Design and optimization of metro-access networks supporting 5G services

Abstract

The Internet data traffic constant growth caused by the popularization of cloud services, mobile and social networks, demand changes to the networks in order to enable scalable growth in traffic volume, while supporting a high level of dynamic connectivity, full flexibility, reduced end-to-end latency and increased energy-efficiency. Cost-effective and energy efficient solutions for flexible network subsystems are also required to provide future sustainable networks. This thesis is focused on pushing the current state of the art of metro and access networks to provide a new flexible infrastructure supporting 5G services. To achieve that objective, it is presented cost-effective and flexible all-optical commutation nodes—reconfigurable add/drop multiplexer (ROADM) and optical cross-connect (OXC)—and transceivers that can be remotely managed by a software defined networking (SDN) controller, able to satisfy the requirements of future converged metro-access networks. Network simulations are conducted to prove the capabilities of presented solutions as network elements for different traffic conditions. Benefits of proposed solutions are the usage of off-the-shelf components, reduced cost, pay-as-you-grow, low response time, reduced power consumption and coexistence with legacy systems. This thesis also investigates experimentally new modulation formats that can triple the current transmission data rate in both metro and access networks, while simultaneously reducing the total power consumption, using low-cost commercial devices. Thanks to that, the use of investigated modulation can also be extended to mobile fronthaul and data center (DC) networks, where cost and power consumption are key parameters as well. Specifically, alternative 5G multicarrier modulation formats—filter bank multicarrier (FBMC), universal filtered multicarrier (UFMC) and generalised frequency division multiplexing (GFDM)—and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) are assessed and compared for a high-layer split fronthaul scenario. Non-orthogonal multiple access (NOMA) combined with multi-band carrierless amplitude phase modulation (MB-CAP) is proposed and evaluated for high-capacity passive optical networks (PONs) and DC optical interconnects. Finally, it is also demonstrated the convergence of wireless NOMA-CAP waveform and PAM-4 wired signal in a PON scenario.

El crecimiento constante del tráfico de datos de Internet causado por la popularización de los servicios en la nube, las redes móviles y sociales, exige cambios en las infraestructuras de red que permitan un crecimiento escalable del volumen de tráfico, al mismo tiempo que ofrezcan una mayor conectividad, flexibilidad, una mayor eficiencia energética y la reducción de la latencia en las comunicaciones. Además, para que las futuras redes sean sostenibles, se requieren nuevas soluciones de subsistemas de red flexibles que sean rentables y energéticamente eficientes. Esta tesis se centra en impulsar el estado actual del arte de las redes metro y acceso para proporcionar una nueva infraestructura de red flexible que soporte los servicios 5G. Para lograr este objetivo, se proponen nodos de conmutación totalmente ópticos rentables y flexibles ROADM (Reconfigurable Optical Add-Rrop Multiplexer) y OXC (Optical Cross-Connect) y transceptores que se pueden administrar de forma remota mediante un controlador SDN (Software-Defined Networking), capaz de satisfacer los requisitos de las futuras redes metro-acceso. Simulaciones de red se realizan para demostrar las capacidades de las soluciones presentadas como elementos de red para diferentes condiciones de tráfico. Los beneficios de las soluciones propuestas son el uso de componentes disponibles en el mercado, costo reducido, modularidad, bajo tiempo de respuesta, menor consumo de energía y la coexistencia con los sistemas existentes. En esta tesis también investiga experimentalmente nuevos formatos de modulación que permiten triplicar la velocidad de transmisión de datos actual tanto en las redes metro como acceso, al tiempo que reducen el consumo total de energía, utilizando dispositivos comerciales de bajo costo. Gracias a ello, el uso de las modulaciones investigadas también puede extenderse a redes fronthaul y centros de datos (DC), donde el costo y el consumo de energía también son parámetros clave. Específicamente, se evalúan y comparan los alternativos formatos de modulación multiportadores 5G FBMC (Filter Bank Multicarrier), UFMC (Universal Filtered Multicarrier) y GFDM (Generalised Frequency Division Multiplexing) y OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) para escenarios fronthaul de alta capacidad. NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) combinado con MB-CAP (Multi-Band Carrierless Amplitude Phase Modulation) se propone y evalúa para redes PON (Passive Optical Network) de alta capacidad e interconexiones ópticas en DCs. Finalmente, también se demuestra la convergencia de NOMA-CAP, considerada como señal móvil, y la señal cableada PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation-4) en un escenario PON.