[논문 리뷰] Analogue Radio Over Fiber for Next-Generation RAN: Challenges and Opportunities

Yichuan Li, Qijie Xie외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 27.

Advanced Photonic Communication Systems참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 차세대 라디오 액세스 네트워크에서 디지타이징된 라디오 온 플라워(디지털-라디오 온 플라워, D-RoF)의 대안으로 아날로그 라디오 온 플라워(A-RoF)를 제안한다. A-RoF는 저대역폭, 저전력 특성을 바탕으로 대규모-MIMO 및 밀리미터파 시스템을 가능하게 한다. 연구 결과 A-RoF는 프론트홀 밴드폭을 최대 40배까지 줄일 수 있으며, 전력 소비도 크게 감소시킨다. 다만, 섬유 비선형성과 분산으로 인해 성능이 제한되며, 이에 대한 고도의 왜곡 보완 기술이 필요하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차세대 시스템에서 D-RoF 기반 RAN 프론트홀의 증가하는 밴드폭과 전력 소비 문제를 해결한다.
• 고속 데이터 처리가 필요한 RAN 아키텍처에서 A-RoF가 저복잡도, 에너지 효율적인 D-RoF의 대안으로 가능한지 평가한다.
• WDM 시스템에서의 섬유 비선형성, 색산란, 채널 간 간섭 등 A-RoF의 주요 왜곡 요인을 규명하고 분석한다.
• 대규모-MIMO 및 256-QAM 시스템에서 A-RoF 구현을 가능하게 하기 위해 섬유 왜곡을 보완하는 고도의 기법을 제안한다.
• 실리콘 포토닉스가 향후 A-RoF RAN 구현의 비용 효율성과 확장성을 높이는 데 기여할 수 있는 방식을 탐색한다.

제안 방법

• 밴드폭 효율성, 전력 소비, 오차 벡터 크기(EVM) 측면에서 A-RoF와 D-RoF의 성능을 비교 분석한다.
• 특히 다중 채널 WDM 시스템에서 섬유 비선형성과 색산란이 A-RoF 신호에 미치는 영향을 모델링한다.
• 특히 256-QAM 변조 조건에서 다양한 광신호 및 RF 신호 전력 수준에서 A-RoF의 동적 범위와 EVM 성능을 평가한다.
• 섬유 분산 영향을 완화하기 위해 광신호 캐리어 및 사이드밴드 억제 기법을 제안한다.
• 신호 대 잡음비**(SNR) 향상과 비선형성 악화 사이의 균형을 고려해 RF 및 광신호 전력 수준을 공동 최적화한다.
• 장치 비선형성과 잡음을 감소시켜 A-RoF 시스템의 강건성과 확장성을 향상시키기 위해 실리콘 포토닉스 통합을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모-MIMO 및 밀리미터파를 포함한 차세대 RAN에서 A-RoF는 D-RoF 대비 프론트홀 밴드폭과 전력 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ2 고대역폭, WDM 기반 시스템에서 섬유 비선형성과 색산란은 A-RoF 성능을 어떻게 제한하는가?
• RQ3 256-QAM 및 다중 파장 WDM 동작 조건에서 A-RoF의 구현 가능한 동적 범위와 EVM 성능는 어떠한가?
• RQ4 RF 및 광신호 전력 수준의 공동 최적화는 비선형 왜곡을 최소화하면서 A-RoF 시스템 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 실리콘 포토닉스는 향후 RAN 아키텍처에서 A-RoF의 비용 효율적이고 확장 가능한 구현을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• A-RoF는 D-RoF 대비 프론트홀에 필요한 밴드폭을 최대 40배까지 줄일 수 있어 하드웨어 제약을 크게 완화한다.
• RRH에서 고속 ADC/DAC 및 디지털 신호 처리가 제거되어 전력 소비가 크게 감소한다.
• 기본 조건에서 A-RoF의 EVM은 약 8% 수준이며, 256-QAM의 목표인 3.5%를 초과하여 아날로그 왜곡으로 인한 성능 저하가 발생한다.
• 4-WDM A-RoF 시스템의 동적 범위는 D-RoF 대비 뿐만 아니라 8 dBm에 불과하여 전력 수준에 매우 민감하다.
• WDM 시스템에서는 이웃 채널 간의 섬유 비선형성으로 인해 A-RoF 성능이 저하되며, 파장 간 EVM이 비균형적으로 분포된다.
• 광신호 캐리어 및 사이드밴드 억제 기법은 섬유 분산 영향을 완화할 수 있으며, 1310 nm에서의 운영은 색산란 영향을 줄인다.