Transmission techniques for high rates in optical fiber and alternative media

Abstract

The increase in services provided by mobile network operators, as well as traffic over wireless networks (WiFi), has intensely exploited the available radio frequency (RF) spectrum. The fixed telecommunications network that connects radio antennas, Wi-Fi access points, or other technologies (eg, Wimax) supports new services that require higher transmission rates and connections, such as cloud computing, HDTV, Internet of Things (IoT) or Machine-to- Machine (M2M) communication. Silicon single-mode fiber optic (SMF) has been chosen as a means of transporting data on the fixed network as it offers higher bandwidths and transmission rates. In a desirable ubiquitous and transparent optical network context, there are still several bottlenecks in the network structure, whether due to the characteristics of SMF or economical from a cost/return perspective. Besides, current access networks based on SMF cable or RF connections are subject to interruptions and should therefore be able to provide alternative transmission paths. On the other hand, the expected increase in information traffic in the near future leads to the establishment of new spectral allocation protocols for SMF. The ITU-T G.989 standard thus emerges to promote next-generation (NGPON2) networks that seek to exploit the spectrum available in SMFs through point-to-multipoint Wavelength Division Multiplexing (WDM) networks as well as in UDWDM (Ultra-Dense WDM) in a point to point configuration, addressed to the end-user. In this context, plastic optical fiber (POF) appears as an alternative transmission medium to the SMF and promising in the short-range network. The implementation of the POF extends to the telecommunications operators' access network, the residential / building telecommunications network, transport vehicles or the rapid re-establishment of communications in accidentprone optical networks. Free Space Optical Transmission (FSO) is also a promising means of communication and alternative for short-range RF or SMF connections. FSO connections can be applied to the telecom operator's access network, standby connections between GSM antennas, the connection between an institution's buildings, point-to-multipoint wireless communications, or the quick re-establishment of a cable optical device accidentally interrupted. Thus, the POF and FSO transmission media will be studied here, exploring new spectral limits and transmission capabilities involving GPON and NGPON2 network protocols. Coherent reception and data retrieval through software-defined receivers for real-time digital signal processing will be explored.

O aumento dos serviços prestados pelas operadoras de rede móvel, assim como do tráfego nas redes-sem-fios (WiFi) têm explorado intensamente o espectro de radiofrequência (RF) disponível. A rede fixa de telecomunicações que conecta as antenas rádio, pontos de acesso WiFi ou outras tecnologias (ex. Wimax), suporta novos serviços que exigem maiores taxas de transmissão e conexões, como por exemplo a computação na nuvem, HDTV, Internet das Coisas (IoT) ou a comunicações de Máquina-a-Máquina (M2M). A fibra óptica monomodo em silício (SMF) tem sido a escolhida como o meio de transporte de dados na rede fixa, uma vez que disponibiliza maiores larguras de banda e taxas de transmissão. Num contexto desejável de rede óptica ubíqua e transparente, subsistem variados estrangulamentos na estrutura da rede, sejam devido às características da SMF, sejam económicos numa perspectiva de custo/retorno. Além disso, as actuais redes de acesso, baseadas em cabos de SMF ou em ligações RF, estão sujeitas a interrupções e, portanto, devem poder contemplar caminhos de transmissão alternativos. Por outro lado, o aumento esperado no tráfego de informações no futuro próximo leva ao estabelecimento de novos protocolos de alocação espectral para a SMF. O padrão ITU-T G.989 surge, assim, para promover as redes de próxima geração (NG-PON2) que procuram explorar o espectro disponível em SMFs através de redes WDM (Wavelength Division Multiplexing) pontomultiponto, bem como através de redes em UDWDM (Ultra-Dense WDM) numa configuração ponto a ponto, endereçado ao utilizador final. Neste contexto, a fibra óptica plástica (POF) surge como um meio de transmissão alternativo à SMF e promissor na rede de curto alcance. A implementação da POF estende-se à rede de acesso das operadoras de telecomunicações, à rede de telecomunicações residencial/predial, aos veículos de transporte ou no rápido restabelecimento das comunicações em redes ópticas propensas a acidentes. A transmissão óptica de espaço livre (FSO) também é um meio promissor de comunicação e uma alternativa nas conexões em RF ou SMF de curto alcance. As conexões FSO podem ser aplicadas à rede de acesso do operador de telecomunicações, às conexões em reserva entre as antenas dos operadores móveis, à conexão entre os edifícios de uma instituição, às comunicações sem fio ponto-multiponto ou no rápido restabelecimento de um cabo óptico interrompido acidentalmente. Assim, os meios de transmissão POF e FSO serão aqui estudados, explorando-se novos limites espectrais e capacidades de transmissão envolvendo os protocolos de redes GPON e NG-PON2. Serão exploradas a recepção coerente e a recuperação de dados através de receptores definidos por software, para o processamento de sinais digitais em tempo real.