Medium-transparent MAC protocols for converged optical wireless networks

Abstract

In order to address the explosive demand for high-capacity and omnipresent wireless access, modern cell-based wireless networks are slowly adopting two major solution roadmaps. The first is the employment of small-cell formations in order to increase the overall spectral efficiency, whereas the second is the employment of higher frequency bands, such as the mm-wave 60GHz band, that offers vast amounts of bandwidth. Depending on the specific application, the above solutions inevitably require the installation and operational management of large amounts of Base Stations (BSs) or Access Points (APs), which ultimately diminishes the overall cost-effectiveness of the architecture. In order to reduce the system cost, Radio over Fiber (RoF) technology has been put forward as an ideal candidate solution, due to the fact that it provides functionally simple antenna units, often termed as Remote Antenna Units (RAUs) that are interconnected to a central managing entity, termed as the Central Office (CO), via an optical fiber. Although extensive research efforts have been dedicated to the development of the physical layer aspects regarding RoF technologies, such as CO/RAU physical layer design and radio signal transport techniques over fiber, very limited efforts have con-centrated on upper layer and resource management issues. In this dissertation, we are concerned with access control and resource management of RoF-based mm-wave network architectures targeting the exploitation of the dual medium and its centralized control properties in order to perform optimal optical/wireless/time resource allocation. In this dissertation, we propose a Medium-Transparent MAC (MT-MAC) protocol that concurrently administers the optical and wireless resources of a 60GHz RoF based network, seamlessly connecting the CO to the wireless terminals through minimal RAU intervention. In this way, the MT-MAC protocol forms extended reach 60GHz WLAN networks offering connectivity amongst wireless devices that are attached to the same or different RAUs under both Line of Sight (LOS) and non LOS conditions. The notion of medium-transparency relies on two parallel contention periods, the first in the optical domain and the second in the wireless frequency and time domains, with nested dataframe structures. The MT-MAC operation is based on a proposed RAU design that allows for wavelength selectivity functions, thus being compatible with completely passive optical distribution network implementations that are predominately used by telecom operators today. Two variants of the MT-MAC protocol are considered. The first offers dynamic wavelength allocation with fixed time windows, whereas the second targets fairness-sensitive applications by offering dynamic wavelength allocation with dynamic transmission opportunity window sizes, based on the number of active clients connected at each RAU. Both variants of the protocol are evaluated by both simulation and analytical means. For the latter part, this thesis introduces two analytical models for calculating saturation throughput and non-saturation packet delay for the converged MT-MAC protocol. Finally, this thesis presents an extensive study regarding the network planning and formation of 60GHz Gigabit WLAN networks when the latter are deployed over existing Passive Optical Network (PON) infrastructures. Three possible architectures where studied: i) the RoF approach, ii) the Radio & Fiber approach and iii) the hybrid RoF-plus-R&F approach that combines the properties of both the aforementioned architectures. During the elaboration of this thesis, one major key conclusion has been extracted. The work proposed in this thesis considers that there is a fundamental requirement for implementing new converged optical/wireless MAC protocols, that have the complete overview of both available resources in order to effectively administer the hybrid Radio-over-Fiber networks.

A fin de atender la demanda explosiva de alta capacidad y acceso inalámbrico omnipresente, las redes inalámbricas basadas en celdas están poco a poco adoptando dos principales guías de solución. La primera es el empleo de formaciones de celdas pequeñas con el fin de aumentar la eficiencia espectral global, mientras que la segunda es el empleo de bandas de frecuencia superior, como la banda de 60GHz, la cual ofrece una gran cantidad de ancho de banda. Dependiendo de la aplicación en específico, las soluciones anteriores inevitable-mente requieren de una instalación y una gestión operativa de grandes cantidades de Estaciones Base o Puntos de Acceso, que en última instancia disminuye la rentabilidad de la arquitectura. Para reducir el coste, la tecnología radioeléctrica por fibra (RoF) se presenta como una solución ideal debido al hecho de que proporciona unidades de antenas de sim-ple funcionamiento, a menudo denominadas Unidades de Antenas Remotas (RAUs), las cuales están interconectadas a una entidad central de gestión, denominada Oficina Central (CO), a través de la fibra óptica. A pesar de que se han dedicado muchos esfuerzos de investigación al desarrollo de varios aspectos de las capas física con respecto a las tecnologías RoF, muy pocos esfuerzos se han concentrado en la capa superior y cuestiones de gestión de recursos. En esta tesis, nos enfocando en el control de acceso y gestión de recursos de arquitecturas RoF y comunicaciones milimétricas, con el fin de aprovechar y explotar el medio dual y las propiedades para realizar una óptima asignación de los recursos ópticos, inalámbricos y temporales. Nosotros proponemos un protocolo Transparente al Medio MAC (MT-MAC) que simultáneamente administre los recursos ópticos e inalámbricos de una red RoF a 60GHz, conectando a la perfección el CO a los terminales inalámbricos a través de una mínima intervención RAU. El protocolo MT-MAC forma unas redes WLAN 60GHz de alcance extendido, ofreciendo así conectividad entre los dispositivos inalámbricos que están conectados al mismo o diferentes RAUs bajo con o sin Línea de Vista (condiciones LOS o NLOS) respectivamente. La noción de transparencia al medio se basa en dos períodos de contención para-lelos, el primero en el dominio óptico y el segundo en la frecuencia inalámbrica y dominio del tiempo, con estructuras de datos anidados. La operación MT-MAC se basa en proponer un diseño RAU que permita la selectividad de funciones de longitud de onda. Dos variantes del protocolo MT- MAC son considerados; el primer ofrece asignación de longitud de onda dinámica con ventanas de tiempo fijo, mientras que la segunda tiene como objetivo entornos de aplicaciones sensibles ofreciendo asignación de longitud de onda con tamaño de ventana de oportunidad de transmisión dinámico, basado en el número de clientes conectados en cada RAU. Ambas variantes del protocolo están evaluadas tanto por medios analíticos como de simulación. En la segunda parte, esta tesis introduce dos modelos analíticos para calcular el rendimiento de saturación y no saturación del retardo de paquetes para el protocolo MT-MAC convergente. Finalmente, esta tesis presenta un extenso estudio de la planificación de red y la formación de redes 60GHz Gigabit WLAN cuando esta se encuentra desplegada sobre las ya existente infraestructuras de Redes Ópticas Pasivas (PONs). Tres posibles arquitecturas han sido estudiadas: i) el enfoque RoF, ii) el enfoque Radio y Fibra , y iii) el enfoque híbrido, RoF más R&F el cual combina las propiedades de ambas arquitecturas anteriormente mencionadas. Durante la elaboración de esta tesis, se ha extraído una importante conclusión: hay un requerimiento fundamental para implementar nuevos protocolos ópticos/inalámbricos convergentes, que tengan una completa visión de ambos recursos disponibles para poder administrar efectivamente las redes de tecnología RoF.