1 次世代分頻多工存取被動式光網路
1.1 背景介紹
1 次世代分頻多工存取被動式光網路
1.1 背景介紹
光纖技術因為其高頻寬、低雜訊等特點使其成為用來取代傳統低頻寬 ADSL 並能夠提供 triple-play(數據、影、音三合一)的解決方案，而其中又以具有高頻寬，
低成本的被動式光纖網路(Passive Optical Network, PON)被寄予高度期望。PON 的優勢在於可以利用光纖提供高品質與高頻寬的資料傳輸，同時由於 PON 架構 工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ,OFDM)技術應用在 PON 上。由於 OFDM 同時在 frequency domain 及 time domain 將頻寬切割成多個正交子載波 (orthogonal sub-carriers) ， 而 且 其 頻 寬 單 位 甚 小 (4bits~16bits) 因 此 bandwidth granularity 相較於 TDM-PON 要來的細緻很多，因此每個 ONU(Optical Network Unit)可以很彈性的用固定或是動態方式分配到一個或多個子載波。除此，OFDM 目前可以利用至少 16-QAM 以上的 modulation 技術將訊號傳輸率大幅提高，相 對於傳統 TDM-PON 上使用的 on-off keying (OOK) format，具有極高的 spectral
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卻避免了 WDM-PON 高成本、不易達成 colorless 需求、以及波長不易共享導致 頻寬浪費的缺點。更重要的是其系統建置成本極低，因此可以預見 OFDMA-PON 將成為下一世代極具潛力的 PON 架構。
此外，無線網路建置容易、能夠提供移動通訊、使用方便而成為現今網路的 發展重點，但其因訊號干擾及建築物遮蔽效應所產生的衰退(fading)現象而造成 訊 號 品 質 不 良 的 問 題 一 直 是 多 年 來 研 究 者 積 極 想 解 決 的 課 題 。 其 中 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)系統利用多組收發天線搭配加解碼技 術，被認為是改善無線訊號品質的最佳方案之一，近來建構在 MIMO 系統基礎 上的 Network MIMO 技術進一步延伸基本 MIMO 系統的操作範圍，其透過多個 基地台的快速同步(multi-cell coordination)共同解調出最佳的信號，使得在 cell edge 訊號不佳的問題可望獲得解決，達到整體系統最佳的 throughput。
值得一提的是光載波技術(Radio over Fiber, ROF)[6]，RoF 的基本運作方式是 在基地台直接調變光強度，將 RF 訊號的振幅直接調變雷射的電流以製造出相對 自獨立操作(independent architecture)，WiMAX base station 透過線路連結到 ONU，
在此這個架構下 ONU 和 BS 各自擁有獨立的系統，不但硬體設備無法共用，傳
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輸格式亦不相同，因此需要作訊號的轉換，且因各自為獨立系統，整體的頻寬的 分配無法達到最佳化，失去整合的意義。第二種整合模式則是將 ONU 與 WiMAX base station 整合在單一的系統(hybrid architecture)。如此可以較容易使兩個系統 在硬體和軟體方面作整合以降低成本，並改善頻寬分配的效率。但在此架構下，
因 EPON 為 TDM 的光信號傳輸模式，而 WiMAX 則是 OFDM 的電訊號傳輸模 式，因此在 BS 接收無線訊號後必須先解調為電訊號，再轉換成 PON 的光資料 格式，在處理過程中過於複雜且成本高。
圖 1.1 EPON 和 WiMAX 系統整合模式
鑑於上述的缺點，有學者提出圖 1.2 的架構[8]以改善這些缺失。此架構利用 PON 做為骨幹，在 ONU 端利用 WiMAX remote antenna 取代價格昂貴的 base station，而 WiMAX base station 則是和 OLT 整合在一起。這樣的好處在於成本大 幅下降，卻仍可以使無線接取網路覆蓋的範圍擴大。在系統實作上可以利用 Radio-Over-Fiber (ROF)技術將無線訊號直接調變成光訊號而降低硬體複雜度及 成本。但隨之即而來的問題為 RA 隨接即送不暫存訊號的特性，而使得多個同頻 率的無線訊號會同時載在光纖網路，而在 splitter 到 OLT 之間造成訊號碰撞的現 象，亦即所謂的 Optical Beat Interference (OBI)的問題。另外，由於 WiMAX 與 PON 的訊號格式仍舊不同，如何達到兩個系統 seamless 的結合仍是很大的挑戰。
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圖 1.2 ONU with WiMAX Antenna
NEC America [9][10]率先提出結合 WDM-PON 與 OFDM 技術而能夠支援 ROF 的系統如圖 1.3 所示。此架構在 WDM-PON 上採用與 WiMAX 相同的 OFDM 格式，解決了訊號格式不同的問題。另外，因此用 WDM 架構使得每個 ONU 皆 使用單獨的波長而避免了 OBI 的問題。但是 WDM-PON 伴隨而來的缺點即是多 個波長無法共享而造成頻寬浪費而且光元件成本過高。
圖 1.3 NEC America 之結合 WDM-PON 與 OFDM 技術
現存 PON 網路架構除了存在許多缺點，更難以避免為支援 RoF 而產生 OBI 的問題，本篇論文採用的 OFDMA-PON 可支援 RoF，避免 OBI 問題以達成 quadra-play 的要求，且避免採用 WDM 以降低成本。
基於以上的技術背景，Next Generation OFDM-PON 應運而生，下一小節將 介紹其如何結合以上技術，建構下一世代的被動式光網路。