（应用数学专业论文）ocdma系统地址码性能分析及变重地址码设计研究.pdf

， ： l j - ， 惜 吐 ，萝 ，。 目录 嬲i i i l l l l 9 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 3 3 利用b i b d 构造变重光正交码2 3 3 3 1 平衡不完全区组设计。2 3 3 3 2 构造过程及结果。2 3 3 3 3 性能分析。2 6 3 4 利用简单差集构造变重光正交码2 7 3 4 1 简单差集2 7 3 4 2 构造原理及构造结果2 8 3 4 3 误码率分析3 0 3 5 结论3 2 第四章二维变重光正交码构造与性能分析3 3 4 1 引言3 3 4 2 二维变重光正交码的基本理论3 3 4 2 1 二维变重光正交码的定义3 3 4 2 2 二维变重码的码字容量。3 3 4 3o c f h c v w o o c 的构造3 4 4 3 1o c f h c 的构造过程3 4 4 3 22 d w h 厂r sv w o o c 的构造结果3 5 4 3 3 性能分析3 6 4 4o c s s v w - o o c 的构造4 0 4 4 1 单重合序列4 0 4 4 2o c s s v w - o o c 的构造方法及结果4 l 4 4 3 误码性能分析4 3 4 5 结论4 6 第五章总结与展望4 7 5 1 本文总结4 7 5 2 研究展望4 8 参考文献4 9 作者简介。5 4 鸣谢5 5 摘要 光码分多址技术从编码到解码均在光学域进行，允许不同用户复用相同的波长和相同 的时隙，是未来异步、高速、保密的通信备选方案之一。本文主要是围绕光地址码的相关 值分布的算法和变重光正交的构造方法展开研究的，并设计出种新的二维变重光正交码， 主要内容如下： 1 详细介绍了o c d m a 系统的基本结构、分类和基本原理，着重分析了码分多址系 统的两大关键技术光地址码的码字结构和编解码技术。此外，介绍了近些年来o c d m a 技术领域的研究动态，并指出了o c d m a 技术所面临的一些问题。 2 研究了一维常重光地址码互相关均值的计算方法，并用该方法分析了对几种常用的 素数码和光正交码的相关值分布情况，并在一维地址码相关值分布算法的基础上，研究了 对称二维光正交码的互相关均值及相关值分布的算法，为其他形式的光地址码的相关性分 析提供了新的方法。 3 研究了利用b i b d 和严格差集方法构造变重光正交码的过程，并给出了相应的码字 构造结果和误码率的仿真分析。基于b i b d 的变重光正交码对码重要求严格，在有限域上 构造码字的时间收敛速度较快，但只能构造出两个不同码重的正交码，而基于严格差集的 变重光正交码，构造方法比较灵活，给定系统所需的码重集和码字基数集，都可以构造出 相应的变重光正交码，但这种方法的时间复杂度比较大。 4 研究了以单重合跳频序列为波长跳频序列，以b i b d 方法构造的变重光正交码为扩 时序列的2 dw h t sv w o o c 的构造方法，对码字的互相均值进行了详细的分析，并对不 同码重的误码率做了仿真分析。主要是构造了一种新的跳频：扩时二维变重光正交码，与之 前构造的二维变重光正交码相比，其波长数和时间片数并不局限于素数或素数幂，根据用 户的不同需求，可以是任意整数，构造方法灵活。并且能充分利用系统的有效波长，最后 对其自相关和互相关性能进行了详细的分析，得出互相关均值的表达式，并对其多址干扰 误码率进行多址干扰仿真分析 关键字：光码分多址，光地址码，相关均值，变重光正交码，多址干扰误码率 a b s 仃a c t o p t i c 甜c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c s st e c h n o l o g yf r o mc o d i n gt od e c o d i n ga l li nt h e0 i t i c a l a r e a 啪d e a lw i t hr e a l - t i m ea n d a b r u p t l yo p e r a t i o n , i so n eo fi m p o r t a n tc o m m u n i c a t i o np r o j e c ti n s y n c h r o n i s m s ，h i g hs p e e d , b r o a db a n da n ds e c r e 掣c o m m u n i c a t i o na 嗽i nf u t u r e t h i sp a p e r m a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c hi nv a r i a b l e sd i s t r i b u t i o no fo p t i c 脚c o d ed i v i s i o na n dt h em e t h o d o fd e s i g n i n go fo p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e , an e wt w o - d i m e n s i o n a lv a r i a b l e - w e i g h to p t i c a l o r t h o g o n a lc o & i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , t h em a i ns t n l c t u r ea sf o l l o w s ： 1 o c d m as y s t e m , s t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n dt w o k e yp o i n t so fc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e 嚣t e c h n o l o g y s t r u c t u r eo fo p t i c a lc o d ea n dd e s i g n o f c o d et or e a l i z a t i o no fc o d ea r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r i na d d i t i o n , r e s e a r c hf a c e dc h a l l e n g e s a n dl a t e s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fo c d m a t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r sa r e i n t r o d u c e d 2 t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gc r o s s - c o r r e l a t ea v e r a g eo fo n o - d i m e n s i o n a li n v a r i a b l e - w e i g h t o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , a n dt h ec r o s s - c o r r e l a t ea v e r a g eo fs o m e k i n d so f p r i m e dc ：( ) d ea n do p t i c a lc o d ea l ea n a l y z e dw i t ht h i sm e t h o d , b a s e do nt h ea l g o r i t h mo f o n e - d i m e n s i o n a lc o d e s ，c r o s s - c o r r e l a t ea v e r a g ea n dd i s t r i b u t i o no fq u a d r a t i cs y m m e t r i c a l o p t i c a lo r t h o g o n a l c o d ea r er e s e a r c h e d ，w h i c ha f f o r d san e wm e t h o do fa n a l y z i n g c r o s s - c o r r e l a t ef o ro t h e ro p t i c a lc o d e s 3 t h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n gv a r i a b l e - w e i g h to p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e sw i mb a l a n c e d i n c o m p l e t eb l o c kd e s i g ni sa n a l y z e & a n a l y s i sr e s u l t sa n dt h es i m u l a t i o no fm u l t i - a c c e s s i n t e r f e r e n c eb i te r r o rr a t e ( b e r ) a r cr e s e a r c h e d , t h er e l a t i o n s h i pb g t 、 ，e e nv a r i a b l e - w e i g h t o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e sa n dr i g o r o u ss u b t r a c t i o ni sa l s or e s e a r c h e d ，t h em e t h o do fc o n s t r u c t i n g v a r i a b l e - w e i g h to p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e s b a s e do nr i g o r o u ss u b w a c t i o ni si n t r o d u c e d , a n a l y s i s r e s u l t sa n ds i m u l a t i o no fm u l t ia e 耽s si n t e r f e r e n c eb e ra r es h o w e d v a r i a b l e - w e i g h to p t i c a l o r t h o g o n a lc o d e sb a s e do nb i b dm a k e ss t r i c td e m a n d so nc o d ew e i g h ta n d h a sh i g h c o n v e r g e n c en i 钯i nf i n i t ea r e aw h e nc o n s t r u c t e dc o d e , b u ti t 锄o n l yc o n s t r u c t e dt w o o r t h o g o n a lc o d e sw i t hd i f f e r e n tw e i g h t v a r i a b l e - w e i g h to p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e sb a s e do n s t r i c ts u b t r a c t i o nh a sf l e x i b l ec o n s t r u c t i o nm e t h o d , w h i c hc a nc o n s t r u c t e dv a r i a b l e - w e i g h t o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e sw h e nc o d em u l t i - s e ta n db a s i cv a r i a b l ea r eg i v e n , b u ti ti sc o m p l i c a t e d i nt i m ed o m a i n 4 b yu s m go n e - c o i n c i d es e q u e n c ef o rw a v e l e n g t hh o p p i n ga n ds u - i c tv w - o o cf o rt i m e s p r e a d i n gn a m e do c s s v w - o o c ，t h ec r o s s - c o r r e l a t ea v e r a g eo fc o d ei sa n a l y z e di nd e t a i k a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fm u l t ia c c e s si n t e r f e r e n c eb i te r r o rr a t eo fd i f f e r e n tw e i g h tc o d e s a n e wt w o - d i m e n s i o n a lf r e q u e n c yh o p p i n g t i m e - s p r e a d i n gv a r i a b l e - w e i g h to p t i c a lo r t h o g o n a l c o d e si sd e s i g n e d , w h i c hu s i n gt h es i n g l es u p e r p o s i t i o ns e q u e n c ea sw a v e l e n g t hf r e q u e n c y h o p p i n ga n dv a r i a b l e - w e i g h to p t i c a lo r t h o g o n a l c o d e sb a s e do nr i g o r o u ss u b t r a c t i o na s t i m e s p r e a d i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rv a r i a b l e - w e i g h to p t i c a lo r t h o g n n a lc o d e s ，t h en u m b e ro f w a v e l e n g t ha n ds l i d eo ft i m ea 托n o to n l yl i m i t e dp r i m e dn u m b e ro rp r i m e dn u m b e rp o w e r , a c c o r d i n gt ot h ec u s t o m sd i f f e r e n tn e e d i s ，i tc a nb ea n yi n t e g e r , t h i sc o n s 缸 u c t e dm e t h o di s f l e x i b l ea n dm a k e st h ef u l lu s eo f t h ee f f e c t i v ew a v e l e n g t ho f t h es y s t e m , a tt h ee n do f t h ep a p e r , t h ea u t oc o r r e l a t i o na n dc r o s sc o r r e l a t i o na r ea n a l y z e di nd e t a i lt h ee q u a t i o no f c r o s sc o r r e l a t i o n a v e r a g ei sc o n c l u d e d , m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c es i m u l a t i o no fm u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c eb i t o r r o rr a t ei sf i n i s h e di nt i f f sp a p e r k e yw 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 e s s ，o p t i c 湖s i g n a t u r ec o d e s ，c r o s sc o r r e l a t i o n , v a r i a b l e - w e i g h t 叫c a jo r t h o g n n a lc o d e s ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c eb i te r r o r 嘞 r a t e 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代后，由于因特网的快速发展、信息需求量的日益剧增以及人们对优质 服务的向往，尤其是最近几年来新型信息业务如视频点播、视频通话、交互式图像、远程 教育、广播电视等多媒体信息服务技术的大量涌现，都使得低速率、窄带宽、形式单一的 通信网络不能满足上述需求，所以人们迫切希望高速通信，多媒体服务及综合业务数字网 的实现。在建设信息高速公路浪潮的推动下，高速公用通信网和综合业务数据网得到快速 的发展，当然迅速发展的各种新型业务对通信网的带宽和容量也提出了越来越高的要求。 面对上述挑战，通信网的两大主要组成部分传输和交换，也都在不断的发展与革新。 传输系统容量的快速增长给交换系统提供了压力和动力，所以交换系统的规模越来越大， 运行速度也越来越高，然而目前的电子交换和信息处理的发展已经接近了极限。为了解决 搿电子瓶颈”问题，人们提出了全光网【1 刁( a l lo p t i c a ln e t w o r k , a o n ) 的概念，也就是说信 息在全光网络中传输时，从源节点到目的节点的过程中始终以光的形式存在，不需要经过 光电、电光转换，包括光传输、光放大、光再生、光交换、光存储、光信号多路复接分 插、进网出网等全光处理技术，使得光信息处理过程完全摆脱对电处理的依赖，大大地提 升网络的性能。目前，世界上许多发达国家都在投入巨资对全光网的技术进行开发研究， 并建立了各种类型的多波长全光通信实验网，以寻求一个具有透明性、可扩展性全光网的 解决方案。正是在这样的背景下，光码分多址技术被提出了。 光码分多址【3 1 ( o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ，o c d m a ) 技术，是将c d m a 技术 与光纤通信相结合的一种新技术，具有两种通信方式的特点。o c d m a 网络中的用户可采 用同一波长的扩频序列，频谱资源利用率高，与w d m m l 结合可以大大增加系统容量。此 外，无需采用高选择性的滤波器或相干检测；不会产生四波混频：对光放大器的增益平坦 性要求不高；网络接口协议简单，具有潜在的应用前景，是实现未来全光通信网络的重要 技术之一。 o c d m a 相对于w d m 和o t d m 7 , 8 的优点主要体现在以下几方面【9 】。 ( 1 ) 随机接入性。o c d m a 通过不同的地址码来区分不同的用户信息，不需要像w d m 那样要求波长控制和波长转换，使得地址分配灵活，用户可以随机接入。 ( 2 ) 异步接入性。o c d m a 不同信道之间可相互独立地发送与接收信号，不需要网际规 模的时钟同步；也没有接入时延，能支持突发性业务；适合突发业务、大流量和高速率环 南京信息工程大学硕士学位论文 境。 ( 3 ) 安全性。o c d m a 中每个用户分配一个单独的光地址码，收到的信号都是多个用 户的信号叠加。只有在接收端与发送端严格匹配的情况下才能解出用户信号，因此具有较 高的安全性与保密性。 ( 4 ) 宽带性。o c d m a 系统只在发射节点和接收节点对用户数据进行编解码，与网络 结构无关，可构成真正“透明”的全光通信网。 此外，o c d m a 系统还具有可变速率或多速率的传输能力【1 0 1 ，复用点速率分布范围较 大。o c d m a 还是一项协议独立的技术，可与现有的任何新老设备兼容；可以承载a t m 、 s o n e t 、i p 等多种信息传输服纠1 1 】。o c d m a 技术可以方便地与o t d m 和o w d m 技 术相结合，优势互补，并且网络构建灵活，可更好的发挥光纤通信的潜力，应用前景广阔， 为局域网和长途骨干网提供更加高效的网络支持。o c d m a 系统的商业化将成为通信发展 史上又一重大里程碑。 1 20 c d m a 系统的基本结构原理 1 2 1o c d m a 系统基本结构 光码分复用是一种扩频通信技术协1 4 1 ，它利用正交码的自相关和互相关的特性，在发 送端，给每个信道分配唯一的光正交码作为该信道的地址码，对要传输的数据信息用该地 址码进行光编码，所有用户共占整个带宽，在同一波长、相同时间内重叠；由于不同用户 的信号用相互正交的不同码序列来填充，所以在接收端，利用地址码在光域内的正交性进 行光解码，即可恢复发送端用户信息。由于每个用户采用的是正交码，因此相关接收时不 会构成干扰，用户信息可调制在同一光载波上，在光纤信道中传输。 图1 1 所示为o c d m a 的系统组成。在发送端，用户的数据经编码后发送，不同信道 的数据可占用波分复用中的同一个波长或是时分复用中的同一个时隙，因此它是真正意义 上的。共享”信道1 5 1 。o c d m a 系统的特点除多用户共享信道以外，还具有良好的保密性 和安全性，如果不知道扩频码序列则很难对其进行干扰或截获。此外，o c d m a 系统可实 现随机接入，灵活性好。因为码分多址通信方式是让所有用户共享整个信道，而不是分时 占用或分子信道。 1 2 2o c d m a 系统的分类 1 相干系统和非相干系统 根据系统采用的地址编码方式的不同，o c d m a 网络的实现主要有相干【1 6 - 2 0 l 和非相干 2 第一章绪论 系统【2 ”4 】。前者利用光场的相位来传输信号，而后者则是用光场的能量。 相干系统是利用光的相干特性，对光的相位进行编码【2 5 】，在接收端检测光的相位。通 过相位编码可获得严格正交的地址码序列，即双极性。l ，1 ”序列码，码间干扰大大减弱。 根据光的相干性原理，如果用户脉冲信号的相干时间小于不同用户信号到达同一接收端的 时间差，就会形成期望接收信号的相干叠加与不期望接收信号的非相干叠加，在接收端形 成期望信号的相干叠加，而多址干扰信号就是非相干叠加，在接收端可由平衡探测器 消除，因而大大减少了多用户引起的干扰。在相干系统中，可调节的参量除了脉冲序列的 延迟时间之外，还要考虑相位的因素，这使得它可利用现有的外部光相位调制器来编码， 比较容易接近实用。此外，由于相干系统可以使用已有的双极性码，这样就可以允许更短 的序列长度，不同的信道可使用同一地址码，所以能提供更多的用户数，传送的速率更高， 并且误码率低。但相干o c d m a 系统结构复杂，相位编解码器和接收端的时钟同步对器件 的要求很高。当需要高速率传输时，对激光光源的相干性要求也非常苛刻，对光波中的相 位、偏振等许多特性都不能充分利用，系统实现难度大。并且相干接收是要求系统能控制 和稳定光脉冲的相位，传输时不仅要求光脉冲偏振态保持不变，还要求编解码之间的延迟 时间小于相干时间2 6 1 ，其相关技术尚在研究解决中。 叵坷 ， 巨丑一 光 纤 0 纤 阿耐 耦 耦 合 合 巨一 器 器 巨坶 j 图1 - 1o c d m a 的系统示意图 在非相干o c d m a 系统中，信道编码采用光强度调制方式，利用光信号的有无来表示 二进制的“0 ”和“l ”，信号是功率叠加而不是振幅叠加。在发送端，用户数据一般以通断 3 南京信息工程大学硕士学位论文 方式调制光源的脉冲光信号，经编码器扩频处理变为特定扩频特征的信号序列，由光纤传 输信道进入星型网络。在接收端，任意用户都可以收到来自多个编码器的信号。在解码器 内，这些信号与预置的扩频地址序列进行相关运算，结果送至平衡探测器，最后由阈值器 件判决，从而恢复出原始信号。非相干系统的主要优点是实现方式较为简单，对器件的性 能要求较松，被认为是o c d m a 技术投入实际应用的首选方案。其缺点在于所用扩频序列 为“0 ，l ”序列，地址码之间是伪正交的，无法实现完全正交。这样，用户扩频序列之间不 可避免地存在多用户干扰。当并发用户很多时，误码率则会很大。 2 一维和二维系统 按照地址码维数，o c d m a 系统可分为一维系统和二维系统。 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，这将导致地址码序列很长、扩频 系数很大，编解码器结构复杂、延时大，系统性能也会随之下降。 在二维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，同时在空间或 波长上扩展，大大增加了码字容量，其发展潜力较大。 3 单比特和多比特传输系统 按同一序列周期中传输的比特数，可分为单比特和多比特传输系统。 在单比特系统中，一个序列传输周期中仅仅传输用户的一个比特数据，而在多比特系统 中，每个序列周期传输用户的多个比特数据。在接收端，使用最大相关值的方法进行判断， 编码器把多个比特数据转换为一组正交序列的循环移位形式，不同数据对应不同的移位， 该移位在光纤中传输韧。解码器并行地把信号与本地产生的用户序列的各种移位形式进行 相干性处理，找出所接收的相应的移位形式，这种方法可以大大减小误码率。 1 2 3 光码分多址的工作原理 码分多址技术是一种基于频谱展科冽的方法，频谱展宽是一种与信号本身无关的编码 方式，经常将频谱展宽码称为地址码、特征码或者密钥。在o c d m a 系统中，给每个信道 分配唯一的地址码，对要传输的用户数据信息进行编码，实现信道复用：在接收端使用与 发送端相同编码规则，进行反变换后完成光解码，再一次实现信道复用。 码分多址技术在移动通信中取得了很大的应用【9 】。将码分多址技术应用到光纤通信系 统中，就得到o c d m a 通信系统，两者的技术原理相似。图1 2 为o c d m a 系统中信号传 输的流程。在发送节点，编码器对用户信息的每个比特“l ”按规律编码，形成光脉冲序列， 比特“0 ”不编码。不同的码型，代表不同的用户地址码。编码后的序列经光纤和星型耦合 器，发送到每个接收节点上。在接收端，如果解码器与编码器匹配，则解码信号为自相关 输出，得到自相关峰( 同时伴有小的旁瓣) ，否则为互相关输出。解码信号通过光门限装置 4 第一章绪论 进行功率比较：如果输出的电信号大于门限值，则输出“l ”，反之则输出“0 ”，从而恢复 原始数据。 撼相佃骅缉 - 光门限装 i 数据源 爪 光编码器 n 。 光解码器 i7 v 7 置 t 圈 图1 2o c d m a 系统中信号传输的流程图 1 3o c d m a 系统中关键技术 1 3 1 光地址码的码字结构 光码分多址的关键技术是如何选择地址码以构成不同的码分信道，从而实现多址，而 在码型选择时，更强调的是其正交性和容纳用户的能力。因此，光地址码应具有自相关峰 值较大，互相关峰值较小的特点，这样可以减少其他用户的干扰，获得较高的信噪比，为 了使发送端和接收端容易获得同步，自相关的旁瓣也要d , t 2 9 1 。同时，地址码码集应能够容 纳尽可能多的并发用户数，增加系统容量。此外，码字对光编解码器的结构和性能也有很 大影响，并直接影响系统的复杂性、灵活性和成本。 光地址码是一串0 ，l 序列，常用( 拧，w 丸，以) 来表示，其中刀表示码长，即0 ，l 序 列的长度；w 表示码重，i l l j ( o ，1 ) 序列中“1 ”的个数，是自相关峰值；屯为自相关限，以 为互相关限，当屯= 以= 见时，常简记为( 刀，嵋旯) 。 设x = “，工：，而) ，y = j ，。，y ：， 是地址码码集c ( 刀，嵋乞，以) 中的任意两个 码字，它们的自相关和互相关特性满足下列要求： 月- 1 ( 1 ) 自相关峰值：毛= w v x c ： f 昌o - 1 ( 2 ) 自相关旁瓣：薯x 肿丸 v x c ，f o ； 扣由 5 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 南京信息工程大学硕士学位论文 n - i ( 3 ) 互相关峰值：t 只”以 v x ，y c ，x y0 - 3 ) i - 0 如图1 3 和图l - 4 所示的是码长为1 9 ，码重为3 ，自相关和互相关限制均为l 的两码 子( 0 ，l 4 ) ，( o 2 ，7 ) 的相关性示意图。 3 2 1 3 2 1 0l35791 l1 31 51 71 9 图l - 3 ( 1 9 ，3 ，1 ) o o c 码中码字( 0 ，1 ，4 ) 的自相关性 o 135791 11 31 51 71 9 图1 - 4 ( 1 9 , 3 ，i ) o o c 码中码字( o ，1 ，4 ) 与( 0 ，2 ，7 ) 的互相关性 1 3 2 光编解码技术 光码分多址网络的另一关键技术是编，解码技术，一般常用的有直接编码、跳频编码 和跳时编码三种。 如图1 5 所示的是一种直接编码的系统示例，使用的是包含7 个比特0 0 1 0 1 1 0 ) 的地址 码对数据的每个比特进行编码。通过这种编码，有效比特率扩大了7 倍，这使的频谱展宽 了，但所有用户共享同一个光带宽资源。发射端可以在任意的时间发送信息，接收端使用 与该信道发送端编码相同的地址码对接收到的编码信号解码，从而恢复原来的信息。 6 第一章绪论 地址码 ( 密钥) 输入的二进 制数数据 lo101lo 叫田时间 lo1l 口 口f 问 用地址码对 10101 1010l0l l010l0l 10 盏喾麓口口田 口口田口口田 州问 图1 5 直接编码的o c d m a 系统 跳频编码的原理是基于自由空间衍射光学，通过一个体光栅对对脉冲中的频率成分进 行空间分割和重组，用一个相位模板完成脉冲的滤波和整形功能。如图l 石所示的是跳频 编码系统。根据预先分配的地址码，周期性地改变载波频率，但o c d m a 系统中的每个信 道并没有分配固定的频率，这与通常意思下的频分复用是不同的；此外，根据地址码规则， 所有的信道在不同的时间使用不同的载波频率，但共享整个带宽。在图l 一6 中，跳频信号 是用矩阵形式表示的，其中行表示时隙，列表示分配给信道的频率。深色方块表示指定时 隙所使用的频率，则图中所示的跳频码是7 5 0 6 4 2 1 3 。 图l - 6 跳频编码的o c d m a 系统 如图1 - 7 所示的是利用光纤延迟线构成的时域编码器【3 们，在高码速时光纤延迟线可用 集成光波导代替。光纤延迟线编码器是由并行的几段不同长度的光纤、光分路器和合路器 组成。系统采用的是开关键控制，也就是“o ”码时不发光，“1 ”码时才发出足够窄的光脉 7 南京信息工程大学硕士学位论文 冲，先将输入的窄光脉冲分成几路，编码由可调光纤延迟线完成，输入的短脉冲在延时控 制器的作用下，进行不同是时延，然后经合波器合路，在输出端将得到由这些不同延时的 窄脉冲合成的脉冲序列输出。经阈值比较后，接收器将判决为“o ”或者“l ”码。 ，i 煳”工删面 山 i f ， - t 可调光纤延迟线1 卜 峥 n ：1如t n ：1 光 一可调晃纤延迟线2 卜 - 3 m光 aa i = 1 口 路 ：路 器 器o l i l r n t 1 可调光纤延迟鹾ni - 图l - 7 利用光纤延迟线构成的时域编码器 光编解码器是o c d m a 技术的核心部件之一，其构造通常是基于上述三种常用的编 解码技术。目前常用的编解码器有：衍射光栅一相位掩模板编解码裂3 1 1 ，光纤布拉格光栅编 解码烈3 舶，阵列波导光栅编解码器【3 3 1 ，阵列波导光栅做编解码器【3 4 】。 1 40 c d m a 技术的研究动态 近些年来随着对光码分多址通信技术研究的不断深入，国内外的一些学者在o c d m a 系统设计上开展了卓有成效的研究工作。 在光地址码码字结构的研究中，一维码的码字模型基本确立，其中较有代表性的是素 数码和正交码。基于一维地址码的光码分多址系统实验结果也比较理想。但一维的多址系 统的用户容量不大，实用价值不大。随后，t w f c h a n g 等人建立二维光地址码的模型框 架【3 5 】；二维码系统在码字容量和误码性能上均有较大的提高，目前，已成为研究热点之一： 根据不同用户带有不同的q o s 需求y a n g g c 等给出了变重光正交码的设计方案，变重码在 网络综合服务中可优化资源配置，并随着研究的深入，二维的变重光正交码也被构造出来 了；随着研究的深入，在单重合序列的基础上又构造出了相干o c d m a 系统的双极性单重 g 第一章绪论 合序列【翊。 在编解码器实现的技术方面，基于光纤光栅( f b g ) 和超结构光纤光栅( s s f b g ) 的 o c d m a 编解码器备受关注。在非相干系统中，f b g 具有插入损耗低、易于制作、潜在价 格低、变址容易、便于在全光纤的环境中使用等优点，成为目前研究的热点。另外，应用 于相干系统的s s f b g 编解码器能够实现双极性码的特点，并获得了良好的实验效果，受到 了广泛的关注。并且在高速o c d m a 系统的光检测端，光阈值器件的作用也十分关键，成 为编码器件外的另一熟点。 在o c d m a 系统安全性的研究方面，从分析码型和码字容量、地址序列扩频、码字探 测几率等对o c d m a 安全性的影响，以此对o c d m a 系统的安全性做分析，并且已经提出 了侦听器的模型且得到较好的仿真模拟实验结裂3 7 8 1 。 随着研究的深入和一些关键技术难题的解决，o c d m a 会凭着其动态分配带宽、多址 接入方便、低成本、容易扩展网络等诸多优点，成为光纤带宽接入网和高速光纤局域网等 全光通信网的最佳解决方案之一。 1 50 c d m a 技术面临的问题 o c d m a 技术虽然有全光通信、安全性高、抗干扰力强，及网络结构简单，接入灵活 等优点，但是o c d m a 技术也存在和面临着很多问题，这导致o c d m a 技术优势并未得到 完全体现。o c d m a 作为一种新技术拥有广阔的前景，同时也面临许多问题需要研究。 构造出相关性好的光地址码是o c d m a 技术应用于高速局域网的重要技术的保证。现 有的单极性地址码存在一定的限制【捌：码组稀疏，使码片周期很短，因而要求更短光脉冲， 但会使其色散更加严重，并且实现困难；提供有用的码字较少，编码效率低；虽然在一定 条件下满足了相关性能，但与理想的要求相差甚远。光地址码的构造方法很多，但许多方 法都很复杂，所以寻找优良的地址码集，是当前解决o c d m a 技术的关键技术之一。 在o c d m a 系统中，光信号具有宽谱、公用信道等特点，但由于光纤中的色散和非线 性效应可能使o c d m a 系统产生码间干扰；并且码字的构造上也可能使系统产生码间干扰； 系统中探测器、阈值门限器等也可能使系统的信号产生误判断，从而使系统的误码率恶化。 抑制码间干扰的方法有多种，如选择性能较好的地址码，功率控制，纠错机制，在接收端 放置光硬限幅器等，然而这些方法也存在相应的局限性，很难理想地解决多用户干扰问题。 因此，如何有效的解决o c d m a 技术中的多址干扰问题，也是o c d m a 系统实现面临的问 题之一。 低功率信号问题是o c d m a 技术的一个伴随问题。由于能量在傅里叶变换过程中保持 守恒，所以o c d m a 技术作为一种扩频技术，必然造成信号谱密度降低。又考虑到光信号 9 南京信息工程大学硕士学位论文 的传输和处理损耗，情况会更糟。甚至，对于采用单极性强度编码的系统，由于地址码的 长度几乎是双极性码的相应系统的两倍以上，编码后的信号功率更弱，有利于保密，但不 利于提高信噪比，多址干扰因此突出。 双极性o c d m a 系统能较好的抑制多址干扰，但在双极性系统中，由于双极性与光特 性是一对矛盾体，怎样应用光信号去实现双极性的传输有待解决；编解码器技术在双极性 o c d m a 技术中是关键，编解码器合理设计和编解码器制造工艺设计等也需要解决。 1 6 本文的主要研究工作 本论文主要对光码分多址系统中常重光地址码的相关值分布进行了理论分析，研究了 变重光正交的构造方法并对所构造的变重码进行了误码率的仿真比较。主要工作是研究了 一维常重光地址码的相关值分布的算法，并在此基础上给出了对称二维光正交码的互相关 值分布的算法。研究了变重光正交码的码字结构，给出了一维变重光正交的构造方法，并 进行了误码率的仿真分析。在一维变重码的基础上给出了二维变重光正交码的构造方法， 并提出一种新的二维变重光正交码的码型设计方案，对其进行了详细的码字性能分析和误 码率仿真比较。本文的章节具体安排如下： 第一章是本文的绪论部分。概述了0 c d m a 系统的基本结构、系统分类及其工作原理； 介绍了0 c d m a 系统的关键技术光地址码和编解码技术；并介绍0 c d m a 技术的研究动态及 技术优势和面临的问题，最后，给出了本文的主要研究工作。 第二章提出了常重光地址码的相关值分布的算法，通过该算法对典型素数码的相关值 分布和光正交码的相关值分布进行了分析，然后在一维地址码分析的基础上提出了对称二 维码的互相关值分布的算法，并给出该算法的流程图。 第三章给出了变重光正交码的定义及其码字容量界，研究了构造变重光正交码所需的 理论基础平衡不完全区组设计和简单差集，在此基础上提出构造变重光正交码的方法， 并给出一些码字的构造结果，分析这两种方法的优缺点，分别对这两种方法所构造的变重 码进行分析，并对多址干扰误码率进行数值仿真和理论分析。 第四章研究了在一维变重光正交码的基础上构造二维变重光正交码的方法，利用上一 章所构造的一维变重码为扩时序列，o c f h c 和o c s 为跳频序列，设计出了两种二维变重 光正交码的码型方案，研究其构造过程，给出了相关的构造结果。最后对所设计的新的二 维变重光正交码进行详细的码字性能分析，并对多址干扰误码率进行仿真分析。 第五章对全文进行总结和回顾，并对将来的研究进行了展望。 1 0 第二章常重光地址码的相关性分析 2 1 引言 第二章常重光地址码的相关性分析 构造性能优良的光地址码是异步o c d m a 系统实现所需要解决的关键问题，充分体现 了光地址码的研究在o c d m a 系统中的重要性 4 0 l 。已经研究出的比较完备的一维常重光 地址码的码集有基本素数码( o p c ) 4 1 1 、修正素数码( m p c ) 1 4 2 、修i e - - 次素数码( m s p c ) f 4 3 】、 扩展素数码( e p c ) m “5 】、扩展二次素数码( e s p c ) 嗍、二次同余码( q c c ) e 4 s 、扩展二次同 余码( e q c ) 1 4 7 1 、光正交码( o o c ) , 蟾- 5 0 j ，二维常重光地址码的码集有e q c p c i 5 、 m