（光学工程专业论文）ocdma系统中光正交码的研究.pdf

摘要 光码分多址( 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 ) ，是将无线 c d m a 技术与光纤通信技术相结合的一种新技术，结合了两种通信方式的特点， 具有很强的技术优势和广阔的应用前景，成为未来高速全光通信网络的备选方案 之一，是目前光通信研究领域的热点。与其他的复用方式相比，o c d m a 目前还 处于相对不成熟的阶段。 o c d m a 系统中的关键技术之一就是光地址码的设计。在o c d m a 系统中， 每一个用户预先被分配一个特定的地址码，即一个字长的o 1 序列。在发送端特定 的光编码器产生某一特定的地址码，将数据信息与此地址码调制在光载波之上发 送出去，不同用户的数据都在光纤媒质中传输，接收端用特定的光解码器解出属 于自己的信息，而携带其他用户信息的光信号，就像噪声样被过滤掉。目前光 地址码中研究得比较多的是光正交码，因此本文主要研究光正交码的构造。 论文首先对o c d m a 的基本原理、光正交码的基本理论以及关键技术进行介 绍，对光码分多址技术发展历史、研究现状以及发展趋势进行总结，指出同其它 复用方式相结合的混合全光网络和采用光纤光栅编解码器是光码分复用技术最有 希望的发展方向。 第二章对光正交码的构造进行了研究。对光正交码的构造方法进行了概述， 研究了利用差分矩阵构造光正交码的算法和利用邻加方法构造光正交码的算法， 针对这些算法存在的问题进行了修正。给出了仿真结果和分析，比较了两者在时 间收敛性方面的性能，并指出了这两种算法的优缺点。 第三章对基于有限域的光正交码构造的改进算法进行了研究。介绍了区组设 计的基本理论和循环差集的基本概念，研究了有限域的基本理论和光正交码与循 环差集族之间的关系。对基于有限域的光正交码构造的原算法进行了描述，在此 基础上，提出了一种改进的算法。通过选取不同的本原根，可以同时获得多组最 佳光正交码。给出了仿真结果和分析，验证了该改进算法的可行性与准确性，指 出了该改进算法的优缺点，并与第二章中的算法进行了比较。 第四章研究了不完全优化光正交码的构造算法。首先对不完全优化光正交码 这一新概念进行了说明，接着介绍了复合长度光正交码的基本概念和区组设计理 摘要 论。提出了不完全优化光正交码构造算法，给出了仿真结果和分析，验证了该算 法的可行性与准确性，并与以往的算法进行了比较。 第五章为全文总结。 关键词：光码分多址光正交码有限域复合长度光正交码 不完全优化光正交码构造算法 i i a b s t r a c t 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 e xa c c e s s ( o c d m a ) i san o v e lk i n do ft e c h n o l o g i e s w h i c hc o m b i n e sw i t ht h ef e a t u r e so fw i r e l e s sc d m aa n do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s a n dh a ss t r o n g l yt e c h n i c a la d v a n t a g e sa n dw i d e l ya p p l i e dp e r s p e c t i v e s i ti so n eo ft h e p o s s i b l er e s o l u t i o n sf o rf u t u r ea l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w h i c hi sah o tt o p i c i no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h c o m p a r e dw i t ho t h e rm u l t i p l e xt e c h n o l o g i e s , i ti s s t i l la tt h es t a t eo f i n f a n c y t h ed e s i g no fo p t i c a la d d r e s sc o d ei so n eo fk e yt e c h n o l o g i e si no c d m as y s t e m o n es p e c i a la d d r e s sc o d e w o r dw h i c hi sa “0 1 ，s e q u e n c eo fc e r t a i nc o d e l e n 垂hi s a s s i g n e dt oe a c hu s e ri na d v a n c e as p e c i a la d d r e s sc o d e w o r dp r o d u c e db yo p t i c a l e n c o d e ra tt h es i d eo ft r a n s m i s s i o na n dd a t ai n f o r m a t i o na r em o d u l a t e do no p t i c a l c a r r i e ra n dt r a n s f e r r e d t h ed a t af r o md i f f e r e n tu s e r sa r et r a n s m i t t e dt h r o u g ho p t i c a l f i b e r t h ei n f o r m a t i o nb e l o n g i n gt ol o c a lu s e ri sd e m o d u l a t e db yt h es p e c i a lo p t i c a l d e c o d e rw h i l eo p t i c a ls i g n a l sc a r r y i n go t h e ru s e r s i n f o r m a t i o na r ef i l t e r e da sn o i s e o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ( o o c ) a m o n go p t i c a la d d r e s sc o d ei sm o s t l yi n v e s t i g a t e d ，s o t h em a i nr e s e a r c ho f t h i sp a p e ri sf o c l l s e do nt h ec o n s t r u c t i o no f o o c f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo c d m a ，t h eb a s i ct h e o r yo fo o c a n dt h ek e y t e c h n o l o g i e so f o c d m a a r ei n t r o d u c e d 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 0 c d m at 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 c o m b i n i n gw i t ho t h e rm u l f i p l e x i n g t e c h n o l o g i e sa n du s i n gf i b e rg r a t i n g sa st h ee n c o d e r d e c o d e ra r et h et r e n d so fo c d m a s y s t e m t h ec o n s t r u c t i o no fo o ci si n v e s t i g a t e di nt h es e c o n ds e c t i o n t h ec o n s t r u c t i o n m e t h o d so fo o ca r es h m n a r i z e d f u r t h e r m o r e ，t h ea l g o r i t h mb a s e do nd i f f e r e n c e m a t r i xt o g e t h e rw i t ht h ea l g o r i t h mb a s e do ne x t e n d e ds e ta r ei n v e s t i g a t e d ，t h e n ，t h e s e a r ec o r r e c t e da sf o re x i s t i n gp r o b l e m f i n a l l y ，t h ep r o p e r t i e so ft i m ec o n v e r g e n c ea b o u t t h e s ea l g o r i t h m sa r ec o m p a r e db ys i m u l a t i o n ，t h e n ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r ep o i n t e do u t t h ei m p r o v e da l g o r i t h mo f c o n s t r u c t i o n o fo o cb a s e do nf i n i t ef i e l di s j j j a b s t r a c t i n v e s t i g a t e di nt h et h i r ds e c t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l e so nf i n i t ef i e l da n dt h er e l a t i o n b e t w e e no o ca n dc i r c l ed i f f e r e n c ef a m i l ya r ei n t r o d u c e d t h ei m p r o v e da l g o r i t h m b a s e do no r i g i n a la l g o r i t h mi sp r e s e n t e d s e v e r a lg r o u p so fo p t i m a lo o ca r eg a i n e d w h e nd i f f e r e n tp r i m i t i v ee l e m e n t sa l ep i c k e d 、i t l lc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do nf i n i t ef i e l di sa v a i l a b l e a tt h es a l t l e t i m ei ti sc o m p a r e dw i t ht h ea l g o r i t h m si n v e s t i g a t e di ns e c o n ds e c t i o n t h ec o n s t r u c t i o na l g o r i t h mo ni n c o m p l e t eo p t i m i z e do o ci si n v e s t i g a t e di nt h e f b n l ls e c t i o n f i r s t l y , t h en o v e lc o n c e p to fi n c o m p l e t eo p t i m i z e do o ci se x p l a i n e d ，t h e n ， t h eb a s i cc o n c e p t so nm u l t i l e n g t ho o ca n dt h et h e o r yo nc o d e w o r dd e s i g na r e i n t r o d u c e d c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h mo ni n c o m p l e t eo p t i m i z e do o cb a s e do nt h e m u l t i l e n g t ho o ct h e o r yi sp r e s e n t e d as e to fo o ca l eg a i n e dw i 也c o m p u t e r s i m u l a t i o n 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 ec o n s t r u c t i o na l g o r i t h mi sa v a i l a b l e 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 i v e ni nt h el a s ts e c t i o n k e y w o r d ：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 so p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e f i n i t e f i e l d m u l t i l e n g t ho p t i c a lo r t h o g o n a l c o d e i n c o m p l e t eo p t i m i z e do p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m 缩略字表 缩略字表 a o na l lo p t i c a ln e t w o r k c d m ac o d ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s m a i m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e 全光网 码分多址 多址干扰 o c d m a o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u i t i p l e x a c c e s s光码分多址 o o c o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e光正交码 o t d m o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 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 v i 光时分复用 波分复用 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它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谢意。 签名：鳖竖日期：a 。以年r 月2 舌日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 进入9 0 年代以来，在全球信息化浪潮的推动下，电子信息产业发展迅猛，通 讯技术和产品日新月异，趋势正由数字化、智能化、小型化进一步向宽带化、综 合化、网络化发展。随着因特网在全世界的普及，各种业务的迅猛增加，尤其是 语音、视频等多媒体业务的剧增，使人们对网络容量、带宽的需求越来越强烈。 鉴于光纤近5 0 t h z 的巨大潜在带宽资源、低成本和易维护等一系列优点，自8 0 年 代中期以来，网络的光纤化一直是包括中国在内的世界各国网络发展的主要趋势 之一。以我国来说，光纤到楼、光纤到小区和光纤到路边是近期比较现实的目标， 尤其在提出“信息高速公路”倡议以来，光纤通信的研究与开发更迅速、更深入， 光技术开始渗透于整个通信网，成为支撑通讯业务量增长的最重要的技术。但在 现有的光纤通信网中，由于网络的各个节点要完成光电、电光转换，从而使系 统的总体性能受到了所谓的“电子瓶颈”的影响，其传输速率很难突破2 0 g b i t s 。 为了解决这一问题人们提出了全光网( a l lo p t i c a ln e t w o r k ，a o n ) 的概念。目前， 世界发达国家都投入巨资进行全光网技术的研究开发，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、可扩展性和可重构性的全光网解决方 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( 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 ) ，是将c d m a 技术与光纤通信技术相结合的一种新技术，结合了两种通信方式的特点，具有很 强的技术优势和广阔的应用前景f 1 1 1 2 。它的特点在于哩 通过直接的光编解码实现光信道的复用和光信号的交换，使数据的传输速 率可达t b s 的量级。 对于数百个用户以下的中、小规模网络，可采用异步o c d m a 技术，此时 用户之间是异步的，无需全网同步，可实现灵活的组网方式，用户可随时访问网 络，无需预约等待和排队缓冲，业务时延非常小；对于用户容量非常大的网络， 可采用同步o c d m a 技术，虽然也需要网络同步和访问预约，但因是直接采用光 信号处理，也可实现超高速数据传输。 增加用户数使业务质量下降和网络阻塞的效应比光时分复用( o p t i c a lt i m e 电子科技大学硕士学位论文 d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o t d m ) 和光波分复用( 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 ， w d m ) 系统有所改善。 - 保密性好，抗干扰能力强。 对光源性能的稳定性、谱线宽度等要求比w d m 大大降低，而且由于 o c d m a 系统中谱资源利用率高，还可与w d m 结合进一步增加系统的容量。 1 2o c d m a 基本原理 1 2 1o c d m a 系统结构 o c d m a 系统主要由用户数据源、超短脉冲激光器、光开关、光c d m a 编 解码器、光星型耦合器、光电探测器、电阈值检测器组成，系统组成框图如图1 - 1 。 图1 - 1o c d m a 系统原理框图 o c d m a 技术是将码分多址技术应用于光纤信道，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。它以扩频通信为基础，将低速率的 基带用户信号变换成高速率的光脉冲序列，在宽带光纤信道中传输。在系统发送 端，用户信息比特流( 电信号) 通过控制光开关的状态( 交叉态和直通态) ，从而进一 步控制超短脉冲激光源，当用户信息比特为“l ”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 编码器进行编码；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“1 ”时，光编码器输出一个光脉冲序列，信息比特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，并经光纤 第一章绪论 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 系统地址码 由于o c d m a 技术在光域中对信号进行处理，因此不存在负的物理量，导致 光信号处理中只能采用非负值域( o 、1 1 ，即单极性码，这与电域c d m a 技术中能 采用的双极性码( - 1 、1 ) 有本质的区别。在电c d m a 技术中采用的扩频码，如g o l d 码、w a l s h 码和m 序列等，具有很好的自相关性和互相关性，而在单极性码中互 相关值并不能保证为零。 o c d m a 系统的单极性地址码主要有光正交码( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ， o o c ) 4 、素数码【5 】、准素数码 6 1 、2 n 素数码【7 1 、平方同余码【8 】、唯一叠和码【9 1 、扩 展平方同余码、混合码和用于空间光通信的空间结构码等。 素数码在非相干o c d m a 和跳频0 c d m a 等领域有着广泛的应用，其码重为 p ( 素数) ，码长为p ，码字个数为p ，其优点是产生算法简单，而且编解码器结构 简单，利用光纤延迟线网络和光开关即可实现，但其相关输出旁瓣值大，自相关 值l = p 一1 ，互相关值丸= 2 。一种改进的素数码性能有较大提高，这种方法将码 字分为尸个组，组内的码字互相关很小，组外码字之间互相关稍大，但仍有较大 提高。同光正交码相比，素数码可以提供较多的用户数。 唯一叠和码适合频率编码o c d m a 和跳频o c d m a ，即任何码字对每个频率 通道最多只使用一次，任何两个码字对任何时移的相关输出( 两个信号中拥有的一 致频率个数) 为1 。混合码编解码就是利用两种码进行混合编解码的过程，使算法 简化而且性能提高。 光正交码是o c d m a 系统中比较成熟的地址码之。它是一种较好的码集， 相对来说，其码重较小，相关性是各种码集中最佳得，但码字个数较少，且产生 码字的算法复杂。光正交码因其良好的相关特性，很受国际学术界重视，很多人 对光正交码的构造及其性能进行了讨论。 光正交码虽然具有良好的相关特性，但是容量很小；素数码因放宽了码字间 的互相关特性，容量有所增加，但是依然很小。系统可容纳的总用户数由地址序 列的码字容量决定，一定误码率条件下可同时传输数据的用户相当有限，必须寻 电子科技大学硕士学位论文 找新的具有更好的相关特性、并能容纳更多用户的光地址码编码方法。为此，很 多人对用于0 c d m a 系统中的多维地址码进行了研究。 多维码的扩频编码涉及到时域、频域和空域，如果扩频编码是时域、频域和 空域的三维整合，则称为三维码：如果扩频码涉及到时域、频域和空域中的任意 两个则称为二维码。二维码的每个地址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，由于增加了一个自由度f 空间或波长) ，二维码o c d m a 系统 的性能比一维码0 c d m a 系统的性能有较大地提高。在相同的扩频系数下，不仅 码字数增多，同时使用的用户数也有较大地提高。最重要的是二维o c d m a 系统 的实现在现阶段的光纤通信现状下比较现实，成本也要比双极性0 c d m a 系统低 得多。目前时域和频域相结合的跳频，扩时二维码成为研究的热点，研究表明时域 频域二维光正交码的容量远远大于一维光正交码的容量，码字性能也得到了很大 地改善。综上所述，一维码o c d m a 系统无论是在确定误码率条件和同时传输用 户数方面，还是在系统总用户数方面，都远不及二维码o c d m a 系统。从某种意 义上说，对二维码o c d m a 系统的研究和使用，具有重要的学术价值和实用价值。 用现有成熟的技术实现二维码0 c d m a 系统，是o c d m a 系统实现大容量的有效 途径。 1 2 - 30 c e i m a 系统编解码 光编解码器的结构与特性直接影响系统的功率损耗、用户容量、误码率、系 统成本和系统的灵活性等。在o c d m a 系统中不同的地址码都可以设计出对应的 编解码器，如在光振幅系统中采用树型、梯形网络结构的编解码器较多；光波长 编解码系统中一般采用光纤光栅、阵列波导光栅；相位编解码系统中常采用掩模 板、光纤延迟线加移相器和光纤光栅编解码器等。 0 c d m a 系统中，在用户信号转换为高速地址序列的过程中，由于光信号之 间相互作用必须具有相干性条件( 这一点与电c d m a 不同) ，因此需要实现的类似 电信号的扩频远不如电信号之间相乘那么简单。根据信号处理是否以相干为基础， o c d m a 编码机制可分为相干编码和非相干编码，这体现了编解码过程中信号变 换的本质，因而决定了系统所采用的地址码的类型，并最终决定系统的性能。 由于在光学系统中，非相干光处理意味着仅测量信号强度，所有实用化的光 纤系统都采用非相干的强度调制，直接检坝t j ( i m d d ) 方式，所以光地址码没有负分量 即为单极性码，因此对码的设计就变得较复杂。该方式简单成熟，性能优良，占 第一章绪论 据了光纤通信的主导地位。相干光通信技术，就象传统的无线电和微波通信一样， 用调制光载波的频率或相位发送信息，使用零差或外差技术检测发送来的信号， 因为光载波在这种方式中扮演重要角色，所以它被称为相干通信技术，该技术在 现阶段还显得不太成熟。所以，非相干o c d m a 一度成为研究的重点，这就是所 谓的正系统只利用光信号的强度信息，用光信号的有和无来表示二进制的”1 ” 和“0 ”。由于只由”1 ，0 ”构成的地址码无法实现彼此得完全正交，所以非相干系统 的地址码之间是伪正交得。比如光正交码和素数码，自相关有一峰值、互相关不 为零。因为互相关值不为零，解码器在解码时，其它用户就会对其产生于扰，当 突发用户集中时，就有较高的误码率，这就是多址干扰( m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ，m a i ) 。在非相干o c d m a 系统中，消除或减小多址干扰是非常重要 的一个问题。 在o c d m a 系统中，根据信号是否扩频，编解码方式又可分为扩频和非扩频 两种基本类型。扩频类型又进一步可分为扩时编码和扩频编码，非扩频类型主要 是以光学相干性为特征的码字编码。 1 3o c d m a 关键技术 1 3 1 光地址码理论 从前面介绍的o c d m a 原理可以看出，光地址码是o c d m a 系统的核心技术 之一。在满足自、互相关性能要求下，尽可能容纳更多用户。目前已提出的单极 性码存在一定限制： 1 码组稀疏，使码片周期很短，要求更短光脉冲，使其色散更加严重，限制了网 络容量，且实现困难。 2 提供的有用码字较少，编解码效率较低。 3 给定任意码长、码重下，不一定能得到码字。 4 虽然在一定条件下满足了相关性能，但与理想的要求相差很远。 多波长光纤光栅编解码器是在光纤不同位置写入不同波长的子光栅，要求子 光栅之间的位置不能太长，因此使码组稀疏的码不能应用到该系统中，可以克服 码组稀疏的限制，如在o c d m a 系统中采用一次重叠码【9 】。采用波长、空间和时 间组合的多维编解码，可以较好地解决系统容量限制。相位编解码和码字转换可 以采用无线c d m a 中相关性很好的双极性码，它是解决码字相关性较差的理想方 电子科技大学硕士学位论文 案。另外，双极性o c d m a 系统由于采用双极性编码技术，可以完全采用无线 c d m a 技术中常用的g o l d 、w a l s h 等码集。 对于o c d m a 系统而言，地址码的设计是至关重要的，它关系到信道的利用 效率和系统性能，相关性能好的地址码字可减少用户间的干扰，降低误码率，同 时地址码的结构还影响到编码器和解码器的复杂程度。为了在满足系统性能要求 的前提下，使系统中能有较多的用户数，构造特性优良、容量大的光地址码是实 现o c d m a 通信的有效途径。 1 3 2 光编解码器技术 光编解码器是o c d m a 系统的核心部件，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。 在现有的o c d m a 编解码器方案中，一般采用基于光纤延迟线的并行结构编 解码器和梯形编解码器【，分别如图1 2 、图1 3 所示。 图1 - 2 并行光纤延迟线编码器图1 3 梯形编码器 在并行结构编解码器中，输入光脉冲由光分路器分成路( 为码重) ，每一 路光纤延迟线的长度各不相同，然后经光合路器后形成编码的光脉冲序列，光解 码器的结构与光编码器的结构对称设计。利用可调光纤延迟线和延迟控制器可以 实现任意寻址。梯形结构光编解码器由光纤延迟线和耦合器按梯形构成，可以将 个脉冲扩频成一个脉冲序列。梯形光解码器的延迟线设计与光编码器对称。梯 形光编解码器具有结构简单、功率损耗小等优点，适用于时域扩频o c d m a 系统。 利用光开关代替其中的光耦合器，可以实现灵活寻址。 另外，还有基于频域编码的编解码器【l l 】【1 2 】、跳频o c d m a 编解码器和相 干o c d m a 解码器【1 4 】等很多方案，但设计性能更好、更实用的编解码器仍是一个 重要研究方向。 第一章绪论 i 3 3 多用户干扰消除技术 o c d m a 技术中m a i 是特有的问题，尤其是在单极性系统中，由于码字的相 关性较差，我们必须在不同用户间进行波长与时间上的保护。在o c d m a 系统中 m a i 对系统的影响远大于系统中的其他影响，如热噪声、散粒噪声、a p d 噪声等。 消除o c d m a 系统中的m a i 也是关键技术之一。一种方法是采用光限幅器i l ”， 但是它是比较消极的措施，不能充分利用光功率。自适应光限幅器在一定程度上 得到了改进，但实现比较困难。抑制m a i 提出的多用户检测技术，是较好方案， 但算法复杂，对器件结构要求较高，是现阶段研究热点之一。 1 3 4 超短脉冲光源技术 光源发出的光脉冲宽度直接影响到系统所能达到的通信速率和误码率，所以 研究如何形成超短脉冲成为一个重要的问题。一般来讲，o c d m a 系统要求光源 发出的光脉冲尽可能窄，单位脉冲能量尽可能大。对于数据速率与扩频系数之积 小于1 0 g h z 的系统，现有通信系统中使用的高速激光器可以满足要求，但对于数 据速率与扩频系数之积大于1 0 g h z 的系统，需研制超短脉冲光源。目前比较典型 的超短脉冲形成方法有锁模法、增益开关法、电吸收连续光选通调制法及正色散 光纤压缩法等，其中增益开关法是比较理想的超短脉冲光源，如何抑制相邻光脉 冲间的相干性还有待研究。 1 3 5 光功率控制技术 o c d m a 系统与无线c d m a 系统有着类似的功率控制问题。各用户有着不同 接入距离和不同发射功率，在多个用户同时接入的情况下，相对功率较强的光脉 冲序列将对较弱的光脉冲序列产生严重的码间干扰，所以功率控制问题显得更加 突出。可以采用类似无线c d m a 系统的反向链路开环和闭环功率控制措施。 1 3 6 码字同步技术 对同步o c d m a 系统来讲，码字同步是一个关键性的技术。由于绝大多数 o c d m a 系统接收机都是基于非相干光的匹配滤波原理，所以匹配滤波法和突发 同步法比较适合o c d m a 系统的同步捕获，o c d m a 系统同步后的相位跟踪采用 非相干跟踪方法比较适合。具体的同步实现技术还需进一步研究。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 光正交码基本理论 1 4 1 概述 光码分多址通信技术主要通过使用一系列具有良好相关特性的扩频序列来标 识用户，将许多的用户同步或异步地复用到相同的频带和时隙上，从而实现多个 用户共享同一光纤信道和提高系统的总容量。因此，具有良好相关特性的扩频序 列的构造方法研究是非常重要的。 在非相干光码分多址系统中，采用光强度调制和直接探测技术，该系统中的 扩频序列只能选用具有非负元素的单极性序列，光正交码就是这样一种序列，能 够表现出良好的相关特性，作为一种优选扩频序列，通常用于非相干光码分多址 系统中。 码长为v 、码重为k 的光正交码c 通常用一个四元组( v ，ta l ，z 2 ) 表示，其中五卜 屯分别表示自相关和互相关的上界。一个( v ，毛a 1 ，恐) 光正交码可被看作是一个取模 v 的整数的k 的集合类，每个k 集合对应一个码字，k 集合中的每个元素表示码字 的非0 切谱( 即l 切谱) 在码字中的位置。目前，研究比较多的是五l = 尼= 坝即等重对 称码) 的情况，此时将( v ，屯a l ，2 ) 记为( v ，t 。如：萨( 1 l o o o l o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ， v = ( i 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ，z ：( 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ，即为( v ，岛力= ( 1 9 ，3 ，1 ) 光正 交码的3 个码字。为了方便，经常用码字区组来表示，记为( i l ，f 2 ，t ，( 其中t 表示码字中的第，个“1 ”在码字中所处的位置，0 f 。v l ，1 ，ko 上述3 个码字对应的码字区组分别为( 0 ，1 ，5 ) 、( 0 ，l ，8 ) 和( o ，3 ，1 0 ) 。 假设码字x = ( x 。，。l ，x 。) 与y = ( y 。，y l ，- ，y 。) 为相异码字，则自相 关函数和互相关函数分别定义如下1 4 j ： 口叫( f ) = x ，y 价sa 20 墨r 墨v 一1 ( i - 2 ) l = 0 其中v 表示码长，膏表示码重，r 表示循环移位，o 表示模v 加。 自相关限制是为了保证每个签名序列不同于它自身的循环移位，这一特性使 得接收机( 解码器) 能够实现同步找到它信息的开始，定位于码字的边界。互相 关限制是为了保证每个签名序列不同于其它签名序列的循环移位，这一特性使得 l l ( 【一 o v = 墨 r r 5 当五。 丑。时且m 为大于零的整数 k2 一v a 一 0 且五。 丑。) c ”，a 。，a 。，= 巾c n , c o , 2 + m , a ，蔓! 丢j 芝；! i j i ：j ；i j 群 1 5 o c d m a 技术发展历史、研究现状以及发展趋势 关于o c d m a 技术的研究，最早是2 0 世纪8 0 年代中期国外有人想利用光纤 的巨大带宽，把无线通信c d m a 技术的优点移植到光纤上来，提出采用双极g o l d 码作为地址码对用户数据进行电的c d m a 编码后变成光信号用光纤来传输。尽管 此后又有人在光纤双极性c d m a 实现方面作了些工作，但是因为采用这种电编 解码的方法，“电子瓶颈”效应问题未解决，只能实现中、低速通信，不能充分 利用光纤的巨大带宽资源，所以不是真正的光码分多址。后来有人提出直接采用 光信号处理、进行光编解码，对于非相干光处理意味着对光强的测量，采用强度 调制直接检波( i m d d ) 方式，传统c d m a 的双极性码不能直接引入，对单极性光 正交码的研究就成为o c d m a 技术研究的重点。 有多篇关于非相干o c d m a 采用频域编码和相位编码系统实验及相干 o c d m a 系统实验研究的报导。日本邮电部通信研究实验室采用谱双极编解码进 行的非相干o c d m a 的系统实验【2 ”，单路速率达1 2 4 g b i “s ，传输4 0 k m ，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 集成光编解码器。2 0 0 0 年，在德国柏林市的k o m n e t 城域网中【2 ，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2 0 公里，用户速率1 5 5 m b 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1 2 ”，实 电子科技大学硕士学位论文 现了1 6 个用户，每个用户1 2 5 g b s ，传输8 0 公里的演示实验。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 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 s ，普通单模光纤，无需色散补偿， 传输5 0 公里【2 6 j 。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编码和光阈值器的情况下，实现了3 0 路 ( 3 w d m x l 0 0 c d m a ) ，每个用户1 0 7 1 g b s ，异步传输l l l 公里1 2 “。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 s ，在局域网中无误码的传输郾j 。 目前对o c d m a 技术的研究多针对于系统原理、光地址码的设计和编解码器 结构方面，而对系统发展的总体结构和一些关键问题( 如超短脉冲光源、光功率控 制、码字同步实现等) 缺少深入的研究。 0 c d m a 系统从概念的提出到目前的实验研究阶段已经走过了1 0 多年，它并 没有象w d m 技术那样成为光通信的支撑技术口9 】【3 0 】，在这1 0 余年的发展中， o c d m a 系统的问题不断被发现和研究【3 lj 。从目前的研究方向来看，o c d m a 技 术在全光接入方面有其独到的优势，与w d m 和o t d m 结合可以充分利用光纤的 带宽【3 2 1 。值得注意的是，光纤光栅技术的迅速发展对o c d m a 系统编解码的发展 注入了新的活力，大量的实验研究报道都是基于光纤光栅的。可以说，o c d m a 技术与w d m 、0 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。设计大容量、各种性能良好的伪随机地址码组，并在 此基础上构建一个完全基于o c d m a 技术的全光网虽然是可行的，但技术复杂、 高的成本投入阻碍了这个方向的进一步发展。相反，设计码组容量虽然不大，但 实现简单，并且能够与现有成熟技术相融合的o c d m a 系统是今后的发展方向。 i 6 本文的主要研究工作 本文的内容主要是围绕着o c d m a 的关键技术之一光正交码的构造来展 开讨论的。 主要的工作包括： l 利用差分矩阵构造光正交码算法和利用邻加方法构造光正交码算法的研究。 2 基于有限域光正交码构造的改进算法研究。 3 基于复合长度理论的不完全优化光正交码的构造算法研究。 第二章光正交码构造法 2 1 引言 第二章光正交码构造法 光正交码的构造等效为码字区组的构造。构造码字区组可利用初等数论、有