Assessment and modelling of an RF/FSO hybrid technology for 6G backhaul links

The next generation of communications (6G) will require improved performances in terms of data rate and traffic. At this aim, new relevant research revolving around the FSO and mmWave technologies are being carried out. These technologies have been known and studied for a long time. The utilization of optical wavelength for the wireless transmission could offer enhanced data rate, security, and the exploitation of an unlicensed bandwidth. On the other hand, mmWave presents a large bandwidth and the possibility to develop small antennas with low spectral efficiency. However, the complexity of maintaining successful transmissions for adverse atmospheric conditions, has hampered the possibility of deployment these systems. In facts, FSO technologies are severely damaged by the presence of fog and rain particles, especially for heavy rainfall, and this has not permitted to deploy them. mmWave systems, instead, are affected by precipitations, due to the interaction between the radiation and the raindrops. In order to solve this issue, hybrid RF/FSO systems are under investigation. The combined utilization of these technologies could offer the perfect solution for the next generation of communications. The complementary features could make to neglect the meteorological impact acting on the single links, allowing the use of the promising joint characteristics of these systems. The procedure to develop hybrid networks requires a thorough knowledge of the damages caused by the two principal weather conditions on the FSO and mmWave channels. For this reason, this thesis investigates the responses of the links during adverse meteorological phenomena and assesses the currently available theoretic predictions. Moreover, it is fundamental to observe how a hybrid system could work in a real environment. This dissertation, despite being a starting point for the development of the hybrid RF/FSO transmissions, offers a new point of view on the logic and performances that could be offered by such a solution, enriched by a vast quantity of real data collected by different sensors for over one year.

La prossima generazione di comunicazione (6G) richiederà un miglioramento delle performance in termini di traffico e velocità di trasferimento dati. Al fine di ottenere questi risultati, un grande interesse è stato suscitato sia dall’ utilizzo di frequenze ottiche per la comunicazione wireless sia dall’utilizzo di segnali con lunghezze d’onda millimetriche. I sistemi con frequenze ottiche (FSO) sfruttano una banda senza licenza e apportano migliorie in termini di rapidità e sicurezza, non subendo l’interferenza delle onde elettromagnetiche. Per quanto riguarda le onde millimetriche, queste presentano un’ampia banda e possono portare allo sviluppo di antenne di dimensioni ridotte, con array che permettono di sfruttare la tecnica di beamforming. Il principale ostacolo allo sviluppo di queste tecnologie è rappresentato dall’impatto negativo che i fenomeni atmosferici possono causare su queste trasmissioni. Difatti, i segnali ottici sono danneggiati dalla presenza di particelle di nebbia e, in misura minore, da quelle di pioggia. Al contempo, le onde millimetriche subiscono un’attenuazione maggiore dalle precipitazioni ma le loro trasmissioni rimangono sostanzialmente invariate in caso di nebbia. Gli svantaggi che caratterizzano questi singoli sistemi di comunicazione potrebbero essere mitigati da un loro utilizzo combinato. A questo scopo la ricerca si è concentrata sullo sviluppo di sistemi ibridi RF/FSO, in modo tale da sfruttare le proprietà vincenti offerte dai due sistemi. Tutto ciò, tuttavia, richiede uno studio approfondito sugli effetti dei fenomeni meteorologici sui canali di trasmissione. Questa tesi ha lo scopo di esaminare e vagliare sia l’effetto reale che pioggia e nebbia generano sui segnali ottici e millimetrici, sia l’abilità dei modelli predittivi di stimare l’attenuazione causata. Infine, è utile analizzare il funzionamento di un sistema ibrido nella realtà. Sebbene questo studio rappresenti un punto di partenza per lo sviluppo di sistemi ibridi, è in grado di offrire un nuovo punto di vista riguardo il funzionamento e la logica alla base di queste tecnologie, arricchito da una vasta quantità di dati relativi a sensori meteo e ricetrasmissioni.