Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1224
Main Title: Radio over Fiber based Network Architecture
Translated Title: Radio-over-Fiber basierte Netzarchitektur
Author(s): Kim, Hong Bong
Advisor(s): Wolisz, Adam
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Moderne zell-basierte drahtlose Zugangsnetze zeigen einen Trend zur Erhöhung der Anzahl der Zellen und zur Nutzung höherer Frequenzbereiche, um die explosiv wachsenden Bandbreitenanforderungen zu befriedigen. Dies führt dazu, dass eine große Zahl von Basisstationen (Base Station, BS) installiert werden muss, was wiederum den Kostendruck auf die Entwicklung der einzelnen BS erhöht. Um die Kosten für das Gesamtsystem zu senken, wurde in der Literatur seit einigen Jahren die Nutzung von Radio-over-Fiber (RoF) vorgeschlagen, da diese Technologie funktionell einfache Basisstationen erlaubt, die mit einer Zentralstation (Central Station, CS) über Glasfasern verbunden sind. Diese Technologie zeichnet sich aus durch: 1) Transparenz bzgl. Bitrate und Modulationsverfahren 2) einfache und kleine Basisstationen 3) die Möglichkeit eines zentralisierten Managements. Während der größte Forschungsaufwand auf der physikalischen Schicht betrieben wurde, so für die Entwicklung einfacher BS-Architekturen oder Verfahren des Mikrowellentransports über die Faser, wurden über die höheren Schichten und die Ressourcenverwaltung in diesen Netzen nur wenig veröffentlicht. Die vorliegende Dissertation stellt eine RoF-basierte Netzarchitektur vor, die ihre zentralisierte Struktur effizient nutzt, um die Probleme der Mobilitäts- und Bandbreitenverwaltung zu lösen. Die Arbeit besteht aus 3 Teilen: Die erste Studie behandelt ein RoF-basiertes drahtloses lokales Netz (Wireless LAN, WLAN) im Frequenzband um 60 GHz. Dieses Band bietet ein breites Spektrum und darausfolgend eine potentiell hohe Bandbreite pro Nutzer, aber durch die große Freiraumdämpfung und die schlechten Durchdringungseigenschaften der Millimeterwellen muss ein normaler Raum mit mindestens einer BS ausgestattet werden, was zu einer hohen Zahl an BS im Gebäaude führt. In solch einer Umgebung führen schon kleinere Bewegungen der mobilen Stationen zum Auslösen eines Handover-Vorgangs, und es ist offensichtlich, dass die Mobilitätsverwaltung einen anderen Stellenwert als bei herkömmlichen WLANs haben muss. Ein Mediumzugriffsprotokoll wird vorgestellt, welches verschiedene Dienstgüteanforderungen mit einem schnellen und einfachen Handover verbindet. Orthogonale Frequenzschaltmuster verhindern Interferenzen zwischen benachbarten Zellen und ermöglichen schnellen Zellwechsel um den Preis einer reduzierten Bandbreiteneffizienz. Sechs Varianten dieses Protokolls werden entwickelt und simulativ untersucht. In der zweiten Studie wird eine RoF-basierte Fahrzeug-Straße-Architektur (Road Vehicle Communication, RVC) im mm-Wellenbereich vorgestellt. In diesem Fall wird die Mobilitätsverwaltung noch bedeutsamer und gleichzeitig schwieriger, da durch die kleine Zellgröße und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs der Aufenthalt des Fahrzeugs in der Zelle nur wenige Sekunden kurz ist. Ein Zugriffsprotokoll auf Basis eines dynamischen Zeitmultiplex (TDMA) wir vorgestellt, welches sowohl einen schnellen Handover als auch eine Bandbreitenzuordnung in Abhängigkeit von der Bewegung des Fahrzeugs vornimmt. Auch hier werden Mechanismen zur Bandbreitenverwaltung dargestellt und simulativ bewertet. Ein RoF-basiertes Breitband-Zugangsnetz für dünn besiedelte ländliche Räume oder abgelegene Orte wird in der dritten Studie untersucht. In dieser Architektur verfügt die Zentralstation über optisch abstimmbare Laser (tunable transmitter, TT) und Empfänger (tunable receiver, TR) und benutzt WDM zur Adressierung der verschiedenen Basisstationen, von denen jede auf eine bestimmte Wellenlänge fest eingestellt ist. Obwohl die Kapazität des Systems durch die Anzahl der verwendeten TT/TR-Paare begrenzt ist, bleibt eine einfache Struktur der Zentralstation und der Multiplexgewinn erhalten. Die Eigenschaften der Architektur, des verwendeten Zugriffsprotokolls und des Schedulers werden diskutiert und eine Kapazitätsanalyse zeigt die Eigenschaften des vorgeschlagenen Netzes.
To meet the explosive demands of high-capacity and broadband wireless access, modern cell-based wireless networks have trends, i.e., continuous increase in the number of cells and utilzation of higher frequency bands. It leads to a large amount of base stations (BSs) to be deployed; therefore, cost-effective BS development is a key to success in the market. In order to reduce the system cost, radio over fiber (RoF) technology has been proposed since it provides functionally simple BSs that are interconnected to a central control station (CS) via an optical fiber. It has the following main features: (1) it is transparent to bandwidth or modulation techniques, (2) simple and small BSs, (3) centralized operation is possible. Extensive research efforts have been devoted to the development of physical layer such as simple BS development and radio signal transport techniques over fiber, but few have been reported about upper layer and resource management issues for RoF networks. In this dissertation, we are concerned with RoF based network architecture that makes efficient use of its centralized control capability to address mobility management and bandwidth allocation. This work consists of three parts. In the first study, we consider RoF based wireless local area network (WLAN) operating at 60~GHz bands, which can provide high capacity wireless access; however, due to high propagation and penetration loss in the frequency bands a typical room in a building surrounded by walls must be supported by at least one BS. As a result, numerous BSs are required to cover the building. In such an environment slight movement of mobile hosts (MHs) could trigger handover, which is quite different situation compared to conventional WLAN systems; therefore, it is obvious that handover management becomes a significant issue. In the study, we propose a medium access control (MAC) protocol featuring fast and simple handover and quality of service support. It utilizes orthogonal frequency switching codes to avoid co-channel interference between adjacent cells and achieves fast handover at the cost of bandwidth. Six variants of the protocol are considered and evaluated by a simulation study. In the second study, RoF based network architecture for road vehicle communication (RVC) system at mm-wave bands is proposed. In this case handover management becomes even more significant and difficult due to small cell and high user mobility. An MAC protocol based on dynamic time division multiple access (TDMA) is proposed, which supports fast and simple handover as well as bandwidth allocation according to the movement of vehicles. Bandwidth management schemes maintaining high handover quality are also proposed and evaluated by a simulation study. An RoF based broadband wireless access network architecture for sparsely populated rural and remote areas is presented in the third study. In the architecture a CS has optical tunable-transmitter (TT) and tunable-receiver (TR) pairs and utilizes wavelength division multiplexing to access numerous antenna base stations, each of which is fixed-tuned to a wavelength, for an efficient and flexible bandwidth allocation. Although its capacity is limited by the number of TT/TR pairs, it has simpler CS structure while maintaining trunking efficiency. Characteristics of the architecture, access protocol, and scheduling are discussed; in addition, capacity analysis based on multitraffic loss system is performed to show the properties of the proposed architecture.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11342
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1521
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1224
Exam Date: 4-Oct-2005
Issue Date: 28-Oct-2005
Date Available: 28-Oct-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Architektur
Drahtlos
Faser
Funk
Netzwerk
Architecture
Fiber
Network
Radio
Wireless
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