As the mobile data traffic continues to grow exponentially, there have been substantial efforts to uti-lize the sparse wireless resources efficiently by reducing the cell size. However, as the cell size is reduced, the number of base stations should be increased, which, in turn, could increase the installation and operation ex-penditures on base stations significantly. Traditionally, the base stations are composed of the baseband signal processing units, analog radio frequency (RF) units, and other control units. Thus, it was necessary for the service providers to either lease a space or build a hut to accommodate these units right at the cell site. However, in order to drastically curtail the expenditure on base stations, the service providers are now upgrad-ing their mobile backhaul networks by employing the centralized radio access network (CRAN) technology. For example, by moving the baseband units (BBUs) and associated control units to the centralized location and leaving only the analog RF units (i.e., remote radio head: RRH) at the cell site, it becomes possible to realize compact base stations which can be mounted simply on the electric poles or building walls. Thus, the major advantages of the CRAN technology include (1) the significant reduction in the operational expendi-ture of compact base stations, (2) the easy maintenance of BBUs at the centralized location, (3) adaptive allocation of the BBU resources to multiple base stations, and (4) the capacity enhancement using the net-work multiple-input multiple-output (MIMO) technology such as the coordinated multipoint (CoMP).
In order to connect the BBUs at the centralized location to the RRHs at the base stations, a couple of digital transport protocols have been widely used including the common public radio interface (CPRI) and open base station architecture initiative (OBSAI). The transport network between the BBUs and RRHs are commonly referred as fronthaul network. As the mobile traffic continues to increase, the data rate in the fronthaul network has also been increased continuously and now becomes 25 Gb/s per cell site in the 4th gen-eration LTE and LTE-A systems. Thus, it is critically important to develop a cost-effective architecture and transport solution for such a high-capacity fronthaul network.
In this thesis, it is attempted to identify the optimum CRAN architecture for the 4th generation wireless communication systems and develop a practical 25-Gb/s transmission technology for the use in such a CRAN. For these purposes, (1) various network architectures having point-to-point, star, and ring topologies have been compared in terms of the number of fiber links and the cost of required optical components, and (2) cost-effective 25-Gb/s optical links have been developed by using EMLs for the CPRI-based mobile fron-thaul network. The EMLs are more cost-effective and have smaller footprint than the high-speed optical transmitters based on external LiNbO3 modulators. The 25-Gb/s optical links have been implemented by using these EMLs and three different modulation formats including the on-off keying, duobinary, and 4-level pulse amplitude modulation (4PAM). The performances of these formats have been compared in terms of the tolerance to fiber chromatic dispersion and the optical reflections arising from bad optical connectors and fiber Rayleigh backscattering. The results show that, when the required transmission distance is shorter than 10 km, the NRZ-OOK format has the most superior performance. However, when the required transmission distance is in the range of 10 km ~ 20 km, the duobinary format offers the best performance. As expected, the effect of crosstalk caused by Rayleigh scattering or bad fiber connectors is increased with the modulation levels. Accordingly, it is experimentally confirmed that 4PAM format is most sensitive to the reflection-induced crosstalk.
급격히 증가하고 있는 무선 데이터 트래픽을 수용하기 위한 방안으로 셀의 크기를 감소시켜 무선 자원의 공간적 활용도를 높이고자 하는 노력이 진행되고 있다. 그러나 셀의 크기를 줄이면 더 많은 무선 기지국을 건설해야 하므로 기지국 설치 및 운용 비용이 크게 증가한다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 CRAN(centralized radio access network)이 활발하게 연구되고 있다. 기존의 무선통신망에서 기지국은 기적대역 신호를 처리하는 BBU(baseband unit)과 RRH(remote radio head)로 구성되어있다. 상향신호의 경우, 안테나에서 수신된 신호를 RRH에서 디지털 신호로 변환한 뒤, BBU를 통해 채널코딩된 신호에서 메시지를 추출한다. 그러나 CRAN에서는 공간을 많이 차지하는 BBU가 CO(central office)에 집중되므로 RRH와 안테나만으로 간단하게 무선 기지국을 구성할 수 있다. 따라서 각 무선 기지국 설치에 필요한 공간이 크게 감소하여 공간 임대 비용이 거의 들지 않으며, BBU 자원을 효율적으로 RRH에 분배하여 전력 소비를 감소시킬 수 있으며, BBU가 한 곳에 모여있기 때문에 관리 비용이 줄어든다. 또한 물리적으로 다른 곳에 위치한 무선 기지국의 신호 처리부인 BBU가 한 곳에 집중되어 있으므로 협력 통신(CoMP)과 같은 네트워크 MIMO(multiple-input multiple-output) 기반 기술을 효과적으로 구현할 수 있다. 이 기술을 적용하면 앞서 문제 되었던 간섭 문제를 해결할 수 있을 뿐 아니라, 셀 가장자리에서의 전송 속도를 높일 수 있다. 셀 가장자리의 신호는 기지국까지 신호를 전송할 때, 손실이 크기 때문에 SNR(signal-to-noise ratio)가 작아, 높은 전송 효율을 갖는 변조방식을 사용할 수 없기 때문이다. 그러나 셀 가장자리의 단말기가 협력 통신을 하게 되면 인접 셀의 기지국에 전송한 신호까지 이용할 수 있기 때문에 기존의 무선통신망에 비해 균일한 전송 속도를 제공할 수 있다. 기존의 무선통신망에서는 BBU와 RRH가 한 공간에 있었기 때문에 이 둘간의 신호를 전달하는 것은 어렵지 않았다. 그러나 CRAN에서는 BBU가 CO에 집중되어있기 때문에, 각각의 기지국의 RRH에서 BBU가 있는 CO까지 연결하는 네트워크를 구현하는 문제가 중요하다. 다음과 같은 네트워크를 무선 프론트홀 망(fronthaul network)이라 한다. 프론트홀 망에서 BBU와 RRH는 통상적으로 CPRI 또는 OBSAI 프로토콜 기반 디지털 광링크로 연결된다 [4]. 대개 CO가 관리하는 macro cell을 10 km 내외로 구성하며, 각각의 기지국에서 전송되는 신호를 CO에서 MIMO 기술을 이용하기 위해서는 전송 지연시간을 최소화 해야한다. 이를 위해 무선 프론트홀을 광링크로 구현한다.
본 논문에서는 25 Gb/s 급의 신호를 전송하는 무선 프론트홀 망을 구축하는 방안을 살펴보고자 한다. 이러한 CPRI 프로토콜을 수용하는 고속 광링크를 경제적으로 구현하기 위하여 전계 흡수 변조 레이저(EML: Electro-absorption Modulated Laser)를 사용하는 방안을 제안하고, 세가지 다른 변조 방식을 사용하여 이러한 광링크를 실험적으로 평가하겠다.
CRAN에서는 가격적인 측면이 중요하기 때문에 코히어런트 방식을 사용하지 않고, di-rect detection을 사용하는 변조 방식을 확인하고자 하며, NRZ OOK, 전기적 듀오바이너리, 4-PAM 신호를 살펴보았다. 전송을 하게 되면, 분산, 전력 손실, Rayleigh backscattering, 반사와 같은 많은 열화 요인에 의해 전송거리가 길어질수록 성능이 열화된다. 각각의 변조 방식으로 전송했을 때, 이러한 열화 요인에 의해 성능이 얼마나 저하되는지를 각각 실험을 통해 확인하고, 각각 전송 거리를 얼마나 늘릴 수 있는지 확인했다.
이러한 관점에서 본 논문은 다음과 같이 구성했다. 2장에서는 먼저 CRAN과 모바일 프론트홀의 개념에 대해서 자세히 살펴보고자 한다. 그리고 구현하고자 하는 25 Gb/s 급 신호를 전송하기 위해 가장 적합한 네트워크 구조를 조사했다. EML을 이용한 직접 변조방식으로 전송하고자 하므로 3장에서는 EML의 장점과 단점을 분석하였다. 또한 각각의 EML을 이용하여 서로 다른 세 가지 변조 방식으로 전송하고자 하기 때문에, 각각의 변조방식의 효과에 대해 분석했다. 4장에서는 제안하는 시스템을 고려하여 전송할 경우, 성능을 열화하는 요인인 색분산과 Rayleigh backscattering의 영향을 분석하고, 이를 실험적으로 확인하였다.
