• microring resonator
• phase modulation-coherent detection
• reflective semiconductor optical amplifier
• intensity modulation-direct detection
• faster than nyquist
• time-frequency packing
• cloud radio access network
• vertical cavity surface emitting laser

La diffusione di servizi di telecomunicazione ad alta qualità per l’utente mobile ha reso necessario il potenziamento delle infrastrutture delle reti di accesso radio (Radio Access Network-RAN) per poter far fronte all’esosa richiesta di banda da parte di questi servizi. La soluzione adottata dagli operatori va verso una progressiva e totale conversione delle tecnologie in rame in tecnologia ottica con particolare attenzione alle reti ottiche passive (Passive Optical Network-PON) che grazie all’assenza di elementi ottici attivi lungo la tratta di collegamento rappresentano la soluzione più affidabile ed economica per le reti di accesso ottiche.
Per le reti di accesso radio una soluzione che garantirebbe un vantaggio sia in termini economici che in termini prestazionali è rappresentata dall’adozione di una architettura centralizzata, in cui diversi terminali che erogano il servizio agli utenti (rappresentati dalle stazioni radio base-RBS) fanno capo ad un’unica unità centrale di elaborazione dati.
Una rete di accesso radio centralizzata prevede quindi una Remote Radio Unit (RRU o Remote Radio Head-RRH) collocata presso ogni singola cella per la raccolta e l’inoltro dei dati verso un’unità centrale, la Digital Unit (DU o Baseband Unit-BBU) , che si occupa del processing dei dati provenienti da tutte le RRUs ad essa collegate e li inoltra verso la Backhaul network o viceversa preleva i dati dalla Backhaul li elabora e li inoltra oppotunamente alle RRUs.
La struttura centralizzata della RAN consente la riduzione dei costi grazie ad una struttura ed una tecnologia meno complessa e ingombrante dei terminali RRU (presenti in ogni cella e installabili a ridosso delle antenne) rispetto alle classiche RBS. Qesta caratteristica rende le RRU più robuste e di facile alimentazione. Dall’altro lato la condivisione da parte dei terminali RRU di un’unica unità di controllo (la DU) consente di allocare dinamicamente le risorse destinate alle varie celle in modo che rispondano alle reali esigenze del momento, con un notevole risparmio di energia, di banda e una generale ottimizzazione delle risorse.
Infine una struttura centralizzata consente l’impiego di tecniche di nuova concezione denominate Cooperative multipoint (o Coordinated multipoint-COMP) che sfruttano la coordinazione fra le antenne e il processing centrallizzato per ridurre le interferenze ed aumentare il throughput.
Questa struttura è adoperabile ed è in grado di garantire i vantaggi appena enunciati a patto che il sistema di trasmissione ideato per mettere in comunicazione DU e RRUs soddisfi una serie di requisiti stringenti, definiti dal protocollo Common Public Radio Interface (CPRI) adottato per la comunicazione, ed al contempo utilizzi tecniche ed architetture di trasmissione tali da garantire elevate prestazioni a costi contenuti.
A tale scopo l’architettura del sistema di trasmissione ottico qui riproposta presenta una serie di accorgimenti per raggiungere questi obbiettivi tra cui :
• l’utilizzo di un’architettura Wavelength Division Multiplexing in ambito PON in cui viene riservato un canale spettrale per la comunicazione fra la DU ed ognuna delle RRUs al fine di massimizzare la capacità del collegamento; inoltre l’assenza di elementi attivi al di fuori dei terminali della rete garantisce affidabilità, facilità di manutenzione ed in generale minori costi di realizzazione e mantenimento del sistema.
• L’utilizzo di terminali RRUs colorless, cioè funzionanti su diverse lunghezze d’onda entro una certa finestra ottica, la cui lunghezza d’onda di emissione può essere controllata esternamente tramite la DU e che quindi non necessitano di una preconfigurazione hardware, favorendo la serializzazione ed abbattendo i costi di produzione.
• Utilizzo di dispositivi low-cost a basso consumo energetico e facilmente integrabili su silicio come i Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) ed i Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA), le cui basse prestazioni in termini di banda di modulazione non rappresentano un limite stringente alla velocità di trasmissione grazie all’ ausilio di tecniche di trasmissione apposite che fanno largo uso di Digital Signal Processing (DSP).
In particolare per garantire velocità di trasmissione elevate impiegando al minimo le risorse spettrali disponibili (la banda è una risorsa molto costosa) si rinuncia alla tradizionale segnalazione ortogonale. Questo consente inoltre di utilizzare trasmettitori alla DU e alle RRU a basso costo con bande di modulazione molto limitate.
La tecnica adottata in tal senso in questa sede è il Time-frequency Packing (TFP) che consiste nell'invio di treni di impulsi che si sovrappongono nel tempo o in frequenza o in entrambi i domini e permette, introducendo interferenza intersimbolica (ISI) e inter-carrier (ICI) intenzionale, di raggiungere elevate efficienze spettrali anche con formati di modulazione relativamente semplici .
L’uso del TFP non pone particolari vincoli sulla configurazione hardware del sistema di trasmissione ma necessita dell’utilizzo di codici e del digital signal processing opportuno implementato al ricevitore per poter compensare i disturbi e l’interferenza elevata prodotta da una segnalazione non ortogonale.
La tesi proposta è articolata nel seguente modo:
Nel Capitolo 1 dopo una breve panoramica sulle reti PON vengono presentate alcune architetture di sistemi WDM-PON e ricetrasmettitori colorless, presenti in letteratura, da cui si è tratta inspirazione per la progettazione del sistema illustrato nel Capitolo 3 che costituisce l’infrastruttura di collegamento in una RAN. Successivamente viene descritta la struttura tipica di una Radio Access Network e vengono messi in evidenza i requisiti del protocollo CPRI usato per la comunicazione a cui il sistema deve rispondere per garantire il buon funzionamento della comunicazione.
Nel Capitolo 2 vengono inizialmente richiamati schemi basati sia su detection diretta che coerente, con particolare attenzione alle tecniche di multiplazione Wavelength Division Multiplexing e Subcarrier Multiplexing. Viene poi descrittala la tecnica del Time-Frequency-Packing e gli elementi principali del Digital Signal Processing utilizzato in tali ambiti. Successivamente vengono introdotti i dispositivi chiave utilizzati nell’ architettura del sistema di trasmissione: VCSEL, RSOA e microring resonator.
Nel Capitolo 3 dopo aver presentato i requisiti cui deve soddisfare il sistema di trasmissione, viene presentato il sistema dapprima in generale ponendo l’enfasi nelle caratteristiche chiave che gli permettono di soddisfare i requisiti enunciati, poi più nel dettaglio analizzando singolarmente trasmettitore e ricevitore della DU e delle RRUs.
Nel Capitolo 4 viene presentato il lavoro effettuato su un software, precedentemente ideato dai ricercatori si Scuola Superiore Sant'Anna e CNIT per simulare un sistema che implementasse la tecnica TFP in una architettura adatta all’impiego nelle core network, per permettere di adattarlo all’utilizzo in una rete di accesso ed in particolare in una RAN, illustrando al contempo i risultati delle simulazioni ottenute col software.
Nel Capitolo 5 vengono presentati gli schemi utilizzati per le misure sperimentali che hanno permesso di comprovare la validità della soluzione proposta per la trasmissione in downlink da DU a RRU sia per un’architettura del sistema che implementa un modulazione di fase BPSK, sia per un’architettura del sistema che implementa un modulazione di intensita OOK. Sono quindi mostrati i risultati degli esperimenti che hanno permesso di verificare l’efficacia della soluzione proposta.
Infine nel Capitolo 6 vengono analizzati i dati delle misure già illustrate nei capitoli 5 e 6 e si traggono le dovute conclusioni in merito al lavoro svolto.