Optical Beamforming Networks for Next Generation Mobile Communication Systems

Abstract

Τα ασύρματα δίκτυα πέμπτης Γενεάς (5G) βρίσκονται ήδη σε προχωρημένο στάδιο ανάπτυξης, ανοίγοντας νέους ορίζοντες όχι μόνο για το κόσμο των τηλεπικοινωνιών αλλά και για τις ανθρώπινες κοινωνίες. Για να εκπληρωθούν όμως αυτές οι φιλόδοξες απαιτήσεις των 5G δικτύων, έχει γίνει φανερό ότι οι περιορισμένοι φασματικοί πόροι που είναι διαθέσιμοι κάτω από τα 6 GHz δεν επαρκούν. Ως εκ τούτου, τα συστήματα κινητών επικοινωνιών υψηλής χωρητικότητας σε συχνότητες άνω των 6 GHz, θεωρούνται το μέσο όχι μόνο για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων των δικτύων 5G αλλά και για την ανάπτυξη των επόμενων Γενεών. Ωστόσο, όσο η συχνότητα λειτουργίας μετατοπίζεται σε υψηλότερες φασματικές ζώνες, η απόδοση του συστήματος αρχίζει να επιδεινώνεται λόγω των σοβαρών απωλειών διάδοσης. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, στοιχειοκεραίες αποτελούμενες από εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες στοιχεία πρέπει να χρησιμοποιηθούν ώστε να δημιουργήσουν κατευθυντικές δέσμες έτσι ώστε να αυξήσουν το κέρδος της ασύρματης ζεύξης και να βελτιώσουν το σηματοθορυβικό λόγο του συστήματος. Ωστόσο, αυτές οι δέσμες παρέχουν μόνο περιορισμένη χωρική κάλυψη, η οποία δεν ενδείκνυται για χρήση σε ένα γρήγορα μεταβαλλόμενο περιβάλλον με πολλούς χρήστες. Σε αυτό το πλαίσιο, ο ρόλος της λειτουργίας της σχηματοποίησης δεσμών, χάρη στην ικανότητά της να κατευθύνει μία ή περισσότερες ασύρματες δέσμες προς τις επιθυμητές κατευθύνσεις, αναμένεται να γίνει ακόμη σπουδαιότερος. Τόσο στην περίπτωση λειτουργίας μιας δέσμης όσο και στην περίπτωση λειτουργίας πολλαπλών δεσμών, τα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών εφαρμόζουν κατάλληλα σήματα διέγερσης σε κάθε ξεχωριστό στοιχείο μιας στοιχειοκεραίας με σχετικές χρονικές καθυστερήσεις ή σχετικές φάσεις που αντιστοιχούν στις επιθυμητές γωνίες στόχευσής των μικροκυματικών δεσμών. Στα τρέχοντα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών που λειτουργούν στη φασματική περιοχή κάτω των 6 GHz, η προσαρμογή αυτών των καθυστερήσεων πραγματοποιείται είτε ψηφιακά, είτε αναλογικά είτε με υβριδικές υλοποιήσεις. Ωστόσο, στις υψηλότερες συχνότητες, το εύρος ζώνης των σημάτων σε σχέση με την φέρουσα συχνότητα αυξάνεται όπως και ο αριθμός των κεραιών, με αποτέλεσμα αυτές οι ηλεκτρονικές λύσεις να αρχίζουν να έχουν σημαντικούς περιορισμούς. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, έχουν προταθεί λύσεις που βασίζονται στην τεχνολογία μικροκυματικής φωτονικής ως μια ισχυρή εναλλακτική τεχνολογία για την επεξεργασία σημάτων μικροκυμάτων και την υλοποίηση δικτύων σχηματοποίησης δεσμών υψηλής απόδοσης, αμιγώς στο οπτικό πεδίο. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το σχεδιασμό, την υλοποίηση, την ολοκλήρωση συστημάτων και την πειραματική αξιολόγηση της απόδοσης των οπτικών δικτύων σχηματοποίησης δεσμών για στοιχειοκεραίες πολλαπλών στοιχείων. Ακολουθώντας μια ολιστική και συστηματική προσέγγιση, η ανάλυση ξεκινάει από τη θεωρία που υπαγορεύει τη λειτουργία τέτοιων πολύπλοκων συστημάτων και συνεχίζει με το σχεδιασμό, την υλοποίηση, καθώς και την πειραματική αξιολόγηση τεσσάρων διαφορετικών οπτικών δικτύων σχηματοποίησης δεσμών. Συγκεκριμένα, προτάθηκε και αναλύθηκε μια αρχιτεκτονική ενός M×N οπτικού δικτύου σχηματοποίησης δεσμών, η οποία υποθέτοντας λειτουργία στη καθοδική ζεύξη ενός τηλεπικοινωνιακού καναλιού μπορεί να οδηγήσει μια στοιχειοκεραία με N στοιχεία και να συνθέσει M ανεξάρτητες μικροκυματκές δέσμες, ενώ υποθέτοντας λειτουργία στην ανοδική ζεύξη, μπορεί να υποστηρίξει την λήψη M ανεξάρτητων δεσμών. Για την πειραματική επαλήθευση της αρχής λειτουργίας της παραπάνω αρχιτεκτονικής, αναπτύχθηκε ένα πλήρως λειτουργικό σύστημα το οποίο μοντελοποιεί ένα 2×4 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης δεσμών. Η ανάπτυξη του συστήματος ακολούθησε τις βασικές αρχές της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής και η υλοποίηση της βασίστηκε σε εμπορικά διαθέσιμα οπτικά και οπτό-ηλεκτρονικά στοιχεία. Χρησιμοποιώντας διαμορφωμένα QAM σήματα με φέρουσες συχνότητες στα 15 GHz, το οπτικό δίκτυο αξιολογήθηκε, υπολογίζοντας τον αριθμό των εσφαλμένων ψηφίων και για τις τρεις διαφορετικές λειτουργίας (σχηματοποίηση μονής δέσμης, σχηματοποίηση πολλαπλών δεσμών και πολυεκπομπή). Στη συνέχεια, παρουσιάζεται και αξιολογείται πειραματικά ένα πλήρως ολοκληρωμένο 1×4 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης δέσμης χάρη στις InP και Si3N4 φωτονικές πλατφόρμες ολοκλήρωσης. Το ολοκληρωμένο δίκτυο υποστηρίζει τη δημιουργία και σχηματοποίηση μιας μικροκυματικής δέσμης με κεντρικές συχνότητες έως και 40 GHz και μπορεί να επιλέγει γωνίες στόχευσης με συνεχές βήμα. Η πειραματική αξιολόγηση του συστήματος πραγματοποιήθηκε σε δυο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μετρήθηκε το κέρδος ζεύξης μέχρι τα 40 GHz, η εικόνα θορύβου καθώς και το SFDR2,3 στις συχνότητες 5 GHz και 10 GHz. Στο δεύτερο στάδιο, θεωρώντας το οπτικό δίκτυο είναι μέρος μιας καθοδικής ζεύξης ενός ασύρματου τηλεπικοινωνιακού συστήματος και χρησιμοποιώντας σήματα QAM με ρυθμό συμβόλων ίσο με 500 Mbaud στα 5 και 10 GHz ως σήματα εισόδου, αξιολογήσαμε την απόδοση του ως προς το ρυθμό εσφαλμένων ψηφίων και το διανυσματικό μέγεθος σφάλματος για γωνίες στόχευσης από 45° έως 135°. Έπειτα, για πρώτη φορά, παρέχεται ένα στέρεο υπόβαθρο για το σχεδιασμό και τη λειτουργία ενός δικτύου οπτικής διαμόρφωσης δέσμης πολλαπλών δεσμών με βάση τη μήτρα Blass μέσω μαθηματικής ανάλυσης και εκτεταμένων μελετών προσομοίωσης. Αρχικά, επιβεβαιώνεται η αρχή λειτουργίας της αρχιτεκτονικής και συγκεκριμένα, αναλύεται πως η στροφή της οπτικής φάσης των διαμορφωμένων οπτικών σημάτων, η οποία επιτυγχάνεται χάρη στην οπτική μήτρα, μεταφράζεται σε ισοδύναμη στροφή φάσης στα μικροκυματικά σήματα στην έξοδο του δικτύου. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου ο οποίος καθορίζει την λειτουργία τόσο οπτικών ολισθητών φάσεων αλλά και των συμβολόμετρων MZIs της μήτρας, έτσι ώστε να επιτευχθεί η σχηματοποίηση πολλαπλών και ανεξάρτητων δεσμών. Στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού έργου, ICT-HAMLET, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα υβριδική οπτική πλατφόρμα ολοκλήρωσης, συνδυάζοντας δυο παθητικές πλατφόρμες, την πολυμερική (PolyBoard) και την TriPleX, με την ενεργή InP πλατφόρμα. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν και χαρακτηρίστηκαν δυο πρωτότυπα. Το πρώτο πρωτότυπο (Precursor-1), φιλοξενεί ένα 2×2 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών βασισμένο στην αρχιτεκτονική Blass-matrix. Λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις πληροφορίες και ευρήματα από τον χαρακτηρισμό του Precursor-1 πρωτότυπου, η κοινοπραξία προχώρησε στον σχεδιασμό και κατασκευή ενός 8×8 οπτικού δικτύου σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών (Module-1). Εκτός από το μεγαλύτερο Blass-matrix δίκτυο, το οποίο βασίζονταν αμιγώς σε οπτικούς πιεζό-ηλεκτρικούς (PZT) ολισθητές φάσης, το πρωτότυπο Module-1 σε σχέση με το Precursor-1, φιλοξενούσε μια οπτική πηγή άμεσης διαμόρφωσης για την επικοινωνία με τον οπτικό δίκτυο fronthaul, 8 InP διαμορφωτές πλάτους, 8 οπτικά φίλτρα και 16 φωτοδιόδους. Στο τελευταίο κεφάλαιο αυτής της διατριβής, συγκεντρώνονται και παρουσιάζονται τα συμπεράσματα καθώς και προτάσεις για μελλοντική μελέτη.