Interference mitigation techniques in hybrid wired-wireless communications systems for cloud radio access networks with analog fronthauling

Radio Access Network (C-RAN) is an attractive solution to handle the huge number of user devices and antennas that are expected to populate next generation (5G and beyond) communication networks. C-RAN is already adopted in current (4G) mobile networks, in which BaseBand Units (BBUs) and Remote Antenna Units (RAUs) exchange In-phase and Quadrature (I/Q) digitized signals over the so-called FrontHaul (FH) link. However, the expected increase in radio frequency bandwidth calls into question the effectiveness of digital I/Q stream. Among the numerous FH functional splits that have been proposed over the last years, mostly based on digital FH, C-RAN based on analog fronthauling is considered a low-cost and bandwidth efficient solution. In analog C-RAN, the RAUs directly relay the radio signals to/from the BBU, thus bypassing any bandwidth expansion due to digitization, reducing latency, and providing synchronization among multiple RAUs. In particular, C-RAN with analog FH based on copper cables, namely Analog Radio-over-Copper (A-RoC), is a suitable solution to enhance indoor wireless coverage into buildings and enterprises. In this thesis, A-RoC is considered for multiple-antennas RAUs and multiple twisted-pairs copper cables, e.g., Local Area Networks (LAN) cables, thus leading to the Analog MIMO RoC paradigm. In the proposed A-MIMO-RoC architecture, radio signals from multiple-antennas are opportunely mapped over the copper cables multiplexed both in space dimension, given by the multiple twisted-pairs, and in frequency dimension, given by the bandwidth of each twisted pair. Such all-analog radio-cable resource mapping enables the full exploitation of the transport bandwidth capability of copper cables. The A-MIMO-RoC system design requires the optimization over the cascade of two different MIMO channels, i.e., the radio and cable channels, each of which with different characteristics and constraints. As a first step, signal processing techniques have been investigated for these two channels, separately. In particular, on the one hand, the focus was on non-linear precoding techniques for next generation xDSL systems, namely G.fast; on the other hand, interference mitigation techniques have been designed for wireless systems with focus on multi-operator scenarios, and for optical wireless systems, i.e., Visible Light Communications (VLC). Merging the knowledge acquired from this preliminary step, the core of the thesis discusses the design and optimization of the Analog-MIMO-RoC architecture, which is complicated by the mutual interaction between the wireless and wired communication channels. This thesis provides extensive numerical analysis showing the benefits of the proposed A-MIMO-RoC architecture for 5G indoor networks. As a conclusive step, the real world implementation of the proposed architecture has been demonstrated by developing a first A-MIMO-RoC prototype, which was able to prove experimentally and for the first time the potentials of the proposed analog C-RAN architecture for FH indoor applications.

Centralizzare la rete di accesso radiomobile (Centralized Radio Access Network, C-RAN) rappresenta un’attraente soluzione per gestire la grandissima mole di dispositivi utente e antenne che, come previsto, popoleranno le reti di comunicazione di nuova generazione (5G). La attuale rete radiomobile (4G) si base su una soluzione C-RAN in cui le stazioni di elaborazione del segnale in banda-base (BaseBand Units, BBUs) e quelle che contengono le antenne remote (Remote Antenna Units, RAUs) si scambiano segnali digitali in fase e in quadratura (In-Phase and Quadrature, I/Q) attraverso il cosiddetto canale di comunicazione di FrontHaul (FH). Tuttavia, l’aumento della banda a radio-frequenza prevista dai sistemi 5G mette in discussione l’efficacia di tale comunicazione basata sul flusso di segnali digitali I/Q. Tra le numerose alternative che sono state proposte negli ultimi anni per ridistribuire le funzionalità della rete di accesso radiomobile tra BBUs e RAUs, per lo più basate su FH digitale, le soluzioni C-RAN basate su FH analogico sono considerate soluzioni piuttosto efficienti sia dal punto di vista del costo che dell’occupazione di banda. Nelle soluzioni C-RAN analogiche, le RAUs inoltrano direttamente i segnali a radio-frequenza analogici a/da le BBUs, evitando quindi ogni espansione di banda dovuta alla digitalizzazione, riducendo la latenza del sistema e fornendo sincronizzazione tra multiple RAUs. In particolare, i sistemi C-RAN analogici che utilizzano cavi di rame per il FH, noti come sistemi Analog Radio-over-Copper (A-RoC), sono particolarmente adatti per potenziare la copertura radio all’interno degli edifici. Questa tesi tratta di sistemi A-RoC per RAUs equipaggiate con una schiera di antenne e per cavi di rame contenenti multipli doppini, per esempio cavi di rete locale (Local Area Network, LAN), dando così vita al paradigma A-MIMO-RoC, dove MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) si riferisce a sistemi di comunicazione equipaggiati con schiere di antenne sia al trasmettitore che al ricevitore. Nell’architettura A-MIMO-RoC proposta nella tesi, i segnali radio alle antenne della RAU vengono opportunamente mappati su cavi di rame, multiplexati sia nello spazio (dimensione definita dai vari doppini che compongono ogni cavo) sia in frequenza (dimensione definita dalla banda di ciascun doppino). Tale schedulazione completamente analogica tra risorse radio e risorse su cavo permette di sfruttare al massimo le potenzialità di trasporto offerte dai cavi di rame. Il sistema A-MIMO-RoC richiede però l’ottimizzazione della cascata di due canali MIMO distinti, ovvero quello radio e quello su cavo, ognuno dei quali presenta diverse caratteristiche e vincoli tecnologici. Come primo passo, sono state investigate tecniche di elaborazione del segnale per ognuno di questi due canali MIMO, considerati singolarmente. Per essere più specifici, da un lato ci si è focalizzati su tecniche di precodifica non lineare per sistemi DSL (Digital Subscriber Lines) di nuova generazione, vale a dire G.fast; dall’altro sono state progettate tecniche di mitigazione dell’interferenza per sistemi radio caratterizzati dalla coesistenza di più operatori, e per sistemi ottici senza fili, vale a dire sistemi di comunicazione ottica su portante visibile (Visible Light Communications, VLC). Unendo le conoscenze acquisite durante questo passaggio preliminare, il nucleo della tesi tratta del progetto e ottimizzazione dell’architettura A-MIMO-RoC, entrambi complicati dalla mutua interazione tra i canali radio e cavo. La presente tesi fornisce dettagliate analisi numeriche che mostrano i vantaggi dall’architettura A-MIMO-RoC per reti 5G all’interno degli edifici. Per concludere, attraverso lo sviluppo di un primo prototipo A-MIMO-RoC, è stata dimostrata l’implementazione nel mondo reale della architettura proposta. Tale prototipo ha permesso di dimostrare sperimentalmente and per la prima volta le potenzialità della architettura C-RAN analogica proposta nella tesi per applicazioni FH all’interno degli edifici.