Next generation access networks : towards higher data rates and optical-wireless convergence

Abstract

A notável evolução das redes de acesso, tanto fixas como móveis, tem sido impulsionada pelos crescentes requisitos de largura de banda. Com o aumento contínuo de tráfego e estagnação das receitas dos operadores, a próxima geração de redes de acesso enfrenta o desafio de suportar elevadas capacidades a baixo custo, indo ao encontro das necessidades dos operadores e dos utilizadores. Esta tese identifica métodos e propostas para melhorar o desempenho destas redes. A primeira parte desta tese é dedicada às redes ópticas de acesso de elevado débito. O impacto das limitações físicas destes sistemas, tais como os efeitos não-lineares da fibra e a largura espectral das fontes ópticas multi-modais, é avaliado, mostrando que é importante dimensionar correctamente os vários parâmetros do sistema para garantir um desempenho em conformidade com as especificações. O impacto destas limitações no desempenho do sistema é significativamente minorado com a introdução de códigos correctores de erros, e é confirmado que esquemas de igualização de potência, responsáveis por reduzir o efeito pertolonge característico de redes ópticas passivas, produzem melhorias substanciais. Com base neste facto, é desenvolvido um método de igualização de potência para aplicação em sistemas de transmissão em modo de rajada, totalmente óptico e com benefícios significativos. A convergência de redes fixas e redes sem fios é o tópico investigado na segunda parte desta tese, onde é incluída uma análise técnica e económica de arquitecturas ópticas para suporte distribuído de antenas remotas. O dimensionamento de protocolos de transmissão digital de sinais de rádio em termos de capacidade requerida mostra que, actualmente, sistemas de baixo custo devem optar pelo uso de métodos de transmissão analógicos. Neste contexto, é modelado um sistema analógico com capacidade para suportar sinais de rádio com elevada largura de banda, mostrando que estes sistemas são adequados aos requisitos futuros.

The remarkable evolution of access networks, both wired and wireless, has been mainly impelled by ever-growing bandwidth demands. In view of the continuous traffic growth and stagnating operator revenues, next generation access networks face the challenge of costeffectively providing higher capacities to meet both customer and operator needs. The present thesis is focused on identifying methodologies and improvement approaches for such systems. The first part of this work is devoted to optical access networks exploiting high data rates. The performance impact caused by the main physical layer limitations of these systems, which include the effect of fibre nonlinearities and the impact of the spectrum of multimode optical sources, is assessed, showing that design rules should be carefully derived to assure a compliant performance. The introduction of correction codes is proven to have a significant benefit on minimizing the influence of such limitations, and burst-mode power equalization is shown to be a fundamental feature to effectively overcome the near-far effect characteristic of typical passive optical access systems. This is the basis for a proposal of an all-optical burstmode equalization scheme, which is shown to significantly improve the system performance. The convergence of wired and wireless domains in the access landscape is the focus of the second part of this thesis, which comprises a technical and economical analysis of optical architectures adequate to support a distributed network of remote antennas. Digital radio transmission protocols are dimensioned in terms of required capacity, showing that nowadays the choice of analogue radio transmission allows the deployment of lower-cost systems. An analogue fibre link designed to carry high bandwidth radio systems is modelled, proving the suitability of such systems to support legacy and future wireless transmission protocols.