（光学专业论文）ocdma中纠错码及ocdm标记的研究.pdf

l u li i 11 11111i i ir11 1i il 17 5 8 7 9 6 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 媾茁孓日期：塑2 么王：么 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 一 北京邮电大学硕士学位论文 o c d m a 中纠错码及o c d m 标记的研究 摘要 光码分多址技术( o c d m a ) 是码分多址技术和光纤通信技术相结 合的一种新多址通信技术。它结合了两种技术的特点，具有较强的技 术优势和广阔的发展前景，是未来高速光通信的备选方案之一。近些 年来，对o c d m a 技术的研究集中于系统性能的改善、光地址码理论、 编解码技术及o c d m 码的应用。本文重点研究了纠错编码技术对 o c d m a 系统性能的改善和o c d m 码在光标记交换技术中的应用。论 文的主要研究工作如下： 论文首先回顾和总结了o c d m a 系统的发展现状，介绍了 o c d m a 系统基础理论、o c d m a 系统网络架构、系统分类及其关键 技术。 在分析o c d m a 系统性能的基础上，提出了利用前向纠错 ( f e c ) 编码技术改进o c d m a 系统性能的方案，仿真分析了基于 r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码的f e c 技术对相干和非相干o c d m a 系统性能的影响， 研究结果表明：在o o k 调制的一维、二维非相干o c d m a 系统中，采 用该方案系统性能有了明显改善；在d p s k 调制、g o l d 序列作为扩频 地址码的相干o c d m a 系统中，该方案同样能够大幅度改善系统性 能。 北京邮电大学硕士学位论文 在o c d m 标记码的研究方面，将0 c d m 技术和光标记交换技术相 结合，提出了基于o c d m 码的新的光标记交换方案。与传统的基于逐 跳路由的o c d m 光标记方式不同，本文提出的是基于层次路由的 o c d m 光标记方式。该方案中，o c d m 光标签采用时间堆栈的结构设 计，分为若干级别。不同级别的光标签代表不同的路由区域，路由区 域从大n d , 逐层判别。同一级别区域的识别根据路由矩阵原理。在此 方案的基础上设计了新的核心路由器。该核心路由器与w d m 网络兼 容，由一系列“子核心路由器 组成，为不同波长的信息提供判别路 由。每个子核心路由器的内部设计充分利用o c d m 码特点，实现相应 波长的信息判断、控制、路由。仿真研究结果表明：在不考虑分组信 息竞争的前提下，该方案正确实现了信息路由。 关键词：光码分复用技术前向纠错技术里德所罗门编码光标记交 换光标签光核心路由器 北京邮电大学硕上学位论文 r e s e a r c ho fe r r o rc o r r e c t i n gc o d e i no c d m aa n do c d ml a b e l a b s t r a c t 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 c d m a ) i s 锄a d v a n c e dm u l t i p l ea c c e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf o ri n c o r p o r a t i n gt h ea d v a n t a g e so fc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s st e c h n o l o g ya n do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s i n c ei t sc o m p e t i t i v e t e c h n o l o g i c a la d v a n t a g ea n db r i g h tm a r k e tp r o s p e c t ，o c d m at e c h n o l o g yh a sb e c o m e o n eo ft h ep o t e n t i a lc a n d i d a t e sf o rf u t u r ea l lo p t i c a lh i g ht r a n s m i s s i o nn e t w o r k i n r e c e n t y e a r s ，t h er e s e a r c ha b o u to c d m at e c h n o l o g y f o c u so nt h es y s t e m p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t , t h e o r yo fo p t i c a la d d r e s sc o d e ，o p t i c a le n c o d e d e c o d e t e c h n o l o g i e sa n do c d mc o d ea p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , i th a sb e e ns t u d i e ds e r i o u s l y o nt w oa s p e c t s ，t h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tb yu s i n gf o r w a r de r r o rc o r r e c t i n gi n o c d m a s y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o no fu s i n go p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ec o d ei n o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e d a sf o l l o w s t h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fo c d m at e c h n o l o g yi sr e v i e w e da n ds u m m a r i z e d a tf i r s t ，a n dt h e nt h eb a s i co c d m a p r i n c i p l e ，o c d m an e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n d s y s t e mc a t e g o r y ，k e yt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fb a s i cp r i n c i p l eo fo c d m as y s t e m ，as c h e m eo fu s i n g f e ct e c h n o l o g yt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ei sp r o p o s e d a n da ni n f l u e n c eo f a d 。p t i n g r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) c 。d ei n t 。c o h e r e n c eo c d m as y s t e ma n di n c o h e r e n c e o c d m as y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e d ，r e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a tt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ee n h a n c e sg r e a t l yb o t hi nt h eo n e t w o - d i m e n s i o ni n c o h e r e n c e 北京邮电大学硕j 二学位论文 o c d m as y s t e ma n dd i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ( d p s k ) c o h e r e n to c d m a s y s t e m i nt e r mo fo c d ml a b e lc o d er e s e a r c h ，an o v e lo p t i c a ll a b e ln e t w o r ks c h e m eb a s e d o no c d mc o d eh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e so c d mt e c h n o l o g yw i t ho p t i c a l l a b e ls w i t c h i n g ( o l s ) c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a ls t e p - b y - s t e po c d ml a b e lr o u t i n g w a y , an e wo c d mo p t i c a ll a b e lb a s e do nh i e r a r c h i c a lr o u t i n gm e t h o dh a sb e e n p r o p o s e di n t h i sp a p e r i nt h i ss c h e m e ，o p t i c a ll a b e li sd e s i g n e da st i m es t a c k s t r u c t u r e ，w h i c hc o n t a i n sm a n yl e v e l s a n dd i f f e r e n to p t i c a ll a b e ls t a n d sf o rd i f f e r e n t r o u t i n gd i s t r i c t ，w h i c hi sj u d g e df r o mb i gt os m a l l w h i l et h es a m el e v e ld i s t r i c ti s j u d g e db yr o u t i n gm a t r i xp r i n c i p l e w h a t sm o r e ，a c c o r d i n gt o t h i sn o v e lr o u t i n g s c h e m e ，a no p t i c a lc o r er o u t e rh a sa l s ob e e nd e s i g n e d ，w h i c hi sh a r m o n yw i t hw d m n e t w o r ka n dc o n s t i t u t i v eo fas e r i a ls u b - c o r er o u t e r st h a tp r o v i d er o u t i n gi n f o r m a t i o n f o re a c hw a v e l e n g t h u s i n gt h ec h a r a c t e ro fo c d mc o d e ，e a c hs u b c o r er o u t e rc a n j u d g e ，c o n t r o l a n dr o u t et h ec o r r e s p o n d i n gw a v e l e n g t hd a t a p a c k e ts m o o t h l y s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t ，w i t h o u tc o n s i d e r i n gc o n t e n t i o nm e c h a n i s m ，d a t ap a c k e t c a nb es u c c e s s f u l l ys w i t c h e du n d e rt h ep r o p o s e dn e wo c d ml a b e ls w i t c h i n gs c h e m e k e yw o r d s ： o p t i c a lc o d i n gd 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 ) f o r w a r d e r r o r - c o r r e c t ( f e c ) r e e d - s o l o m o nc o d e ( r s ) o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g ( o l s )o p t i c a ll a b e lo p t i c a lc o r er o u t e r 北京邮电人学硕上学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景l 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文所做工作4 1 4 ，j 、l i ；5 第二章光码分多址技术6 2 1 弓i 言6 2 2o c d m a 系统网络架构8 2 3o c d m a 系统分类9 2 4o c d m a 关键技术1 0 2 4 1 光地址码理论1 0 2 4 2 光编解码方案1 3 2 5 小结l8 第三章纠错码在o c d m a 系统中的应用研究1 9 3 1 引言l9 3 2 纠错码理论2 0 3 3 纠错码对非相干光o c d m a 系统性能的改善2 l 3 4 纠错码对相干光o c d m a 系统性能的改善2 5 3 5 小结2 7 第四章o c d m 光标记在光交换中的应用研究2 8 4 1 引言2 8 4 2 基于o c d m 的光分组的设计2 8 4 3 基于o c d m 的核心路由器的设计3 0 4 4 基于o c d m 的光交换仿真研究3 2 4 5 ，j 、结3 7 第五章总结与展望一3 8 5 1 本文总结3 8 5 2o c d m a 展望3 9 参考文献4 0 驾【谢4 6 硕士在读期间发表的论文和申请的专利4 7 北京邮电大学硕十学位论文 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 光纤通信技术最早由高锟博士在一篇题为光频率介质纤维表面波导的 论文里提出。接下来的1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为2 0 d b 的石英光 纤，同时伴随着在室温下连续工作的理想光源半导体激光器的诞生，从而真 正意义上实现了光纤通信。 自2 0 世纪7 0 年代以来，光纤通信技术有了飞速发展。主要体现在两个方面： 其一，世界各研究机构对光纤的研究投入了大量人力、物力、财力，研制出各种 性能优良的光纤通信所需要的物理基础，在光源方面有宽带光源和激光源；在传 输介质方面有g 6 5 2 光纤( 普通单模光纤) ，g 6 5 3 光纤( 色散位移光纤) ，g 6 5 4 光纤( 衰减最小光纤) ，g 6 5 5 光纤( 非零色散光纤) ；特别是掺铒光纤放大器 的问世使长距离传输成为可能；再加上适于光纤传输的技术的开发也使光纤通信 趋于逐渐成熟，等等所有这些构成了为光纤通信飞速发展的充分条件。其二，人 们对信息量需求的不断增长，特别是近年来各种宽带的新型信息业务大量涌现， 如音频业务、视频业务、高速数据业务等多媒体信息服务，需要人们更好的充分 挖掘现有光纤通信系统的巨大潜力，以满足不断增长的电信和i n t e m e t 业务的需 求。毋庸置疑，高速实时通信的需要构成了光纤通信飞速发展的必要条件。 2 1 世纪以来，在经历了光纤通信的发展高峰与低谷后，提高通信系统的性价 比和经济有效性，并充分利用这一庞大的潜在带宽资源成为目前光纤通信技术发 展的关键问题。 随着人类对通信的需求呈现高速增长的趋势，为了充分利用光纤庞大的带宽 和容量资源，人们做了两个方面的研究：一种是提高单信道的系统速率；另一种 是发展信息复用技术，如波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、频 分复用( f d m ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 、空分复用( s d m ，s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、码分复用( c d m ， c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 等。其中，被认为最具潜力的是o w d m ( o p t i c a l w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e ) 、o t d m a ( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技 术和o c d m a 技术。在未来的传输系统中，必然是多种技术并存，o w d m 、 北京邮电大学硕：仁学位论文 o t d m a 、o c d m a 都将占据一定的地位。0 t d m a 和0 c d m a 在l a n 的使用中显 示了优越性。o c d m a $ i j w d m j ( i 结合在长距离传输中具有较大吸引力，充分利 用了光纤的巨大带宽资源，提高了单信道的码速率和每赫兹的频带利用率。在 w d m 和0 t d m a 联合使用中，可以利用o c d m a 技术使相同的码流携带的信息成 倍提高，总之，o c d m a 技术在未来的光通信技术中有极大发展前景。 提高单信道系统速率的方案造成了系统容量的成倍增大，也引发了一系列新 问题。传输速率的大幅提高加剧了光纤的色散和非线性效应，容量的增大也会引 起光信号之间的串扰，信号的同步、定时、恢复等问题，所有这些都引起了光通 信中误码率的增大，从而降低了通信的可靠性。通信可靠性的降低又反过来制约 了通信质量的提高，通信距离的延长，因此大大阻碍了光通信的发展。 由于强调通信速率和用户容量的提升而引发了光通信系统中的大量干扰和 噪声，在保证发射机发射功率不变的情况下，会使接收端的信噪比下降，间接给 接收机带来很大压力。但是如果加大发射功率，则会带来光传输系统中非线性效 应的增强，从而引发更多的噪声，也可能使接收端的信噪比下降。而且在目前的 技术力量下器件性能的提高没有太多的潜力，改善器件的性能势必会带来系统成 本的增加。因此考虑到引入电域通信里的技术方案，采用纠错编码技术来降低光 通信中的误码率。它有两个优点：首先，极大地降低了系统误码率；其次，不会 过多加大系统的成本。 在信息复用的技术方案上，o c d m a 技术有着其他复用技术无可比拟的优 点。可以异步接入，灵活分配用户，支持不同业务，保障系统安全。o c d m a 技 术应用的是码的正交原理恢复编码后的信息。该原理近期以来，在光标记交换领 域成为研究热点【1 】【2 】【3 】【4 】【5 1 。以o c d m 码做地址码给标签编码，在判决端唯一识 别该光标签，它的一大优点就是实现了光交换领域的全换交换，克服了在标签处 理过程中“光电光”的转换，提高了信息交换速率。并为实现全光通信网奠定了 基础。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代以来，国内外开始了光码分多址技术领域的研究，并以基础理 论的研究为基础【6 】【7 】，逐渐开始了实验研究和技术嫁接应用阶段。 对o c d m a 技术的研究既可从系统的实现方式不同入手，也可从对o c d m a 系统关键技术的研究入手。根据系统的实现方式不同可以划分为相干光 o c d m a 8 】( 9 】和非相干光o c d m a 系到1 1 】【1 2 】，前者利用光场相位传输信号，后 者利用光场能量传输信号；根据关键技术可以划分为研究编解码器的o c d m a 系 2 北京邮电人学硕士学位论文 统【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 1 和研究码字性能的o c d m a 1 7 】【1 8 】，国外在这个方面的研究也比较成 熟。目前，o c d m a 研究在向高速率、集成化、可调谐和更多用户的方向发展。 英国南安普顿大学的光电磁研究中心于2 0 0 2 年实现了1 6 通道基于1 6 码片( 码片速 率为2 0 g c h i p s ) s s f b g ( s u p e rs t r u c t u r ef i b e rb r a g gg r a t i n g ) 的o c d m a 系统。同 本国家信息和传输技术研究机构在美国召开的o f c 2 0 0 5 上展示了十用户、基于 s s f b g 的异步o c d m a 系统，码片速率高达6 4 0 g c h i p s ( 码长5 1l 切普，比特速率 1 2 5 g b i t s ) 。加拿大的m c g i l l 大学基于对非相干o c d m a 研究研制成了时域频域 扩展的二维的o c d m a 编解码器件，支持传输速率1 0g b i t s 。美国加利福尼亚大 学在国防高级研究项目机构的支持下，研制出了基于a w g 的单片集成的编解码 器芯片，芯片大小为1 2m m x 4m m ，实现可调谐的一维编码技术。美国普林斯顿 大学研制了利用环形网的全光分插复用单元( o a d m ，o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r ) ，用户数为4 ，单用户的比特速率为2 5g b i t s 。 在纠错码应用于o c d m a 系统领域，国外的研究已有多方面的报道【1 9 】【2 0 】【2 l 】【2 2 】 【2 3 1 ，主要集中在日本和美国的一些科研机构与大学，在德国也有相关报道。主要 研究纠错编码技术( 前向纠错技术) 对相干光和非相干光o c d m a 系统系统性能 的改善。 针对前向纠错技术在光通信系统中的应用，2 0 0 1 年2 月i t u t 推出了g 7 0 9 建 议，它指出了光网络的的技术基础。g 7 0 9 的核心内容是数字包封技术( d w ， d i g i t a lw r a p p e r ) ，它定义了一种特殊的帧格式，将客户信号封装入帧的载荷单元， 在头部提供用于运营、管理、监测和保护的开销字节，在帧尾提供了前向纠错 ( f e c ) 字节，并且定义了专用于数字包封技术的r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码。在o f c 2 0 0 8 的会 议上强调了前向纠错技术对提高光通信系统能量的重要作用，而且在下一代光通 信系统中具有重要应用价值。 o c d m 码应用于光标记交换，在国外已成为研究热点【2 4 】【2 5 1 。主要是用o c d m 码为光标签编码，并使不同的标签相互正交；同时利用正交码的特性，唯一识别 光标签，从而j 下确实现信息路由。在另一方面，借用于o c d m 码的优点还可以实 现全光交换，而无需设计类似于a t m 的全光交换设备，节约了迈向了全光交换 的时间成本和经济成本。近年来日本的n i c t 机构对这方面的报道相对较多，其 他国家也有较多相关研究。 国内的o c d m a 研究水平相对要落后一些，对o c d m a 系统及其相关知识的 研究机构主要有浙江大学光通信交叉研究中心、电子科技大学应用所、北京邮电 大学、武汉邮电科学研究院、上海交通大学区域光纤通信网与新型光纤通信系统 国家重点实验室、清华大学以及深圳大学信息工程新技术研究中心等，这些单位 的大部分工作集中在光编解码方面，对提高系统性能、改善系统传输质量的研 北京邮电人学硕- 上学位论文 究较少。另外还有一部分企业也在研究，有华为、中兴等设备制造商。但是纠错 码在o c d m a 系统中的应用研究【2 6 i 平i ：i o c d m 在光标记交换中的应用研究国内方 面就相对较少，有上海交通大学、成都电子科技大学、北京邮电大学等少数科研 机构参与该课题的研究。 总体来说，国内对o c d m 技术的研究还有待发展，要充分开发其技术优势， 为国内的光通信事业服务。而且随着技术的不断进步，o c d m 相关技术必将成为 下一代光通信核心技术，并在未来通信技术中得到广泛应用。 1 3 论文所做工作 虽然o c d m a 系统及o c d m 技术相对其他光通信技术有显著的优点，但是关 于o c d m 相关技术的研究还是停留在理论探索，实验室仿真和简单的实验阶段， 距建立商用系统还有很长的一段路要走。本文针对o c d m a 系统性能改善和 o c d m 技术的应用做了深入研究，引入前向纠错编码技术改善了o c d m a 系统性 能，用o c d m 技术为光标签编码，实现了信息的正确路由。论文的主要研究工作 如下： 第一章首先回顾了光通信的发展历史，以及o c d m a 技术提出的背景，简 单介绍了o c d m 相关技术的优缺点；其次，就国内外的研究现状进行了分析，并 探讨了在目前研究状况下，国内外的研究热点与发展趋势。 第二章主要介绍了码分多址技术，包括o c d m a 系统的网络架构、o c d m a 系统的关键技术，以及o c d m a 系统的优缺点。分析了光网络融合技术、光地址 码理论、编解码器原理、系统性能管理。并从这些问题出发研究o c d m a 系统的 性能改善及o c d m 技术的应用。 第三章延续第二章的内容着重研究了o c d m a 系统的性能改善。首先介绍了 纠错码理论知识，并选取合适的纠错码r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 用于提高o c d m a 系统性能； 其次，仿真研究了r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 在非相干光领域通过o o k 调制方式对一维、二维 o c d m a 系统性能的改善，以及不同维数的系统性能改善结果比较；最后，仿真 研究了r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 在相干光领域通过d p s k 调制方式对维o c d m a 系统性能的 改善情况。 第四章延续第二章的内容着重研究了o c d m 技术在光标记交换技术中的应 用。本章主要研究了三方面的内容：( 1 ) 设计了全新的光核心路由器，采用自顶 向下的路由方案；( 2 ) 基于该路由器，设计了新的光数据分组格式；( 3 ) 仿真研 究了该核心路由器对新的光包信息的路由状况和结果。 4 第五章总结了本人 相关的技术发展前景做 1 4 小结 本章介绍了本论文 义，综述了目前国内外 章节结构安排和内容概 北京邮电大学硕二b 学位论文 第二章光码分多址技术 本章主要介绍了光码分多址技术的相关知识。首先介绍了o c d m a 技术和 其余几种多址技术的对比，及其自身的优缺点；其次概述了o c d m a 系统的整 体网络架构与o c d m 基本原理；其三，描述了o c d m a 系统分类，分别从地址 码维数、地址码占用资源和系统实现方式三方面对o c d m a 系统进行了分类； 最后，详细讲解了o c d m a 系统的关键技术，主要从光地址码理论和光编解码 器两方面介绍了o c d m a 系统的理论知识。 2 1 引言 光码分多址技术( o c d m a ) 伴随着“全光通信”概念的提出而发展起来，同 时，它也是在电c d m a 技术基础上演变出来的，将码分多廿( c d m a ) 技术与光 纤通信技术相结合的一种新技术，结合了两种通信技术的优势，充分挖掘了光纤 潜在传输能力，扩大了通信容量，具有较强的技术优势和广阔的应用前景【2 7 】。 o c d m a 技术和w d m a 、t d m a 并称为最有发展空间的三种复用技术。 w d m 系统是按频率划分用户资源，波长独享，时间共享；o t d m 系统是按时 隙划分用户资源，时隙独享，波长共享；o c d m a 系统是按地址码划分用户资源， 地址码唯一，时间，频率共享，利用地址码在光域内的正交性相区别。三种不同 复用方式对信道带宽的利用方式如图2 - 1 。 问 时 时间 ( a ) w d m a( b ) o t d m a( c ) o c d m a 图2 1w d m a 、o t d m a 和o c d m a 复用方式 另外，o c d m a 技术对用户信号采用全光处理手段，克服传统网络中的“电 子瓶颈”效应，以扩频通信为基础，将低速率的基带用户信号变换成高速率的光 6 北京邮电大学硕上学位论文 脉冲序列，在宽带光纤信道中传输，是未来全光高速通信网备选方案之一。其技 术优势体现在【6 】【7 】【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 i 】： ( 1 ) o c d m a 技术可以实现信号的全光复用与交换，使传输速率达到t b s 的数量级，并且能够动态分配带宽资源，快速扩展网络结构，适合于实时、高突 发、高速率和保密的通信业务。 ( 2 ) o c d m a 技术可以实现保密通信。由于在o c d m a 系统中，每个用户 唯一的分配地址码，该地址码之间相互正交，所有用户信息必须通过与发送方相 匹配的地址码作相关解码，才能获得。在没有地址码信息的情况下很难正确解码。 ( 3 ) 网络结构简单。通过给用户分配唯一的地址码，可在无交换中心的情 况下实现点到点、点到多点的通信方式，且一个节点的故障不影响系统中其它的 节点，用户可随时接入，实现了异步通信。 ( 4 ) o c d m a 系统组网灵活。通过分配不同地址码给用户，具有软容量功 能，当增加新的用户时无需时隙和波长的重新规划具有很高的灵活性和可扩展 性。 ( 5 ) 网络控制和管理容易。o c d m a 系统既不需要进行复杂的时隙管理和 频率管理，也不需要集中化的控制和复杂的网络管理功能。 ( 6 ) 提供了宽带通信服务。可以承载视频电话、视频电视、多媒体、流媒 体、数据和高清晰度图像等多种业务，实现对传输速率的完全透明。 o c d m a 技术的这些优势会对建立未来高速、宽带、全光的综合业务数字网 ( i s d n ) 发挥非常重要的作用。 尽管o c d m a 技术有诸多优点，但是目前对其的研究还仅仅停留在理论和 实验阶段，它要实用化还面临很多问题。 ( 1 ) 编解码方案和技术的问题：作为一个实用的技术，它必须在保证服务 质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的前提下能够容纳足够多的用户数量，以及能够提 供足够多的服务种类，如话音、数据、视频的传输。但是迄今为止仍未找到一种 适用于o c d m a 的码族及其编解码器。 ( 2 ) 多址干扰问题：非相干o c d m a 系统中最大的干扰是多址干扰。对 多址干扰的消除提出了种种技术，主要有光硬限幅器、多用户检测，但这些技术 仅停留在理论分析阶段，要做成实际的器件，还是一个很难的问题。 ( 3 ) 与现有复用技术的共存和融合问题：现有的光网络中使用的复用技术 就是成熟的波分复用和时分复用技术，从现有的复用技术过渡到o c d m 技术， 也是一个技术和理论难题。 北京邮电大学硕上学位论文 2 2o c d m a 系统网络架构 o c d m a 系统的网络架构如图2 2 所示。o c d m a 系统由发送、传输和接收 三部分组成，通常采用星形拓扑结构【2 8 【3 2 】【3 3 】 3 4 1 ，允许用户异步接入，多个用户 可在同一时刻共享频谱资源。基于o c d m a 技术组建的接入网在光域进行编解 码，可以提供高速的信息接入服务，因而适合用户高速连续信号的接入。在发送 端，网络为每个通信用户分配一个地址序列码，用户用自己的地址码对需要传输 的信号进行扩频编码后，直接发送到o c d m a 网络中进行传输；传输部分主要 用于保证q o s ，降低信号衰减，色散，以尽可能低的误码率完成通信要求；在接 收端，用户根据自己的地址码序列进行o c d m 解码，并接收自己需要的信息。 发送端l 发送端2 发送端 肭h 渤卜黼h 肭 腕h 然卜 星型星型 耦合 笊a 耦合 _ 卅h _ r z 2 器 叫光纤 器 l 解码器 n x ll n 用户h 瓣卜 解码器l 用7 “ 图2 2o c d m a 系统网络架构 在o c d m a 系统中，假设有m 个用户通信，在发射端，用户d 发送信号 o ) = 何e x p j ( ( o d f + 九o ) ) 式( 2 1 ) 其中，只、纨、九分别是用户信号的光功率、光频率、光相位。设第z 用户扩 频码函数为e o ) ，则在接收端接收到的函数为： & o ) = z e , ( t ) c 。o ) = 厄e x p j ( o ) 。f + 九o 炉。o ) - l 扣1 式( 2 2 ) = 厄e x p k h 丸o 版o ) + 何e x p j ( m d f + 九o 版o ) k = 1 f 当地址码匹配时，得到信号 厂1 g 。o ) = s 。o ) qo ) = i 厄e x o 。f + 丸。归。o ) + 、万e x p a t + 九o ) ) qo ) 1 qo ) l 女= l ，k ij = 厄e x p j ( o ) 。h 丸o 版o ) q o ) + 厄e x p j ( r _ o d f + 九o 舰o ) o o ) = 只e x p j ( c o d f + 九o ) ) 北京邮电大学硕士学位论文 式( 2 - 3 ) 在这里， 乏曷：2 箔薹1 。能够正确恢复信息数据，否则在接收端收到的是一 系列噪声，被滤波器滤除。 2 3o c d m a 系统分类 o c d m a 系统根据不同的分类方法可以被划分为不同种类，大概有三种分类 【8 】【9 】【1 0 】【3 5 】【3 6 】【3 7 】【3 8 】【3 9 】【柏1 。 ( 1 ) 根据地址码的维度不同，o c d m a 系统分为一维o c d m a 系统、二维 o c d m a 系统和三维o c d m a 系统。一维o c d m a 系统在时域、频域或空域编码； 二维o c d m a 系统在时域与频域或时域与空域2 个参量同时进行编码；三维 o c d m a 系统在时域+ 频域+ 空域进行编码或者在时域和频域的基础上在加入偏 振态的编码，由于成本投入大，三维编码研究相对较少。 ( 2 ) 根据地址码的占用资源不同，o c d m a 系统分为时域o c d m a 系统、 频域o c d m a 系统和空域o c d m a 系统。时域o c d m a 系统利用时域的光序列 进行编码称为直接序列扩频o c d m a 系统( d s o c d m a ，d i r e c ts e q u e n c eo c d m a ) ； 频域o c d m a 系统对光脉冲的光谱进行编码称为频率编码( f e o c d m a ， f r e q u e n c y - e n c o d e df e o c d m a ) 或者光谱编码o c d m a 系统；空域o c d m a 系统 利用空间光纤进行编码称为空间频谱编码( s f e o c d m a ，s p a t i a lf r e q u e n c y - e n c o d e d o c d m a ) 。 在时域o c d m a 系统中，一个用户信息比特，经编码变成几个光脉冲，这几 个光脉冲在时间轴的位置是由地址码确定的，如图2 3 ( a ) 所示。假设其地址码 码长为l ，则经时域编码后，系统的传输速率为数据速率的l 倍。在频域o c d m a 系统中，一个用户信息比特，编码后的光脉冲时域形状不变，但只有某些波长按 地址码规定组合波长发送出去，其他波长不发送，如图2 3 ( b ) 所示。系统的工 作速率与原来的信息比特速率一样。在空域o c d m a 系统中，编码器由一对共焦 透镜组成、一对衍射光栅和掩模板( 地址码) 组成。对衍射光栅分别放在两个透 镜的焦平面上，第一个光栅将入射光信号在空间进行频谱展宽，一个空间幅度掩 模放在两个透镜的共焦面上对光信号进行频谱编码，不同的空间掩模即代表不同 的用户，编码后的信号通过第二个光栅重新合并成单光束。鉴于空域编码结构的 复杂性，研究相对较少。 9 北京邮电大学硕士学位论文 比特数据 口、 时间 地址码 口口 口 口、 铮切普周期 时间 编码输出 口口口口、 编鳓信号么二二、 地址码 口口口 口竺间 编码后信号 口口口口! 间 比特周期时间时间 ( a ) 时域编码( b ) 频域编码 图2 - 3o c d m a 时频域编码 ( 3 ) 根据系统实现方式不同，o c d m a 系统又可分为相干o c d m a 和非相干 o c d m a 。相干o c d m a 技术由于利用光脉冲的相干性可以实现双极性编解码； 另外还可以利用光脉冲的相位信息进行扩频编码。在相干的o c d m a 系统中，不 同发送端所发送的脉冲信号到达同一接收端的时间延迟之差远大于脉冲的相干 时间，这样在接收端形成期望接收信号的相干叠加与不期望信号的非相干叠加， 并通过使用平衡接收的方法将后者予以消除，从而大大地减少了多用户干扰。相 干o c d m a 系统肿i r 厶匕f l r _ , 主要受限于多址干扰( m a i ，m u l t i p l ea d d r e s si n t e r f e r e n c e ) 和 差拍噪声( b n ，b e a tn o i s e ) ，在非相干o c d m a 系统性能主要受限于多址干扰 m a i 3 5 1 。 2 4o c d m a 关键技术 2 4 1 光地址码理论 光地址码( 厶批见。，以) 的主要参数有码长、码重w 、自相关峰值旯。和互相 关峰值无。一个好的光地址码应该同时满足高的自相关峰值、低的自相关旁瓣 和低的互相关输出峰值 6 儿7 j 【4 1 | 。较长的码长可以提供较多的码字数量，较大的码 重可以产生较高的自相关峰值。较小的互相关输出峰值和自相关侧峰可以保证系 统为更多的用户同时提供接入服务和为每个用户提供更大的接入速率；较大的码 字空间可以保证系统拥有较大的容量，