Il sistema oggetto di questa tesi è stato concepito per essere impiegato come infrastruttura di collegamento in una radio access network centralizzata (C-RAN) e prevede una comunicazione full-duplex fra un terminale principale e un gruppo di terminali secondari, in particolare:
un gruppo di Remote Radio Unit (RRU o Radio Remote Head-RRH) collegate direttamente alle antenne presenti in ogni cella da cui raccolgono i dati da inoltrare alla DU;
la Digital Unit (DU o Baseband processing Unit-BBU), responsabile del processing dei dati provenienti dalle RRU e dell‟invio di dati elaborati alle stesse RRU;
Fig. 3-1. Schema di confronto fra RAN tradizionale (a) e RAN centralizzata (b) [41].
La Fig. 3-1 illustra sinteticamente la differenza fra una RAN tradizionale ed una RAN centralizzata (come già discusso nella sezione 1.2) in cui viene sottolineata la sostituzione di tante unità di processing (Baseband Processing Unit-BBU dentro le Macro Basestation), collocate ognuna in prossimità di ciascuna antenna, con un‟unica unità centrale di baseband processing (la DU) per tutte le antenne e le RRU ad essa collegate [41].
Lo scopo di una stuttura centralizzata della RAN è duplice:
ridurre i costi e le difficoltà associate al dover collocare vicino ad ogni antenna una Base Station (BS), contenente un‟unità di processing (BBU) ingombrante, costosa e che necessita di quantità di potenza notevole e manutenzione frequente, sostituendo
tali BS con delle RRU molto meno ingombranti, collocabili a ridosso delle antenne, poco costose, robuste e che necessitano di poca energia. La Digital Unit (la BBU centralizzata della C-RAN), unica per un gruppo di celle, invece potrà essere collocata ad una distanza molto maggiore dalle antenne rispetto alle Base station tradizionali, in un luogo in cui sarà più facile e meno costoso fornire l‟energia e la manutenzione necessaria. Inoltre potendo contare su un‟unica unità di controllo (la DU) che gestisce i terminali che erogano il servizio ad un gruppo di celle, è possibile allocare dinamicamente le risorse in modo che rispondano alle reali esigenze del momento, con un notevole risparmio di energia, di banda e una generale ottimizzazione delle risorse.
Consentire, attraverso il controllo da parte di un‟unica unità di processing di tante antenne, l‟impiego di tecniche di „Cooperative multipoint‟ che sfruttano sistemi Multiple-input and multiple-output (MIMO) realizzati con array virtuali di antenne disposte in aree geograficamente separate. Queste tecniche che si basano su joint processing e joint trasmission, ovvero sulla condivisione (fra le RRUs) delle informazioni sui canali e sui segnali associati ai vari terminali mobili per il beamforming e il processing dei segnali, incrementando notevolmente l‟efficienza spettrale e il troughput soprattutto in prossimità delle estremità delle celle più soggetti a interferenza.
Affinchè la comunicazione avvenga in modo efficace e possano essere implementate le tecniche appena enunciate, il sistema deve soddisfare una serie di requisiti e caratteristiche, dettati dal protocollo CPRI utilizzato per la comunicazione e dalla necessità di mantenere bassi i costi (soprattutto per l‟hardware delle RRUs) ed elevate le prestazioni.
Queste caratteristiche sono:
1) Differential delay trascurabile (poche decine di nanosecondi) tra downlink (da DU verso RRU) e uplink (da RRU verso DU), ottenuto con la simmetria del collegamento ottico (DL e UL sono contropropaganti sullo stesso tratto di fibra) e con lunghezze d'onda centrali del segnale downstream ed upstream molto vicine fra loro.
2) Elevata efficienza spettrale e trasparenza ai protocolli per poter ospitare sullo stesso collegamento fisico (segmento di fibra) diversi link virtuali contenenti traffico CPRI a bit rate differenti o altre tipologie di traffico. Questo si ottiene utilizzando un sistema WDM, in cui ogni link virtuale (che impegna una porzione della banda ottica) può essere indifferentemente attraversato da varie tipologie di traffico senza dover ricorrere ad inutili operazioni di framing e buffering (necessarie ad esempio con le
tecniche TDMA e CDMA). Questa caratteristica combinata con brevi lunghezze di tratta riduce la latenza (ritardo di andata e ritorno totale), che è un altro vincolo stringente per l‟utilizzo del protocollo CPRI (poche centinaia di microsecondi).
3) Elevata tolleranza al problema del backscattering di Rayleigh, ottenuto attraverso la tecnica di sub-carrier multiplexing ed un filtro che esegue la separazione tra lo spettro del segnale downstream ed upstream.
4) Utilizzo di elementi economici, efficienti energeticamente e a basse prestazioni in termini di banda (come VCSEL ed RSOA) o di elementi passivi (come i microring resonator) sia nella DU che nella RRU, per trasmissioni ad alta velocità, ottenibile grazie alla tecnica del Time-frequency Packing (TFP) che, attraverso l‟utilizzo di codici e algoritmi di decodifica avanzati, consente di trasmettere ad elevati data rate in una banda stretta compensando gli errori dovuti a ISI ed ICI;
5) transceiver del DU e RRU progettati per l‟integrazione monolitica su forsuro di indio (InP) che consenta bassi consumi e bassi costi;
6) realizzazione di un trasmettitore colorless sintonizzabile per l'RRU, che sia in grado di sintonizzarsi alla stessa lunghezza d'onda utilizzata dalla DU, impiegata per comunicare esclusivamente con quella RRU. In questo modo è possibile riservare un canale WDM ad ogni RRU e tutte le RRUs posso essere preconfezionate con una identica configurazione del trasmettitore riducendo così i costi di produzione.
Lo schema illustrato in Fig. 3-2 mostra uno schema logico a blocchi che illustra l‟implementazione di una RAN convenzionale (a) e di una RAN centralizzata (b) [41].
Fig. 3-2. Tipica implementazione di una RAN tradizionale (a) e di una RAN centralizzata (b) che utilizza il protocollo CPRI per mettere in comunicazione la RRU con la DU centralizzata. Da notare che l’unità di processing (Baseband Unit-BBU) si sposta dalla periferia della rete di accesso, in prossimità delle antenne, verso una posizione più centrale in prossimità dell’interfaccia con la core network [41].
In particolare viene messo in evidenza lo spostamento del processing del segnale dalla Basestation collocata in prossimità dell‟antenna (Fig. 3-1(a),Fig. 3-2(a)) presente in ogni cella verso un terminale centralizzato, ovvero la DU (Fig. 3-1(b), Fig. 3-2(b)).
Fig. 3-3. Diagramma a blocchi che illustra le principali funzioni dei terminali DU ed RRU ed il loro collegamento.
La Fig. 3-3 illustra le principali funzioni dei terminali DU ed RRU ponendo l‟attenzione sugli stadi contenuti all‟interno di ogni RRU per potere interfacciare il segnale in banda base
digitale utilizzato dal collegamento CPRI con il segnale a radio frequenza analogico da trasmettere/ricevere dall‟antenna. Inoltre viene messo in evidenza il collegamento della access network con la backhaul tramite la DU.
Lo schema illustrato in Fig. 3-4 rappresenta in linea generale il sistema usato per la trasmissione.
Fig. 3-4.Schema generale del sistema di trasmissione che mette in comunicazione DU ed RRU
Dallo schema si può osservare come vengono soddisfatti i primi tre requisiti: attraverso la tecnica WDM vengono immessi in fibra i segnali provenienti dalla DU e diretti alle RRUs e viceversa quelli provenienti dalle RRUs e diretti alla DU, insieme ad altre tipologie di traffico non CPRI. La velocità con cui un segnale ottico attraversa il mezzo dipende dalla lunghezza d‟onda di emissione, di conseguenza il tempo impiegato dal segnale per attraversare la fibra dipende sia dalla lunghezza della tratta da attraversare sia dalla frequenza di emissione. Per garantire che il tempo impiegato dal segnale downstream e upstream per giungere a destinazione sia lo stesso (differential delay nullo), dobbiamo quindi trasmettere i due segnali in direzioni opposte nello stesso tratto di fibra e su una stessa frequenza centrale oppure su due frequenze centrali (una per DL, l‟altra per UL) molto prossime fra loro. Utilizzare la medesima frequenza centrale per la trasmissione downstream ed upstream d‟altra parte renderebbe il sistema molto sensibile al problema del backscattering di Rayleigh [42] (Fig. 3-5). Lo scattering di Rayleigh è un fenomeno di scattering elastico (o diffusione) di un'onda luminosa che, incontrando all‟interno del nucleo della fibra particelle o imperfezioni nel materiale più piccole di un decimo della lunghezza d'onda della luce, si riflette in tutte le direzioni, compresa quella di provenienza dell‟onda luminosa. Tale fenomeno, se non si intervine con i dovuti accorgimenti, produce interferenza fra il segnale ottico DS (US) e il
backscattering del segnale US (DS) che attraversano la fibra ottica nella medesima direzione e occupano lo stesso intervallo spettrale. Per rendere il sistema più robusto a tale problema si adotta una configurazione in cui i segnali DS ed US occupano intervalli spettrali disgiunti ma comunque molto vicini tra loro per non incorrere in problemi di differential delay. Tale soluzione viene attuata attraverso la tecnica SCM che permette ai segnali DS e US di occupare due intervalli frequenziali disgiunti all‟interno della stessa cella WDM (vedi inserto in alto in Fig. 3-4).
Fig. 3-5.Figura che illustra il fenomeno del backscattering di Rayleigh [42]
Viene inoltre garantita totale trasparenza ai protocolli attraverso la tecnica WDM che si basa sull‟occupazione di diverse porzioni di banda messa a disposizione dal mezzo fisico e non presuppone alcuna preelaborazione (operazioni di framing e/o buffering) che invece potrebbe precludere a certe tipologie di traffico con determinati protocolli le possibilità di trasmissione. Di seguito sono illustrati più nel dettaglio i componenti costituenti l‟architettura del sistema e descritti gli elementi del DSP che combinati con questa architettura consentono di soddisfare tutti i requisiti enunciati sia nel caso in cui la DU trasmetta con modulazione OOK e la RRU riceva con rivelazione diretta sia nel caso in cui la DU trasmetta con modulazione BPSK e la RRU riceva con ricezione coerente.