Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/47392
Type: Dissertação
Title: Estudo de tecnologias híbridas óptica-rádio para controle de fase em sistemas MIMO
Authors: Lucas Thione Rodrigues Saraiva
First Advisor: Andrea Chiuchiarelli
First Referee: Ricardo Luiz da Silva Adriano
Second Referee: Jhonattan Cordoba Ramirez
Abstract: Atualmente, há uma grande demanda por taxas de transmissão mais elevadas em sistemas de comunicação móvel, impulsionada principalmente pelo 5G, que deve ser capaz de atender ao crescente aumento de dispositivos conectados à rede. Para atender aos novos requisitos, uma das alternativas mais viáveis é estender o uso do espectro de radiofrequências para frequências mais altas (até 100 GHz), reduzindo ao mesmo tempo o tamanho das células RF, devido ao alcance mais limitado das frequências nesse espectro. O uso de um grande número de células de RF, cada célula tendo raio de alcance limitado, torna necessário o emprego de sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) para garantir um nível de cobertura de sinal adequado. Contudo, essas alternativas impõem limitações tecnológicas e econômicas, tornando os sistemas de rádio mais complexos e caros, uma vez que o aumento da taxa de transmissão por canal traz a necessidade de técnicas de processamento digital de sinais (DSP) mais avançadas. Nesse contexto, o uso de sistemas híbridos, em que uma rede óptica integra a arquitetura da rede de acesso de rádio, surge como uma alternativa para garantir altos valores de taxa agregada com baixa complexidade e baixa latência, permitindo explorar a alta capacidade de transmissão da fibra junto com sua baixa atenuação. O transporte de sinais RF sobre fibra óptica, denominado rádio sobre fibra (RoF), além de viabilizar o transporte de grandes quantidades de dados, permite transferir toda a parte de processamento de sinais para uma unidade central remota, conectada por meio de uma rede óptica às estações de rádio base, podendo manter a estrutura dessas últimas a mais simples possível, reduzindo assim custo e latência. As tecnologias hibridas óptica-rádio representam uma solução efetiva para fornecer acesso de rádio de banda larga para a nova geração de redes móveis, visto que podem ser aplicadas especialmente nas comunicações de alta velocidade e para implementar redes de múltiplas células mantendo o processamento de dados centralizado. Em sistemas MIMO, um dos requisitos mais críticos é o controle de fase dos sinais transmitidos por arranjos de antenas, o que garante o controle da diretividade do feixe transmitido (beamforming) e a possibilidade de alterá-la de acordo com a posição de um ou mais dispositivos móveis (beam steering). O controle de fase é feito geralmente no domínio elétrico nas antenas remotas, entretanto essa abordagem torna-se pouco conveniente quando o número de antenas é muito alto, pois aumenta o tempo de processamento e de consequência a latência do sistema. Neste trabalho são estudadas diversas configurações de redes híbridas óptica-rádio voltadas para a transmissão em sistemas MIMO, com o objetivo de realizar o controle da fase inteiramente no domínio óptico, dispensando assim o processamento que seria necessário para implementar esse controle de fase nas próprias células RF, e permitindo centralizar essa função numa unidade remota. O controle de fase no domínio óptico se dá por meio das características de dispersão cromática da fibra, que faz com que canais ópticos em comprimentos de onda diferentes se propaguem com velocidade diferente, sendo as relações de atraso temporal em função da distância espectral de tipo determinístico. Os resultados mostram a viabilidade das técnicas de controle de fase propostas, e a sua aplicabilidade a sistemas formados por arranjos de antenas RF. Além disso, a arquitetura proposta é capaz de operar nas bandas de frequência 5G, utilizando sinais com modulação digital. A configuração proposta é simples e econômica, o que a torna adequada para aplicação em sistemas MIMO de alta densidade.
Abstract: Currently, there is a great demand for higher transmission rates in mobile communication systems, mainly driven by 5G, which must be able to meet the growing increase in network-connected devices. To meet the new requirements, one of the most viable alternatives is to extend the use of the radio spectrum to higher frequencies (up to 100 GHz) while reducing the size of the RF cells, due to the more limited range of frequencies in this spectrum. The use of a large number of RF cells, each cell having limited range, makes it necessary to employ multiple-input multiple-output (MIMO) systems to ensure an adequate level of signal coverage. However, these alternatives impose technological and economical limitations, making radio systems more complex and expensive, since the increase in the transmission rate per channel brings the need for more advanced digital signal processing (DSP) techniques. In this context, the use of hybrid systems, in which an optical network integrates the radio access network architecture, emerges as an alternative to ensure high aggregate rate values with low complexity and low latency, allowing to exploit the high transmission capacity of fiber along with its low attenuation. The transport of RF signals over optical fiber, called radio over fiber (RoF), in addition to enabling the transport of large amounts of data, allows to transfer all the signal processing to a remote central unit, connected by an optical network to the radio base stations, and can keep the structure of the latter as simple as possible, thus reducing cost and latency. Hybrid optical-radio technologies represent an effective solution for providing broadband radio access for the new generation of mobile networks, as they can be applied especially for high-speed communications and for implementing multi-cell networks while keeping data processing centralized. In MIMO systems, one of the most critical requirements is the phase control of the transmitted signals by an array or vector (array) of antennas, which ensures the control of the directivity of the transmitted beam (beamforming) and the possibility to change it according to the position of one or more mobile devices (beamsteering). The phase control is usually done in the electrical domain in the remote antennas, however, this approach is not very convenient when the number of antennas is very high, because it increases the processing time and consequently the latency of the system. In this work, several configurations of hybrid optical-radio networks are studied, with the objective of performing the phase control entirely in the optical domain, thus avoiding the processing that would be necessary to implement this phase control in the RF cells themselves and allowing to centralize this function in a remote unit. Phase control in the optical domain is achieved through the chromatic dispersion characteristics of the fiber, which causes optical channels at different wavelengths to propagate at different speeds, with the time delay relationships as a function of spectral distance being deterministic. The results show the feasibility of the proposed phase control techniques, and their applicability to RF antenna array systems. Furthermore, the proposed architecture is capable of operating in the 5G frequency bands using digitally modulated signals. The proposed configuration is simple and cost-effective, which makes it suitable for application in high-density MIMO systems.
Subject: Engenharia elétrica
Radiofrequência
Comunicações digitais
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/47392
Issue Date: 21-Jun-2022
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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