2 背景
2.3 RoF (Radio over Fiber)
RoF(Radio over Fiber)是一種技術，將 RF 訊號利用光纖從 central location 傳送到 Remote Antenna Units (RAUs)。RF 在基地台訊號經過 up-conversion、carrier modulation、
multiplexing，再經由天線傳送，而骨幹網路經由光纖傳送，最後再由天線接收，down conversion、解調，如此一來，便可以透過光纖去傳送 RF 訊號。而 RoF 的優點有低損 耗(0.3 dB/km for 1550 nm)、高頻寬、維修方便等優點[2]。
而RoF 的結合光的方式，常用方法是利用直接調變光強度的方式，將 RF 訊號的大 小直接調變用雷射的電流，稱為直調雷射，或者使雷射發出一道continuous wave(CW)，
並且利用 Mach-Zehnder Modulator (MZM)去調變光的強度，在天線端，只需要一個接收 器和光放大器，即可將RF 訊號送出。
需要注意的是，因為RoF 是用類比的方式來調變光訊號，故雜訊和失真就格外重要，
在RoF 的連結中他限制了 Noise Figure 和 Dynamic Range，故我們需要特別注意的一些 雜訊的產生，來自雷射的 Relative Intensity (RIN) noise ，來自接收器的 shot noise 和 thermal noise，還有光纖所造成的色散[4]。
2.4 OFDMA-PON
OFDMA-PON 就是在 PON 的架構中，使用 OFDM 的訊號調變技術，這個想法主要
是因為利用OFDM 的調變技術，可以使頻寬效率最高，並且頻寬分配方便的優點。又因
為PON 的架構通常是傳送寬頻訊號，但往往設備的高頻衰減，會使得訊號會依照頻率
6 多工的訊號，而OFDMA-PON 是結合了 OFDM 和 Time Division Multiple Access (TDMA)，
每個子載波可以提供服務根據不同的時槽 (time slot) 。因為每個子載波互相為獨立的，
因此也不會發生cross-talk 的現象。藉由移除一些特定的子載波，我就可以使用這些頻
7 帶來提供不同種類訊號的服務[5]。
在此OFDMA-PON 架構中，我們將全部可用的頻寬切割成數個互相正交的子載波，
並且每一個ONU 分配到一個子通道(sub-channel)，而每個子通道可以為一個或是多個 子載波(sub-carriers)，而部分的 subcarrier 給特定的服務，像是提供 RoF 的服務；或者 安排部分子載波在時間及頻譜上共享給ONUS。OLT(Optical Line Terminal)在特定時間 (time slot)時，利用沒人用的子載波，發送詢問(request)信號，得知每個 ONU 欲占用的 頻寬，再去做分配頻寬的動作。在上型傳輸(upstream)中，每個 ONU 把自己想要傳送
的資料放在OLT 以分配好的頻寬內，並把訊號設為零在其他剩餘的頻帶中，再將全部信
號做IFFT 調變產生一個 OFDM frame，再將此 frame 送出；在下型傳輸(downlink)中，
OLT 用廣播的形式，使得每個 OLT 都接受全部頻寬內的訊號，這時 ONU 利用 FFT 解調，
得到全部的資料，但只取出屬於自己頻帶內的訊號，將此往MAC 端傳送。
但需要特別注意的是，因為laser 在不同溫度下時，發出的載波波長會隨著溫度所
變動，因為每一級ONU 的溫度皆時常在變動，故無法使每一級個載波波長完全相同，
又因為所使用的光接收器，若載波波長有一些微小差距，會產生額外的beating noise 在欲接收的頻帶中。NEC 在做這個實驗的時候，而為了要減少 beating noise，故他在每
一級的ONU 所放置的雷射，使用的波長皆相距一段距離，也就是說，他必須要有一連
串昂貴的laser array 才能消除 beating noise。而在下一章，我們將討論解決的方法
8
3 概念
3.1 A NOVEL OFDMA-PON 架構
圖 3-1.次世代 OFDMA PON 整合 RF 訊號架構
這新的OFDMA-PON 架構中，我們將 OLT 與數個 ONUs 的 splitter 換成我們設計的 ODD(Optical Distribution node)，而這個 ODD 包含了一個連接到 OLT 的 splitter、一小 段feeder fiber、以及連接到 ONUs 的 optical circulators。而此架構的 OFDMA-PON 的上 行傳輸(upstream)和下行傳輸(downstream)分別使用 u 和 d，在下行傳輸(downstream) 中，OLT 傳送的資料經過 ODD 的 splitter，接著經過 circulator，直接傳送給對應的 ONU；
而在上行傳輸(upstream)中，ONU-1 先將她想要上傳的資料和控制訊號(control information)透過 circulator 傳送給 ONU-2，而控制通道(control channel)也為 OFDMA
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預先分配好的一個子通道，接著，ONU-2 已接收 ONU-1 的上行資料和控制訊號，由於 ONU-2 藉著控制訊號，知道自己分配到的子通道，於是 ONU-2 將 ONU-1 的訊號解調後 加上自己的訊號，在重新產生一組新的OFDMA 訊號。最後一個 ONU-N 在上行傳輸中透 過ODD，把資料回傳給 OLT，而此資料包含了全部 ONUs 的資料。此外，在每個 ONU 中都有放置一個1×2 的光切換器(optical switch)，若某一個 ONU 故障或是沒有開機，
上行資料仍可以跳過此ONU，繼續傳送[17]。
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oscillator、 中頻濾波器 BPF1，將無線訊號的使用頻帶移動到洞口內位置，使她和有線 訊號不會發生頻帶重疊，也使有線訊號和無線訊號之間的干擾可以被控制，然後將移頻
11
還是在洞口內，接著把RF1 和 RF2 訊號加起來。最後把這些無線訊號和重新產生過的 OFDMA 訊號同時傳送出去。
以此類推，若有 N 的 ONUs，最後一級 ONU 會把一組 OFDMA 訊號和 N 組 RF 訊 號用波長為 u 的雷射傳送回 OLT。如此一來，便可以成為一種新的 OFDMA 架構且支援 無線訊號[16]。
3.3 架構設定和目標
在我們的實驗的架構中，我們將寬頻有線訊號設定為16QAM 的 OFDMA 訊號；而 無線訊號設定為QPSK 調變的 OFDM 訊號，其無線訊號是由 WiMAX 標準去設定。而我 們希望傳送0.2~2.7Ghz 頻寬的 OFDMA 訊號，利用 128 個子載波去傳送，FFT SIZE 為 512，並且我們將第 105~117 跟子載波不放訊號，如此一來，便有一個洞在頻譜圖上，
在此洞裡放入3 個頻寬為 20mhz 的 RF 訊號，而中心頻率分別為 2100Mhz、2160Mhz、
2220Mhz，三者間距皆為 60Mhz，而由於 RF 訊號與 OFDMA 訊號沒有正交性，又兩者 的頻率間距不大，如此以來，會產生嚴重的互相干擾。如圖3-4，為 MATLAB 程式產生 的訊號。
圖 3-4.OFDMA 與 RF 訊號頻譜圖
12
圖 3-5. FFT size N 點訊號的頻譜圖
由於OFDMA 訊號的解調方式是將一整段 symbol 就做一次 FFT，而在看 RF 對 OFDM 訊號的影響時,必須將 RF 訊號用 OFDM 訊號長度切割成數段，由圖 3-5 可見 RF 與 OFDMA 的訊號均有sidelobe 去互相干擾，而 OFDMA 的訊號離 RF 訊號越遠則干擾越低；而 RF
因為相對窄頻訊號，故同一組RF 訊號所遭遇的干擾大致上相同，而不同組間，則以位
於越中間的干擾越小。
我們的目標是在提供異質服務的同時，能有效的運用頻寬，並且要提供32 個 ONUs
都可以正常運作。若寬頻訊號的錯誤率低於1E-3，如此一來，加入錯誤更正碼後，則可
以達通一般通訊標準1E-9 的錯誤率；因 OFDMA 訊號在每一級 ONU 端都有經過解調，
在重新產生，故我們只需考慮傳送一級後的錯誤率是否有達到標準；因RF 訊號是經由
天線所接收下來的，我們不知其MAC 的運作形式，我們只是將 RF 訊號用串連的方式透 過光纖傳送到co(central office)，故 RF 必須考慮經過 32 級後，錯誤率是否能達到 error free。又 QPSK 調變的方式中，若使用 Gray Code 編碼的方式，則若解調端的訊雜比能
13 達到約15.5，即可達到 error free。
3.4 改善方法
由於我們的架構中，因為想要支援不同服務，但因為每個訊號間的調變方式不同，
又彼此訊號間又沒有正交性，因訊號的sidelobe 會使訊號間產生部分重疊，使得訊號間 會產生互相干擾，故下面我們討論了一些不同的改善方式，而付出的代價就是複雜度變 高。
3.4.1 洞口加大
若欲使干擾降低，第一種簡單的方法就是在不同訊號間放入較大的frequency guard band，使得 sidelobe 影響的效果較小，但這種方式使得頻寬效率(bandwidth efficiency) 變差。此處我們一次拿掉左右各一的兩根子載波，對中心位於2100Mhz、2220Mhz 的 兩個WiMAX 訊號，較為公平且易控制。
圖 3-6. o0、o1、o2、o3 頻譜圖
o0: subcarrier: 7~105 116~134 共 118 個子載波上放訊號
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o1: subcarrier :7~104 117~134 共 116 個子載波上放訊號 o2: subcarrier: 7~103 118~134 共 114 個子載波上放訊號 o3: subcarrier: 7~102 119~134 共 112 個子載波上放訊號
我們將此處將o0 表示將 7~105 和 116~134 個子載波放上資料，而 106~115 資料 皆放零，以此類推，我們可以看到若將洞口開的越大，洞口內的sidelobe 有逐漸變小，
也就是說對RF 訊號可以減少干擾。但付出的代價也就是可以使用的頻寬變少，故要在
這之中取捨。
3.4.2 NOTCH
Notch filter 是指能通過大多數頻率，但將某些特定範圍的頻率分量抑制的濾波器，
而其抑制的區域可以極小，有著較高的Q-factor。
由於OFDMA 的解調是將訊號整個收下來做解調，因此我們收下的 RF 訊號，對 OFDMA 訊號來說，便是一種干擾訊號，我們欲使得在 OFDMA 解調端 RF 訊號得以消除，
顧我們在解調前先將訊號經過了NOTCH，將 RF 訊號去除。
但需要特別注意的是，notch filter 無法完全消除 RF 訊號產生的 sidelobe，只能將 notch filter 抑制頻寬內的訊號衰減，故仍來會有干擾。然而 OFDMA 訊號的部分 sidelobe 也會因為被notch filter 所抑制，使得整個訊號在做解調 ifft 時，看到不對稱的能量頻譜，
故notch filter 雖然可以減少 RF 訊號對 OFDMA 訊號的干擾，但同時也會傷害到 OFDMA 訊號本身。
關於FIR filter 的設計， Matlab 一般的設計：
The Window Method ：
以window 來近似 filter ，其中 Kaiser 可調參數，由參數的調整可以達到其他種
15 window 效果。
The Optimal Method：
Equiripple ：主要以達到最小 ripple peak 到理想值誤差為設計標準，passband 上ripple 大小都一樣，但是平均誤差比較大。
Least-squares ：用最小平均誤差來設計，故缺點就是 peak 誤差比較大，像 notch ，ripple 在洞口附近處很大。
Least square
2.05~2.07 GHz Δ ≒ 3.38 dB
Equiripple
2.05~2.07 GHz Δ ≒ 2.35 dB
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Kaiser
2.05~2.07 GHz Δ ≒ 3.34 dB
圖 3-7.三種 NOTCH 的頻譜圖
圖 3-8.Notch 對 OFDM SNR array 曲線圖
在測時的情況中，如圖3-8 我們發現 ripple 對 OFDM 所造成的傷害很大，使用 Equiripple 的時候，振福響應在每個子載波內的變化很大，使得 OFDMA 訊號的整體 SNR 都往下掉，在最接近洞口附近處的子載波，Equiripple 的 SNR 為最高，但整體平均 SRN 仍為最低，主要是因為遠離洞口的子載波幾乎看不到RF 的干擾，只有看到 ripple 的影 響。而Least-squares 和用 Kaiser，在使用階數為 200 時，只有在洞口附近會產生 ripple，
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故遠離洞口的子載波都沒受到干擾，故整體SNR 較高，又兩者效果幾乎完全重疊。
最後我們選用下面規格的notch filter Notch Kaiser (FIR)
order：200 β：0.5 Fc1(6dB) ：2.08 Fc2(6dB) ：2.24 Attenuation：
At 2.1 GHz ≒19.3dB At 2.16 GHz ≒35.3dB At 2.22 GHz ≒18.4dB
圖 3-9.kaiser notch 濾波器的振幅和相位圖
圖 3-10.Kaiser notch 濾波器的群延遲圖
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由圖3-8 可知，此 notch filter 的群延遲為一個常數，故不會造成 ISI 的現象。且僅 在洞口附近有ripple 的現象。
0 20 40 60 80 100 120 140
22 24 26 28 30 32 34 36
hurt caused by NOTCH
SNR (dB)
subcahnnel K200_SNR_ARRAY
圖 3-11.notch filter 對 OFDM 訊號的傷害
由於notch filter 不光僅僅是將 RF 的 inband signal 拿掉，他同時將 OFDM 訊號在洞 口內的sidelobe 衰減，如此一來，如圖 3-11 會傷害到 OFDM 訊號本身。
由於notch filter 不光僅僅是將 RF 的 inband signal 拿掉，他同時將 OFDM 訊號在洞 口內的sidelobe 衰減，如此一來，如圖 3-11 會傷害到 OFDM 訊號本身。