Radio over Fiber Systems with Support for Wired and Wireless Services

Abstract

As redes de acesso sem fios e por cabo são duas redes de acesso separadas projetadas para transportar diferentes tipos de informação independentemente. Do ponto de vista de um operador, a gestão e manutenção destas duas redes separadas implica elevados custos. Portanto, os operadores estão à procura de arquiteturas de rede capazes de integrar estas duas redes numa única rede de acesso partilhada. As redes por cabo principalmente baseadas em cabo coaxial e tecnologia de linha de assinante digital possibilitaram o acesso ao serviço triple-play (telefone, televisão e internet) a uma fração significativa da população, no mundo inteiro. Contudo, devido à procura crescente por serviços de banda larga, os operadores têm sido obrigados a substituir a rede de acesso em cabos de cobre por uma rede de acesso em fibra ótica. Redes de fibra-até-casa (FTTH) já são uma realidade no mundo inteiro, e é uma tecnologia de acesso “à prova de futuro” que permite oferecer taxas de transmissão da ordem de Gbit/s por utilizador. Por outro lado, nos últimos anos existiu uma procura crescente por serviços de banda larga sem fios, devido às vantagens do utilizador final em ter conectividade sem fios e simultaneamente mobilidade. A evolução de serviços de voz e texto para serviços interactivos de vídeo e multimédia em sistemas de comunicações móveis é devida principalmente à evolução constante das capacidades de processamento dos dispositivos electrónicos dos utilizadores para manipular conteúdos ricos em multimédia. Devido ao crescimento dos serviços banda-larga móvel, a conectividade móvel e de acesso sem fios de banda larga é agora uma necessidade. Para aumentar a capacidade das redes para as antenas de cada célula, a tecnologia de rádio sobre fibra (RoF) emergiu como uma solução acessível para distribuir sinais de rádio frequência (RF) de banda larga através de fibra ótica até às antenas das estações de base. Deste modo, com a instalação de redes FTTH no mundo inteiro para transportar serviços por cabo, a integração da tecnologia RoF nas redes FTTH para transportar sinais sem fios combinados com um sinal de cabo tem ganho força nos últimos anos como uma solução para a integração suave das duas redes. Nesta tese, uma arquitectura de rede baseada em multiplexação por divisão do comprimento de onda (WDM) de sinais de RoF transmitidos sobre uma rede ótica passiva (PON) é considerada para transportar, em cada comprimento de onda, um sinal de cabo com taxa de transmissão de pelo menos 1 Gbit/s e sinais sem fios, para as instalações do cliente. O transporte sobre fibra de sinais de RF e sinais com modulação ortogonal por divisão de frequência (OFDM) com constelações de ordem elevada são afectados pela dispersão cromática se forem usados sistemas com modulação intensidade e detecção directa (IMDD). Para superar este problema, a modulação ótica em banda lateral única (OSSB) e a modulação ótica tandem em banda lateral única, baseadas no método do desfasamento ou o desvio dinâmico de frequência (chirp) de modulação gerado por um modulador de Mach-Zehnder de dois eléctrodos (DEMZM), são consideradas ao longo da tese. São investigados esquemas de modulação electro-óticos capazes de modular uma portadora ótica com um sinal de cabo combinado com vários sinais sem fios para difusão em bandas separadas, nas instalações do cliente. É proposto um esquema de um transmissor ótico baseado em dois moduladores de Mach-Zehnder z-cut em paralelo, capazes de fornecer, num único comprimento de onda, diferentes sinais sem fios nas bandas de microondas e de ondas milimétricas na região de 60 GHz, conjuntamente com um sinal digital sem retorno a zero. É demonstrada por simulação numérica a transmissão OSSB de um sinal de cabo combinado com sinais sem fios baseados em OFDM, usando o método da filtragem ótica, através de uma WDM-PON com 130km de extensão. Como sinais modulantes são considerados: um sinal OFDM com largura de banda de 1GHz, modulação de amplitude em quadratura com 16 estados de sinalização (16-QAM), transportando dados da tecnologia Gigabit Ethernet (OFDM-GbE); um sinal Long Term Evolution (LTE) com largura de banda de 20MHz e modulação 64-QAM satisfazendo a release 8 da norma; e três sinais OFDM de largura de banda ultra ampla (OFDM-UWB) largura de banda de 528 MHz e modulação em quadratura de fase (QPSK). Para conseguir transmissão bem-sucedida foi necessária a optimização da eficiência de modulação e também das potências eléctricas dos sinais que comandam o modulador. Para mitigar o desvanecimento da potência dos sinais OFDM, induzido pela dispersão cromática, é proposto um método baseado no desvio dinâmico de frequência (chirp) do sinal gerado por um DEMZM. O melhoramento do desempenho conseguido na transmissão com IMDD de um sinal 16-QAM OFDM-GbE, um sinal 16-QAM LTE e um sinal OFDM-UWB, sobre uma PON de grande alcance, é demonstrado por simulação numérica, mesmo quando a portadora ótica é reduzida para melhorar a eficiência de modulação.

Wired and wireless access networks are two separate access networks that were designed to carry different types of information independently. From the point of view of an operator, the management and maintenance of these two separate networks implies high costs. Thus, the operators are looking for network architectures capable of integrating these two separate networks into a single shared access network. The wired access networks mainly based on coaxial cable and digital subscriber line (DSL) technologies have enabled the access to the triple-play service (telephone, television and Internet), reaching a significant portion of the population worldwide. Nevertheless, due to the increasing demand for broadband services, the operators have been compelled to replace the copper cable based networks by optical fiber access networks. Fiber-to-the-home (FTTH) is already a reality worldwide, and is the future-proof access technology that enables the provision of Gbit/s data rates per user. On the other hand, during the last years there was an increasing demand for broadband wireless access, due to the advantages of the end-users having wireless connectivity simultaneously with mobility. The evolution from voice and text based services to video based interactive and multimedia services in mobile communications systems, mainly due to the constant evolution in the processing capabilities of consumer devices for handling rich multi-media content, has contributed to the demand for broadband services such as high definition video. Thanks to the growth of mobile broadband services, broadband mobile connectivity is now a necessity, which also leads to the need of increased capacity in the backhaul of mobile and wireless access networks. In order to provide broadband backhaul to the antennas of each cell, radio-over-fiber (RoF) technology has emerged as an affordable solution to distribute broadband radio frequency (RF) signals through optical fiber to base stations antennas. Therefore, with the worldwide deployment of FTTH networks to carry wired services, the integration of RoF technology into FTTH networks to carry broadband wireless signals combined with a wired signal has gained momentum in the last years, as a solution for a smooth integration of the two networks. In this thesis, a wavelength-division-multiplexing (WDM)-RoF-passive-optical-network (PON) (WDM-RoF-PON) is considered to carry at least a 1 Gbit/s wired signal and several wireless signals per wavelength to each customer’s premises. The transport over fiber of RF signals or orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signals with high order constellations is significantly affected by chromatic dispersion, and eventually the RoF system may not operate at some fiber lengths if intensity-modulation direct-detection (IMDD) systems are used. To overcome this impairment, optical single sideband (OSSB) modulation and optical tandem single sideband (OTSSB) modulation based on the phase-shift method or the modulation chirp of a dual electrode Mach-Zehnder modulator (DEMZM) are considered along the thesis. Electro-optic modulation schemes capable of modulating an optical carrier with a wired signal combined with several wireless signals to be radiated at the customer’s premises in separate bands are investigated. An optical transmitter scheme based on a z-cut dual-parallel Mach-Zehnder modulator (DPMZM) capable of providing, on a single wavelength, different wireless services at the microwave band and at the 60 GHz millimeter-wave band, in coexistence with a digital non-return-to-zero (NRZ) signal, is proposed. OSSB transmission over a 130 km long-reach WDM-PON of a wired signal in coexistence with wireless signals based on OFDM, using the optical filtering method, is demonstrated by numerical simulation. As modulating OFDM signals, a 1 GHz OFDM signal with 16-quadrature amplitude modulation (16-QAM), carrying Gigabit Ethernet data (OFDM-GbE), a 64-QAM long term evolution (LTE) signal with 20 MHz bandwidth, complying with release 8 of the respective standard, and three quadrature phase-shift keying (QPSK) OFDM ultra-wideband (OFDM-UWB) signals, are considered. To obtain successful transmission, optimization of the modulation efficiency and also of the electrical powers that drive the DEMZM was found to be required. For mitigation of the power fading of OFDM signals, induced by chromatic dispersion, a method based on the modulation chirp of a DEMZM is proposed. Performance improvement in the IMDD transmission of a 16-QAM OFDM-GbE signal, a 16-QAM LTE signal, and an OFDM-UWB signal over a long-reach PON is demonstrated by numerical simulation, even when the optical carrier is reduced to improve the modulation efficiency.