Sistema ópticos-sem fio 5G NR com um transmissor de múltiplos comprimentos de onda em óptica integrada

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: CUNHA, Matheus Sêda Borsato
• Orientador(a): SPADOTI, Danilo Henrique
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Itajubá
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica
• Departamento: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Física dos semicondutores; Física dos laseres; Sistemas ópticos; Sistemas de rádio sobre fibra
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
• Link de acesso: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3887

Este trabalho aborda uma solução de implementação de sistemas de rádio sobre fibra (RoF – radio-over-fiber) para aplicações em redes sem fio de quinta geração (5G) e gerações futuras. A solução proposta é demonstrada com a aplicação de um transmissor de múltiplos comprimentos de onda (MWT – multiwavelength transmitter) integrado em uma plataforma de fosfeto de índio (InP – indium phosphide), como fonte geradora de portadoras ópticas. Primeiramente, será apresentado o circuito fotônico integrado (PIC – photonic integrated circuit) e a caracterização do MWT, que integra oito laseres sintonizáveis em comprimento de onda, visando reduzir a complexidade e dimensões do transmissor, permitindo soluções 5G compactas, de alto desempenho e menor custo. Posteriormente à caracterização, é implementado um fronthaul óptico 5G multi-banda usando dois sinais no padrão 5G novo rádio (NR – new radio) e um sinal no padrão LTE-A. Os sinais são avaliados em dois cenários distintos, em função da magnitude vetorial do erro quadrático médio (EVMRMS), de acordo com os requisitos do 3GPP Release 15. No primeiro, três portadoras ópticas na banda C são moduladas de forma independente, cada uma com um dos sinais de radiofrequência (RF) mencionados caracterizando uma multiplexação por divisão de comprimento de onda, enquanto a multiplexação de subportadora é aplicada ao segundo cenário para modular conjuntamente os três sinais de RF uma única portadora óptica. Uma taxa da ordem de Gbit/s é demonstrada para validar a aplicabilidade do MWT integrado para permitir múltiplas aplicações e/ou diversos padrões de RF. O PIC do transmissor é implementado em sistemas de comunicações ópticos-sem fio. A primeira implementação se refere a um sistema baseado na convergência das redes ópticas para as redes de RF, chamado fibra-sistemas sem fio (FiWi – fiber-wireless). Neste sistema, três sinais de RF, nos padrões do 4G/5G, são simultaneamente transportados por um enlace de RoF de 12,5 km de comprimento. As transmissões de RF no meio sem fio são demonstradas através de um enlace em ambiente interno de 10 m de comprimento semelhante a uma picocélula e um enlace externo realista de 115 m de comprimento. A segunda proposta foi um sistema de RoF de 12,5 km seguido por enlace baseado em óptica de espaço livre (FSO – free space optics) de 1,5 m, visando a rede de acesso ao usuário final. Nessa prova de conceito, um sinal M-QAM foi transmitido em um canal do MWT apenas. Os sinais recebidos nas duas implementações estão em conformidade com os requisitos do 3GPP Release 15, em termos de EVMRMS, e demonstram uma taxa de bits de 1,36 Gbit/s e 230 Mbit/s nos cenários de 10 m e 115 m, respectivamente, e uma taxa de 160 Mbit/s para o enlace em FSO.