“Arquitectures y Noves Funcionalitats per a Xarxes OFDM d’Accés Òptic”

Un gran augment en el desplegament de fibra fins la llar (FTTH, de l’anglès fibre-to-the-home) s'ha experimentat a tot el món en els últims anys. FTTH és una solució flexible, una tecnologia d’accés que permet proporcionar taxes de Gbit/s per usuari. Diversos estudis indiquen que FTTH serà el diferenciador clau entre els operadors competidors. A més, FTTH és l'única tecnologia capaç de crear noves fonts d'ingressos de noves aplicacions d'alta velocitat, com per exemple, entreteniment i vídeo d'alta definició. Des del punt de vista de l'operador, un dels principals avantatge de la FTTH és que permet una major eficiència operativa en comparació amb altres tecnologies d'accés. Principalment per la reducció de costos de manteniment i d'operació. A més, redueix les especificacions necessàries del equips de l’operador. Aquesta Tesi Doctoral té com a objectiu estendre aquests avantatges més enllà del concepte FTTH gràcies a la integració de la xarxa òptica de distribució a casa i l’enllaç ràdio sense fils, el que proporcional una arquitectura de xarxa FTTH integrada d'extrem a extrem. D'aquesta manera, els beneficis de la reducció dels costos operatius i una major eficiència s’estenen fins a l'usuari final de la xarxa.

En esta Tesi es proposa una arquitectura d'accés de integrada òptica-ràdio emprant senyals amb multiplexació per divisió ortogonal de freqüència (OFDM, de l’anglès orthogonal frequency division multiplexing) per aconseguir la prestació de diferents serveis com Internet, telèfon/veu, televisió d'alta definició, connexió de dades sense fils i seguretat a casa. Les senyals OFDM son emprades per molts estàndards ràdio, com les senyals de banda ultra-ampla (UWB, de l’anglès ultra-wide band), WiMAX, LTE, WLAN, DVB-T o DAB. Aquests formats s’aprofiten dels avantatges de les característiques intrínseques de la modulació OFDM com és la major immunitat front a esvaniment multi-camí. Aquesta Tesi inclou la proposta i la demostració experimental de la transmissió bi direccional de senyals OFDM multi-estàndard emprant ràdio-sobre-fibra per proporcionar serveis triple-play mitjançant UWB per a televisió d'alta definició, WiMAX per a Internet i LTE per al servei telefònic. Aquesta tècnica permet un augment de la capacitat general del sistema amb el subministrament de diferents serveis simultanis. La transmissió ràdio-sobre- fibra permet l'ús d'equipament estàndard comercial en ambdós extrems de l'arquitectura com per exemple receptors UWB de baix cost, dispositius mòbils amb LTE i equips com ordinadors portàtils que disposen de receptors WiMAX integrats.

En esta Tesis, es proposen diferents arquitectures de xarxa ràdio-sobre-fibra basades en senyals OFDM. Açò permet una arquitectura de xarxa centralitzada que permet la compensació plena dels efectes de la transmissió sobre fibra així com la gestió de xarxa que es duran a terme només a l'oficina central de l’operador, simplificant l’equipament necessari a casa de l’usuari. D’aquesta manera no es necessita cap conversió ni compensació addicional a la xarxa, ni la regeneració de la senya. Esta tècnica permet evitar moltes de les etapes de conversió, proporcionant un estalvi en costos, espai i energia.

A més d’açò, la distribució d'àudio i vídeo s'ha convertit en una de les principals aplicacions de la tecnologia UWB. L'oportunitat clau de mercat de UWB és el reemplaçament de cables en xarxes d'àrea personal emprant la tecnologia WUSB (de l’anglès wireless universal serial bus). Com UWB ofereix una gran capacitat de dades i pot coexistir amb altres serveis sense fil degut a la seua baixa potència d’emissió, UWB s'està convertint en un fort candidat per a la connexió de dispositius d'alta velocitat com, per exemple, discs durs externs, i per a proporcionar vídeo d'alta definició en xarxes personals. Per estes raons, la viabilitat de la transmissió UWB-sobre-fibra s’ha investigat en esta Tesi, tenint en compte l'arquitectura d'extrem a extrem que comprèn la xarxa òptica d’accés, la xarxa òptica en l’edifici i la transmissió final sense fils en casa de l’usuari.

En esta Tesi també s’investiguen diferents tècniques fotòniques per millorar el rendiment de la transmissió ràdio-sobre-fibra. La transmissió de senyals basades en OFDM emprant multiplexació en polarització s’estudia per augmentar la capacitat de la xarxa. Esta tècnica es demostra experimentalment amb la transmissió de senyals UWB y WiMAX en coexistència. 

Per a la gestió de pico-cèl•lules s’estudia la distribució de senyals UWB-sobre-fibra en xarxes òptiques dins d’edificis (de l’anglès in-building) mitjançant fibra monomode i multimode. A més, la tècnica òptica basada en convertidors analògic a digital fotònics és proposada i demostrada per a la detecció de l'espectre radioelèctric de banda ampla (fins a 10 GHz). La localització i gestió de pico-cèl•lules UWB usant aquesta tècnica també s'ha investigat en aquesta Tesi.

Com la transmissió ràdio-sobre-fibra de diversos serveis sense fil en coexistència a través de la xarxa de fibra òptica requereix moduladors electro-òptics amb un excel•lent marge dinàmic i un gran règim lineal, també s’han estudiat i analitzat tècniques de linealització per als moduladors. Les senyals multi-portadora com la senyal multi-banda OFDM-UWB tenen una gran relació potència de pic-potència mitja PAPR (del inglés peak-to-average power ratio), que conjuntament amb el gran ample de banda de cada canal UWB ( 528 MHz) són les principals limitacions dels sistemes de modulació d'intensitat. En aquest cas, s’avalua experimentalment el rendiment dels nous moduladors desenvolupats per l’empresa Photline Technologies, basats en una arquitectura Y-acoplada i un modulador dual-drive per a aplicacions ràdio-sobre-fibra d'aplicacions.

Després d'això, es proposen diferents arquitectures per a la distribució conjunta de senyals OFDM de manera simultània proporcionant servicis triple-play: (i) una arquitectura reflectiva basada en el dispositiu R-EAT (reflective electro-absorption transceiver) que evita l'ús de làsers de gran potència a casa de l'usuari, i (ii) una arquitectura bi-direccional emprant modulador Mach-Zehnder i multiplexació per longitud d’ona (CWDM, de l’anglès coarse wavelength division multiplexing). Es gasta una longitud d'ona de pujada i una l'altra longitud d'ona de baixada i s’investiga quina és la màxima longitud de fibra que es pot obtenir amb els diferents servicis OFDM en coexistència. A més, la integració de l’enllaç ràdio després de la xarxa d’accés i de diferents tipus de fibra per a la xarxa òptica dins de casa també es considera. 

Finalment, es proposen i estudien tècniques de compensació dels efectes de la transmissió radio-sobre-fibra de senyals multi-estàndard OFDM. En esta Tesi es proposa un subsistema de compensació basat en l'ús d’unes portadores addicionals situades en l'espectre lliure entre els diferents servicis. Estes portadores serveixen per extreure la informació del canal de la xarxa que s'aplicarà a les senyals OFDM mitjançant pre-distorsió.

L'ús d'aquestes tècniques en els diferents nivells de la xarxa òptica és interessant per a l'adequada evolució de la Societat de la Informació, que és l'objectiu principal d'aquesta Tesi Doctoral.