[論文レビュー] Analogue Radio Over Fiber for Next-Generation RAN: Challenges and Opportunities

Yichuan Li, Qijie Xie+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2021

Advanced Photonic Communication Systems参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、次世代の無線アクセスネットワークにおけるデジタイズド・ラジオ・オーバー・ファイバー（D-RoF）の代替として、低帯域幅・低消費電力なアナログ・ラジオ・オーバー・ファイバー（A-RoF）を提案している。A-RoFは、フロントハール帯域幅を最大40倍まで削減し、消費電力を顕著に低減できるが、ファイバーの非線形性や分散の影響により性能が制限され、高度な劣化補償技術が不可欠である。

ABSTRACT

The radio access network (RAN) connects the users to the core networks, where typically digitised radio over fiber (D-RoF) links are employed. The data rate of the RAN is limited by the hardware constraints of the D-RoF-based backhaul and fronthaul. In order to break this bottleneck, the potential of the analogue radio over fiber (A-RoF) based RAN techniques are critically appraised for employment in the next-generation systems, where increased-rate massive multiple-input-multiple-output (massive-MIMO) and millimeter wave (mmWave) techniques will be implemented. We demonstrate that huge bandwidth and power-consumption cost benefits may accrue upon using A-RoF for next-generation RANs. We provide an overview of the recent A-RoF research and a performance comparison of A-RoF and D-RoF, concluding with further insights on the future potential of A-RoF.

研究の動機と目的

• 次世代システムにおけるD-RoFベースのRANフロントハールにおける増大する帯域幅と消費電力のボトルネックを解消すること。
• 高データレートRANアーキテクチャにおいて、低複雑性・高エネルギー効率なD-RoFの代替手段としてのA-RoFの実現可能性を評価すること。
• A-RoFにおける主な劣化要因、特にファイバー非線形性、色散、WDMシステムにおけるチャネル間クロストークを特定および分析すること。
• マスティブ-MIMOおよび256-QAMシステムへのA-RoF導入を可能にするため、ファイバー劣化の高度な補償技術を提案すること。
• シリコンフォトニクスが、コスト効率的でスケーラブルなA-RoF RAN展開を実現する役割を果たす可能性を検討すること。

提案手法

• 帯域効率、消費電力、および誤差ベクタマグニチュード（EVM）の観点から、A-RoFとD-RoFの性能を比較分析する。
• WDMシステムにおける複数チャネルを想定し、ファイバー非線形性および色散がA-RoF信号に与える影響をモデル化する。
• 特に256-QAM変調における、光学およびRF信号の出力電力の変動に伴うA-RoFのダイナミックレンジおよびEVM性能を評価する。
• ファイバー分散の影響を軽減するための光学キャリアおよびサイドバンド抑制技術を提案する。
• SNR向上と非線形劣化の悪化の両立を図るため、RFおよび光学出力電力レベルの共同最適化を検討する。
• デバイスの非線形性および雑音を低減し、A-RoFシステムの耐障害性およびスケーラビリティを向上させるために、シリコンフォトニクス統合の可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マスティブ-MIMOおよびmmWaveを備えた次世代RANにおいて、A-RoFはD-RoFと比較してフロントハール帯域幅と消費電力を削減できるか？
• RQ2 ファイバー非線形性および色散は、高帯域幅・WDMベースのシステムにおけるA-RoFの性能をどのように制限するか？
• RQ3 256-QAMおよび多波長WDM運用下におけるA-RoFの実現可能なダイナミックレンジおよびEVM性能はどの程度か？
• RQ4 RFおよび光学出力電力の共同最適化により、非線形歪みを最小限に抑えつつA-RoFシステムの性能を向上させられるか？
• RQ5 シリコンフォトニクスは、将来のRANアーキテクチャにおけるコスト効率的でスケーラブルなA-RoF展開をどのように実現できるか？

主な発見

• A-RoFは、D-RoFと比較して、フロントハールに必要な帯域幅を最大40倍まで削減でき、ハードウェア上の制約を顕著に緩和する。
• A-RoFは、RRHでの高速ADC/DACおよびデジタル信号処理の不要により、顕著な消費電力削減を達成する。
• 標準条件下でのA-RoFのEVMは約8%であり、256-QAMの目標値3.5%を上回っているため、アナログ劣化による性能劣化が顕著である。
• 4-WDM A-RoFシステムのダイナミックレンジは14 dBmのD-RoFと比較してわずか8 dBmにとどまり、出力電力レベルに極めて敏感であることが示された。
• WDMシステムでは、隣接チャネルの非線形性がA-RoFの性能を劣化させ、波長ごとのEVMに不均一性を引き起こす。
• 光学キャリアおよびサイドバンド抑制技術により、ファイバー分散の影響を軽減でき、1310 nmでの動作により色散の影響を低減できる。