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Radio over fibre techniques for backhaul and fronthaul
Gomes dos Santos, Jessé
The 5th generation of the mobile network, foreseen to work commercially from 2020, promises to offer significant improvements when compared to previous mobile generations. Among these advances, the minimum experienced user throughput in uplink 50 [Mbps] and downlink 100 [Mbps] stands out. Such new requirements will lead to an exponential growth of aggregation network traffic. To address such theme, this dissertation presents the state-of-the-art subjects
directly related to the collection and distribution of signal in access networks, besides the traffic in fronthaul segment. The theoretical background begins by presenting the main features of 4G/5G mobile dense heterogeneous networks using millimetre wave and massive MIMO. It continues showing the evolution from the Distributed Radio Access Network (D-RAN) to the Centralized Radio Access Network (C-RAN), which creates the fronthaul segment, their requirements, and Radio-over-Fibre (RoF) techniques capable of carrying signals between Remote Radio Head (RRH) and Base Band Unit (BBU),are also presented.
The use of such technologies altogether with Common Public Radio Interface (CPRI) translates into a huge increase in data traffic in the fronthaul segment. In order to minimize these effects, three main techniques have been suggested, one belonging to the analogue domain Analogue Radio over Fibre (A-RoF), and the other two (I/Q compression and functional split) concerning the digital domain. In addition to the previously mentioned demands, the integration between the fronthaul and backhaul segments, contained in the aggregation network, is already a beneficial factor for the proper functioning of the aggregation networks. This integration is supported by Software Defined Network (SDN) and Virtual Radio Access Network (V-RAN).
After collaborating with the beginning readings, showing a deep description about the state of the art design and trends, this dissertation contributes to the currents discussion on front/back-haul presenting a quantitative analysis on the traffic generated in fronthaul, considering the CPRI interface and five different spaces of subcarriers, to confirm the exponential data traffic between the BBU and the RRH.
Numeric evaluations demonstrate the gains offered by compression techniques, which were shown with the potential of saving up to 75% in the amount of data transported in fronthaul. Still in the digital domain, the results of the quantitative analysis regarding to the functional split technique demonstrates an even more relevant saving than the one offered by the compression. In order to verify the performance of the transmission in the analogue domain, the experiment using Analogue Radio over Fibre (A-RoF) shows the feasibility of using this technological option, even though it is hindered by non-linear effects produced by the transceivers present in this transmission model. The main points of design proposed by the 5G-Crosshaul project is presented in the annex.
Die 5. Generation des Mobilfunknetzes verspricht deutliche Verbesserungen im Vergleich zu früheren Mobilgenerationen. Vorgesehen ist, dass sie 2020 kommerziell verwendet wird. Unter den Fortschritten sind insbesondere die minimale Datenrate im Uplink 50 [Mbps] und Downlink 100 [Mbps] hervorzuheben. Diese neuen Anforderungen führen zu einem exponentiellen Wachstum des Datenverkehrs im Aggregationsnetzwerk. Diese Thesis stellt die State-of.the-Art-Themen vor, die sich, neben dem Datenverkehr im Fronthaul-Segment, direkt mit der Sammlung und Verteilung von Signalen im Zugangsnetz beschäftigen. Der theoretische Hintergrund beginnt mit der Präsentation der Main-Features von dichten, heterogenen 4G- und 5GMobilfunknetzen, die Milimeterwellen und Massive MIMO nutzen. Es folgt eine Übersicht über die Entwicklung von Distributed Radio Access Network (D-RAN) zu Centralized Radio Access Network (C-RAN), durch die das Fronthaul-Segment entstanden ist. Seine Anforderungen und Radio-over-Fibre (RoF), die eine Signalübertragung zwischen Remote Radio Head (RRH) und Base Band Unit (BBU) ermöglichen, werden ebenso vorgestellt.
Die Verwendung solcher Technologien zusammen mit dem Common Public Radio Interface (CPRI) führt zu einer enormen Zunahme des Datenverkehrs im Fronthaul-Segment. Um diese Effekte zu minimieren, wurden drei grundlegende Techniken vorgeschlagen. Eine dieser Techniken Analogue Radio over Fibre (A-RoF) erfolgt auf analoger Ebene, die anderen zwei (Kompression und Functional Split) auf digitaler Ebene. Zusätzlich zu den erwähnten Anforderungen ist die Integration zwischen den im Aggregationsnetz enthaltenen Fronthaul- und
Backhaul-Segmenten bereits ein nützlicher Faktor für das einwandfreie Funktionieren der Aggregationsnetzwerke. Diese Integration wird durch Software Defined Network (SDN) und Virtual Radio Access Network (V-RAN) unterstützt.
Außer der gemeinsamen Arbeit an den zu Beginn vorgestellten Themen, daher die detailreiche Beschreibung von State-of.the-Art-Design und –Trends, trägt diese Thesis eine quantitative Analyse des Datenverkehrs im Fronthaul-Segment zu den aktuellen Diskussionen um Front- und Backhaulnetze bei. Die durchgeführte Analyse bestätigt den exponentiellen Datenverkehr zwischen BBU und RRH. Sie berücksichtigt dabei die CPRI-Schnittstelle und fünf verschiedene Abstände zwischen den einzelnen Subcarriern.
Simulationen zeigen die durch Kompressionstechniken ermöglichten Gewinne, die eine Reduzierung von bis zu 75% der Datenmenge im Fronthaul-Bereich ermöglichen. Im digitalen Bereich zeigen die Resultate der quantitativen Analyse der Functional Split-Technik sogar eine noch größere Reduzierung als die Kompressionstechnik. Die Analyse der Nutzung von Analogue Radio over Fibre (A-RoF) verifiziert die Leistung der Übertragung im analogen Bereich und zeigt, dass auch diese Technik möglich ist, obwohl sie unter nichtlinearen Effekten leidet, die durch die Empfänger hervorgerufen werden. Die Haupt-Designpunkte, die das 5G-Crosshaul Projekt vorgeschlagen hat, werden im Anhang vorgestellt.
