Radio-relaying over optical fiber for cloud radio access networks

The focus of this Thesis is on analog signal transport and processing for future mobile radio access networks, and its content can be broadly divided into four macro-areas. Analog optical PWM is suitable for analog fronthauling as it combines the best features of digital and analog transmission. Indeed, the 2-level waveform involves a relaxation of the linearity requirements, still allowing for an analog signal transport that avoids the bandwidth expansion of digital fronthauling. PWM is experimentally validated for different optical architectures. Besides the conventional optical network layout (that can be summarized in the cascade of a laser, fiber and photodiode), here an innovative architecture is proposed, based on reflection. In this reflective PWM the transmitter (at the remote antennas) is equipped with a modulated reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) that receives, modulates and reflects back a continuous waveform (CW) from an optical source located at the receiver (at the centralized baseband unit, BBU). The modulated reflected signal which is the uplink fronthauling is polarization-separated from the CW seeding signal.PWM analog fronthauling effectively avoids the bandwidth expansion related to digitization of fronthaul signals in state-of-the-art systems, but massive antenna arrays and larger signal bandwidth may call for additional capacity of the fronthaul link. Mode division multiplexing is considered in this Thesis to provide an additional multiplexing dimension and, to ensure the cost-effectiveness of the proposed solution, modal multiplexing is all-optical and passive. To cope with the arising intermodal interference, the mapping between radio resources and optical fronthauling resources is studied and it is shown that appropriate resource assignment can almost overcome the limitations introduced by intermodal interference. In particular, the resources available on the two channels (wireless link antennas-users and wired fronthaul link) are defined in a space-frequency domain, the space being defined by the antenna array for the radio signal and by the propagation modes for the optical fronthaul. Massive antenna arrays and larger signal bandwidth are key features of millimeter wave radio communication, and hybrid beamforming has been proved in literature to provide a valid mean to overcome the channel limitations (mainly the increased path loss) while keeping a reasonable hardware complexity and energy consumption. In this Thesis, the integration of hybrid beamforming and analog fronthauling is tackled. In particular, realistic analog signal processing techniques in the optical domain are considered in order to provide wideband analog processing via tunable delay lines. Tunability is shown to be essential in dealing with a fast-changing radio environment and with time division multiplexing (TDM) of users, but the speed of typical optical tunable elements in achieving a time-varying delay response is not enough. This causes a transient in system performance with degradation of the first transmitted symbol of the TDM frame. To counteract this effect, this Thesis proposes a technology-aware scheduling of time division multiplexed users, together with a digital precompensation of the transient in delay response. Tuning the analog processing at the remote antennas requires a signaling channel parallel to the fronthauling. The proposed solution is based on joint A-RoF fronthaul transmission of the radio signals paired with a binary polarization shift keying (PolSK). This provides a low-cost, low-complexity parallel channel between the BBU and the RRH that can be used, e.g., to control the analog beamformer at the RRH and to feed back CSI from the radio channel.

Questa Tesi tratta di trasmissione ed elaborazione analogica del segnale per le future reti di accesso radiomobili, in cui la stazione radiobase è divisa in un'unità remota che ospita la schiera di antenne e un'unità in banda base, centralizzata. La trasmissione analogica su fibra tramite modulazione a larghezza d'impulso della portante ottica permette di unire i vantaggi di una trasmissione digitale a quelli dell'analogico. La forma d'onda a due livelli consente infatti di rilassare i requisiti di linearità dei componenti ottici, allo stesso tempo consentendo una trasmissione analogica (la durata degli impulsi trasmessi non è quantizzata) che evita l'espansione in banda tipica della trasmissione digitale. Questo tipo di modulazione è stato validato sperimentalmente con diverse architetture ottiche. Oltre alla struttura tipica di un sistema di comunicazione ottico (riassumibile in una cascata di laser, fibra e fotodiodo), anche un'architettura innovativa, basata sulla riflessione, è stata sperimentata. In questa architettura il trasmettitore (che si trova insieme alle antenne nell'unità remota) è equipaggiato con un amplificatore ottico riflessivo a semiconduttori (RSOA) che riceve, modula e riflette il segnale ottico che proviene da una sorgente situata al lato ricevitore (cioè all'unità in banda base, centralizzata). I due segnali ottici (quello continuo che alimenta il modulatore e quello modulato) sono separati in polarizzazione. La modulazione a larghezza d'impulso analogica risolve efficacemente il problema di espansione della banda causato dalla digitalizzazione del segnale nei moderni sistemi di fronthauling. Tuttavia, l'utilizzo di schiere d'antenne con molti elementi radianti e la trasmissione di segnali radio a banda larga richiede un ulteriore incremento nella capacità della connessione di fronthauling. La multiplazione a divisione di modo di diversi segnali ottici è proposta come valida opzione per aggiungere una dimensione di multiplazione, cioè quella spaziale data dai modi di propagazione della luce. L'interferenza intermodale introdotta va gestita e, per evitare l'equalizzazione del canale, il grado di libertà dato dalla mappatura tra risorse radio e risorse ottiche permette di gestire efficacemente tale interferenza. In particolare, le risorse a disposizione sui due canali (radio e ottico) sono definite in spazio e frequenza, e la dimensione spaziale è definita dalla schiera d'antenne per quanto riguarda il canale radio, dai modi di propagazione della luce per il canale ottico. Schiere con molte antenne e segnali a banda larga sono caratteristiche fondamentali della comunicazione radio alle onde millimetriche, ed è stato mostrato in letteratura che l'elaborazione ibrida analogico-digitale del segnale permette di superare le criticità del canale radio (in particolare la grande attenuazione sperimentata dal segnale a radio frequenza), limitando la complessità e garantendo l'efficenza energetica dell'hardware. L'integrazione tra elaborazione ibrida del segnale e fronthauling analogico viene analizzata in questa Tesi, e in particolare l'elaborazione analogica del segnale nel dominio ottico consente un'elaborazione a banda larga per mezzo di linee di ritardo riconfigurabili. La riconfigurabilità è essenziale quando si ha a che fare con un canale radio che cambia velocemente e con la multiplazione temporale degli utenti. Tuttavia, la velocità tipica degli elementi ottici non è sufficiente e causa quindi una degradazione delle performance del sistema. Per controbilanciare questo effetto, questa Tesi propone una schedulazione degli utenti che tenga in conto delle limitazioni tecnologiche, insieme a una precompensazione digitale del transitorio nella risposta degli elementi ottici. La riconfigurazione dell'elaborazione analogica del segnale alle antenne remotizzate richiede una segnalazione. La soluzione proposta si basa sulla trasmissione, in parallelo al segnale analogico di fronthauling, di un segnale binario codificato nella polarizzazione del segnale ottico. In questo modo il canale di segnalazione è economico e semplice e può, per esempio, trasportare informazioni per il controllo del'elaboratore analogico o riguardo lo stato del canale radio/ottico. La soluzione proposta è stata validata sperimentalmente.