Performances des codes correcteurs d’erreur LDPC appliqués au lien Fronthaul optique haut-débit pour l’architecture C-RAN du réseau 5G : conception et implantation sur FPGA

Modeling and simulation of high speed optical transmission and forward error correction design and implementation using FPGA

• Auteur / Autrice : Ao Li
• Direction : Christelle Aupetit-Berthelemot, Vahid Meghdadi Neyshabouri, Jean-Pierre Cances
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 18/12/2017
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Antoine Olivier Berthet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Aupetit-Berthelemot, Vahid Meghdadi Neyshabouri, Jean-Pierre Cances
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Douillard, Iyad Dayoub

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Codes de contrôle à parité de faible intensité

Codes correcteurs d'erreurs (théorie de l'information)

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Codes correcteurs d’erreur,

C-RAN

LDPC

Fronthaul optique

Forward error code

C-RAN

LDPC

Optical Fronthaul

Résumé

De nos jours, l’architecture du réseau mobile est en pleine évolution pour assurer la montée en débit entre les Centraux (CO) (réseaux coeurs) et différents terminaux comme les mobiles, ordinateurs, tablettes afin de satisfaire les utilisateurs. Pour faire face à ces défis du futur, le réseau C-RAN (Cloud ou Centralized-RAN) est connu comme une solution de la 5G. Dans le contexte C-RAN, toutes les BBUs (Base Band Units) sont centralisées dans le CO, seules les RRH (Remote Radio Head) restent situées à la tête de la station de base (BS). Un nouveau segment entre les BBUs et RRHs apparait nommé « fronthaul ». Il est basé sur des transmissions D-ROF (digital radio-overfiber) et transporte le signal radio numérique à un débit binaire élevé en utilisant le protocole CPRI (Common Public Radio Interface). En prenant en compte le CAPEX et l’OPEX, le projet ANR LAMPION a proposé la technologie RSOA (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) auto alimenté afin de rendre la solution plus flexible et s’affranchir d’émetteurs/récepteurs colorés dans le cadre de transmission WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network). Néanmoins, il est nécessaire d’ajouter un FEC (forward error corrector) dans la transmission pour assurer la qualité de service. Donc l’objectif de cette thèse est de trouver le FEC le plus adéquat à appliquer dans le contexte C-RAN. Nos travaux se sont focalisés sur l’utilisation de codes LDPC, choisis après comparaisons des performances avec les autres types de codes. Nous avons précisé les paramètres (rendement du code, taille de la matrice, cycle, etc.) nécessaires pour les codes LDPC afin d'obtenir les meilleures performances. Les algorithmes LDPC à décisions dures ont été choisis après considération du compromis entre complexités de circuit et performance. Parmi ces algorithmes à décision dures, le GDBF (gradient descent bit-flipping) était la meilleure solution. La prise en compte d’un CAN 2-Bit dans le canal nous a amené à proposer une variante : le BWGDBF (Balanced weighted GDBF). Des optimisations ont également été faites en regard de la convergence de l'algorithme et de la latence. Enfin, nous avons réussi à implémenter notre propre algorithme sur le FPGA Spartan 6 xc6slx16. Plusieurs méthodes ont été proposées pour atteindre une latence de 5 μs souhaitée dans le contexte C-RAN. Cette thèse a été soutenue par le projet ANR LAMPION (Lambada-based Access and Metropolitan Passive Optical networks).

Nowadays, the architecture of the mobile network is in full evolution to ensure the increase in terms of bit rate between the Central (CO) (core networks) and various terminals such as mobiles, computers, tablets in order to satisfy the users. To address these challenges of the future, the C-RAN (Cloud or Centralized-RAN) network is known as a 5G solution. In the C-RAN context, all BBUs (Base Band Units) are centralized in the CO, only the RRH (Remote Radio Head) remain at the head of the base station (BS). A new segment between BBUs and RRHs appears called "fronthaul". It is based on D-ROF (digital radio-overfiber) transmissions and carries the digital radio signal at a high bit rate using the Common Public Radio Interface (CPRI) protocol. Taking into account CAPEX and OPEX, the ANR LAMPION project has proposed the Self-seeded Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) technology in order to make the solution more flexible and overcome the need for colored transmitters / receivers in the context of PON-WDM (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network). Nevertheless, it is necessary to add a FEC (forward error corrector) in the transmission to ensure the quality of service. So the objective of this thesis is to find the most suitable FEC to apply in the C-RAN context. Our work has focused on the use of LDPC codes, chosen after performance comparisons with other types of codes. We have specified the parameters (code performance, matrix size, cycle, etc.) required for LDPC codes to obtain the best performance. Hard-decision LDPC algorithms were chosen after considering the tradeoff between circuit complexities and performance. Among these hard-decision algorithms, the GDBF (gradient descent bit-flipping) was the best solution. Taking into account a CAN 2-Bit in the channel led us to propose a variant: the BWGDBF (Balanced weighted GDBF). Optimizations have also been made with respect to the convergence of the algorithm and latency. Finally, we managed to implement our own algorithm on the Spartan FPGA 6 xc6slx16. Several methods have been proposed to achieve a latency of 5 μs desired in the C-RAN context. This thesis was supported by the project ANR LAMPION (Lambada-based Access and Metropolitan Passive Optical Networks).