Next Generation Mobile Network Supported by NG-PON2

Abstract

A massificação dos dispositivos móveis como o smartphone, o tablete e o “Internet of Things” (IoT) impulsionou o uso de aplicações devoradoras de largura de banda tais como vídeo streaming, serviços de nuvem, videoconferência, e jogos online com qualidade HD, e consequentemente aumentou as exigências dos consumidores por maior largura de banda e menor latência na rede. Tal cenário trouxe uma mudança inevitável na rede móvel. Com a necessidade de poder acompanhar esse ritmo crescente da demanda das exigências dos consumidores a estrutura da rede móvel foi repensada e implementou-se a solução da densificação das células pequenas, especialmente em áreas metropolitanas, para uma melhor cobertura de rede. Contudo essa instalação de muitas células pequenas numa área demarcada requer mais infraestruturas o que implica maior investimento e consequentemente maior dispêndio para os operadores. Uma nova arquitetura de rede móvel, que permite a distribuição do DU e RU e cuja a comunicação entre esses dois componentes é feita pela CPRI através do frontaul, é designada de rede de acesso rádio centralizado (C-RAN). O CPRI é uma interface de taxa de bits constante cujas opções de taxa de bits variam de 614,4 Mbps referenciada como opção 1 até a opção 10 que é de 1024,33 Gbps. Tais taxas de bits são baseadas na frequência de 3,84 MHz do Sistema Universal de Telecomunicações Móveis (Universal Mobile Telecommunications System – UMTS) de modo a fornecer a flexibilidade necessária para acomodar diferentes bandas de sinal.Apesar dessas soluções implementadas, a tendência é o crescimento exponencial de utilizadores móveis e consequentemente a reivindicação acentuada por melhores serviços oferecidos pela rede móvel. Com esta previsão do futuro, o foco dos investigadores da rede móvel é o de apresentar soluções para a implementação da nova geração de rede móvel, a denominada rede 5G, que irá responder aos desejos dos consumidores e ao mesmo tempo manter as despesas da implementação o menos dispendioso possível com recurso ao reaproveitamento de infraestruturas de redes já existentes. Uma das soluções para o desenvolvimento da rede 5G baseia-se na convergência da rede móvel e da rede fixa. Uma tecnologia de rede de acesso de fibra ótica que atualmente tem estado em voga é a segunda próxima geração de rede ótica passiva (Next Generation of Passive Optical Networks – NG-PON2), por ser a primeira PON padronizada a suportar a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (Wavelength Division Multiplexing – WDM), isto é, por ser capaz de suportar múltiplos canais de comprimento de onda tanto na direção de downstream como na direção de upstream. A capacidade de transmissão do NG-PON2 é de 40 Gbps e 10 Gps na direção downstream e upstream, respetivamente. O que permite que esta rede seja capaz de comtemplar tráfego gerado por aplicações que requerem muita largura de banda tais como a televisão por alta definição (HDTV), a televisão 3D (3D-TV), serviços de vídeo, computação em cloud, teleconferência e jogos multijogador de vídeo de alta definição (High Definition – HD) bem como o backhaul e o fronthaul de redes móveis. Outra vantagem da NG-PON2 é o seu conceito de sistema de comprimento de onda agnóstico que consiste na alocação sintonizável de comprimentos de onda na direção upstream. A linha terminal óptica (OLT) é atribuído o estatuto de colorido por trabalhar com todos os comprimentos de onda do plano do NG-PON2 enquanto que a unidade ótica de rede (ONU) é incolor por só poder sintonizar ao comprimento de onda que lhe for atribuído. Assim sendo, o OLT envia vários comprimentos de onda multiplexados através da fibra até a ONU, a ONU através do canal de controlo auxiliar de gestão (AMCC) fica a saber a qual comprimento de onda deve sintonizar. Outro grande ponto a favor do NG-PON2 é o facto do seu plano de comprimento de onda coexistir com os planos de comprimento de ondas de sistemas PON anteriores como G-PON, XG-PON1 e sobreposição de vídeo de radiofrequência (RF). NG-PON2 pode incorporar duas tecnologias na mesma infraestrutura de fibra, a multiplexação por divisão de tempo e comprimento de onda (TWDM) e a multiplexação por divisão de comprimento de onda ponto-a-ponto (PtP WDM). O TWDM PON é utilizado para acesso residencial enquanto que o PtP WDM-PON é utilizado para para serviços empresariais e para serviços móvel de backhaul e de fronthaul.Sendo o objetivo desta dissertação o estudo da integração e suporte da rede móvel 5G pela rede de acesso NG-PON2, conclui-se pelo discutido que a abordagem de convergir a arquitetura C-RAN com a rede de acesso NG-PON2 implementando a tecnologia PtP WDM PON com recurso ao AMCC é possível e realizável. Tal rede cumpre as exigências atuais tanto do lado do consumidor como do lado do operador de telecomunicações. Além disso, esta rede está aberta a melhoramentos futuros que permitem o acompanhamento da demanda da largura de banda pelos consumidores ao longo dos próximos anos.

The standardization of mobile devices such as smartphone, tablet and Internet of Things (IoT) has boosted the use of bandwidth-devouring applications such as video streaming, cloud services, videoconferencing and online games with HD quality, and consequently increased such as consumer demands for increased bandwidth and lower network latency. Such scenario has brought about an inevitable change in the mobile network. With the needed to be able to keep up with this growing rhythm of demand for consumer requirements, the structure of the mobile network was rethought, and the solution implemented was the densification of small cells, especially in metropolitan areas, for a better network coverage. However, this installation of many small cells in a demarcated area requires more infrastructures which implies greater investment and consequently greater expenditure for operators. A new mobile network architecture that allows the distribution of DU and RU and whose communication between these two components is done by CPRI through the frontaul is called centralized radio access network (C-RAN). CPRI is a constant bit rate interface whose bit rate options range from 614.4 Mbps referenced as option 1 to option 10 which is 1024.33 Gbps. Such bit rates are based on the 3.84 MHz frequency of the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) to provide the flexibility needed to accommodate different signal bands. Despite these implemented solutions, the trend is the exponential growth of mobile users and consequently the demand accentuated by better services offered by the mobile network. With this prediction of the future, the focus of the mobile network researchers is to present solutions for the implementation of the new generation of mobile network, the so-called 5G network, which will respond to the desires of the consumers and at the same time maintain the expenses of the implementation less expensive as possible through the reuse of existing network infrastructures. One of the solutions for the development of the 5G network is based on the convergence of the mobile network and the fixed network. A fiber optic access network technology that is currently in vogue is the second-generation passive optical network (Next Generation of Passive Optical Networks - NG-PON2), as the first standard PON to support multiplexing wavelength division multiplexing (WDM), that is, it is capable of supporting multiple wavelength channels in both downstream and upstream direction. The transmission capacity of the NG-PON2 is 40 Gbps and 10 Gps in the downstream and upstream direction, respectively. This allows that this network to be able to contemplate traffic generated by bandwidth-intensive applications such as high-definition television (HDTV), 3D television (3D-TV), video services, cloud computing, teleconferencing, and high definition multi-player video games (High Definition - HD) as well as backhaul and fronthaul of mobile networks. Another advantage of NG-PON2 is its concept of an agnostic wavelength system that consists of the tuneable allocation of wavelengths in the upstream direction. The optical terminal line (OLT) is assigned colour status because it works with all wavelengths of the NG-PON2 plane, while the network optical unit (ONU) is colourless because it can only tune to the wavelength that it is assigned. Thus, the OLT sends multiple wavelengths multiplexed through the fiber to the ONU, the ONU through the auxiliary management control channel (AMCC) determines which wavelength should tune. Another major point in favour of NG-PON2 is that its wavelength plane coexists with the wavelength planes of previous PON systems such as G-PON, XG-PON1 and radio frequency (RF) video overlay. NG-PON2 can incorporate two technologies in the same fiber infrastructure, time-division-wavelength division multiplexing (TWDM) and point-to-point wavelength division multiplexing (PtP WDM). TWDM PON is used for residential access while PtP WDM-PON is used for mobile backhaul and fronthaul services and for business services. The objective of this dissertation is the study of the integration and support of the 5G mobile network through the NG-PON2 access network, it is concluded that the approach of converging the C-RAN architecture with the NG-PON2 access network implementing PtP WDM PON with the AMCC is possible and feasible. Such a network meets the current demands of both the consumer and the telecom operator. In addition, this network is open to future improvements that allow consumers to monitor bandwidth demand over the next few years.