Synthesis of attenuation time series across FSO link for the design of a backhauling solution for 5G beyond networks

FREE Space Optical (FSO) communication is one of the most widely researched technology due to its very interesting characteristics such as high data rate, free license, no electromagnetic interference, light weight, small volume, secure due to narrow laser beam, portability, and low power consumption. However, some limitations due to weather dependency occur which include scattering and absorption, caused by gases and various hydrometers, fog being the most challenging issue which majorly impact on the performance of the FSO link. From the application perspective, we know that in order to provide 5G technology opportunity to users to utilize extremely large bandwidth need the use of a dense network with mini base stations at short range (few 100 meters) which could be connected in two ways i.e. wired or wireless. Solving backhaul connectivity is critical before any 5G small cell deployments can scale up. There is no way to even consider adding wired backhaul drops to thousands of sites in an urban environment which will be expensive require more time and physical efforts. In this respect, FSO links can handle the scale, they are easy to deploy, very large capacity and represent an economic solution over a distance of 100 meters. It is essential that operators planning for high density small cell deployment seriously consider FSO as an option before 5G rollouts begin. In order to use FSO for backhauling, our proposed work is very useful in providing the methodology to generate synthetic attenuation values of signal fading and its characteristics over different low visibility conditions even before the deployment. This research work is directed to propose a procedure for a synthetic attenuation time series synthesizer for low visibility events along terrestrial free space optical links useful for 5G backhauling networks design. To this aim, preprocessing for correct use of data had been done which includes identifying the low visibility events with optimal approach, bias removal on average and event basis, and identifying the best time integration value for all three databases. Later, it is demonstrated that visibility is suitable to derive attenuation time series on a slow time sampling but for fast time sampling, a general statistical technique is proposed. After doing an extensive literature, we selected a procedure for the development of a time series synthesizer among the ones proposed for mm wave and modified the procedure with the introduction of visibility time series at the input instead of using large set of attenuation time series. Also, fast variations obtained through the statistical technique will be superposed to slow fading which made the predicted synthetic attenuation time series more accurate. Finally, after executing detailed step by step procedure, synthetic attenuation time series is constituted by a synthetic component (Fast Fading) each superposed to a component obtained by manipulating measured data (Slow Fading). Large database of measured data collected at Politecnico di Milano and in other two experimental sites of the Europe are considered to validate the proposed work. We tested our procedure on all the events from the different sites and compared synthetic time series attenuation with the measured one on a statistical basis. This testing is based on number of indicators: mean value, standard deviation and RMSE. Overall, we found an excellent result as 88.88% events have 1 dB/km and 0.5 dB/km in terms of difference in mean and standard deviation respectively and RMSE difference is within the 1.5 when considering that it represents the comparison of actual measurements on event basis with a statistical model based on the data from two sites. The performance of the proposed work is excellent in reproducing moderate visibility conditions in the presence of fog (with 88.88% accuracy), rain (100% accuracy) is found. In the case of Milan and Prague, the full model of generating the synthetic attenuation series is applicable and it gives very good results. Unfortunately, considering Milesovka, it works only on generating the slow fading attenuation time series because the measurements were of low sampling rate which doesn’t allow us to identify fast variations. The proposed procedure can be in principle applied to any location provided visibility time series (very simple and inexpensive to collect) are available where the optical link is required to set up.

La comunicazione FREE Space Optical (FSO) è una delle tecnologie più studiate per le sue caratteristiche molto interessanti come alta velocità di trasmissione dati, licenza libera, assenza di interferenze elettromagnetiche, peso leggero, volume ridotto, sicurezza dovuta a fascio laser stretto, portabilità e basso consumo energetico. Tuttavia, si verificano alcune limitazioni dovute alla dipendenza dalle condizioni meteorologiche che comprendono la dispersione e l'assorbimento, causati da gas e vari idrometri, essendo la nebbia il problema più difficile che ha un impatto maggiore sulle prestazioni del collegamento FSO. Dal punto di vista applicativo, sappiamo che per fornire agli utenti 5G opportunità di tecnologia per utilizzare una larghezza di banda estremamente elevata è necessario l'uso di una rete densa con mini stazioni base a breve raggio (alcuni 100 metri) che possono essere collegate in due modi, ad esempio cablate o wireless. La risoluzione della connettività di backhaul è fondamentale prima che eventuali implementazioni di piccole celle 5G possano scalare. Non c'è modo di considerare anche l'aggiunta di drop backhaul cablati a migliaia di siti in un ambiente urbano che sarà costoso e richiederà più tempo e sforzi fisici. A tale riguardo, i collegamenti FSO possono gestire la scala, sono facili da implementare, hanno una capacità molto elevata e rappresentano una soluzione economica su una distanza di 100 metri. È essenziale che gli operatori che pianificano la distribuzione di piccole celle ad alta densità considerino seriamente l'FSO come un'opzione prima che inizino le implementazioni 5G. Al fine di utilizzare l'FSO per il backhauling, il nostro lavoro proposto è molto utile nel fornire la metodologia per generare valori di attenuazione sintetici dello sbiadimento del segnale e le sue caratteristiche in diverse condizioni di bassa visibilità ancor prima della distribuzione. Questo lavoro di ricerca è diretto a proporre una procedura per un sintetizzatore di serie temporali di attenuazione sintetica per eventi a bassa visibilità lungo i collegamenti ottici terrestri a spazio libero utili per la progettazione di reti di backhauling 5G. A tale scopo, è stata effettuata la pre-elaborazione per il corretto utilizzo dei dati, che include l'identificazione degli eventi a bassa visibilità con approccio ottimale, la rimozione di bias in media e la base di eventi e l'identificazione del miglior valore di integrazione temporale per tutti e tre i database. Successivamente, è dimostrato che la visibilità è adatta per derivare serie temporali di attenuazione su un campionamento a tempo lento, ma per campionamento temporale veloce, viene proposta una tecnica statistica generale. Dopo aver fatto una vasta letteratura, abbiamo selezionato una procedura per lo sviluppo di un sintetizzatore di serie storiche tra quelle proposte per l'onda millimetrica e modificato la procedura con l'introduzione di serie temporali di visibilità all'ingresso invece di utilizzare serie di serie temporali di attenuazione di grandi dimensioni. Inoltre, le variazioni veloci ottenute attraverso la tecnica statistica saranno sovrapposte a una dissolvenza lenta che ha reso più accurate le serie temporali di attenuazione sintetica previste. Infine, dopo l'esecuzione dettagliata della procedura passo passo, le serie temporali di attenuazione sintetica sono costituite da una componente sintetica (Fast Fading) ciascuna sovrapposta a un componente ottenuto manipolando i dati misurati (Slow Fading). Ampio database di dati misurati raccolti presso il Politecnico di Milano e in altri due siti sperimentali dell'Europa sono considerati validi per validare il lavoro proposto. Abbiamo testato la nostra procedura su tutti gli eventi dei diversi siti e confrontato l'attenuazione delle serie temporali sintetiche con quella misurata su base statistica. Questo test si basa sul numero di indicatori: valore medio, deviazione standard e RMSE. Nel complesso, abbiamo riscontrato un risultato eccellente in quanto l'88,88% degli eventi ha 1 dB / km e 0,5 dB / km in termini di differenza di media e deviazione standard rispettivamente e la differenza RMSE è compresa tra 1,5 se si considera che rappresenta il confronto delle misurazioni effettive sull'evento base con un modello statistico basato sui dati di due siti. Le prestazioni del lavoro proposto sono eccellenti nel riprodurre condizioni di visibilità moderate in presenza di nebbia (con un'accuratezza dell'88,88%), è stata rilevata pioggia (precisione del 100%). Nel caso di Milano e Praga, il modello completo di generazione della serie di attenuazione sintetica è applicabile e fornisce ottimi risultati. Sfortunatamente, considerando Milesovka, funziona solo sulla generazione delle serie temporali di attenuazione a dissolvimento lento poiché le misurazioni erano di bassa frequenza di campionamento che non ci consente di identificare variazioni veloci. La procedura proposta può essere applicata in linea di massima a qualsiasi posizione, purché siano disponibili serie temporali di visibilità (molto semplici e poco costose da raccogliere) in cui è necessario il collegamento ottico per l'installazione.