Τομέας Ραδιοεπικοινωνιών της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ITU-R) έχει ορίσει τρεις κατηγορίες ή «οικογένειες» περιπτώσεων χρήσης 5G. Η κατηγορία Enhanced Broadband (eMBB) που στοχεύει να παρέχει παντού υψηλούς ρυθμούς δεδομένων για μαζικές μεταδόσεις, η οικογένεια Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) που στοχεύει σε εφαρμογές όπου ο χαμηλός χρόνος απόκρισης και η υψηλή αξιοπιστία είναι απαραίτητες, όπως η απόκριση σε έκτακτες ανάγκες, η απομακρυσμένη διάγνωση /χειρουργείο, η ιατρική ή πυροσβεστική επέμβαση, η έξυπνη ενέργεια και το grid. Η τρίτη οικογένεια περιπτώσεων χρήσης 5G επικεντρώνεται στη διασύνδεση μηχανής με μηχανή, με στόχο να υποστηρίξει τη σύνδεση πάνω από 70 δισεκατομμυρίων συσκευών που αναμένονται έως το 2025 κυρίως για εφαρμογές όπως ο βιομηχανικός αυτοματισμός, το IoT και η αυτόνομη οδήγηση. Επιπλέον, η Σταθερή Ασύρματη Πρόσβαση (Fixed Wireless Access- FWA) έχει προστεθεί ως τέταρτη κατηγορία λόγω του αυξανόμενου ενδιαφέροντος για την επίτευξη πανταχού παρούσας ευρυζωνικής συνδεσιμότητας παγκοσμίως. Ευρωπαίοι κατασκευαστές όπως η Nokia και η Ericsson, και σημαντικοί παγκόσμιοι πάροχοι στην Ασία και τις ΗΠΑ, συμπεριλαμβανομένων της Huawei και της Qualcomm, έχουν δηλώσει ρητά τις προθέσεις τους να καταβάλουν συνεχείς προσπάθειες για την ανάπτυξη μιας υποδομής FWA. Οι ερευνητές έχουν εξερευνήσει τεχνολογίες όπως η χρήση φάσματος χιλιοστομετρικών συχνοτήτων για τις ασύρματες επικοινωνίες από σημείο προς πολλά σημεία καθώς και την αναλογική/ψηφιακή μετάδοση ραδιοσυχνοτήτων μέσω της οπτικής ίνα για αποτελεσματική μεταφορά του τεράστιου όγκου δεδομένων από και προς τη νέα φασματική περιοχή ραδιοσυχνοτήτων επιτρέποντας ένα εύρος ζώνης πολλών GHz μέσω της διεπαφής του αέρα. Σε αυτό το πλαίσιο, έχουν προκύψει αξιόλογες επιδείξεις συστημάτων επικοινωνίας Fiber-Wireless. Αυτά τα συστήματα συνδυάζουν οπτικές και ασύρματες τεχνολογίες χιλιοστομετρικών κυμάτων για να προσφέρουν συστήματα κυψελοειδούς επικοινωνίας εξαιρετικά υψηλής χωρητικότητας και πολύ χαμηλής καθυστέρησης. Συνολικά, η ενσωμάτωση ασύρματων και οπτικών τεχνολογιών αναμένεται να ανοίξει το δρόμο για νέες και καινοτόμες εφαρμογές στον τομέα των συστημάτων κυψελωτών επικοινωνιών. Με τη διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση για μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας, η ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών οπτικής επικοινωνίας στα άκρα των κυψελοειδών δικτύων είναι κρίσιμη. Η εμφάνιση του δικτύου 5G έχει επιφέρει ένα νέο κύμα ανάπτυξης τόσο στις ασύρματες όσο και στις οπτικές τεχνολογίες, ενισχύοντας τη χωρητικότητα, την καθυστέρηση και την αξιοπιστία του δικτύου. Το μέλλον των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας είναι λαμπρό και η ενοποίηση ασύρματων και οπτικών τεχνολογιών είναι έτοιμη να ξεκλειδώσει πρωτοφανείς νέες δυνατότητες σε αυτόν τον τομέα. Σε αυτή την δουλειά, αφού συζητηθούν τα 5G KPIs και οι απαιτήσεις τους, παρουσιάζονται αρκετές πειραματικές επιδείξεις για την απόδειξη της σκοπιμότητας μετάδοσης υψηλής απόδοσης σε ένα πλήρως αναλογικό σύστημα που περιλαμβάνει οπτική μεταφορά με RF κατευθυντικότητα (beamstring), διατηρώντας παράλληλα τη συμβατότητα με το παλαιού τύπου ψηφιακό δίκτυο. Συγκεκριμένα, μια αναλογική σύνδεση Fiber-Wireless που διαθέτει μια συστοιχία κεραίας φάσης στη V-Band (PAA) διερευνάται αρχικά ως προς i) την απόκριση συχνότητας, ii) την απόδοση σε διαφορετικές συνθήκες ρύθμισης (όπως διαφορετικά μήκη ινών και τεχνικές RF) και iii) την μέγιστη χωρητικότητα μετάδοσης ζώνης. Στη συνέχεια, η μελέτη περιλαμβάνει μετρήσεις δύο τόνων επισημαίνοντας τρεις λειτουργικές περιοχές με βάση τη γραμμικότητα της ζεύξης, και επίδειξη σε επίπεδο συστήματος μετάδοσης Frequency ή Spatial Division Multiplexing σε πολλούς χρήστες, συγκρίνοντας το beamsteering με την περίπτωση της ισότροπης μετάδοσης. Στη συνέχεια, περιγράφεται μια δεύτερη πειραματική επίδειξη σε επίπεδο συστήματος, χρησιμοποιώντας έναν Optical Add/Drop Multiplexer και τέσσερις κεραίες PAA και επιτυγχάνοντας για πρώτη φορά κάλυψη μικρής κυψέλης 360° FiWi. Τέλος, με μια τρίτη πειραματική επίδειξη με το προτεινόμενο αναλογικό σύστημα Fiber-Wireless, που περιλαμβάνει τέσσερις παράλληλες ροές δεδομένων για την επίτευξη χωρητικότητας ρεκόρ των 40 Gbps αποδεικνύεται η δυνατότητα μετάδοσης τόσο αναλογικής όσο και ψηφιακής κίνησης, υποδηλώνοντας έτσι τη σκοπιμότητα ανάπτυξης συστημάτων που να ανταποκρίνονται σε πραγματικές ανάγκες.
description: The integration of wireless and optical technologies in the field of cellular communication systems has been gaining increased importance in recent years, especially with the emergence of novel applications such as Augmented Reality, Virtual Reality, Internet-of-Things, Industrial Automation, and Autonomous Vehicles. These applications are expected to be on the verge of mass commercialization and mobile networks are projected to contribute the most substantial share, up to 50%, of the anticipated surge in traffic. To keep up with the volume of data and bandwidth consumed by modern wireless channels, advanced optical communication techniques must be deployed at the edges of cellular networks. This ensures that the signals transmitted wirelessly are efficiently transported through a competent fronthaul, also referred to as "BBU-to-RRH transport". The upcoming generation of cellular networks, known as 5G, is driving the development of both wireless and optical technologies to enhance the network's capacity, latency, and reliability by several folds. Expectations are high, with an anticipated data traffic of 10s of Gb/s in networks characterized by ultra-high reliability and latencies as low as microseconds range. To achieve this revolutionary transformation of the global cellular system, the International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) has defined three categories or "families" of 5G Use Cases. The Enhanced Broadband (eMBB) connectivity category that aims to provide ubiquitous high data rates for massive data transmissions, while the Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) family targets applications where low latency and high reliability are essential, such as emergency response, remote diagnosis/surgery, medical or firefighter intervention, smart energy, and grid. The third family of 5G Use Cases is focused on machine-to-machine interconnection, aiming to support over 70 billion devices expected by 2025 for applications such as industrial automation, IoT, and autonomous driving. In addition, Fixed Wireless Access (FWA) was introduced as a fourth category due to the growing interest in achieving ubiquitous wideband connectivity worldwide. European manufacturers such as Nokia and Ericsson, and major global players in Asia and the US, including Huawei and Qualcomm, have explicitly stated their intentions to put forth consistent efforts in developing an early-deployable FWA infrastructure. Researchers have explored technologies such as millimeter-wave spectrum usage for point-to-multipoint wireless communications and analog/digital radio-over-fiber for efficient transport of the vast amount of data from and to the novel RF spectral region. This has enabled an unprecedented bandwidth usage of several GHz over the air interface. In this context, remarkable demonstrations of Fiber-Wireless communication systems have emerged. These systems combine optical and millimeter-wave wireless technologies to deliver ultra-high capacity and ultra-low latency cellular communication systems. Overall, the integration of wireless and optical technologies is expected to pave the way for new and innovative applications in the field of cellular communication systems. With the ever-growing demand for high-speed data transmission, the development of advanced optical communication techniques at the edges of cellular networks is critical. The 5G network's emergence has brought about a new wave of development in both wireless and optical technologies, enhancing the network's capacity, latency, and reliability. The future of cellular communication systems is bright, and the integration of wireless and optical technologies is poised to unlock unprecedented new possibilities in this field. In this work, after discussing the 5G KPIs and requirements, several experimental demonstrations are presented towards proving feasibility of high throughput transmission for a fully analog system comprising optical transport and beamsteered RF, while maintaining compatibility with the legacy, digital network. Specifically, an analog Fiber-Wireless link featuring a V-Band Phased Antenna Array (PAA) is initially investigated in terms of i) frequency response, ii) performance in different settings conditions (such as different fiber lengths and RF techniques) and iii) maximum, single-band transmission capacity. Following, a study comprising two tones measurements highlights three operational regions based on the link’s linearity, introductory to a first, system level demonstration taking advantage of the system’s linearity to perform Frequency or Spatial Division Multiplexing transmission to multiple users, comparing beamsteering and isotropic RF channels. Then, a second system-level experimental demonstration is reported, employing an Optical Add/Drop Multiplexer and four PAA antennas and achieving ubiquitous 360° FiWi small cell coverage for the first time. Concluding, a third experimental demonstration provides even deeper insights on the proposed analog Fiber-Wireless system comprising four parallel data streams to achieve the record capacity of 40 Gbps while proving analog/digital traffic coexistence, thus strongly suggesting real-world deployment feasibility.