（光学工程专业论文）ocdma通信系统中地址码的研究.pdf

， t c l a s s i f i e di n d e x ：u 6 61 4 3 u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h e s t u d y o fc o d e si nt h eo c d m a c o m n ：a t i l o m m u n l c a t l o ns 。y s t e m c a n d i d a t e ：h a nx i a o s u p e r v is o r ：p r o f z h a n gx i n g z h o u a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a li t y ：o p t i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i r - 、 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 ，、p 作者( 签字) ：脚久 日期： 劢矿年易月7 r 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( o 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：库书次导师( 签字) ：j 芬名固 日期： 乃9 年乡月侈日砌年岁月侈日 一 ；j y 1 0 一 ， - 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 光码分多址技术是将电域的码分多址技术应用到光纤通信中的一种通信 技术，它充分利用了光纤的巨大带宽资源并且结合了码分多址的优点使通信 系统的传输速率得到提高，是当前光纤通信的研究热点之一。 光地址码的设计与研究是光码分多址研究的关键技术之一。光码分多址 系统中的用户是利用不同的相互正交或准正交的光地址码字来一一区分的， 通过在接收端进行相关运算来实现的。光地址码特性的优良与否决定着光码 分多址通信系统性能的优良，同时它也决定系统编解码器的复杂程度。因此， 本文以光地址码为主要研究内容进行了如下的探讨。 首先，本文对o c d m a 通信系统的基本原理、关键技术和国内外发展做 了比较详细的介绍，对当前光纤通信领域的几大复用技术进行了比较和总结。 其次，对一维光地址码和二维光地址码进行了比较深入的研究，分别研 究了一维光地址码和二维光地址码字的构造算法，并对各种码字的相关性能 和其对系统误码率、信号干扰比的影响进行了深入的数学分析和比较，应用 m a t l a b 7 0 软件，对分析结果进行验证，结果表明每一种码字在相关性能和对 系统误码率、信号干扰比的影响各有不同，二维光地址码的性能较一维光地 址码而言，无论从码字容量还是提高系统性能方面都有较大的提高。 最后，从光地址码角度出发，针对o c d m a 通信系统中关键技术之 一多用户干扰问题，研究了光谱幅度地址码，并根据光谱幅度地址码的性能 搭建了o c d m a 通信系统，应用光通信仿真软件o p t i s y s t e m 7 0 对系统进行了 功能仿真，结果表明基于光谱幅度地址码的o c d m a 通信系统能够有效的抑 制多用户干扰问题；对o c d m a + w d m 混合通信系统中地址码的构造方法进 行了研究，理论证明，o c d m a + w d m 混合通信系统能够将两种技术很好的 融合在一起，取长补短，其系统性能也有所提高。 关键词：o c d m a ；相关性：光地址码；光素数码 一，j 一 ， j 一 t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一l i i i i 置宣置置蔫一 a b s t r a c t o c d m ai sat e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n et h ec d m a t e c h n o l o g y 、析mo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 1 tf u l l yu t i l i z e st h ee n o r m o u sb a n d 诵d t ho ff i b e r r e s o u r c e sa n dt h ea d v a n t a g e so fc d m as ot h a tt h et r a n s m i s s i o nr a t eo ft h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi si m p r o v e dg r e a t l y a n di ti so n eo ft h eh o tr e s e a r c h e si n f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho f o p t i c a la d d r e s sc o d e i so n eo ft h e k e y t e c h n o l o g i e si no c d m a u s e si sd i s t i n g u i s h e dt h r o u g ht h eo p t i c a la d d r e s sc o d e w h i c hs h o u l db eo r t h o g o n a lo rq u a s i o r t h o g o n a la sw e l l 笛g o tb yt h er e l a t e d o p e r a t i o u sa tt h er e c e i v i n gi no c d m as y s t e m w h e t h e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e o p t i c a la d r e s sc o d ei s9 0 0 dd e c i d e dt h et h ep e r f o r m a n c eo fo c d m as y s t e ma l s o t h ec o m p l e x i t yo ft h ec o d e ra n dd e c o d e r t h e r e f o r e ，t h et o p i co ft h i sp a p e ri s o p t i c a la d d r e s sw i t hw h i c hw eh a v et h ef o l l o w i n gd i s c u s s i o n f i r s to fa l l ，t h i s p a p e rh a si n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e o fo c d m a s y a e m s ，鹪w e l la si t sk e yt e c h n o l o g i e sa n dt h ed e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d i t i sa l s om a d et h e c o m p a r a t i o na n ds u m m a r i z e dw i t l l s e v e r a l m u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g yi nt h ec u r r e n to p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nf i e l d s e c o n d l y , o n e - d i m e n s i o n a lo p t i c a la d d r e s sc o d ea n dt w o - d i m e n s i o n a lo p t i c a l a d d r e s sc o d eh a dm o r ei n - d e p t hr e s e a r c hs t u d i e do n e - d i m e n s i o n a lo p t i c a la d d r e s s c o d ea n dt w o - d i m e n s i o n a l o p t i c a l a d d r e s sc o d ew o r do ft h ec o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m ，c h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n s t u d i e sh a v es h o w nt h a te v e r yc o d e sh a s d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h et w o - d i m e n s i o n a l o p t i c a l a d d r e s sc o d e s c h a r a c t e r i s t i c si sb e t t e rt h a nt h eo n e d i m e n s i o n a lo p t i c a la d d r e s sc o d e l a s t l y , t h i sp a p e rh a v es t u d i e dt h es a ci no r d e rt os o l v et h em a i t h e s a c - o c d m as y s t e mh a sb e e nb u i l tb a s e do nt h ep e r f o r m a n c eo fs a ca n dm a d e t h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o nb yt h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n r ， j 一 s o 触骶n a m e do p t i s y s t e m 7 0 t h er e s u l t sh a ss h o w nt h a ts a c o c d m a s y s t e m c o u l de f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h em a i t h ec o n s t r u c t i o no f0 c d m a + w d m c o d e sh a sb e e ns t u d i e d ，i ti s p r o v e d t h a to c d m a + w d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o u l di m p r o v et h e p e t f o n n a i l c eo f k e yw o r d s ：o c d m a ；r e l e v a n c e ；o p t i c a la d d r e s s c o d e ；o p t i c a lp r i m ec o d e - 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第2 章 2 1 2 2 2 4 目录 绪论l 课题的研究背景1 o c d m a 通信系统的基本原理。3 o c d m a 技术的发展史4 o c d m a 通信系统的关键技术6 本文的主要工作7 一维光地址码的构造与性能分析9 码字特性的表示方法9 异步o c d m a 通信系统中光素数地址码的设计和分析1 0 2 2 1 基本素数码( o p c ) 的构造与分析1 0 2 2 2 扩展素数码( e p c ) 的构造与分析1 1 2 2 3 修正素数码( c ) 的构造与分析1 3 2 2 4 修正二次素数码( m s p c ) 的构造与分析1 3 2 2 5 扩展二次素数码( e s p c ) 的构造与分析1 4 2 2 6 异步码字性能的比较。1 6 异步o c d m a 通信系统的性能分析1 6 2 3 1 基本素数码( o p c ) 的性能分析1 6 2 3 2 扩展素数码( e p c ) 的性能分析18 同步o c d m a 通信系统素数码的设计与性能分析1 9 2 4 1 内循环素数码的构造与性能分析1 9 2 4 2 非线性s s p c 地址码的构造与性能分析。2 l 2 4 3同步一维光地址码码字性能比较2 2 光正交码的构造与性能分析2 3 2 5 1 光正交码码集的码字容量2 4 2 5 2 有限射影几何法设计光正交码2 4 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 6 第3 章 3 。1 3 3 3 5 第4 章 4 1 4 2 4 4 2 5 3 有限区组设计理论构造光正交码2 6 本章小结3 1 二维光地址码的构造与性能分析3 2 二维光地址码的相关定义3 2 3 1 1 二维时频域光地址码的表示方法3 2 3 1 2 二维时频域光地址码的相关性3 3 3 1 3 二维码字容量的计算3 3 跳频素数码的构造与性能分析3 4 3 2 。1 跳频扩时素数码的构造方法3 4 3 2 2 跳频扩时素数码的性能分析3 5 二维同步二次素数码( 2 d s s p c ) 的构造与性能分析3 5 3 3 12 d s s p c 码字的构造算法3 5 3 3 2 2 d s s p c 码字容量的分析3 7 3 3 32 d s s p c 码字的性能分析3 8 2 d 0 0 c 的构造与性能分析4 0 3 4 12 d o o c 的构造算法4 0 4 22 d o o c 码字容量的分析4 l 3 4 32 d o o c 码字的性能分析4 1 本章小结4 3 基于光谱幅度编码的o c d m a 系统的设计4 4 光谱幅度编码系统结构的设计4 4 平衡检测法4 5 4 2 1 平衡检测数据接收端结构的设计4 5 4 2 2 平衡检测的原理4 6 s a c 光地址码的选择4 7 4 3 1 现有的s a c 光地址码4 7 s a c o c d m a 系统的设计、仿真与分析4 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 4 1f b g s 编解码原理4 9 4 4 2s a c o c d m a 系统的设计及仿真结果分析5 2 4 5 本章小结5 6 第5 章o c d m a + w d m 光地址码字的研究5 7 5 1 o c d m a + w d m 混合系统的两种模型。5 8 5 2o c d m a + w d m 系统与频时二维o c d m a 系统的区别5 9 5 3o c d m a + w d m 码字的构造与性能分析6 0 5 3 本章小结6 2 结论6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表论文和取得的科研成果6 8 致谢6 9 哈尔溟工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 随着科学技术的迅速发展，特别是i n t e m e t 和网络通信技术的发展，人 们对宽带通信网的要求越来越高。2 0 0 9 年初，3 g 通信网络在中国上市，相 比2 g 通信网络而言，3 g 网络新增项目多是无线漫游，并处理图像、音乐、 视频流等多媒体业务，而多媒体的高速接入速度是无限制的，因此3 g 通信 系统对于多媒体应用还存在一定的局限性。未来的下一代通信网络的目标就 是更高的速率和更大的容量从而满足人们对信息的需求。 为更好地适应这一要求，光纤通信技术在近年来得到了迅速的发展，研 究者们为了更进一步的提高光纤利用率，挖掘出更大的带宽资源【l 】，充分地 利用了石英光纤在1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 r i m 附加的两个传输窗口的近3 0 t h z 的可 用带宽【2 】。在目前的通信系统中，信号处理大都采用电子器件，而电子器件 的信号处理速度只能工作在1 0 g b s 以下，几乎是目前的通信系统的传输速率 极限1 3 】。由此可见，光纤传输的带宽是目前采用电传输媒体和无线传输媒体 带宽的1 0 0 0 倍以上。 因此如何充分地挖掘光纤的巨大带宽资源，并在光纤通信系统中应用恰 当多址复用技术就成为研究者们研究的重点所在，于是研究者们就参考电域 中相对比较成熟的电复用技术，提出了许多光域中的复用技术。 到现在为止，为实现全光通信网络而提出的多址复用技术主要有光时分 多址技术( o t d m a ) ，密集波分复用多址技术( d w d m a ) 以及光码分多址 技术( o c d m a ) 等。 光时分复用技术( o t d m ) 是指将光纤信道在时间上进行分割复用，即 在同一根光纤中只传输单一波长时分复用的光信号，利用高速光开关，将多 路光信号复用到同一根光纤中，每个用户按指定的时隙进行信号的传输，同 时时隙也用来识别用户地址码1 3 1 。这样的复用信号，在时域上是分离的，而 在频域上是混叠的。 一 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光时分复用技术( o t d m ) 能够有效的增加单信道带宽，同时又避开了 电子瓶颈限制问题。但与o w d m 技术相比，光时分复用( o t d m ) 技术相 对来说显得尚未成熟，o t d m 技术需要严格的时钟同步技术，该同步技术极 为复杂，而且光时分复用技术只用到一个波长信道，这样的光传输系统大大 的降低了光纤的带宽利用率。 光波分复用技术( o w d m ) 是将光纤的低损耗窗口中可使用的光谱带宽 划分为若干极窄的子带宽，信号以强度调制的方式调制在子带宽的中心波长 上，在子带宽内传输从而实现在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项 技术。o w d m 技术的基本原理是在光的发送端将分割成不同波长的光信号复 用在一起，将各路光信号耦合到一根光纤中传输，而在光的接收端再将复用 的各路光信号解复用，同时做进一步的信号处理从而恢复出原光信号并送到 不同的终端。当同一窗口中各路光信号波长间隔较小，这样的复用称为密集 波分复用( d w d m ) 。 这种复用技术能够有效地利用光纤的带宽资源，从而大大的提高了系统 容量。目前，由于o w d m 光传送网的实现相对简单使其成为目前光通信骨 干网的主要复用技术1 3 。但其也有缺点，如需要精确的波长控制、可调谐多 波长激光器及可调谐滤波器等。并且在传输过程中由于没有对信息进行有效 的保护，从而降低了信息传输的安全性。 光码分多址技术( o c d m a ) 是一种扩频通信技术，它是将电域的扩频 技术应用到光纤通信中的一种技术，它是将不同用户的信号用相关性较好的 正交或准正交的光地址码序列来编码，使用户信号在频域内拓宽，经过编码 的用户信号再调制在同一载波上，即调制在一个光波长上继而在光纤信道中 传输，接收时只要与发送端的相匹配的光地址码序列进行相关接收即可恢复 原用户信息。关键是选择合适的光地址码序列，并对不同的扩频码进行编码， 形成不同的码分信道，即以不同的光地址码序列来区分各个用户从而实现码 分多址复用。 综合上述几大光复用技术的特点，同o w d m a 与o t d m a 技术相比， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o c d m a 技术具有以下几个方面的特点【4 】： ( 1 ) 不需网际范围的同步，网络设计灵活，系统误码率仅依赖于被激活的 接入用户总数，是一种软限制； ( 2 ) 可实现异步通信，允许用户无延时随机接入，可支持交比特率传输和 突发性业务； ( 3 ) 每个接入用户充分利用了整个系统的时域和频域，增加新用户容易 ( 不需改变网络结构，只需给该用户分配一个地址码序列) ； ( 4 ) 易于实现真正透明的全光网络，信道的统计复用增益高； ( 5 ) 较好的抗干扰和保密特性。 目前，随着光通信技术的不断发展，o c d m a 技术已成为国内外在光通 信领域研究的一个热门课题。 1 2 o c d m a 通信系统的基本原理 香农定理指出，在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率c 由 公式( 1 1 ) 确定： c = b , l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( 1 - 1 ) 式( 1 - 1 ) 通常称为香农公式。b 是信道带宽( 赫兹) ，s 是信号功率( 瓦 特) ，n 是噪声功率( 瓦特) 。公式表明，信道带宽限制了比特率的增 加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。 o c d m a 技术的出现就是将电域的c d m a 技术应用到光纤通信系统中， 根据香农定理充分的利用光纤的巨大带宽，以达到了提高信道的传输速率， 从而相应的降低了噪声对系统的影响，提高了系统的功率效率。 o c d m a 通信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【5 1 ，系统 组成框图如图1 1 所示 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鉴鲥丽 测塑型璺 光源 蒜垭 光源 l i i n x n 星形 耦合器 探测器 探测器 鼎岖酬；燮：一l ：黼孟m 引二裂醋 图1 1o c d m a 通信系统原理框图 o c d m a 技术是扩频技术在光纤通信中的应用，使低速率的用户信号转 换成高速率的光脉冲序列，从而实现信号在宽带光纤信道中传输。在通信系 统的发送端，当用户信息为“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o c d m a 编码器进行编码；用户信息为“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o c d m a 编码器，不 进行编码。经o c d m a 编码器后，产生载有用户信息特征的扩频地址序列码， 即当用户信息为“1 ”时，光编码器输出一个光脉冲序列，用户信息为“0 时，o c d m a 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，并经光纤信道传输到达接收端，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，从而实现o c d m a 通信【5 1 。 1 3o c d m - a 技术的发展史 o c d m a 技术的发展始于二十世纪7 0 年代，1 9 7 5 年，c i d o 和d e l i s l e 首 先提出t 光相位编码的o c d m a 方案，但并没有引起人们的重视【6 ，7 1 。直到 1 9 8 3 年d a v i e s 提出了非相干o c d m a 方案 8 1 ，全世界许多光通信领域的同行 才把目光投向了这个新的领域，人们才开始了对o c d m a 的全光实现的研究， 4 器跺 槲撇一一槲撇i；l一一一一；1； ， - ， 上 一一一一一；。| 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在这期间就有大量的关于单极性码的研究报道。其研究内容大体可分为相干 o c d m a e 9 ，1 0 】和非相干o c d m a e l l 】两类。相干o c d m a 系统具有更大的系统 容量和更好的灵敏度，但是，由于相干o c d m a 系统结构比较复杂，成本相 对昂贵，很少引起人们的重视。并随着具有良好相关特性单极性光地址码的 不断发展，使得大部分研究者的研究活动主要集中在非相干o c d m a 系统方 面【1 2 】。而本文的研究也仅局限在非相干光地址码及其构造上。 国外在o c d m a 技术领域发展较为领先，从这种技术提出以来，欧美和 日本已经有许多科研机构报道过相关的科学实验并取得了较大的成绩。具有 代表性的实验有：1 9 9 8 年，美国的商业技术公司展示了一种采用光相位双极 编码的非相干o c d m a 系统样机，该系统能在单根光纤中传输1 2 8 路 o c 一1 2 s o n e t ( 6 2 2 m b i 讹) ，总速率达1 2 0 g b i t s ；1 9 9 9 年，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，单路速率 达1 2 4 g b i t s ，传输距离为4 0 k i n 2 研；2 0 0 1 年，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，实现了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【1 2 1 。 就光地址码研究的发展状况来说，自1 9 8 3 年s h a a r 等提出了光素数码以 来，人们围绕提高信道容量和降低误码率这两个中心环节，提出了许多新的 o c d m a 光地址码设计方案。现有的码集包括基本素数码( p c ) ，修正素数 码( c ) ，扩展素数码( e p c ) ，2 n 码，光正交码( o o c ) ，跳频码( f h c ) ， 变重码( w w c ) ，以及二维矩阵码、多维码等1 6 】。 由于一维地址码码字个数较少，产生码字的算法比较复杂，具有一定的 局限性，因此研究者们提出了二维光地址码字乃至多维光地址码字的构造， 如研究相对比较成熟的p c p c 码【1 3 l ，二维o o c ( o o c o o c ) 码【1 4 1 、多波长 o o c 码( m u l t i w a v e l e n g t ho o c ，m w o o c ) 【1 5 1 、三维空、时、波长码【1 6 】 等等。2 0 0 1 年，有研究机构提出了采用p f i m e o o c ( p c o o c ) 码作为地址 码的二维光正交时域扩频频域跳频系统【1 7 】。研究表明，一维码o c d m a 系 统无论是在系统误码率、同时传输用户数方面，还是在系统容量方面，都远 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一i i r i 葺i _ _ 薯置置审_ _ 一 不及二维码字甚至多维码字【6 1 。 国内对o c d m a 技术的研究始于9 0 年代初，很多研究机构也大都集中 在光地址码字的构造和改进、光编解码器的设计、物理实现及系统性能分析 等领域，鲜有实验室报道。目前，主要的研究机构有电子科技大学、清华大 学、北京邮电大学、上海交通大学、浙江大学、深圳大学、解放军理工大学 及苏州大学等。 在检索到的文献里，也主要集中在这几所高校的研究成果。如：电子科 技大学的胡渝、邱昆等教授在卫星o c d m a 和无线o c d m a 等领域里进行了 深入的研究，在他们的研究中着重阐述了o c d m a 系统中的几种关键技术， 并就其中的关键技术进行了改进【t s , l g l 。天津大学的于晋龙教授等人在 o c d m a 码字研究上做出的努力和研究，并进行了系统搭建，利用光纤布拉 格光栅阵列实现了p c p c 和o o c o o c 编码，两个发送用户和一个接收用户， 传输速率从7 0 m b p s 到1 g b p s 的光码分多址系统实验研究瞄，2 3 】。浙江大学的 何赛灵教授等人指导下的基于阵列波导光栅( a w g ) 结构的编解码器方案 进行了实验研究。给出了三种基于a w g 的一维谱域强度编码的o c d m a 系 统。用实验验证了反射型a w g 编解码系统的可行性，并得到了传输速率为 1 5 5 m b i t s 和2 5 g b i t s 的实验结果附6 】。这一研究结果在国内o c d m a 系统 实验领域具有重大意义。 虽然o c d m a 目前还存在着一些问题，但是其明显的优势使人们有理由 相信它在实时、高突发、高速率和高保密性的现代通信网中具有巨大的发展 潜力。随着科学技术和光电子器件的不断发展，o c d m a 将有可能成为下一 代光网络的核心技术，并在未来超高速光传输网中得到广泛的应用。 1 4 o c d m a 通信系统的关键技术 ( 1 ) 性能优良的光地址码字的构造 光码分多址系统中的用户是利用不同的相互正交或准正交的光地址码字 来一一区分的，通过在接收端进行相关运算来实现的。但是由于光传输系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 只有单极性码，因而光码分多址系统的光地址码不能完全引用电域中码分多 址系统的地址码，所以，对o c d m a 系统的光地址码的研究成为搭建系统的 先决条件，同时决定了系统的实现方案。在o c d m a 系统中，通常采用强度 调制，因而如何构造满足o c d m a 系统的单极性光地址码就成为o c d m a 这 一领域中的一个重要研究方向【2 7 】。 ( 2 ) 光编解码器的设计 光编解码器是o c d m a 系统能够实现通信的关键技术之一。许多研究者 致力于这方面的研究，也取得了很多的突破，但要实现o c d m a 技术的商业 化还有一定的困难，需要解决编解码器的编解码灵活性、可靠性和商业化等 问题幽。 现有的光编解码器设计方案主要有：基于光纤延时线的时域光正交码、 基于衍射光栅和相位掩模板的频域编解码方案、基于光纤布拉格( b r a g g ) 光 栅的编解码方案、基于阵列波导光栅的编解码方案。其中以后两种编解码方 案为最佳。 ( 3 ) 多用户干扰抑制技术 多用户干扰( m a d 是o c d m a 技术中所特有的问题，尤其是在单极性 系统中，由于码字的相关性较差，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。 因此，如何能够有效地消除m a i 是o c d m a 系统的关键技术之一。一 种方法是采用光限幅器，但是这种方法是比较消极的措施，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，但实现起来比较困难。于 是如何有效地抑制或消除多用户干扰是现阶段研究的热点之一洲。 1 5 本文的主要工作 本文以o c d m a 通信系统中光地址码为主要研究对象，在广泛研究国内 外有关o c d m a 技术的文献和书籍的基础上总结了已有的科研结果，并在此 基础上对其进行了深入的研究，主要工作体现在以下几个部分： 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 分别对一维光素数码( 基本素数码( p c ) ，修正素数码( c ) ， 扩展素数码( e p c ) ) 和光正交码的特性、容量和算法进行了相应的理论研究， 对几种地址码字的性能进行了m a t l a b 仿真，比较了光素数码和光正交码的优 缺点，指出了构造光地址码字和系统在选择光地址码字应注意的事项，在原 理上证明了光正交码的性能更加优越，更适合作为o c d m a 通信系统的地址 码。 ( 2 ) 在一维地址码的基础上，分析并讨论了二维地址码构造算法、容量 及性能，应用m a t l a b 对其性能进行了仿真，结果表明二维码使得o c d m a 通信系统的性能得到了进一步的提高。 ( 3 ) 研究了基于光谱幅编码的码字的构造及其特性，应用光通信仿真软 件o p t i s y s t e m 7 0 构建了基于平衡检测法的光谱幅度编码o c d m a 通信系统， 并对该系统的性能进行仿真，仿真结果表明，基于光谱幅编解码的码字能够 有效的消除码间干扰( m a | ) ，从而保证了数据传输的有效性和可靠性。 ( 4 ) 对o c d m a + w d m 混合通信系统中地址码的构造方法进行了研究， 指出频- 时名一，二维o c d m a 系统和o c d m a + w d m 系统的区别与联系。理 论证明，在同等情况下，这种o c d m a 技术和w i ) m 技术相结合的混合系统 的性能要比这两种技术单独使用时提高很多，并指出与现有成熟光通信技术 相融合的o c d m a 系统是今后发展的方向。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章一维光地址码的构造与性能分析 与电域中c d m a 通信系统相似，在o c d m a 通信系统中的所有用户同 时占用同一信道的相同频段和时间，用不同的地址码序列来区分不同用户传 输信息，即在用户端给每个用户分配一个伪随机序列。在发送端，根据每个 用户所对应的伪随机序列，将用户的每个信息比特编码成一串脉冲信号；在 接收端，通过用相同的伪随机序列进行相关运算来得到正确解码信号。这些 伪随机序列就叫做用户的地址码。因此在o c d m a 系统中，地址码的选择是 至关重要的，地址码的特点和性能如：类型、长度和相关性直接影响到编码 的实现难度、变址能力、系统的容量等，因此为了提高o c d m a 系统的性能 就必须选择合适的地址码。根据上面的要求地址码应具有如下性能： ( 1 ) 具有尽可能小的互相关值，从而能够保证地址码本身和其他码字的 区别。 ( 2 ) 具有尖锐的自相关峰值，从而能够在异步通信中区分出地址码字本 身。 ( 3 ) 具有较大的码字容量，既而保证了系统容量。 自1 9 8 3 年s h a a r 首次提出o c d m a 概念以来，光素数码是首先被提出的 口9 】，在此基础上，性能较好的光正交码才逐渐发展起来。在此期间很多光素 数码的方案被提出来如：基本素数码( o p c ) 、扩展素数码( e p c ) 、修正素 数码( c ) 、二次同余码( s s p c ) 、扩展二次同余码( m s p c ) 等方案的提 出。 2 1 码字特性的表示方法 对于码字矽( 厶缈，以，以) 的自相关和互相关定义为： z x , x c f ，= 套l - ；ix i x i + r 三以孑：f 9 - - - - 爱 工c( 2 - ， 乙。_ ( ) = 而y + f 以 x ，yecx y ( 2 2 ) 其中矽( 厶织丸，以) 表示码字长度为三，码重为力，自相关限和互相关限分别 一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它自身的循环移位，使得接收机能够实现同步，即找到它信息的开始，定位 于码字的边界【3 0 1 。自相关限决定了o c d m a 系统接收端进行自同步的能力， 丸较大的地址码字无法在异步o c d m a 系统中应用。因此九越小越好，理想 为0 3 1 1 ；良好的互相关限无能够保证每个签名序列不同于其它签名序列的循 环移位，使得接收机在存在其它用户干扰的情况下能够估计它的信息，因此 丸越小越好，理想为0 3 0 1 。互相关限丸决定了o c d m a 系统中多址干扰的大 小。 自相关限仅对同步有贡献，而互相关限无论是在同步还是接收机的正常 工作方面都有影响。 2 2 异步o c d m a 通信系统中光素数地址码的设计和分析 o c d m a 技术的主要优势之一体现在随机接入，异步o c d m a 通信系统 对光地址码的码字特性要求很高，即码字在任意循环移位下均应满足较低的 互相关值，用以保证系统具有良好的传输性能。 2 2 1 基本素数码( o p c ) 的构造与分析 根据线性全等理论，首先选择一个不等于2 的素数p ，以 s ( j ) = ( f j ( m o d p ) ( 2 - 3 ) 构造素数序，其中i = 0 ，1 ，妒- 1 ，j = o ，1 ，妒一1 墨= 墨o ，墨l ，s o ，墨( p 1 ) ) o = o ，1 ，p 一1 ) ( 2 - 4 ) 由素数序列s 可构造素数序列码 c = g o ，c l ，c ( n - i ) ) o = 0 ，1 ，p 1 ) ( 2 5 ) 其中码函数可表示为下式： jc ( 七) = 1 ，v ：七= s o + p ，j = o 1 ，2 ，p ( 2 - 6 ) lc ：( 七) = o ，v ：七s o + j p ，j = 0 , i ，2 ，p l 即在长为= p 2 ( p 为素数) 的“o ，1 ”串中，以码函数 g ( 七) = ( f 七) ( m o d p ) + 七p ，k g f ( p ) ，i g f ( p ) ( 2 7 ) 确定码字中的k 个“1 的位置，于是得到码长工= p 2 ，码重力皇p 的p 个码 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 字的素数序列光地址码码集c ，构造的光地址码码集如表2 1 给出了当素数 p = 7 时的所有光地址码。 表2 1p = 7 时的o p c 码集 岛 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 c i 1 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 00 0 1 0 0 0 00 0 0 1 0 0 00 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 1 c 2 1 0 0 0 0 0 00 0 1 0 0 0 00 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 0 10 1 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 岛 1 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 1 0 0 0 00 0 0 0 0 1 00 1 0 0 0 0 00 0 0 0 1 0 0 o 1 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 0 00 1 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 00 0 1 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 1 0 0 0 c s 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 00 0 0 1 0 0 00 1 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 1 0 00 0 1 0 0 0 0 岛 1 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 00 0 0 1 0 0 00 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 如图2 1 所示，由基本光素数码的自相关性可以看出，基本光素数码的 自相关限为p - 1 ，互相关限为2 。光素