為了滿足加入無線訊號資料之Quad-play服務，首先我們著重在無線RF訊號 與OFDMA訊號在傳輸時之整合能力。接著我們在有成本考量情況下，提出新式 可傳輸40 GHz資料傳輸率之架構設計，並藉由雛形網路驗證可行性。在2.1章節，
我們提出支援Quad-play之OFDM/WDM都會環狀網路架構與節點架構。在2.2章 節，我們提出讓無線RF訊號與OFDMA資料訊號疊合傳送之技術。在2.3章節，利 用較低速之10 GHz頻寬EAM與DML，我們提出可傳輸40 Gb/s之OFDMA光封包 交換技術。為了驗證可行性，我們皆有設計實驗，透過OFDMA傳輸封包資料以 及無線RF訊號。
2.1、OFDMA/WDM 都會環狀網路架構
OFDMA/WDM都會環狀網路是設計來支援Quad-play整合型服務，如圖一，
都會環狀網路各節點可連通全光接取網路(如被動式光網路)以及無線接取網路 (如WiMAX網路)。在光纖線上，利用WDM切分成數個波長通道進行傳輸，而每 個波長通道則採用OFDM技術切分成數百個速率較低之子通道。數據、語音、視 訊等資料以及無線RF訊號，則在子通道上進行傳送。在環網上的節點，可以連 接全光接取網路、無線接取網路、或是長途骨幹網路。在傳輸數據、語音、視訊 等資料時，會與網路上游解調後的資料，一起進行調變，再傳送至下游節點。由 於無線網路目前主流已採用OFDM進行調變，因此在傳遞無線RF訊號時，不再 重新解調，直接載入預先配置之子通道。
在節點架構內，來自環網上游節點之OFDM通道傳至此節點時，經由接收器 轉成電訊號，透過解多工器將RF訊號與數據、影音、視訊等資料訊號分離，資
料訊號藉由OFDM解調之後得到原始封包資料，利用控制標頭先判斷封包目的 地，若為此節點，則將其接收下來，並清空其所佔據之OFDMA位置。此節點若 有封包需傳遞至下游節點，則觀察通道閒置區塊，並藉由媒介存取控制技術，決 定其傳送時間，接著與上游節點其餘之封包一同進行OFDM調變，最後與無線RF 訊號組合後一同傳送。RF訊號藉由獨立子通道傳輸，不需經過解調。在傳送接 收交換器裡，配置給此天線之RF訊號子通道會藉由天線直接往外傳送，而天線 接收之RF訊號，也會與其它子通道之RF訊號一同傳至下游節點。
2.2、無線 RF 訊號與 OFDMA 資料訊號疊合技術
OFDMA/WDM都會環狀網路架構設計，除了可傳送一般性的數據、語音、
視訊之外，還必須支援多重無線訊號接收[9]。此無線訊號來自於不同區域之分 散天線。我們利用圖二來說明兩個具有天線之節點，在接收無線RF訊號之後，
疊加在原有OFDMA訊號的過程。首先，利用混合器、震盪器以及濾波器，將天 線接收之無線訊號經過頻率偏移過程到預先配置的頻帶。此頻帶我們已預先安插 零信號在對應的IFFT點上，以保持其頻帶乾淨。偏移的訊號接著與下傳的 OFDMA訊號結合，藉由直接調頻雷射送至下一個節點。因為在此頻帶沒有子載 波，因此無線訊號與下傳的OFDMA訊號不會發生干擾。
當下游節點收到上游節點來的光波時，先將接收訊號分成兩條路徑，第一條 為下傳的OFDMA訊號，流程包含類比數位轉換器、OFDM解調、控制通道辨識、
下載與上傳此節點之資料、產生OFDM調變訊號，並且進行數位類比轉換。在第
frame
圖一、OFDMA/WDM都會環狀網路架構
二條路徑，系統在配置的無線波段使用通道濾波器，以移除OFDMA訊號並保留 所有無線訊號。RF結合器將此節點所收到之RF訊號與上游節點之RF訊號合併。
最後，系統將RF訊號與OFDMA訊號整合，並驅動雷射傳輸。
如圖二所示疊加示意圖，展示在入境節點與出節點時的OFDMA資料頻譜狀 態。在Node 1時，位置(i)接收到上游OFDMA資料，其中保留一塊通道是給RF訊 號傳輸用。位置(ii)將天線接收的RF訊號做頻率偏移fm1，接著與位置(iii)經過濾 波之後的訊號結合。RF訊號與OFDMA訊號在位置(iv)合併，並傳到下一個節點，
此訊號不會與OFDMA訊號干擾。在Node 2時，依循相同的流程，天線訊號在位 置(ii)會頻率偏移fm2，並且與位置(iii)經過濾波之後的Node 1 RF訊號合併，到位 置(iv)時，可傳輸OFDMA訊號以及兩根RF訊號。
我們藉由雛形實驗網路進行測試，將多重RF訊號與OFDMA訊號結合，以驗 證此OFDMA環狀網路與系統架構可行性。如圖三，實驗網路測試包含四個節 點，其中Node 1會產生OFDM訊號，並且Nodes 1, 2, and 3會產生無線RF訊號，而 Node 4則會將訊號解回來。
實驗參數設定如下：Node 1在2.5 GHz頻寬產生16-QAM-OFDM訊號，並且 在2100 MHz產生一個單一載波QPSK調變20 MHz symbol rate，並且驅動10 GHz 頻寬直調雷射在波段1540 nm，其輸出能量為3 dBm。OFDM訊號是由10 GHz取 樣率之任意波形產生器(AWG)產生，其FFT size為512，cyclic prefix為1/64。配置 的RF頻帶在2130 MHz，為220 MHz寬，此寬度足夠容納多重無線訊號傳輸。合 併的訊號頻譜也展示在圖三中。在Node 2與Node 3，訊號經過30 dB深度的Notch 濾波器，模擬OFDM產生程序，RF結合器將原始在2100 MHz之RF訊號與頻率偏 移之新的無線訊號疊合，其中Node 2之訊號偏移至2160 MHz，Node 3之訊號偏 移至2200 MHz。最後，在Node 4，利用光學接收器將光訊號轉回電訊號，並且
OFDM訊號與RF訊號利用訊號處理器解調回來。
在這個系統底下，為了達到最佳化傳輸表現與應付網路規模成長性，無線訊 號與OFDMA訊號之能量分布成為決定性的系統參數。因為OFDMA訊號在每個 節點皆先解調再重新調變，因此在節點之間的能量漏失情況顯得較為輕微，
OFDMA訊號允許保持較低驅動能量，讓接收器可以正確回復資料。在整體調變 指標為常數，且接收能量為-10 dBm設定下，圖四(a)展示出OFDMA與RF訊號在 考量不同能量比率之訊號雜訊比(signal to noise ratio; SNR)曲線。
為了達到OFDMA訊號的高峰均功率比(peak-to-average ratio; PAPR)，隨著RF 能量比例增加，且OFDMA訊號表現可接受範圍內，我們採用能量比例為1.5去最 佳化RF訊號完整性，亦即RF訊號能量為OFDMA訊號的1.5倍。在最後節點的鏈 結能量比例則設定為0.1。RF訊號SNR需求遠高於16 dB SNR無差錯要求的QPSK 訊號格式。圖四(b)秀出Node 4的OFDM位元錯誤率，OFDMA訊號達到無差錯傳 輸在-8.5 dBm在2 dB transmission penalty。最後，透過圖四(c)，在16-QAM OFDM 訊號可偵測到一個乾淨的constellation圖，證明無線訊號與OFDMA訊號的結合 性。
2.3、40 Gb/s OFDMA 都會環狀網路傳輸技術
為了增加資料傳輸率 至40 Gb/sA甚至更高速，高頻寬光都會環網採用 Mach-Zender調變器(MZM)以避免光纖傳輸後之單邊帶[10]能量衰減。然而MZM 設備相對而言較為昂貴，具有成本效益之其他方案為使用直調方式。如直調DFB 雷射(DML)以及致電吸光調變技術(EAM)。若單純採用DML方式會有兩項阻礙。
首先是DMLs產生雙帶寬光OFDM訊號而產生能量衰減。第二為DML正啾頻現象 在傳輸超過常規最大傳輸距離時有較糟效應。因此我們展示在10-GHz DML與 EAM元件下，達到40 Gb/s傳輸率。
圖三、OFDMA 環狀雛形實驗網路設置
在 實 驗 架 構 內 ，OFDM訊號由任意波形產生器(AWG，型號Tektronix®
AWG7122)利用Matlab程式產生。OFDM傳輸器包含序列轉平行埠轉換器、QAM 調變器、快速傅利葉逆轉換器、循環字首插入器、與數位類比訊號轉換器。AWG 的取樣率與數位類比訊號解析力分別為12 GS/s與8位元。驅動訊號包含一個
-17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 1E-11
1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01
Bit error rate
O ptical received pow er (dBm ) O FD M signal
B ack to B ack PO N transm ission
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
20 22 24 26 28 30
Signal to Noise Ratio (dB)
Pow er R atio (PR) Radio signal O FD M signal
(a) SNR performance
(b) BER of OFDMA signal
(c) Constellation diagram of OFDMA signal 圖四、雛形網路實驗結果
23.4375-MSym/s 128-QAM符號之OFDM訊號，其編碼在6-98通道，頻寬為2.18 GHz。此為第一頻帶，資料傳輸率為15.2578 Gb/s。在第二頻帶由另一個OFDM 訊號具備相同的符元率但是採用64-QAM格式編碼，並且向上轉換至4.406 GHz 波段，其佔用99-186通道與200-287之合併資料率24.75 Gb/s。此兩OFDM頻帶合 併，我們可以達到40 Gb/s資料傳輸率。
圖五展示了實驗設置並內置相應位置之電子頻譜展示。兩道電子訊號之資料 流分別由AWG之通道一與通道二產生。將通道二訊號放大並且移頻至4.406 GHz。經過方向耦合器，兩組訊號接著合併，並且傳送至DFB或EAM。經由標準 的單模光纖傳輸後，此光訊號由光感測器接收。經過平方律檢波器，放大其波形 並由數位示波器(Tektronix® DPO 71254)擷取，其採樣率為50 GS/s以及3 dB頻寬 為16 GHz。利用離線Matlab DSP程式作OFDM訊號解碼。由星座圖，我們量測訊 號雜訊比並計算位元錯誤率。
由於RF訊號在光纖傳輸減弱會嚴重影響DML/EAM的之表現。為了克服這減 弱的問題，我們採用了預加重演算法(Pre-emphasis algorithm)。在圖六，我們首 先顯示訊號雜訊比於藍色曲線，此時未作功率調整。位於高頻率之子載波遭受到 RF減弱影響造成嚴重的訊號雜訊比惡化。在採用預加重演算法後，我們觀察到 一個較平順之訊號雜訊比曲線。圖七描繪出此EAM之每個子載波訊號雜訊比，
分別為相鄰狀態與經過20公里單模光纖傳輸。在考慮EA調變之啾頻現象後，RF 衰減現象會增強。因為此衰減在高頻會較嚴重，為了補償衰減之能量損失，我們 在高頻子載波給予外加能量。因此可以得到較好的訊號雜訊比，如同圖七(a)之 藍色線所示。然而，在經過20公里單模光纖傳輸後，因為RF衰減效應，高頻子 載波仍遭受較多與顯示較低之訊號雜訊比。在圖七(b)，我們繪出光纖傳輸前後 之通道1 (128-QAM)與通道2 (64-QAM)之星座圖。圖八則顯示出DFB與EAM在直 接互連、5公里與20公里單磨光纖傳輸之位元錯誤率。在低於10-3之位元錯誤率，
圖五、含頻譜展示之實驗設置架構圖。(a) 通道 2；(b) 通道 1；
(c) 通道 1 經過移頻轉換後；以及(d) 結合通道 1 與通道 2。
其接收能量為 -8.3 dBm與 -7.8 dBm。更且藉由預加重演算法，我們在DFB與
Frequency (GHz)
Received Power = -6dBmw/o Pre-emphasis w/ Pre-emphasis
Frequency (GHz)
Received Power = -7dBmO B-t-B w/ SMF 20km