（信号与信息处理专业论文）ocdma系统中地址码结构及其性能研究.pdf

摘要 摘要 光码分多址技术( o c d m a ) 是电码分多址( c d m a ) 用于光纤通信的一种新的 多址复用技术。和其它复用技术相比，它能够充分利用光纤的海量带宽资源， 且具有安全保密性，抗干扰性，随机接入性，支持突发业务和管理方便等优点， 己成为目前光通信的研究热点之一。光码分多址系统只在发送端和接收端对用 户信号进行光电转换，整个传送网都使用光信号进行传输，克服了光网络存在 的电子瓶颈，真正实现了全光通信。该系统的关键技术主要包括码型设计和编 解码实现。本文围绕现有码字设计做了相应的研究，并设计出一种二维的光正 交码。 首先，本文对光码分多址系统进行了全面的综述，阐明了该网络的结构原 理、特点优势，以及系统实用化的两大核心技术。此外，对近年来国内外o c d m a 技术领域的研究动态和最新研究成果做了研究。其次，分析了o c d m a 系统中 典型的一维码字，研究了光素数码、二次同余码和光正交码的构造方法，总结 了码字特点，并对它们的多址干扰误码率( b e r ) 进行了仿真，分析和比较。接着， 对基于一维码字的二维跳频扩时码展开研究，以二维q c c 码为例，详细分析了 它的码字碰撞几率，且做了信号干扰比( s i r ) 及多址干扰误码率( b e r ) 的仿真比 较。结果表明，当码字长度确定时，二维q c c o o c 码的码字性能较二维q c c q c c 码更加优良，码字容量更大，但对跳频码片的要求较高。当码字容量确定 时，取较大p 值的二维q c c q c c 码的码字性能更加优良，但码字长度相对较 长。随后，就二维o c d m a 系统中不能充分利用w m o c d m a 系统中的有效波 长数的问题，研究了以o c s 码为跳频序列的二维光正交码，设计了一种新的二 维光正交码e s p c o c s ，即以修正二次素数码( e s p c ) 为扩时序列，以单重合序 y o ( o c s ) 作为跳频序列。该码字构造灵活简单，可以充分利用系统的有效波长数。 此外，还做了码字性能分析与仿真比较。结果表明，当p 和d 值一定时，增加 跳频码片数日，不仅能降低e s p c o c s 码的误码率，同时还能增加码字容量。 当确定o c s 码( 固定g 和d 值) 时，改变p 值只能改变码字容量，而不能改变误 码率。且较之p c o c s 码和o o c o c s 码，e s p c o c s 码的码字性能更加优良。 关键词：光码分多址，一维光地址码，二维跳频扩时码，码字性能，多址干扰误 码率 1 1 1 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 ea c c e s s ( o c d m a ) i san e wm u l t i p l ea c c e s s m u l t i p l e x i n ga p p l y i n gc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) t oo p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n s c o m p a r e dt oo t h e rm u l t i p l e x i n g ，i tc a nt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e m a s s i v ef i b e rb a n d w i d t hr e s o u r c e sa n d k e e pt h ev i r t u e so fs e c u r i t ya n dc o n f i d e n t i a l i t y , a n t i i n t e r f e r e n c e ，r a n d o ma c c e s s ，s u p p o r t i n gt oe m e r g e n c y , f a c i l i t a t i n gm a n a g e m e n t a n ds oo n t h a tm a k e so c d m ao n eo ft h eh o t s p o ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a s o c d m as y s t e mh a st h eu s e rs i g n a l st r a n s m i t t e db yo p t i c a l s i g n a l si nt h ew h o l e t r a n s m i s s i o nn e t w o r ke x c e p tt h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o np r o c e s si nt h es e n d e ra n d r e c e i v e r , t h eo c d m at e c h n o l o g yo v e r c o m et h ee x i s t e n c eo fe l e c t r o n i cb o t t l e n e c ki n o p t i c a ln e t w o r k sa n dt r u l yr e a l i z ea l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s k e yt e c h n o l o g i e so f t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d et h ed e s i g no fc o d ea n dr e a l i z a t i o no fc o d e t h ep 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 nd e s i g no fe x i s t i n gc o d ea n dp r o p o s e sat w o d i m e n s i o n a lo p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e f i r s t l y , i nt h ea r t i c l e ，ac o m p r e h e n s i v eo v e r v i e wo fo c d m as y s t e mi s i n t r o d u c e d ，a n dt h es t r u c t u r ep r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e s ，a n du t i l i t i e so f t h et w oc o r et e c h n o l o g i e so ft h en e t w o r ka r ec l a r i f i e d i na d d i t i o n ，r e s e a r c ht r e n d 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 n r e c e n ty e a r sa r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h et y p i c a lo n e - d i m e n s i o n a lc o d e s o ft h e 0 c d m as y s t e ma r es t u d i e d ；t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d so fo p t i c a l p r i m ec o d e s ， q u a d r a t i cc o n g r u e n t i a lc o d e s ( q c c ) a n do p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e sa r ei n t r o d u c e d ；t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o d ea r es u m m a r i z e d ；a n dt h es i m u l a t i o n ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n r e s u l t so fm u l t i a c c e s si 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 er e s e a r c h e d t h e n ， t 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 gc o d e sb a s e do no n e - d i m e n s i o n a l c o d e sa r es t u d i e d t a k i n gt w o d i m e n s i o n a lq c cf o ri n s t a n c e ，w ea n a l y z ei t sc o d e c o l l i s i o np r o b a b i l i t yi s ，a n dd ot h ec o m p a r i s o na n ds i m u l a t i o ns i g n a li n t e r f e r e n c e r a t i o ( s i r ) a n dm 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 rr a t e ( b e r ) t h er e s u l t ss h o w t h a t ，c o m p a r e dt ot h et w o d i m e n s i o n a lq c c q c cc o d e ，t w o d i m e n s i o n a lq c c o o c c o d ep e r f o r m sb e t t e r ，a n di t sc o d ec a p a c i t yi s l a r g e l b u tt h e r e q u i r e m e n t so f i v a b s t r a c t 丘e q u e n c y h o pc h i p sa r es t r i c t e r , w h e nt h ec o d el e n g t hi sd e t e r m i n e d w h e nt h e c a p a c i t y o fc o d e f a m i l y i s d e t e r m i n e d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft w o d i m e n s i o n a l q c c q c cw i t hl a r g ev a l u eo f pi sb e t t e gb u tc o d el e n g t ho fi ti sl o n g e r s u b s e q u e n t l y , f o rt h ep r o b l e m st h a tt w o d i m e n s i o n a lo c d m as y s t e mc a nn o tt a k e f u l la d v a n t a g eo ft h ee f f e c t i v ew a v e l e n g t ho fw m o c d m a s y s t e m ，t w o - d i m e n s i o n a l o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e sa r es t u d i e d ，w h i c hh a v eo n e - c o i n c i d e n c es e q u e n c e ( o c s ) t h eh o p p i n gs e q u e n c es e r i e s a n dt h eh o p p i n gs e q u e n c es e r i e sn e wt w o d i m e n s i o n a l o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e se s p c o c sa l ep r o p o s e d t h en e wt w o d i m e n s i o n a lo p t i c a l o r t h o g o n a lc o d e sh a v em o d i f i e dp r i m ec o d e ( e s p c ) t h et i m e s p r e a d i n gs e r i e s ，a n d h a v eo n e - c o i n c i d e n c es e q u e n c e ( o c s ) t h eh o p p i n gs e q u e n c es e r i e s t h ec o d ei s f l e x i b l ea n ds i m p l es t r u c t u r e ，a n di tt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h ee f f e c t i v ew a v e l e n g t h o ft h es y s t e m a n dp e r f o m a n c eo fe s p c o c sw a s a n a l y z e d ，a n dt h eb i te r r o rr a t i of o r c o d e sw a ss i m u l a t e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tg i v e npa n dq ，n o to n l yt h e b e ro fe s p c o c si sr e d u c e d ，b u ta l s ot h ec a p a c i t yi se n l a r g e d ，w h e nt h en u m b e ro f h o p p i n gc o d e spi si n c r e a s e d g i v e no c s ( g i v e nqa n d 奶，w h e npi sc h a n g e d ，o n l y t h ec a p a c i t yi sc h a n g e d t h eb e ri sa l m o s ts a m e a n dc o m p a r e dw i t l lp c o c sa n d o o c o c s ，t h ep e r f o r m a n c eo fe s p c o c si sb e r e r k e yw o r d s ：o c d m a ；o n e - d i m e n s i o n a ls i g n a t u r ec o d e s ；t w o - - d i m e n s i o n a l 矗e q u e n c y h o p p i n g t i m e - s p r e a d i n gc o d e s ；c o d ep e r f o r m a n c e ；m a ib e g v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以矗求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：夏盂： 日 期：凹2 。扩 | 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：夏盂 日 期：d 鲤2 。 。z 乒 l 、 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着经济的不断发展，人类进入信息时代，电子信息产业蓬勃发展，通信技术及产品 日新月异，使得信息技术已成为当今世界应用前景最广泛的_ 门科学技术，更是2 1 世纪世 界第一大产业。由于人们对信息服务的需求在不断提高，特别是近些年来大量涌现的新型 信息业务，如视频电话，视频点播，交互式图象，远程教育，广播电视等多媒体信息服务 技术，都使得低速，窄带，单一形式的通信网络不能满足需求，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。为了更好的适应这一需求，光纤通信技术在近年来 得到了长足的发展。 光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输介质的通信方式。由于它具有体积小， 容量大、传输距离远、不受电磁干扰、保密性好等方面的优点，因而被广泛应用于计算机 通信和电信等领域。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，其极限速率只有2 0 g b i t s 左右，限制了人们对光纤巨大带宽资源的充分利用。为了进一步提升通信系统的性能，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。 全光网络【l 】是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，而不需要经过 光电、电光变换。也就是说，信息从源节点到用户节点之间的传输过程始终在光域内，即 端到端的完全光路。和传统的电网络和光电混合网络相比，不仅容量大。传输速度高，保 密抗干扰性能强，网络构建也更加灵活透明，它是未来网络发展的必然趋势。 1 2 全光通信网的多址复用技术 为了充分的利用光纤的带宽资源，进一步提高光纤的利用率，在光网络中引入了多址 复用技术，主要包括光时分复用( 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 ，o t d m ) ，光波分复用 ( o p t i c a lw 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 ，o w d m ) ，光码分多址( o p t i c a lc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e xa c c e s s ，o c d m a ) ，空分复用( o p t i c a ls p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x ，o s d m ) 和副载波复 用( s c m ) 。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多址复用技术。 o t d m 技术是把电通信中数据传输的常规时分复用技术应用于光通信中【拍i ，利用高速 开关将多路信号复用到一根光纤上，它可以有效的增大单信道带宽。o t d m 的每个用户占 雨京信思工程大学碘士学位论文 用不同的时隙来传输数据，这些时隙同时可用于识别用户地址。光时分复用系统是在低速 支路中实现光电与电光转换，从而避免了电子电路的速率瓶颈，但它需要复杂的光元器件， 并且全网要精确同步，当数据速率较高时很难实现，因此高速光时分复用多址技术目前还 很少采用。 o w d m 技术是在一根光纤中开辟多个波长信道【5 。7 】，每个信道被不同的用户使用不同 波长，从而实现多用户复用接入，它有效地利用了光纤带宽，大大增加了系统容量。同时， o w d m 系统中的波分复用器是无源器件，结构简单，易于光纤耦合，使得整个传送网的实 现相对简单，从而成为目前光通信骨干网的主导复用技术。不过，o w d m 系统对器件要求 很高，每个波长信道需要一台高标准的激光器，对光交叉连接( o x c ) 等网元结构器件的性 能要求苛刻，从而使得该系统的实现成本很高。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【引。因此，难以构成真正透明的全光网 络。 w a v c 1 e n g t h t it 2k t i m e t lt 2t l w a v e l e n g t h 7 1 1kbk w a v e l e n g t h 图1 - 1 o t d m ，o w d m 和o c d m a 复用技术的基本特征图 码分多址( c d m a ) 技术是一种扩频通信技术，其优良的性能，如抗干扰，抗多径衰落， 2 第一苹绪论 显著提高系统容量等特点，使之已经成功地应用于卫星通信和移动通信领域2 1 。但是由 于卫星通信和移动通信带宽的限制，c d m a 的技术优点没有得到充分的发挥。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，o c d m a 技术应运而生1 1 3 - 1 5 l ， 成为光纤通信领域新的研究热点。o c d m a 技术是将光通信与c d m a 技术结合起来的新 技术，具有两种通信方式的特点。o c d m a 技术通过使用不同的地址码序列来区分用户， 将许多接入用户同步或异步地复用到相同的频带和时隙上，实现多个接入用户共享同一光 纤信道和提高系统的总容量。因此，o c d m a 技术是充分挖掘光纤潜在传输能力，扩大接 入网系统容量的一种有效技术【1 6 】。三种复用技术的基本特征如图1 1 所示。 1 3o c d m a 系统的基本结构原理及特点 1 3 10 c d m a 系统基本结构 传统的接入网，如总线结构网，令牌环形网及i p 局域网等，公用信道上某一时刻只 能传送某个用户的信息。如在分组交换中，如果线路忙，则分组需要临时储存起来，并进 行排队等候。等到线路有空时才能发送出去，实施通信1 7 1 。因此，传统接入网在信息进入 网络之前，存在时延问题。特别是在传输如实时监控图象等连续信号时，时延的影响尤其 突出。由于o c d m a 技术允许用户异步接入网络，多个用户可在同一时刻同时使用公用信 道。同时，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。 o c d m a 接入网通常采用星型拓扑结构( 如图1 - 2 所示) 。它主要由用户数据源，脉冲 激光器，光开关，光c d m a 编码器，光星型耦合器，光c d m a 解码器，光电探测器，电 阈值检测器组成。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 和直通态) ，从而进一步控制超短脉冲激光器，当用户信息比特为“1 ”时，光开光置于直 通态，激光器发射的光脉冲通过光开关进入光编码器。当信息比特为“0 ”时，光开关置于 交叉态，激光器发射的光脉冲不能通过光开关进入光编码器，不进行编码。经光编码器后， 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“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，再均匀地分配给每一个接收机，经由接收端的光解码器，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，最后通过电阂值检测器，恢复出发送端用户的信息比特。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 图1 - 2o c d m a 接入网拓扑结构示意图 1 3 20 c d m a 系统的分类 1 相干与非相干o c d m a 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 8 - 2 2 1 和非相干 系统【2 3 2 6 1 。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。 在o c d m a 系统中，相干编码方式主要是相位编刮2 7 1 。相位编码可获得严格正交的扩 频序列，双极性“1 ，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，则在接收端形成期望信号的 相干叠加，而多址干扰( m u i ) 信号则是非相干叠加，可经由平衡探测器消除。因此，相干接 收能很好地抑制多用户干扰。但是，相干o c d m a 系统结构复杂，相位编解码器及接收端 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十分苛刻， 现有激光器的性能指标无法满足需求。对光波中的相位，偏振等许多特性都难以利用，系 统实现难度大。 非相干o c d m a 系统是利用光信号的强度携带信号，这就是所谓的正系统。用光信号 的有无米表示二进制的“l ”和“0 ”。在非相干光系统的发送端，用户数据以通断( o o k ) 4 第一章绪论 方式或脉冲位方式( p p m ) 调制光源的脉冲光信号，然后通过编码器扩频处理变为特定扩频 特征的信号序列，经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，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。 其缺点在于该系统为正系统，所用扩频序列为“o ，1 ”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( m u i ) 。当并发用户集 中时，就有很高的误码率。 2 同步和异步o c d m a 系统 从同步的角度来看，o c d m a 系统又有同步和异步之分。同步o c d m a 就是在收发双 方建立码字同步机制，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上路 的用户数。缺点是同步机制复杂，建立同步有一定延迟。在异步o c d m a 系统中，接收端 完全依靠光解码器的匹配滤波原理实现解码。异步o c d m a 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( 女日数 据l a n ) 和误码性能要求不高的业务( 如语音等) 【2 8 】。 3 一维和二维o c d m a 系统 根据地址码维数的不同，o c d m a 系统又可分为一维系统和二维系统。在一维系统中， 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，不仅编解码器结 构就会很复杂，系统性能也会随之下降。二维系统中，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，大大增加了码字容量，且系统性能也得到了进一 步的优化。 1 3 30 c d m a 系统的特点 1 安全性能 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。因而具有优良的安全性能1 3 0 1 。 2 全光通信 o c d m a 系统在光域对各路信号进行光编码和光解码，对用户数据进行全光信号处 5 南京信息工程人学硕士学位论文 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2 9 1 。 3 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【3 。 4 随机接入 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。不要求各用户之间同步，也不要求用户具有波长调节能力。且克服了传统 接入网的排队时延，可以满足局域网中突发流量和高速率传输要求【3 2 | 。 此外，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，并增加了网络的可靠性【3 引。 o c d m a 系统还具有可变速率或多速率传输的能力t 3 4 , 3 5 1 ，复用点速率分布范围较大。可以 承载a t m 、s o n e t 、i p 等多种信息传输服务【3 6 】。 表1 - 1o t d m ，o w d m ，o c d m a 的特性比较 o c d m a 系统具有其它复用方式所没有的独特优势，可以解决其他方案无法解决的问 6 第一章绪论 题。同时，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，为局 域网和长途骨干网提供更加高效的网络支持。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。o t d m ，o w d m 和o c d m a 三大复用技术的特 性比较如下表1 1 所示。 1 4 o c d m a 系统中关键技术 1 4 1 用户地址码码字结构 光地址码是o c d m a 系统的关键技术之一，而性能优良的用户地址码更是o c d m a 系 统实用化的重要前提。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，获得较高的信嗓比。为了使收发双方容易获得同步，自相 关的旁瓣也要小。同时，光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。 光地址码主要分为光素数码和光正交码，自s h a a r 等提出素数码概念【3 7 】以来，人们为 了提高信道容量和降低误码率设计了许多新的光地址码，如基本素数码( o p c ) 【3 7 】，修正素 数码( m p c ) p 羽，扩展素数码( e p c ) 【3 9 1 ，2 “码f 4 0 1 、正交码( o o c ) t 4 、跳频码( f h c ) f 4 2 1 、变重码 ( w v c ) t 4 3 1 ，二维矩阵码【4 4 刑1 等等，大多都是对光素数码和正交码的优化改进方案和扩展方 案。近些年，人们尤为关注在时域，频域同时编码的二维小t 矩阵码。 光地址码是一串( o ，1 ) 序列，其特性常用一个四元组，w k 来表示，其中三表示码字 长度，即( o ，1 ) 序列的切普总数；w 表示码重，即( o ，1 ) 序列中“1 ”的个数，是码字的自相关 峰值；表示异相自相关限，即任一码字的自相关最大旁瓣值，k 表示互相关限，即任意 两个码字相关的最大值。当a 蒯时，其特性可简记为一个三元组往 w 力。 设x = x l ，x 2 , 二x 。) ，净 y l , y 2 , 挑 ，其中而和以l f 刀) 的取值为0 或1 ，是地址码码 集c ( l ，w 九疋) 中的任意两个码字，它们的自相关特性和互相关特性应该满足如下要求： 一l ( 1 ) 自相关峰值： 葺= w 对于任意x c ； i = 0 一1 ( 2 ) 自相关旁瓣： 一葺竹九 对于任意工c ，t # o ；0 - 2 ) i = 0 ( 3 ) 互相关峰值： 对于任意x , y 6c ，磅：( 1 3 ) 参数为0 3 ，3 ，1 ) o o c 码包含两码- t ( o ，1 ，4 ) ，( 。，2 ，7 ) ，它们的自，互相关性分别如图1 - 3 ( a ) 7 九 ，另一个码字( 1 ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ， o ，0 ) 可记为 0 ，2 ，7 ) 。它们的脉冲位置示意图如图1 - 4 所示。 熬溺围 t 图1 - 4 ( a ) ( 1 3 ，3 ，1 ) o o c 码中码字( o ，1 ，4 ) 圈凰圜 t 图1 4 ( b )( 1 3 ，3 ，1 ) o o c 码中码字( o 2 ，7 ) 9 南京信息t 程大学硕士学位论文 1 4 2 光编解码技术 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。光编解码器的结 构和特性直接影响着o c d m a 系统的总体性能，决定着o c d m a 系统能否投入实际应用。 光编解码器的主要类型分为：光纤延迟线编解码器【4 刀，衍射光栅一相位掩模板编解码器【4 3 1 ， 光纤布拉格光栅编解码器【4 9 】，阵列波导光栅编解码器【5 0 】。 光纤延时线编码器是最早由p r u c n a l 等人于8 0 年代中期提出【5 1 1 ，是最原始的编解码实 现方案。在平行结构光纤延时线编码器中，输入光脉冲由1 x w 光分路器分成w 路，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。这种方法的优点是结构较简单，但是损耗较大。梯形结构光 编解码器由光纤延迟线和耦合器按梯形构成，可以将一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。这种方法损耗较小，使得功率效率大幅度提高， 适用于时域扩频系统。由于固定光纤延迟线编码器一般只能对特定的码字实现编解码。为 编解码的灵活性，在梯形网络结构的基础上，以2 x 2 光开关替代光纤耦合器可实现可调式 光纤延迟线编解码器。这样可适用的扩频序列较多，编解码灵活，还可使用计算机程序控 制系统配置。 衍射光栅一掩模板频域编解码器由反射式衍射光栅、透镜、相位掩模板和反射镜等器 件构成。衍射光栅、透镜完成信号从时域到频域的傅立时变化，并实现频域分布到空间分 布的线性转换。相位掩模板则实施对信号的空间编解码功能。这种编解码具有使用不同的 地址序列对信号进行编码的能力。地址码的灵活可调是该编码器的一大优势。此外，频域 编解码适合以相位携带信号的双极性系统，双极性“1 ，1 ”地址序列的主要优势是姗i 很 小，误码性能良好。 鉴于衍射光栅一掩模板设计原理的思路，考虑到光纤布拉格光栅( f b g s ) 的频率选择功 能，基于f b g s 的全光纤编解码技术近年来受到高度重视，得到充分研究。级联f b g s 具有 延时和选频双重功能，适当的组合使其既可实现时域编解码，又可实现频域编解码，以及 时、频混合系统的编解码。f b g s 具有选频特性优良、工作波长可调、编址能力强、附加损 耗小、安装灵活、便于集成等一系列优点。其独特的滤波特性使得它在光通信系统中占有 特殊的位置，从光发送、光放大、色散补偿到光接收几乎每个环节都起着重要的作用。在 编解码领域，f b g s 成为非相干光系统最有希望投入应用的编码器件。 除了以上编解码器外，还可以用阵列波导光栅( a w g s ) 做编解码器，它是在同一块衬底 1 0 第一章绪论 上集成阵列波导光栅、输入输出波导和平板波导而构成的平面光器件。a w g s 编码器是基 于光波长在空间上分离，并对分离后的光波长进行处理。它可以应用到波长编解码，跳频 扩时编解码系统中，其优势在于光信号处理灵活，充分利用光波长资源，但制造工艺要求 高，难于可调性的设计。 1 50 c d m a 技术的研究动态 1 9 8 3 年，p a d a v i e sa n d a as h a a r 首次提出了异步光纤通信系统【5 2 j ，指出码分多址技 术可引入光纤信道。随之提出了最基本的光地址码码集一光素数序列码的设计方案【3 7 1 。从 此拉开了光码分多址技术研究的序幕。1 9 8 9 年，s a l e h ija 全面论述了光纤通信网络的码分 多址技术【5 3 , 5 4 】。此后，以s a l e h ija 5 5 - 5 s 1 为代表的一批学者在光码分多址系统设计上开展了 大量卓有成效的工作。该技术的研究工作主要集中在美国、日本、加拿大、英国、韩国、 新加坡、以色列等地区。 在地址码码字结构的研究中，一维素数码、一维正交码的码字模型基本确立。其中较 有代表性的是修正素数码和扩展正交码。基于一维地址码的光码分多址( o c d m a ) 系统实验 结果良好【”6 0 1 。近些年，新加坡南洋理工大学z w e i 等提出一种新的码字模型，性能得到 进一步改进。但基于一维码的多址系统的用户容量不大，实用化尚有距离。t w ec h a n g 等提出建立二维地址码( 即在时域和谱域同时编码) 的模型框架f 6 1 1 。二维码在系统码字容量 和误码性能上均有较大的提高。目前，已成为研究热点之一。此外，y a n g g c 等给出了变 重正交码的理论分析【6 2 1 ，变重码在网络综合服务中可优化资源配置，但目前具体的码集设 计和分析报道较罕见。 编解码器实现技术方面，最有代表性的是基于光纤延时线的时域编解码方案【4 7 】、基于 衍射光栅和相位掩膜板的频域编码方案f 4 羽。不过，近几年，基于f b g s 的谱域编解码方案 4 9 】逐渐占据了主导地位。 我国的光码分多址( o c d m a ) 技术研究工作，主要集中在以下高校：深圳大学、北京大 学、中山大学、北京邮电大学、上海交通大学、长春邮电学院、电子科技大学等。工作主 要集中在理论研究，试验研究开展的很少。主要是因为目前提出的码字构造方法还不够成 熟，编解码器试验平台的搭建需要大量的费用等。 总体来看，光码分多址网络技术尚存在较大的理论和仿真研究空间。 1 6 本文的主要研究工作 在o c d m a 技术研究进程中，虽然国外地址码设计水平不断提高，相应的o c d m a 系 1 l 堕室堡：垦三堡奎兰堡圭堂篁笙奎 统实验效果良好，码字结构及编解码也不断改进，但现有光码集的多用户干扰仍然较大， 限制了系统的容量和性能。国内关于o c d m a 地址码设计方案的研究甚少，仅有十几篇关 于码字设计的文章，其设计的理论性尚不完备。在码字性能较好的光正交码的构造方法中， 如果使用计算机穷举，得到的结果只是一些象征性的结果，不能用于实际之中。因此，寻 找到性能更加优良的地址码码集仍是o c d m a 技术能否能投入实际应用的首要任务之一。 本文的主要研究工作是： 第一，研究和比较了o c d m a 系统中现有的典型的一维码字，并进行了误码率的分析。 第二，对基于一维系统的二维系统中的二维q c c q c c 码和二维q c c o o c 码进行了 研究，详细分析了其码字性能，并进行了误码率的仿真比较。 第三，研究了以o c s 码为扩频序列的二维正交码的构造特点及误码性能，并提出了一 种新的二维光正交码( e s p c o c s 码) 的码型设计方案，做了详细的码字性能分析。 以下是本论文的章节安排： 第一章，对光纤通信的三大主流信道复用技术o t d m ，o w d m 和o c d m a 进行了简 单的介绍。概述了光码分多址( o c d m a ) 网 络的基本结构原理，系统分类以及该系统别于其 他复用技术的特点。着重综述分析了o c d m a 系统中的两大关键技术，即光地址码和编解 码技术。对o c d m a 技术的研究现状进行了介绍，最后，提出了本文的主要研究工作。 第二章，研究了一维o c d m a 系统中的两大类码字，对基本素数码以及扩展修正码字， 代数同余码中的二次同余码，光正交码的码字构造方法，码字特点做了总结和归纳，并加 以举例说明。对素数码和光正交码的信号干扰比，多址干扰误码率进行了数值仿真和理论 分析。 第三章，二维的跳频扩时码是在一维码字的基础上进行扩展而得到的，它不仅使 o c d m a 系统能容纳更多的用户，同时大大降低了k 个用户同时上路时的多址干扰误码率， 提高了系统的整体性能。本章以二维q c c q c c 码和二维q c c o o c 码为例，研究了他们 的码字构造方法，分析了码字碰撞几率，仿真分析了两个二维码字的多址干扰误码率。 第四章，在了解现有二维跳频扩时码不能充分利用w m o c d m a 系统中有效波长数的 基础上，研究了以单重合序列为跳频序列的二维光正交码，重点提出了以结合基本素数码 和扩展二次同余码特点的扩展二次素数码( e s p c ) 做为扩时序列，以单重合序列( o c s ) 做为 跳频序列的二维光正交码e s p c o c s 码的码型设计方案，对该码字的码字性能做了详细的 分析，并对多址干扰误码率( b e r ) 进行了仿真模拟和数值比较分析。 第五章，对全文做了概括性的总结，对o c d m a 系统的前景提出了展望。 1 2 第二章o c d m a 系统中一维地址码的研究和分析 第二章o c d m a 系统中一维地址码的研究和分析 2 1 引言 在码分多址( c d m