（应用数学专业论文）二维ocdma系统的多用户实验和多速率仿真研究.pdf

。 ， n _ 一 、 一 0，歹r 目录 摘要i a b s t r a c t 。 第一章绪论。l 1 1 弓i 言1 1 2o c d m a 技术概述3 1 2 1o c d m a 系统基本结构原理3 1 2 2o c d m a 系统特点4 1 2 3o c d m a 系统分类。5 1 3o c d m a 系统关键技术6 l3 1 光地址码理论6 1 3 2 光编解码器。6 1 4o c d m a 技术发展历史和研究现状7 1 5 本文的主要研究内容。9 第二章二维o c d m a 系统方案与结构l l 2 1 引言。l l 2 2 二维o c d m a 系统的分类及结构1 1 2 2 1 时分空分o c d m a 系统( t so c d m a ) 1l 2 2 2 波分码分相结合的系统( w d m + o c d m a ) 2 2 3 多波长o c d m a 系统( m w o c d m a ) 1 4 2 3 二维o c d m a 系统性能的比较1 6 2 4 二维o c d m a 系统性能的改善1 7 第三章基于f b c m 的二维o c d m a 系统的实验研究l9 3 1 布拉格光纤光栅( f b g ) 的编解码原理1 9 3 2f b g s 编解码器设计和二维o o c 码字构造2 0 3 2 1f b g s 编解码器设计原理2 0 3 2 2 二维o o c 的构造。2l 3 3 基于f b g s 的双用户二维o c d m a 系统实验研究2 3 i 3 3 1 系统结构与参数设置2 3 3 3 2 实验结果与分析2 5 3 3 3f b g s 间距的速率限制讨论2 7 第四章基于f b g s 的多速率二维o c d m a 系统2 8 4 1 采用不同的码字数2 8 4 1 1 并行信道结构的多速率o c d m a 系统2 8 4 1 2 串行信道结构的多速率o c d m a 系统3 2 4 2 采用不同的扩频系数3 4 4 2 1 变码长o c d m a 码字3 5 4 2 2 系统结构3 5 4 2 3 系统性能3 5 4 3 基于f b g s 的多速率二维o c d m a 系统仿真3 7 4 3 1 系统编解码方案。3 8 4 3 2 多速率系统结构3 9 4 3 3 仿真结果分析4 0 第五章总结与展望4 5 5 1 全文总结。4 5 5 2 研究展望4 6 参考文献4 7 作者简介5l j s c 谢5 2 摘要 光码分多址技术o c d m a 是将码分多址c d m a 技术与大容量的光纤通信技术相结合 的一种通信方式，其主要优点表现在如下几个方面：允许多个用户随机的接入同一信道； 可以构成真正“透明”的全光通信网络；具有良好的安全性；允许可变速率或者多速率传输， 并可同时提供多种业务支持；具有良好的抗干扰能力，并能够充分地利用石英光纤的可用 带宽。因此，o c d m a 技术具有很强的技术优势和广阔的应用前景。 本文主要围绕二维o c d m a 系统展开研究。在二维o c d m a 系统中，每个用户的地址 码序列是二维的，即每个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空间或波长域 上扩展。由于增加了一个自由度( 空间或波长) ，二维o c d m a 系统的性能比一维o c d m a 系统有很大的提高。 论文首先对光码分多址技术的基本原理、系统特点、系统分类以及关键技术进行了介 绍，并对o c d m a 系统的发展历史和研究现状进行了总结。 第二章，对目前二维o c d m a 系统的主要的三个编码方案：时一空二维o c d m a 、 w d m + o c d m a 以及多波长二维o c d m a 进行了分析，并通过仿真比较了这三种系统的 性能。结论表明了二维o c d m a 系统在并发用户数和系统误码率方面远大于目前一维 o c d m a 系统。同时对改善二维o c d m a 系统提出了一些有意义的建议和总结。 第三章，对基于布拉格光纤光栅阵列的二维o c d m a 系统进行了实验研究。讨论了 f b c - s 编解码器的编解码原理和二维o o c 码字的构造原理，设计并制作了基于课题组自行 设计的二维o o c 码字的二维f b g 编解码器。实现了双用户、数据速率为2 5 g b s 的非相 干o c d m a 系统。研究了当系统传输速率超过相邻f b g 间距限制条件时系统的编解码情 况。实验结果表明，该二维f b g s 编解码器可以进行正确的光信号编解码，系统的理论最 大传输速率在实际中是可以逾越的。 第四章，讨论了在未来的光接入网中，利用o c d m a 技术同时支持多种不同速率、不 同服务质量要求的用户信号的可能性。分析和比较了传统多速率光码分多址系统的编解码 方案。提出了让扩频后码字周期固定的编解码方案，从理论上分析该方案的性能特性，并 进行了相应的仿真，仿真结果和理论分析基本吻合。 第五章，全文总结和展望。 关键词：光码分多址，二维编解码，布拉格光纤光栅阵列，多用户，多速率 a b s t r a c t o p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o c d m a ) i sac o m m u n i c a t i o nm o d ew h i c h i n t r o d u c e st h ec o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) t e c h n o l o g y i n t o o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e s i d e sp m “d m ga s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n sa c c e s s , ( ) c d m a s y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c h 笛h i 曲c a p a c i t y , s e c u r i t ya g a i n s ti n t e r c e p t i o n , s u p p r e s s i o no f n a l t o wb a n dd i s t u r b a n c e s , c a p a b i l i t yi nf o r m i n gv a r i a b l eb i tr a t en e t w o r k sa n dm u l t i - r a t e n e t w o r k s i ti m p l i e sag r e a tc h a l l e n g ef o rt h ed e v e l o p m e n to ff u t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ， e s p e c i a l l ya l lo p t i c a ln e t w o r k s t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sf o c u s e do nt w od i m e n s i o no p t i c a lc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s ss y s t e m i n2 - do c d m as y s t e m ，t h ec o d es e q u e n c ef o re a c h 峭盯i ss p r e a d i nt i m ec h i pa n dw a v e l e n g t h , o ri nt i m ec h i pa n ds p a c e 2 - do c d m as y s t e mh a sg o o d p e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t l ll do c d m as y s t e mb e c a u s eo f t h ei n c r e a s i n go f o n e d i m e n s i o n f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e , s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c ，s y s t e mc l a s s i f i c a t i o na n dt h ek e y t e c h n o l o g i e sa l ei n t r o d u c e di n s e c t i o no n e t h ed e v e l o p m e n t , r e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n d so f o c d m a t e c h n o l o g i e sa r ea l s os u m m a r i z e d t s - o c d m a ，w d m + o c d m a ，m w - o c d m at w o - d i m e n s i o n a lo c d m as y s t e me n c o d i n g a n dd e c o d i n ga r er e s e a r c h e d , a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h i n ek i n d so ft w o - d i m e n s i o n a lo c d m a s y s t e ma 托c o m p a r e db ys i m u l a t i o ni nt h es e c o n ds ：t i o l l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft w od i m e n s i o n so c d m as y s t e mi sb e t t e rt h a no n e d i m e n s i o n so c d m a s y s t e m i nm a n yf a c t o r s ，s u c ha st h es i m u l t a n e o u su s e r s ，t h ec a p a c i t yo f t h es y s t e ma n dt h eb i t ee r r o rr a t e m e a n w h i l e ，s o m es i g n i f i c a n ts u r e o na n dc o n c l u s i o no ni m p m v i n gt w o - d i m e n s i o n a lo c d m a s y s t e ma r eg i v e n t h e2 - do c d m as y s t e mb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n ga r r a y si ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l yi n t h et h i r ds e c t i o n t h es t r u c t u r ep r i n c i p l eo ff i b e rb r a g gg r a t i n ge n c o d e r d e c o d e ra n d2 - do o c c o d ei sd i s c u s s e d ，t h et w o - d i m e n s i o no 砸c a lo r t h o g o n a lc o d ed e s i g n e di no u rl a b o r a t o r yi s a p p l i e d , a n dt h e nt h e2 - df b 岱e n c o d e r d e c o d e rb a s e do nt h eo o c i sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t w o - u s e rp a r a l l e lt r a n s m i s s i o ni n c o h e r e n to c d m as y s t e mi sa c h i e v e d , t h er a t ei su p 协 2 5 g b s t h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n go ft h es y s t e mi ss t u d i e dw h e nt h et r a n s m i s s i o nr a t ei s b e y o n dt h ec r i t i c a lv a l u ed e t e r m i n e db yt h ed i s t a n c eb e t w e e nf i b e rb r a g gg r a t i n g s i ti sp m v e d t h a tt h e2 一df b g se n c o d e r d e c o d e rd e s i g n e dc a nb ee n c o d e da n dd e c o d e dc o r r e c t l yf o ro c d m a s y s t e mt r a n s m i s s i o n t h et h e o r e t i c a lm a x i l n u md a t ar a t eo f t h es y s t e mc a l lb ee x c e e d e d i nt h ef o r t hs e c t i o n , t h ep o s s i b i l i t yo fs u p p o r t i n gt h ed a t aw i t hm u l t i - r a t ea n dv a r i o u s q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c 2 ) d e m a n d si nt h ef u t u r eo c d m a a c c e s sn e t w o r ki sd i s c u s s e d s c h e m eo f e n c o d i n ga n dd e c o d i n gi nt r a d i t i o n a lm u l t i - r a t eo c d m as y s t e mi sc o m p a r e da n da n a l y z e d t h e s c h e m eo fe n c o d i n ga n dd e c o d i n gw i t h 做e ds p r e a ds p e c t r u ma d d r e s sc o d ec y c l ei sp r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h i ss c h e m ei sa n a l y z e di nt h e o r y t h er e l e v a n ts i m u l a t i o ni s d o n et ov e e r yt h et h e o r y t h es u m m a r i z a t i o no fa l lt h ep a p e ri sg o ti nt h el a s ts e c t i o i l k e y w o r d s ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c 燃s , t w o - d i m e n s i o n a le n c o d i n ga n dd e c o d m g f i b e rb r a g gg r a t i n ga r r a y s ，m u l t i - u s e sm u l t i - r a t e m 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 上个世纪后期，电信技术的蓬勃发展使人类跨入了信息时代。信息技术是当今世界应 用范围最广、前景最为广阔的一门科学技术，正在并将继续深刻地改变人们的生活方式， 成为2 l 世纪世界第一大产业已勿庸置疑。作为信息技术支柱之一的光纤通信技术的地位也 空前地提高，在新的世纪里必将被赋予更大的历史使命和焕发出更加强大的生命力。 随着社会和经济的发展，低速、窄带、单一形式的通信已不能满足人们对通信的要求， 人们迫切期望高速通信、多媒体通信及综合业务数字网的实现。为更好地适应这一要求， 光纤通信技术在近年来得到了长足的发展。研究者们为了更进一步地提高光纤利用率，挖 掘出更大的带宽资源，参考电域比较成熟的电复用技术，提出了光域的许多复用技术，如 光时分复用( o t i ) m ) 、光波分复用( o w d m ) 、光码分复用( o c d m a ) 、光空分复用( o s d m ) 和副载波复用( s c m ) 等。其中，o t d m 、o w d m 和o c d m a 是光纤通信的三大主流信 道复用技术。 o t d m 技术把电网络数据传输的常规时分复用技术引入光纤网络【h j 。它利用高速光 开关，将调制后的光信号在时间上多路复用到一根光纤上。一芯光纤中携带多个用户，每 个用户在指定的时隙传输数据，时隙还可以识别用户地址。o t d m 技术在提高单信道传输 带宽的同时，也避开了电子器件速率极限的瓶颈。但是系统需要严格的色散管理、时钟同 步和超短脉冲激光器，且地址分配不灵活等【4 】，它的一些关键技术还亟待解决。 o w d m 技术是在一芯光纤中开辟多个波长信道【”】，每个信道采用不同的光波长在同 一芯光纤中同时传输，不同的信道可以根据需要传输不同的速率和数据形式。这样就有效 地利用了光纤带宽，大大增加了系统容量。但是，o w d m 系统波长数有限，且随着波长 数的增加，波长间隔就变得愈来愈窄，光线中的非线性效应也就越来越大，对光源和元器 件就会提出更高的要求，大大地增加了系统的成本。此外，o w d m 系统主要解决传送网 上的电子瓶颈，并没有解决从信源到信宿之间的所有瓶颈嗣。因此，难以构成真正透明的 全光网络。 c d m a 技术作为一种多址技术方案已经成功应用到移动通信、卫星通信领域，而且显 示出许多优于其他技术的特点，如抗干扰、抗多径衰落、显著提高系统容量等p 1 2 1 。但由 于带宽的限制，c d m a 技术在无线领域中并未充分地发挥出其优势。然而，光纤通信具有 丰富的带宽资源，为充分利用光纤所能提供的带宽资源，允许更多的用户共享光纤信道， 南京信息工程大学硕士学位论文 o c d m a 技术应运而生n 纠5 】，成为光纤通信领域新的研究热点。o c d m a 系统将光纤通信 与c d m a 技术结合起来，由数据源、光纤、光编解码器、数据接收器组成。系统预先给每 个用户分配一个特定的地址码，各路信号在光域上进行编解码而实现复用，所有的用户共 占整个带宽，是时间和频域上处于重叠，利用地址码在光域内的正交性彼此地区别。 三种不同的复用方式对信道带宽的利用方式如图1 1 ： 波长 波长 o t d 地 时间一 o w d 协 时间j 图1 1o t d m ，o w d m 和o c d m a 复用技术的基本特征图 o t d m 、o w d m 、o c d m a 三种技术各有各自的优缺点，综合起来见表1 1 所示： 表1 1o t d m 、o w d m 、o c d m a 三种技术比较 o t d mo w d mo c d n 认 速率带宽比高 需要全网同步 地址分配不灵活 光器件非线性影响小 光纤可用带宽利用率高 需要精确的波长控制 对激光源同步要求苛刻 受色散影响小 保密性强 不需精确的时间同步 在零色散附近工作 地址分配灵活 从表1 1 可以看出，o t d m 技术需要全网同步，这一点在光域里还比较难于实现。 o w d m 技术不需要很大的t b p 时间带宽乘积，受色散影响小，但需要精确的波长控制， 2 第一章绪论 多波长之间的转换还需要精确调谐的光滤波器。而o c d m a 技术不需要o t d m 技术所要 求的全网同步，也不需要o w d m 技术所要求的波长控制和波长转换，工作在低色散窗口， 地址分配灵活，用户可以随机接入，因此有极大吸引力，尤其在高速光纤局域网和用户接 入网中的应用更具潜力。 1 2o c d m a 技术概述 1 2 1o c d m a 系统基本结构原理 o c d m a 技术是在电c d m a 技术基础上演变而来的，两者的技术原理有很大的相似， 但也有很大的不同，两者都是首先给每个用户分配一个地址码。标示这个用户的身份，不 同的用户有不同的地址码，且他们相互正交或准正交。o c d m a 技术将码分多址技术应用 于光纤通信，以扩频通信为基础，将低速率的基带用户变换成高速率的光脉冲序列，在宽 带光纤信道中传输，对用户信号采用全光处理，克服传统网络中的“电瓶颈”。 典型的o c d m a 通信系统由用户数据源、超短脉冲激光器、光开关、光编码器、星型 耦合器、光解码器、光电探测器、电阈值检测器组成。系统组成框图如图1 2 。 图l - 2o c d m a 系统原理框图 在系统的发送端，用户信息比特流( 电信号) 通过控制光开关的状态( 交叉态、直通 3 南京信息工程大学硕士学位论文 态) ，进而控制超短脉冲光源。当用户信息比特为“1 ”时，光开关置于直通态，激光源发射 的光脉冲通过光开关进入光c d m a 编码器；当用户信息比特为0 ”时，光开关置于交叉态， 激光源发射的光脉冲不能通过光开关进入光c d m a 编码器，不进行编码。经光c d m a 编 码器后，产生载有用户信息特征的扩频序列，即信息比特为“l ”时，光编码器输出一个光脉 冲序列，信息比特为0 ”时，光编码器输出一个全零序列。携带用户信息特征的光脉冲序列 进入星型光耦合器，经光纤信道传输到达接收端，然后均匀地分配给每一个接收机，通过 接收端的光解码器，完成接收到的信号与接收端扩频序列间的相关运算，输出一个自相关 峰，经光电探测器转换为电信号，最后通过电阈值检测器，恢复出发送端用户的信息比特 流，从而实现o c d m a 通信。 1 2 2o c d m a 系统特点 1 ) 全光通信 o c d m a 系统在光域对各路信号进行光编t * 码，对用户数据进行全光信号处理，实现 多址通信。信息在信源就变成了光信号，到达目的地后才变成电信号。克服了o w d m 光 网络残留在发送和接收端的电子瓶颈，真正做到了光子进光子出，从而成为实现真正意义 上的全光通信网的最有希望的多址复用技术1 6 1 。 2 ) 随机、异步接入 o c d m a 系统允许多个用户随机接入同一信道，新上路的用户扩频信号直接叠加在合 成信号矢量上。用户在共享整个信道过程中，可以随时随机异步接入，而不需要延时等待 或等待空闲信道，大大简化了网络控制协议。这种接入方式简单、不要求波长可调和器件 稳定，适合局域网( l a n ) 、接入网( a n ) 等大容量、动态、高速率环境1 7 1 。 3 ) 保密性和安全性好 o c d m a 网络中传输的信号是多个用户信号扩频后叠加的信号，无论在传输过程中任 意位置下路，接收到的信号都是多个用户的信号叠加，只有在接收端地址码和发送端地址 码严格匹配的情况下，才能恢复出原始信号，否则为伪噪声随机信号【嘲。 4 ) 抗干扰性 o c d m a 系统对用户信号编码时，对脉冲信号进行了扩频处理，增大了编码信号的带 宽。相对于密集波分复用而言，对波长漂移并不十分敏感，从而增强系统的抗干扰能力【1 9 1 。 5 ) 成本降低 o c d m a 系统采用宽带光源，且无须精确控制波长，对传输光纤无特殊的要求。系统 中器件数量少，降低了网络成本，简化了网络管理，并增强了网络的可靠性刚。 此外，o c d m a 对光源性能的稳定性、谱线宽度等要求比w d m 大大降低，对光滤波 4 第一章绪论 器的要求也相应降低。而且由于o c d m a 系统中谱资源利用率高，它又可以与o w d m 和 o t d m 技术相结合，进一步增加系统的容量，为局域网和长途骨干网提供更加高效的网络 支撑。因此，o c d m a 网络技术是具有广阔应用前景和实现全光通信网络的重要扩频技术， 将在未来的局域网中获得广泛应用。 1 2 3o c d m a 系统分类 按照o c d m a 系统的不同特征，可以将其分为以下几种类别： 1 ) 从光信号的处理角度来讲，o c d m a 系统可以分为相干o c d m a 系统和非相干 o c d m a 系统。 相干o c d m a 系统利用高相干光源和相位控制措施实现光编码和传输，光纤信道中的 光脉冲携带位相信息，并在接收端采用光纤延迟线网络，基于相干光脉冲的干涉原理实现 解码。该系统的优点在于利用光的干涉效应有效消除多址干扰，同时容量大、误码率低， 可以实现双极性编解码，便于数据的恢复。但相干o c d m a 系统结构复杂，对器件要求高， 对激光光源的相干性要求苛刻，实现难度较大。 非相干o c d m a 系统基于非相干光的扩频编解码技术，光纤信道中光脉冲序列的强度 表示编码信息，利用光信号的有无来表示二进制的叼”和“l ”。由于非相干光扩频序列的相 关输出为光强的迭加，因此多址干扰对光解码器输出信噪比影响大，系统的误码性能和容 量都受到限制。但是非相干o c d m a 系统的主要优点是实现方式简单，对器件的性能要求 宽松，是o c d m a 技术投入实用化的首选方案。 2 ) 按照地址码所涉及的自由度空间，o c d m a 系统可以分为时域o c d m a 、谱域 o c d m a 、一维o c d m a 、二维o c d m a 。 时域o c d m a 系统，即直接序列扩频系统，是将信息比特直接扩频成时间上编码的脉 冲序列，解码也是在时域上利用光纤延迟线将脉冲序列恢复成数据比特。在此过程中，系 统中已扩频信号的频域并没有受到影响。谱域o c d m a 系统是利用光的频谱成分来进行编 码，在携带数据信息的光脉冲的频谱上传输相应的地址码信息，利用信道占用频率所具备 的准正交性以区分不同用户，因此系统中已扩频信号的时域没有发生变化。 在一维o c d m a 系统中，用户地址码是在时域上扩展的( o ，1 ) 序列，为了使这些地址码 具有良好的自、互相关性，并容纳尽可能多的并发用户，都必须增加码字长度，扩大扩频 系数。这样，不仅使编解码器结构复杂，系统性能也随之下降。二维o c d m a 系统中，每 个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空间或波长上扩展，提高了码字容量， 在o c d m a 网络中能支持更多的并发用户。 3 ) 从时钟同步的角度，o c d m a 系统分为同步o c d m a 和异步o c d m a 。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 同步o c d m a 就是在收发双方建立码字同步机制，它的优点在于可以有效提高接收信 噪比，降低误码率，扩大系统容量和同时接入的用户数。缺点在于同步机制实现复杂，建 立同步有一定延迟。异步o c d m a 系统接收端完全依靠光解码器的匹配滤波原理实现解码。 该系统实现相对简单，可以实现无延迟异步接入。但由于没有同步机制，码字异相自相关 输出和互相关输出对接收信噪比和误码性能影响较大，码字空间和系统容量也相对较小， 适合于突发性、低密度业务( 如数据l a 和误码性能要求不高的业务( 如语音等) f 2 1 3o c d m a 系统关键技术 由于o c d m a 技术采用了很多新的理论，光学信号处理技术也尚未成熟完善，所以有 很多问题需要解决，归纳起来，o c d m a 发展过程中的关键技术有以下两个方面： 1 3 1 光地址码理论 由于o c d m a 系统的特殊性，因此不能直接采用电域c d m a 的编码码字，必须研究 适合光域编解码的地址码序列圈。光地址码的性能是用码长、码重、自相关系数、互相关 系数和码字容量来衡量的。在同样的码长和码重情况下，自相关系数和互相关系数越小， 解码时的自相关旁瓣干扰和多用户干扰就越小，系统的误码率也越低，系统的通信容量就 越大。另外，还需考虑对应的光编解码器结构的复杂程度。在o c d m a 系统中，每个用户 被分配唯一的、相关特性好的光地址码来标识和区别，从而实现共享信道随机通信。在保 证一定的服务质量和接入速率的前提下，如果o c d m a 系统允许较多的同时用户接入，从 系统容量的角度来讲才能与无源光网络0 o n ) 、w d m 等技术竞争。因此，o c d m a 系统 的整体性能很大程度上依赖于所采用的光地址码，研究大容量、相关特性好的地址码是 o c d m a 系统的关键。 目前，已经提出了多种o c d m a 系统地址码序列1 2 3 - 2 4 1 ，例如：光正交码、素数码、扩 展素数码、唯一叠合码、同余码和二次同余码等。这些地址码各有其优缺点，寻找到性能 优良的光地址码码集有待进一步的研究。 1 3 2 光编解码器 光编解码器是o c d m a 技术的核心部件，也是o c d m a 系统走向实用的关键问题之一。 在发送端光编码器将数据比特映射成扩频序列，在接收端光解码器利用相关解码原理将扩 频序列恢复为数据比特。光编解码器的结构和特性直接影响着系统的功率损耗、用户规模、 误码率、成本以及整个系统的灵活性。 目前o c d m a 系统中典型的光编解码器有：光纤延迟线( f o d l ) 、阵列波导光栅( a w g ) 、 6 第一章绪论 光纤布拉格光栅( f a g ) 、超结构光纤布拉格光栅( s s f b g ) 、空间光调制器( s l m ) 等球 7 】。这 些编解码器可以独立或组合使用构成不同的编解码方案。一般我们用成本、可重构性和产 生超长光学码的能力等来评估编解码器的性能。表1 2 比较了大多数现行的o c d m a 编解 码器的性能。 表l - 2 各编解码器性能的比较 编 f o d lk n gf b g ss s f b gs l m 解码器 相干! i i e 相 非相干t s ，二非相干相干非 应用范围维编码，相干频t s 编码，频相t s 编码相干频域 干t s 编码 域编码域d - - 维编码编码 产生超长 光学码的低中中高高 能力 可重构性困难普通普通困难简单 插入损耗 中 高低低 中 整体性能低 中高高中 可靠性低中高高高 复杂度中高低高中 成本低高低高中 从上表中，我们可以发现，就产生超长光学码的能力而言，s s f b g 的性能是目前最好 的。在重构性方面，f o d l 可以通过光开关来实现，a w g 可以通过光热效应来实现，f b g 可以利用机械效应或电热效应来实现。总体上来说，f b g 最具有成为商用化o c d m a 编解 码器的潜力。 此外，多址干扰、接收机的热噪声、散弹噪声等也是限制o c d m a 系统性能的重要因 素，也是研究的重点问题。 1 4o c d m a 技术发展历史和研究现状 o c d m a 技术在光纤通信中应用的研究可以追溯到上世纪7 0 年代末。1 9 7 8 年， 7 南京信息工程大学硕士学位论文 m a r o t m e 等人【冽首次提出在光处理中采用光纤延迟线应用于光c d m a 技术中。8 0 年代后 期，美国的j a s a l e h i 提出了采用光正交码的光码分多址理论和实验方案后 2 9 3 0 1 ，全世界 许多光通信领域的同行把目光投向了这个新领域。但由于当时受光学器件限制，研究者多 进行地址码构造算法研究，系统实验成果较少。随着w d m 的发展，光器件有了极大的发 展，具有高速调制性能的宽光谱光源、高速光开关、光纤光栅等都有了极大的发展，自上 个世纪9 0 年代中后期以来，o c d m a 技术逐渐成为光通信研究的热点。 近年，国内外研究者对o c d m a 投入了更多的关注。o c d m a 技术从提出至今，经过 了概念提出、地址码构造理论、系统设计、实验仿真向实际应用的发展过程。其中，研究 较深入且接近实用的是时域编码非相干o c d m a 系统。该技术处于领先水平的国家有美国、 加拿大、日本、德国和英国。 国内部分高校和研究所也在从事相关理论和实验系统方面的研究，主要有深圳大学 【3 、上海交通大学1 3 2 1 、天津大学【3 3 】、北京邮电大学 3 4 1 、西南交通大学d 5 1 、电子科技大学阁。 研究内容主要涉及地址码构造、编懈码器设计、系统性能及实验 3 7 1 、多用户干扰抑制、系 统非线性效应【翊、光学器件圆、网络拓扑嘲、侦听与保密、应用背景l a g 、与现有光网络的 兼容性1 4 0 1 等。 在系统实验研究方面，具有代表性的报道有： 日本邮电部通信研究实验室采用频谱双极编解码的非相干o c d m a 的系统实验【4 1 1 ， 单路速率达1 2 4 g b i t s ，传输距离4 0 k i n ，采用的光编解码器是将光抽头延时线、相移器和 光耦合器集成在一块芯片上实现的单片集成光编解码系统。 日本的n t t 采用阵列波导光栅编懈码器进行的相干o c d m a 系统实验 4 2 1 ，单路速率 达1 0 g b i t s ，传输距离4 0 k i n 1 9 9 8 年，在亚特兰大的s u p e r e o m 9 8t r a d e 上，美国的商业技术公司展示了一种采用 光相位双极性编码的非相干o c d m a 系统样机【4 3 】。该系统能在单根光纤中传输1 2 8 路 o c 1 2 s o n e t ( 6 2 2 m b i t s ) ，总速率达1 2 0 g b i t s 。 2 0 0 0 年，在德国柏林市的k o m n e t 城域网中】，其接入部分首次采用了基于等间隔频 谱分割技术的o c d m a 系统，与w d m 和o t d m 技术结合，实现了双向4 用户，传输距 离2 0 公里，用户速率1 5 5 m b i t s 。该系统侧重于o c d m a 在全光接入方面的应用，用户速 率设计不高，但是具有实用性。 在o f c 2 0 0 1 上，加拿大的h f a t h a l l a h 研究组报道了采用一次重叠码的多波长光纤光 栅编解码器【4 5 1 ，实现了1 6 个用户的系统演示实验。该系统每个用户的速率为1 2 5 g b i t s ， 传输距离为8 0 公里。 英国的南安普顿大学对相位编码的光纤光栅编解码的研究较深入，目前已实现采用1 6 8 第一章绪论 相位编码、1 6 路( 4 0 c d m a x 4 w d m ) 、单路传输速率3 1 1 m b i t s 普通单模光纤，无需色散补 偿，传输5 0 公里l 拍】。 2 0 0 1 年7 月以f a t h a l l a h 为c e o 的加拿大a p n 公司在n f o e c 2 0 0 1 上发布了他们的光 码分复用系列产品a p n 1 0 0 8 ，宣布其产品具有对速率、协议透明，拓扑结构灵活等优点。 由i n t e l 投资的t e m p l e x 公司也正在开发基于光纤光栅的o c d m a 产品。 2 0 0 6 年，日本的n i c t 研究中心利用混合编，解码器进行了演示实验，该实验在无需前 向纠错码和光阈值器的情况下，实现了3 0 路( 3 w d m x l 0 0 0 c d m a ) ，每个用户1 0 7 g b i u s ， 异步传输l l l 公里1 4 7 1 。 在o f c 2 0 0 6 上，美国的加利福尼亚大学利用光谱相位扩时编码技术进行了o c d m a 传输的实验，实现了3 2 个用户，每个用户1 0 g b i f f s ，在局域网中无误码的传输闱。 在国内已有实现基于光纤延迟线编解码器【4 9 】，光纤光栅编解码器【5 0 1 及等效相移光纤光 栅【5 l 】的实验报道。 o c d m a 发展到今天，虽然没有像波分复用技术那样成为光通信的支撑技术，但在这 些年来o c d m a 技术问题不断地被发现和研究，并且取得了可喜的成绩。从目前的研究结 果和研究方向来看，o c d m a 技术在全光接入网方面具有独到优势，与波分复用、时分复 用技术相结合将更能充分地利用光纤的带宽。随着光纤光栅技术的迅速发展，为o c d m a 技术的进步注入两人新的活力。可以说，o c d m a 技术与w d m 、o t d m 的结合以及光纤 光栅在o c d m a 编解码的应用方面是o c d m a 发展的两大趋势。 1 5 本文的主要研究内容 本文的研究内容主要是围绕二维o c d m a 系统的编解码机构和性能展开的。 主要工作包括： 第一章，论文的绪论部分。介绍了o c d m a 通信技术的国内外研究状况，概述了 o c d m a 系统的基本原理、系统结构及分类，着重综述了o c d m a 系统的关键技术。 第二章，研究t s - o c d m a 、w d m + o c d m a 、m w - o c d m a 三种二维o c d m a 系统 的编解码方案，并仿真分析比较这三种二维o c d m a 系统的性能。然后分析了改善二维 o c d m a 系统误码性能的方法，并就此提出了一些有意义的建议和总结。 第三章，设计了基于布拉格光纤光栅的二维o c d m a 系统的实验研究。介绍二维编解 码器的设计以及二维o o c 的构造，验证二维o c d m a 系统的可行性，并讨论f b g s 间距 的速率限制。 第四章，研究支持多媒体业务传输的多速率o c d m a 系统，对采用并行信道、串行信 9 南京信息工程大学硕士学位论文 道结构以及使用不同扩频系数的多速率系统进行理论分析和数值仿真。对基于布拉格光纤 光栅的多速率二维o c d m a 系统进行仿真，验证其可行性。 第五章，对全文总结和回顾，并对以后的工作进行展望。 l o 第二章二维o c d i l a 系统方案与结构 2 1 引言 第二章二维o c d m a 系统方案与结构 光码分多址( o c d m a ) 结合了光纤的巨大带宽和电c d m a 的优点，它的技术优势日 益受到人们的青睐。但是由于光纤的单极性特性以及在一维o c d m a 通讯系统中大都采用 强度调制和直接检测的方式，因此不能直接利用电c d m a 领域中研究较为成熟的双极性 码，而只能应用单极性码。在这种情况下，用户之间的多址干扰问题就变得十分严重，极 大地限制了系统的容型5 2 1 。为了使系统能够容纳更多的用户，增大码字容量，必须采取增 大码长的方法，