Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Sistema ópticos-sem fio 5G NR com um transmissor de múltiplos comprimentos de onda em óptica integrada
Autor(es): CUNHA, Matheus Sêda Borsato
Primeiro Orientador: SPADOTI, Danilo Henrique
metadata.dc.contributor.advisor-co1: SODRÉ JUNIOR, Arismar Cerqueira
Resumo: Este trabalho aborda uma solução de implementação de sistemas de rádio sobre fibra (RoF – radio-over-fiber) para aplicações em redes sem fio de quinta geração (5G) e gerações futuras. A solução proposta é demonstrada com a aplicação de um transmissor de múltiplos comprimentos de onda (MWT – multiwavelength transmitter) integrado em uma plataforma de fosfeto de índio (InP – indium phosphide), como fonte geradora de portadoras ópticas. Primeiramente, será apresentado o circuito fotônico integrado (PIC – photonic integrated circuit) e a caracterização do MWT, que integra oito laseres sintonizáveis em comprimento de onda, visando reduzir a complexidade e dimensões do transmissor, permitindo soluções 5G compactas, de alto desempenho e menor custo. Posteriormente à caracterização, é implementado um fronthaul óptico 5G multi-banda usando dois sinais no padrão 5G novo rádio (NR – new radio) e um sinal no padrão LTE-A. Os sinais são avaliados em dois cenários distintos, em função da magnitude vetorial do erro quadrático médio (EVMRMS), de acordo com os requisitos do 3GPP Release 15. No primeiro, três portadoras ópticas na banda C são moduladas de forma independente, cada uma com um dos sinais de radiofrequência (RF) mencionados caracterizando uma multiplexação por divisão de comprimento de onda, enquanto a multiplexação de subportadora é aplicada ao segundo cenário para modular conjuntamente os três sinais de RF uma única portadora óptica. Uma taxa da ordem de Gbit/s é demonstrada para validar a aplicabilidade do MWT integrado para permitir múltiplas aplicações e/ou diversos padrões de RF. O PIC do transmissor é implementado em sistemas de comunicações ópticos-sem fio. A primeira implementação se refere a um sistema baseado na convergência das redes ópticas para as redes de RF, chamado fibra-sistemas sem fio (FiWi – fiber-wireless). Neste sistema, três sinais de RF, nos padrões do 4G/5G, são simultaneamente transportados por um enlace de RoF de 12,5 km de comprimento. As transmissões de RF no meio sem fio são demonstradas através de um enlace em ambiente interno de 10 m de comprimento semelhante a uma picocélula e um enlace externo realista de 115 m de comprimento. A segunda proposta foi um sistema de RoF de 12,5 km seguido por enlace baseado em óptica de espaço livre (FSO – free space optics) de 1,5 m, visando a rede de acesso ao usuário final. Nessa prova de conceito, um sinal M-QAM foi transmitido em um canal do MWT apenas. Os sinais recebidos nas duas implementações estão em conformidade com os requisitos do 3GPP Release 15, em termos de EVMRMS, e demonstram uma taxa de bits de 1,36 Gbit/s e 230 Mbit/s nos cenários de 10 m e 115 m, respectivamente, e uma taxa de 160 Mbit/s para o enlace em FSO.
Abstract: This work addresses a solution for the implementation of radio over fiber (RoF - radio-over-fiber) systems for applications in fifth-generation (5G) wireless networks and future generations. The proposed solution is demonstrated with the application of a multiwavelength transmitter (MWT – multiwavelength transmitter) integrated into an indium phosphide platform (InP – indium phosphide), as a source for generating optical carriers. First, the photonic integrated circuit (PIC) and characterization of the MWT are presented. The PIC integrates eight tunable wavelength lasers, aiming to reduce the complexity and dimensions of the transmitter, allowing for compact, high-performance, and smaller 5G solution cost. After the characterization, a multi-band 5G optical fronthaul is implemented using two 5G new radio (NR) signals and one LTE-A signal. The signals are evaluated in two distinct scenarios, as a function of the root mean square error vector magnitude (EVMRMS), according to the requirements of 3GPP Release 15. In the first phase, three optical carriers in C-band are independently modulated with three mentioned RF signals featuring wavelength division multiplexing, whereas subcarrier multiplexing is applied to the second scenario to jointly modulate the three RF signals into a single optical carrier. Gbit/s throughput is demonstrated to validate the applicability of the integrated MWT to allow multiple applications and/or diverse RF standards. The PIC transmitter is implemented in wireless optical communication systems. The first implementation refers to a system based on the convergence between optical networks and RF networks, called fiber-wireless (FiWi) system. In this system, three RF signals, in 4G/5G standards, are simultaneously transported over a 12.5 km long RoF link. RF transmissions in the wireless medium are demonstrated using a 10 m long indoor picocell-like link and a 115-m long realistic outdoor link. The second proposal presents a 12.5 km RoF system followed by a 1.5 m free-space optics (FSO) link, targeting the end-user access network. In this proof of concept, an M-QAM signal is transmitted on only one MWT channel. The received signals in both implementations comply with the requirements of 3GPP Release 15, in terms of EVMRMS, and show a total throughput of 1.36 Gbit/s and 230 Mbit/s in the scenarios of 10 m and 115 m, respectively, and a throughput of 160 Mbit/s for the link in FSO.
Palavras-chave: Física dos semicondutores
Física dos laseres
Sistemas ópticos
Sistemas de rádio sobre fibra
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3887
Data do documento: 29-Mar-2022
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