（通信与信息系统专业论文）光接入网中光码分多址技术的研究.pdf

中文摘要 光码分多址( o c d m a ) 通信以其抗干扰性强、保密性好、充分利用光纤的 带宽、容量极大等优点，成为当前全光接入技术的研究热点之一本文对光码分 多址技术进行了比较细致的理论分析和实验研究，主要作了以下工作： l 、从一维光码分多址地址码入手，详细地讨论了常用的一维码字，包括素 数码、代数同余码、光正交码以及跳频码的码字构造方法和其误码性能。利用 m a t l a b 仿真得到不同地址码字的误码率曲线，对不同码字的性能进行了比较。 2 、对目前二维o c d m a 系统的主要的三个编码方案：时一空二维o c d m a 、 w d m + o c d m a 以及名一t - - - - - 维o c d m a 进行了分析和比较。重点讨论2 一f 二维 o c d m a 系统地址码字的码字构造方法和系统性能。基于布拉格光纤光栅( f b 0 ) 结构的编解码器进行了二维0 c d m a 系统的实验研究，验证了二维o c d m a 系 统的可行性。并讨论了码率超限对系统性能的影响。 3 、讨论了在未来的光接入网中，利用o c d m a 技术同时支持多种不同速率、 不同服务质量要求的用户信号的可能性。在讨论现有的两种多媒体o c d m a 地 址码字：变码长o c d m a 地址码字和变码重o c d m a 地址码字的基础上提出了 一种新型的多速率o c d m a 地址码字的实现方案，从理论上分析该方案的性能 特性，并进行了相应实验，实验结果与理论分析基本吻合。 4 、与单极性o c d m a 地址码字相比，采用双极性编码和多相位编码的 o c d m a 系统可以容纳更多的并发用户，提供更好的系统性能。本文介绍了多极 性编码o c d m a 地址码字，尤其是四相位地址码字的编码方案和误码性能。对 基于布拉格光纤光栅的相位编解码器的特性进行了理论分析和数值模拟，从理 论上证明了利用布拉格光纤光栅进行双极性和多相位编码的可能性。 关键词；全光接入网、光码分多址、地址码字、布拉格光纤光栅编懈码器 a b s t r a c t a sas c h e m eo f m u l t i p l ea c c e s s , o p t i c a lc o d cd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o c d m a ) h a sm a n yo l 地；t a 血d 啦a d v a n t a g e ss u c ha sl a r g ec a p a c i t y , h i g hs e c u r i t ya n de x c e l l e n t a n t i - i n t e r f e r e n c e , w h i c hm a k eo c d m a t h e h o tt o p i co f t h er e s e a r c h e s0 1 1t h ea l l - o p t i c a c c e s sn e t w o r k i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c eo c d m a t e c h n o l o g yi nd e t a i la n dr e s e a r c h t h ep e r f o r m a n c eo f o c d m a b y e x p e r i m e n t s ： a tf i r s t , b e g i n n i n ga tt h ea n a l y s i so f1 - do c d m ac o d e s ，t h ee n c o d i n g d e c o d i n g t h e o r i e sa n ds y s t e m a t i cp e r f o r m a n c et h e o r i e sf o rp r i m ec o d e s ，a l g e b r a i cc o n g r u e n t c o d e s o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e sa n do p t i c a lf r e q u e n c yh o p p i n gc o d e sa a n a l y z e d t h eb i te r r o rr a t e e r ) c u r v e sa r es i m u l a t e du s i n gm a t l a ba n dt h ep e r f o r m a n c e s o f d i f f e r e n ta d d r e s sc o d e sa r ec o m p a r e d s e c o n d l y , g i v i n g t h r e e t y p e s o f2 - do c d m ae n c o d e d e c o d es c h e m e s ： t e m p o r a l s p a t i a l ( t s ) o c d m a , w d m + o c d m a , 五一t2 - do c d m a ，t h e i r c a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c ea r cd i s c u s s e da n dc o m p a r e d o u rd i s c u s s i o ni sf o c u so nt h e a n a l y s i so ft h ee n c o d i n g d e c o d i n gt h e o r ya n ds y s t e m a t i cp e r f o r m a n c eo f 五一t 2 d o c d m a a ne x p e r i m e n ta b o u tt h et i m e f r e q u e n c ye n c o d i n g d e c o d i n go p t i c a lc d m a s y s t e mw i t hh j 【g hq u a l i t yb r a g gg r a t i n ga r r a y si sd e v e l o p e di no r d e rt ov 耐匆t h e f e a s i b i l i t yo f 2 一do c d m a l a t e r , t h ep o s s i b i l i t yo fs u p p o r t i n gt h ed a t aw i t hm u l t i r a t ea n dv a r i o u sq o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) d e m a n d si nt h ef u t u r e0 c d m a a c c e s sn e t w o r ki sd i s c u s s e d b a s e o nt h ee x i s t i n gt h e o r yo fm u l t i - l e n g t ho c d m aa n dm u l t i - w e i g h to c d m a ，w e i n u o d u c ean o v e lw a yt or e a l i z et h em u l t i - r a t eo c d m a s y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo f b e ro fo u rs y s t e ma n dt h ep o s s i b l ei m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c ew h e nu s i n gt h e h a r d w a r e - l i m i ti se v a l u a t e d t h er e l e v a n te x p e r i m e n t sa r ed o n et ov e r i f yt h et h e o r y f i n a l l y , a st h eb i p o l a rc o d e sa n d4 - p h a s es e q u e n c e sc a np r o v eb e t t e rs y s t e m c a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c ec o m p a r i n gt ou n i p o l a rc o d e s ，w ei n t r o d u c et h ee n c o d i n g m e t h o do f4 - p h a s es e q u e n c e se , o d e su s i n gi no c d m aa n de m u l a t et h es y s t e m p e r f o r m a n c e w et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e a n dn u m e r i c a l l ye m u l a t et h er e f l e c t e d s p e c t r u mo f t h ep h a s ea n c o d e r d e c o d e ro f f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) k e yw o r d s ：a l l o p t i ca c c e s sn e t w o r k , c 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 ) ，o c d m a a d d r e s sc o d e ，f i b e rb r a g gg r a t i n ge n c o d e r d e c o d e r 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎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。 学位论文作者签名：王丈孝签字日期：2 毋占年f 月彤目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王受害 签字日期：瑚毛年f 月f 6 日 导师签名刍殇易 签字日期：认矽莎年3 月日 第一章绪论 1 1 光纤接入技术概述 第一章绪论 所谓光接入网( 刚州) 就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模 块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，o a n 指采用基带数字 传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应当能够以数字或模拟 技术升级传输宽带广播式和交互式业务【。 光纤由于其大容量、保密性好、不怕干扰和雷击、重量轻等诸多优点，正在得到迅 速发展和应用。主干网线路已经迅速光纤化，光纤在接入网中的广泛应用也是一种必然 趋势。光纤接入技术实际就是在接入网中全部或部分采用光纤传输介质，构成光纤用户 环路( f i t l ) ，或称光纤接入网，实现用户高性能宽带接入的一种方案。根据光网络单 元( o n u ) 所设置的位置，光纤接入网分为光纤到户( f t l h ) 、光纤到路边( f t l 陀) 、 光纤到大楼( f m ) 、光纤到办公室( f t r o ) 、光纤到楼层( f r r f ) 、光纤到小区( f r r z ) 等几种类型，其中f t r h 将是未来宽带接入网发展的最终形式1 2 1 。 从光纤接入网的网络结构看，按接入网室外传输设施中是否含有源设备，o a n 又可 以划分为无源光网络( p o n ) 和有源光网络( a o n ) 。 有源光纤网络( a o n ) 也存在几种形式，其中一种是光纤到远端电节点( f t l r ) ， 即以光纤替代原有的铜线主干网，从交换局通过光纤用v 5 接口或t r 3 0 3 接口连接到远 端单元，然后经铜线分配到各终端用户，提高了复用率。这种技术本质上还是一种窄带 技术，不能适应高速业务的需求。另外一种形式就是有源双星( a d s ) 光纤接入网结构。 采用有源光节点可降低对光器件的要求，采用性能低、价格便宜的光器件，但是初期投 资较大【3 1 。 无源光网络( p o n ) 的基本概念实际起源于使用无源光分路器，以充分利用数字光 纤基带系统在本地用户环路距离上所具有的较大的功率预算富余度，从而实现程度较高 的设备共享。所以，p o n 初期建造费用很低、另外无源分路器可靠性高、对业务透明、 易于升级和易于维护管理，p o n 因上述优势而深受用户欢迎。国际电联标准部( i t u t ) 第1 5 研究组已于1 9 9 6 年6 月通过了第一个有关p o n 的国际建议g 9 8 2 ，不少国家也已 开始或准备开始在接入网中大量引入o a n 系统。目前商用的p o n 系统主要是窄带p o n ( 2 m b i v s 以下业务) ，宽带p o n ( b p o n ) 尚处于研究试验阶段，但发展势头很猛，值 第一章绪论 得密切注视。 1 2 光纤接入网中的多址技术 在接入网中要求多个用户同时接入，因此需要采用多址技术。光复用多址技术是光 纤接入网的最关键技术之一。目前，在光通信系统中使用的复用多址方式主要有波分复 用多址( w d m w d m a ) 、频分复用多址( f d m f d m a ) 、时分复用，多址( t d m t d m a ) 、 空分复用多址( s d m s d m a ) 、副载波复用，多址( s c m s c m a ) 和码分复用多址 ( c d m ，c d m a ) 等。 波分复用，多址技术是在一根光纤上同时传送波长不同的多个光载波，用不同波长的 光载波来区分不同的用户。光波分复用，多址技术的优点是用户间寻路简单，而且光波分 复用器是无源器件，结构简单，体积小，可靠性高，易于光纤耦合，成本低。波分复用 技术已经比较成熟并投入商用。目前研究热点主要集中在密集波分复用( d w d m ) 上。 但是通信用光谱宽度也就十几至几十n l n ，因此采用w d m a 技术所能容纳的用户容量 是有限的。 频分复用多址与波分复用多址技术本质上没有什么区别。但是f d m 伊d m a 系统的 光载波间隔更小，一般小于l n m 。f d m a 系统能够容纳更多的用户，但是此时传统的 w d m 器件如波分复用器) 睥复用器已很难区分开光载波，因此系统对光源和滤波器的要 求更加苛刻，设备的复杂度和成本大大提高。而且随着载波间距的减小，光纤中的光强 越来越强，光纤非线性也越来越严重，也会限制了波长的密集度。 时分复用多址是在电的通信系统中已经成熟并得到广泛应用的技术。光的时分复用 多址与电的时分复用，多址在原理上是相似的，通过把时间划分为不同的时隙，每个用 户占用不同的时隙来区分不同用户的信号。但是由于电子瓶颈的存在，在高速接入网中， 光时分复用，多址技术要求采用光的复接和分接，实现比较困难。另外光时分复用多址 只能应用于同步系统，发送端与接收端的时钟频率和相位要实现精确的同步，这在数据 速率较高时也很难实现。因此高速光时分复用多址技术目前还很少采用。 空分复用多址由不同的空间分割来确定信道路由。与其他方法相比，在这种复用方 式中每个信道都有自己的空间位置，因此，不同用户的信号需要在不同的光纤中传输， 或通过同一光纤的不同模式( 即模分复用( m d m ) ) 传送。但前者是对光纤的巨大的带 宽的浪费，后者在实现上十分困难，几乎不能作为光接入网的多址技术。 副载波复用多址是将多个用户信号分别调制在不同频率的电载波上( 这些电载波一 般在微波波段) ，也就是进行电的频分多址，然后把这些经过频分多址的电信号群对一 个光源( 光载波) 进行调制。该技术的最主要优点是可以充分利用已成熟的微波技术， 易于实用化。但该技术毕竟需要经过对微波和光波的两次调制，增加了系统复杂度，因 第一章绪论 此大多作为一种复用技术用于用户接入网的c a t v 多频道的传输系统。 码分复用多址是一种扩频通信技术，由于其优良的性能，早先主要应用于军事领域， 最近十几年更是广泛应用于卫星通信和移动通信，特别是在移动通信中的应用已经逐步 商业化，并证明其可能成为本世纪主要的多址接入手段。c d m a 在光纤通信中应用的研 究也正在逐步开展之中。在o c d m a 系统中，系统给每个用户分配一个唯一的地址码字， 用户的信号用地址码字序列来填充，这样不同用户信号可调制在同一光载波上在光纤信 道中传输，接收时只要用相应的地址码字进行相关接收，即可恢复原用户信息。这里的 关键是不同用户的地址码之间应当是正交的，因此做相关接收时，其它用户的信号不会 构成同信号干扰，而只相当于噪声。 o c d m a 系统工作在低色散窗口，通过直接光编码和光解码，实现光信道的复用和 信号交换，能较好地发挥光纤信道频带宽的潜力，它具有地址分配灵活，用户可随机接 入，动态分配带宽、网络容易扩展、多址连接和控制灵活方便、网管简单保密性强等 优点，适合于对实时要求高，业务突发性强、速率高的宽带通信。而且o c d m a 对光源 的稳定性、谱线宽度等要求比波分复用要低，用现已成熟的通信系统光源即可；用户所 用设备可规格化，便于制造和维护，因此对今后的本地网、用户接入网来说有很好的应 用前景。目前世界各国都在开展研究，虽然尚不成熟，但具有很大的研究价值。 1 3 光码分多址的关键技术及发展情况 商刊渊卜 耦耦 高刊o c d m a ： + a a 口 口 光纤 器器 高刊耥o c d m a n 图1 - 1 光码分多址系统框图 o c d m a 系统的原理框图如图i - 1 所示。 用户数 据1 用户数 据2 用户数 据n 第一章绪论 用户数据信号首先对光源进行调制，调制后的光信号通过o c d m a 编码器进行编码， 然后经过耦合器耦合进入光纤，经过传输后，在接收端在经过o c d m a 解码器进行解码， 恢复出用户数据信息，在经过光电转换和必要的电信号处理，就可以得到最初的用户数 据信号。 其中，地址码字的研究和编解码器的设计是o c d m a 系统需要解决的关键技术和难 点。当前o c d m a 技术的发展主要就是地址码编码方案和光编码器的发展。 1 3 1o c d m a 地址码字的研究 在光通信中采用码分多址技术最早是在8 0 年代中期提出的，最早提出的方案是采 用双极性g o l d 序列作为地址码对用户进行电的c d m a 编码后再转换为光信号用光纤传 输，尽管此后有人在光纤双极性c d m a 实现方面做了一些工作，但采用这种电编码和 电解码的方法，电子“瓶颈”的问题并未解决，只能够实现低速通信，无法充分利用光 纤的巨大带宽，并不是真正意义上的光码分多址。 由于光纤通信大都采用的是强度调翩一直接检测方式，人们逐渐开始寻我适用于光 纤通信系统的单极性地址码字。最早提出的真正的o c d m a 地址码字是构造较容易的素 数序列码，围绕着素数列码进行了大量的研究工作 4 - 1 ，素数码及其改进码具有较好的 互相关性能，但其自相关限很大，使得它在异步系统中无法应用，为了改进其自相关性 能，多种代数同余码口9 - 2 3 1 编码方案逐渐提了出来。但这些编码方案却大都牺牲了码字的 互相关性能，其性能终究不能使人满意。8 0 年代末有人提出了光正交码( o p t i a l o r t h o g o n a l c o d e ) 2 s z q ，光正交码的自、互相关限均为1 ，与素数码和代数同余码相比，光正交码具 有良好的相关性能和误码特性，更适合光码分多址通信系统采用。但关于光正交码技术 的研究，大都集中在特定条件等重对称的光正交码的容量和构造方法上，目前尚没有一 个简单的算法能够实现任意码长、任意码重的光正交码字。另外在相同码长的情况下， 光正交码字的容量相对较小，为了支持较多的用户，不得不选取码长很长的码字，从而 对光脉冲的脉宽提出了相当苛刻的要求。为了充分利用光纤的带宽优势，又提出了跳频 光码分多址地址码字。跳频码字容量有所提升，相关性能好，但要求系统能够提供宽带 的光源。 无论是素数码、代数同余码，还是光正交码、跳频码，在一维编码的情况下，地址 码字在o c d m a 系统中的容量都无法令人满意。为了解决这一问题，目前国内外提出了 很多二维编解码和多维编解码的方案1 4 3 4 6 1 。即在时域、空域和频域等同时编码，从而 使系统容量大大提高，同时系统的相关特性和误码性能也同时得到改善。因此二维编码 已经取代一维编码成为o c d m a 地址码字的研究热点。 与采用非相干光源的o c d m a 技术相比，相干o c d m a 技术对器件要求高，实现技 术难度较大，但相干o c d m a 可以采用性能优良的双极码，在相同长度码序列的情况下， 采用双极性地址码字的o c d m a 系统容量大大高于一维单极码；且无论是一维非相干 第一章绪论 o c d m a 还是二维非相干o c d m a ，在编解码过程中常常存在频谱成分丢失的问题。因 此相干o c d m a 技术在全光组网上有其优越性。目前随着相位布拉格光纤光栅制造技术 的发展，利用在移动通信中广泛采用的性能优良的m 序列、g o l d 序列和w a l s h 序列等 双极性码字或多相位地址码字，构造相干o c d m a 系统的研究也逐步开展起来。 另外，鉴于o c d m a 技术是作为未来光接入网的一种可能解决方案，为了在接入网 中同时支持多种不同速率、不同误码率要求的信号，即在光接入网中同时支持多种多媒 体业务，又先后有人提出了交码长o c d m a 编码方案【5 蛳1 和变码重o c d m a 编码方案 删。 1 3 2o c l ) m a 编解码器结构的研究 光编解码器是o c d m a 中的关键技术。按照实现编解码器的器件来看，光编解码 器的实现方案主要有基于光纤延时线的o c d m a 系统，基于衍射光栅的o c d m a 系统， 基于透镜的o c d m a 系统，利用波导的o c d m a 系统，利用布拉格光纤光栅( f b g ) 的o c d m a 系统等等。 1 3 2 1 利用光延时线结构的o c d m a 编解码器 1 9 7 8 年，m a r o me 等人提出在光处理中采用光纤延迟线，此后光纤延迟线在各种光 系统中得到了广泛的应用。在o c d m a 系统中尤其是早期的o c d m a 系统中，出现了 多种基于光纤延迟线的0 c d m a 实现方案。 ( 1 ) 光纤延迟线网络结构 这种方法最早由p r u c n a l 等人于8 0 年代中期提出【6 1 ，用于开发纯异步的多址接入网 络。如图1 - 2 所示，在编码器中，光信号通过无源的光网络( 包括lx w 分波器，w 个 不等长的平行光纤延迟线，w x l 合波器) 后形成一串长度为w 的脉冲序列，编码后的 数据被广播到一个有源的星形耦合器，供所有的用户接收。解码器的实现与编码器正好 相反。 图l 一2 光纤延迟线网络结构结构示意图 ( 2 ) 梯形网络结构 这种方法用梯形网络替代光纤延迟线网络结构中的平行光纤延迟线。如图1 3 所示， 阶的网络包括+ 1 个3 d b 耦合器及用于连接的个光纤双链路。这种方法的优点是 损耗较小，由于其对称结构使得它必须使用对称码字，这样在相同的码长情况下系统可 第一章绪论 以容纳的用户数比较少。 ( 3 ) 可调式光纤延迟线( t d l ) 结构 t d l 是基于梯形网络结构而产生，只不过光纤耦合器被2 x 2 光电开关所替代，这 样通过光电开关的不同选择，可以实现不同的编码。这种方法的优点是可以广泛适用于 各种时域扩频地址码字而且由于采用光电开关，使得系统配置可编程化。但是大量的 光开关的使用使得系统的成本大大上升。 利用光延时线的编解码方案，易于实现，延时精度容易控制，编解码器结构相同 且技术已发展成熟，是o c d m a 系统中研究比较多的一种编解码器实现方案。但由于 受所选地址码的限制，其能够同时支持的用户数较少，虽然通过可调谐式光纤延迟线结 构能够提高系统的功率效率，但需要采用大量昂贵的光开关，系统成本很高 1 a s t _ 。 图1 3 梯形网络结构结构示意图 1 3 2 2 基于衍射光栅和掩模板结构的o c d m a 编解码器 基于衍射光栅和掩模板结构的o c d m a 编解码器的结构如图l - 4 所示。光脉冲首先 经过第一个衍射光栅将频谱在空间上展开，然后经过球面透镜进行傅立叶变换后入射到 相位掩模板( 一般采用液晶模块作为掩模板) 上，对不同波长的光信号分量进行幅度调 制和相位调制。编码后的各光谱分量通过第二个透镜进行傅立叶逆变换作用，然后由第 二个衍射光栅合成一个光束后发送。 图1 - 4 基于衍射光栅和掩模板结构的编解 利用光栅一掩模板的频域编解码方法具有地址码可调谐的优点，可实现可调编解码 器。对于相位调制，需要相干宽谱光源，一般采用输入脉冲为亚皮秒量级的激光器，但 由于该方面技术不太成熟，因此价格昂贵。另外，该方案空间损耗较大，并且其较大的 体积与通信工业中紧凑的封装要求不适应。 第一章绪论 1 3 2 3 基于布拉格光纤光栅的o c d m a 编解码器 光纤光栅制造技术的成熟推动了利用布拉格光纤光栅作为编解码器技术的出现。如 图1 5 所示，编码装置由一系列布拉格光纤光栅( f b g ) 串联而成，每小段布拉格光纤 光栅可以反射不同波长的光信号，从而实现波长编码，而光栅的位置起到光纤延时线的 作用，使不同的频谱分量在时域上分开，从而可以实现时频域混合编码。解码器的结 构应当与编码器共轭，从而使的不同波长的光信号在时间上重新叠加在一起，这样，经 过阈值判决就可恢复信息。设计f b g 编解码器的关键在于各f b g 的反射特征以及相邻 f b g 的间距。设厶为相邻光栅之间的间距，c 为光速，蚀为光纤纤心的折射率，则相邻 ，计， 两个光栅造成的时延为= 二塑。 0 飞。热。办二参。飞。j i 儿t ? 裂一：酉， 广j 图1 5 基于布拉格光纤光栅的串联结构的编解码器 近年来对基于光纤光栅结构的相位编解码器的研究亦受到重视。利用相位编码光纤 光栅或超结构光纤光栅可以直接实现对高速光载波的相位信息的编解码。使得在光 o c d m a 系统中使用性能更加出色的双极性地址码字或多相位地址码字成为可能。 1 4 本论文的主要工作 本论文主要对光码分多址技术进行了理论分析和实验研究，着重在以下几个方面作 了一些工作： 分析了光码分多址各种实现方案原理及优缺点。 分析了一维单极性光码分多址技术的地址码构造原理，讨论了素数码、代数同余码、 光正交码和跳频序列等主要的一维单极性码字。研究并比较了它们的系统性能，对多个 并发用户情况下系统的误码性能进行了数值仿真。 在对一维编码的研究的基础上，对基于布拉格光纤光栅结构的时，频二维光码分系统 进行了理论研究和实验分析，分析了几种常用的二维地址码字的构造方法和系统性能， 对采用o o c o o c 二维地址码的o c d m a 系统进行了实验研究，得到了比较理想的结果， 实验结果表明即使在存在干扰用户的情况下，系统仍可以实现正确的信息传输。进行了 第一章绪论 超速率传输实验，结果表明，当干扰用户比较少时，即使在超过编，解码器最大传输速率 限制多倍的情况下，系统仍可以正确的解码。 对支持多媒体业务传输的多速率o c d m a 系统进行了研究，在对现有的变码长、变 码重等编码方案研究的基础上，提出了一种新型的多速率o c d m a 系统实现方案。并对 该方案进行了理论分析和实验验证。实验结果表明当系统中同时传输两种不同速率的用 户数据时，接收端可以通过其不同的地址码字将它们区分开来，从而验证了o c d m a 系 统同时支持不同速率、不同网络服务质量( q o s ) 要求的多媒体业务的可能性。 最后，对双极性o c d m a 地址码字和多相位o c d m a 地址码字进行了分析。研究 了双极性地址码字的采用给系统带来的性能提升。对基于布拉格光纤光栅的相位编懈码 器的原理进行了比较详尽的讨论，给出了具体的数值仿真：从理论上验证了利用相位编 码布拉格光纤光栅实现相干o c d m a 系统的可行性。 第二章一维单极性o c d m a 地址码码字的构造方法和性能分析 第- - 2 一维单极性o c o m a 地址码字的构造方法和性能分析 在c d m a 通信系统中，地址码字的选择至关重要，地址码的类型、长度直接影响 到系统的性能、容量和变址能力等，因此为了提高c d m a 系统的性能就必须选择合适 的地址码字。在已发展比较成熟的电c d m a 系统中，采用的是一系列性能优良的双极 性地址码字，如i 1 1 序列、g o l d 序列、w m s h 序列等。 但是目前光纤通信采用的大都是i m - d d ( 强度调制一直接检测) ，系统实际上是利用 光载波的强度来携带信息。与电载波相比，光强和电载波的幅度有着本质的区别，因为 光强只可取“0 ”( 无光输出) 和“1 ”( 有光输出) ，而幅度可取“1 “- - i ”。这样在采用 i m - d d 的o c d m a 通信中，所选用的扩频码只能取值于单极性的( 0 ，1 ) 域，因此探索性 能优良的单极性地址码字是o c d m a 系统的一个重要研究方向。 在o c d m a 地址码字的研究过程中，首先提出的是一维单极性地址码字，接着为了 克服一维单极性码字码字容量少、多址干扰强的缺点，又逐步提出二维以及多维编码。 但是在单极性地址码字中，一维单极性码字是各种单极性地址码字的基础，二维和多维 o c d m a 编码大都是由一维编码方案组合而成。因此对一维单极性o c d m a 地址码字生 成方法以及其性能的研究仍是o c d m a 地址码字研究的基础，有其实际意义。在本章中， 我们将具体讨论目前在o c d m a 系统中常用的各种一维单极性编码方案，包括时域扩频 编码方案：素数码序列( p c ) 降1 8 】、代数码序列0 9 - 2 3 和光正交码( o o c ) 口踟以及在频 域编码的方案：素数跳频码字和o o c 跳频码字。 本章第一节将首先给出衡量o c d m a 地址码字系统性能的主要指标，这些指标也将 在后续章节讨论二维o c d m a 地址码字、多速率o c d m a 地址码字以及多相位o c d m a 地址码字中得到应用；从第二节到第五节中，分别就素数序列码口c ) 及其扩展码、代数 同余码及其扩展码、光正交码( o o c ) 及其改进码、结合跳频的光学码进行讨论。最后， 在第六节中，将对各种编码方案的性能进行分析和比较。 2 1o c d m a 地址码的主要性能指标 对o c d m a 系统的地址码字而言，最重要的性能指标为码字的自相关特性，互相关 特性和码字容量。一族性能良好的地址码应当具有尖锐的自相关峰值、尽可能小的自相 关限和互相关限以及尽可能大的码字容量。为了定量的分析和比较地址码字的性能，我 们首先对相关性的定义作一介绍； 对任意地址码序列x = ( x 0 ，而，x ，。x 。) ，其自相关函数定义为： 第二章一维单极性o c d m a 地址码码字的构造方法和性能分析 - 1 ( f ) = 而五 o f 一1 j m o ( 2 1 ) 对任意两个序列x = ( x o ，x l , - - - , 毛，铀) 和y = ( y o ，乃，y s y n - 1 ) ，x y ，互相 关函数定义为： 0 s f s n 一1( 2 - 2 ) 在上面的两个式子中。o ”表示模加。在自、互相关函数定义的基础上，我们可 以进一步定义如下参数： 自相关峰值： - - m a x 限，( o ) ) ( 2 - 3 ) 自相关限( 自相关旁瓣峰值) ： 屯= m a x ( o ，。( f ) ) 1 f 一l 互相关限( 互相关峰值) ： 以- - m a x ，( f ) ) 0 r s 一1 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 一般的，对单极性地址码字，自相关峰值即地址码字的码重，对双极性或多相位码 字，自相关峰值即地址码的码长。因此，在实际讨论中，该指标经常被码重国或码长工 代替而不单独提出。而自相关限和互相关限是o c d m a 地址码字至关重要的两个性能指 标，自相关限无决定了o c d m a 系统接收端进行自同步的能力，乃较大的地址码字无 法在异步0 c d m a 系统中应用，因此以应当尽可能小，理想情况为零。互相关限五决 定了o c d m a 系统多址干扰的大小，应使其尽可能的小，理想情况为零，对应着严格的 正交序列，此时地址码字之间不存在多址干扰。 o c d m a 系统地址码字的另一个重要指标是码字容量，也就是o c d m a 地址码字族 能够提供的不同的地址码字的个数，一般用符号i d 表示。 在通信系统中，系统性能最终是通过系统的误码特性体现出来的，因此，为了更加 直观的衡量o c d m a 系统地址码字的性能，我们也可以直接讨论o c d m a 地址码字的 误码性能。一种衡量o c d m a 系统性能的方法是比较理论无误码o c d m a 系统能容纳 的最大用户数目，也就是在一个理想的无噪声o c d m a 系统中，多址干扰的峰值亦不超 过判决阈值时系统所能容纳的最大用户数目。更详细的衡量系统性能的方法则是比较在 不同并发用户的情况下，系统的误码概率，从而绘制误码率一并发用户数曲线，从不同 曲线的对比中，可以清楚而直观的看出各种编码方案的优劣。 2 2 素数序列码口c ) 及其扩展码构造方法 p c 是o c d m a 系统的重要地址码类型，也是研究最早的o c d m a 地址码字。1 9 8 3 第二章一维单极性o c d m a 地址码码字的构造方法和性能分析 年s h a a r a a 首次提出可作为o c d m a 用户地址码字的基本素数码( p c ) 结构模型哪 此后在p c 码的基础上，又先后提出了扩展素数码( e p c ) 5 - 7 、修正素数码( m p c ) 8 - 1 2 】， 2 n 素数码 d - i s l 等地址编码方案，对p c 码的性能作了不同的改进。 2 2 1 基本素数码口o p c 的构造方法如- - - f 4 , 6 ； ( 1 ) 设p 为一大于2 的素数，在有限域g f ( p ) 构造剩余类集合日= o ，1 ，2 ，一坍； ( 2 ) 在g f 中可以构造一族素数序列s = 奴。，瓯，岛，甄一) j ， 其中蜀= f + j k m o d p ) ， o s f ，j _ p - 1 ( 2 6 ( 3 ) 由素数序列s 可以进一步构造素数序列码g = p 。c t l c o ，c ( ，- 1 ) j 其中q = sv v 七k = 岛s ”+ j * p p o i , j s p - l , o k 射影几何的点对应o o c 的码元，包含的点数对应于o o c 的码长工；口为素数时， p g ( n ，g ) 的点数为： l 肘1 l _ 旦= 竺 ( 2 1 6 ) ll 上 g 一1 2 ) n 阶射影几何的直线对应于o o c 码字，直线上的点的个数就是码重国； = q + l ( 2 - 1 7 ) 3 ) 同一平行类的直线对应着o o c 码字自身的循