（通信与信息系统专业论文）光码分多址关键技术研究.pdf

中文摘要 光码分多址技术以其组网灵活、抗干扰性强、保密性好、系统容量大等特点 在全光接入网、局域网，及交换技术中成为研究热点之一。本文对光码分多址技 术进行了详细的理论分析和实验研究，主要工作包括： 1 、分析和比较了常用的一维地址码，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误码性能，对多个并发用户情况下系统的误码性能 进行了数值仿真。 2 、分析了多相位编码系统的性能，比较了单极性性码和多相位编码的系统 用户容量。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，为工程实践提供了依据。 3 、对频谱编码和相位编码系统的传输特性进行了分析，讨论了两种系统中 输入功率对传输特性的影响。实验研究了频谱编码系统中平衡检测克服多址干扰 的方案和影响因素。提出了采用互补波长编码结合平衡检测接收的新方案，能显 著减小差拍噪声的影响。 4 分析和比较了二维地址码的构造方法和系统性能。利用级联布拉格光纤 光栅实现二维编解码，进行了二维光码分多址系统的实验研究，探索了系统速率 超过原有的布拉格间距限制速率时对系统性能的影响，证明布拉格间距限制速率 并不是不可逾越的。 5 、分析和比较了传统多速率光码分多址系统的地址码方案。提出了一种新 型的传输多速率的光码分多址地址码字构造方法和系统实现方案，理论和实验结 果证明了本方案可以不受速率之间严格整数倍限制，可沿用同速率的地址码而实 现多速率数据的并发传输。 6 、分析了光码分多址系统的安全特性，其保密性主要与码字空间和探测者 采用的算法有关。以光正交码和二维素数码为例，讨论了影响系统安全性能的主 要参数。 关键词：光码分多址、编码、光接入网、布拉格光栅 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 ) h a sm a n yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s s 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 ta n t i i n t e r f e r e n c e ，w h i c hm a k e o c d m at h eh o tt o p i co ft h er e s e a r c h e so nt h ea l l - o p t i ca c c e s sn e t w o r k ，l a na n da l l o p t i c a ls w i t c h i n g i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c eo c d m at e c h n o l o g yi nd e t a i la n d r e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo f 0 c d m a b ye x p e r i m e n t s 1 t h ee n c o d i n g d e c o d i n gt h e o r i e sa n ds y s t e mp e r f o r m a n c et h e o r i e sf o r1 - do c d m a c o d e ss u c ha sp r i m ec o d e s ，a l g e b r a i cc o n g r u e n tc 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 d o p t i c a lf r e q u e n c yh o p p i n gc o d e s a r ea n a l y z e d t h eb i te r r o rr a t e ( b e r )a r e s i m u l a t e da n dt h ep e r f o r m a n c e so f d i f f e r e n tc o d e sa r ec o m p a r e d 2 t h es y s t e mc a p a c i t ya n db e ro fm u l t i p l e p h a s ec o d e sa r es t u d i e d t 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 ee n c o d e f f d e c o d e ro f f i b e rb r a g gg r a t i n gr f b g ) a r et h e o r e t i c a l l y a n a l y z ea n dn u m e r i c a l l ye m u l a t e d 3 t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs p e c t r u ma m p l i t u d ea n ds p e c t r u mp h a s ee n c o d e s y s t e m s a r ea n a l y z e d t h em a i n n u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e ) o f s p e c t r u me n c o d i n g o c d m as y s t e mi sa n a l y z e da n da ne x p e r i m e n ti se x e c u t e dt od e l e t em a lw i t h b a l a n c e d e t e c t i o n an e ww a v e l e n g t ha l l o c a t i o ni sp r o p o s e dt or e d u c eb e a tn o i s e 4 t 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t2 - do c d m a a r ca n a l y s i sa n de 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 l c d m as y s t e mw i t hf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) a r r a y si sd e v e l o p e d t h ed a t ar a t eo f u s e rc a ne x c e e dt h er a t ed e c i d e db yf b g sd i s t a n c ew h e nt h es i m u t a n e o u su s e r n u m b e ri sn o tv e r yl a r g e 5 an e wc o d ea n dt h es y s t e mm o d e lt oa c c o m p l i s ht h em u l t i r a t eo c d m a s y s t e mi s p r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo fb e ro ft h en e ws y s t e mi sa n a l y z e da n dt h er e l e v a n t e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ea n dc o n f i r mt h et h e o r y 6 t h es e c u r i t yo fo c d m a s y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e d t h ep e r f o r m a n c ei sr e l a t e d w i t ht h ec o d ec a p a c i t ya n dt e c h n i q u eo f t h ee a v e s d r o p p e r k e yw o r d s ：o c d m a ，c o d e ，o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，f i b e rb r a g gg r a t i n g 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，也不包含获得玉叠盘堂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：目画荛桶签字日期：d 5 年7 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘生有关保留、使用学位论文的规定。特 授权鑫洼盘堂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：付辑0 衙 签字目期：( 7 5 年7 月歹日 导师签名 签字日期：扣，年) 月弓日 第一章绪论 第一章绪论 码分多址技术( c d 姒) 具有抗干扰能力强，组网灵活，用户容量大，保密性 好等优点，因而在移动通信中获得广泛应用。随着信息速率的提高，光纤通信的 大带宽，高可靠性等独特优点使得全光网络成为发展方向。在接入网端用户对带 宽的需求也在不断增加，无线接入具有灵活性好的重要优点，由于频谱资源紧张 使无线接入的带宽很有限，如3 g 标准w c d m a 中的下行速率为3 8 4 k b i t s ，但在光 纤通信中很容易达到数g b p s 的速率，所以，全光接入网成为未来接入网发展的 重要研究方向。接入网中，首先需要考虑的是系统的用户容量，即采用何种多址 技术。目前主要有波分多址( w d m a ) 、频分多址( f d m a ) 、时分多址( i i ) m a ) 、 空分多址( s d m a ) 、副载波多址( s c m a ) 和码分多址( c d m a ) 等。 波分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。通信用光谱宽度为十几至二百多n n l ，因此采用w d n l 6 l 技术所 能容纳的用户容量有限，且需要精度较高的光滤波器。 频分多址系统的光载波间隔更小。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 器件如波分复用器解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，也会限制波长的 密集度。 时分多址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。光时分多址技术要求采用光的复接和分接，但是由于电子瓶颈的 存在，实现比较困难。另外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。因此高速光时分多址 技术目前还很少采用。 空分多址由不同的空间分割来确定信道路由。每个信道都有自己的空问位 置，不i 司用户的信号需要在不| 一j 的光纤中传输，但不能充分利用信道带宽。 副载波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 天津大学博士学位论文 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。但该技术需要经过对微波和光波的两次调制，增加 了系统复杂度，因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。 码分多址是一种扩频通信技术，由于具有保密性好、抗干扰性强等特点，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。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。系统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 耦辐 合 a 口 光纤 器器 _ _ 图1 - 10 c o m a 系统的原理框图 户数 i 户数 2 户教 n 第一章绪论 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“。 o c d m a 系统的原理框图如图1 1 所示。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，再经过光电转换和必 要的电信号处理，就可以得到最初的用户数据信号。 光码分多址中的关键技术主要有地址码的设计、编解码器的实现、光源技术、 功率控制技术等。 1 1 地址码 码分多址系统中用户的区分，是利用不同的相互正交的地址码，在接收端通 过相关接收来实现的。但是由于光传输系统只有单极性码，因而光码分多址系统 的地址码不能完全引用电域码分多址系统的地址码，所以，0 c d m a 系统的地址码 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0 c d s a 系统中， 通常采用强度调制，因而寻找性能优良的单极性码成为了编码研究的一个重点。 最早提出的0 c d s a 地址码字是构造较容易的素数序列码( p c ) ，围绕着素数序列码 进行了大量的研究工作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。光正交码( o o c ) ”“1 的自相关限、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、任意码霞的光 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。 在一维编码的情况下，地址码字在0 c d m a 系统中的容量都较小。日前国内外 天津大学博士学位论文 提出了很多二维编解码和多维编解码的方案。主要时域波长的二维编码“1 ， 时域空域波长的三维编码。洲和时域波长偏振态三维编码瞌订，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。 随着光纤光栅写入技术的发展及超短脉冲光源生成技术的提高，相干o c d m a 通信也成为了目前研究的一个热点，因而无线移动通信中使用的性能优良的双极 码也可用于o c d m a 系统中。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性码，无论是一维非相干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。 多媒体业务的快速发展也对光接入网技术提出了新的要求。为了在o c d m a 网 络中同时支持多种不同速率、不同误码率要求的信号即支持各种多媒体业务，目 前主要采用变码长的光正交码4 侧和变码重”1 的光正交码以保证地址码的正交 性和满足不同服务质量。 国内也开展了相关技术的研究，北京邮电大学在o c d m a 系统地址码方向进行 了深入的研究蚓，深圳大学在系统性能分析和实验方面也进行了有益的探索 【】 1 2 编解码器的实现 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系统的功率损耗、用户规模、误码率、成 本以及整个系统的灵活性。一维编码系统主要有基于光纤延时线的时域编码系统 1 ，基于衍射光栅和透镜的系统和基于高精度液晶显示器实现的频谱编码系统 ”。而二维编码系统可以提高系统容量，二维混合编码方案有利用布拉格光纤 光栅阵列( f b g ) 实现的时间波长二维编码系统“1 和利用用阵列波导和延时线 实现的时间波长二维编码系统1 ，。 1 2 1 基于光延时线的编解码器 1 光纤延迟线网络结构 利用可调光纤延迟线和延迟控制器可以实现任意寻址这种方法最早由 第一章绪论 p r u c n a l 等人于8 0 年代中期提出啪，用于开发纯异步的多址接入网络。如图卜2 所示，在编码器中，光信号通过无源的光网络( 包括1x n 分波器，n 个不等长的 图卜2 光纤延迟线网络结构结构示意图 平行光纤延迟线，n 1 合波器) 后形成一串长度为n 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。解码器与编码器结构 相反。 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 卜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以容纳的用户数比较少。 i n p u t 丝 图卜3 梯形网络结构示意图 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，只不过光纤耦合器彼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_ f j 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己发展成 天津大学博士学位论文 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 2 2 基于衍射光栅和掩模板的编解码器 图l - 4 基于衍射光栅和掩模板的编解码器 利用地址码对信号的频谱进行编码，从而实现信号能量在时间域上扩展，而 在接收端在用相应的匹配滤波器进行相关解码后，用阈值检测器识别出待解码的 信号，实现正确解码。实现方案如图l - 4 所示闻。携带信息的光脉冲首先经过第 一个衍射光栅将频谱在空间上分开，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) 上进行空间光调制，即：由相位掩 模板在不同的频谱成分中引入伪随机序列( 即地址码) 进行频谱编码。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。 作为空间调制器的掩模板对频谱信号的调制可分为幅度调制和相位调制。幅 度调制能量损失很大，但实现方便；而相位调制唯一的能量损失来源于每个象素 边缘的光能量散射可采用液晶空间调制器进行相位掩模。利用光栅一掩模板的 频域编解码方法具有地址码易调谐的优点，可通过计算机编程控制空间调制器的 地址码序列，达到实时传输。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。该方 第一章绪论 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。 1 2 3 基于布拉格光纤光栅阵列的二维编解码器 通过布拉格光栅( f b g ) 可以实现时频域编码1 4 5 - 4 7 1 。均匀f b g 的基本特 性是以b r a g g 波长为中心的窄带光学滤波器，可以实现幅度和相位的编懈码功 能。主要有串联和平行两种结构类型的f b g 编解码器。 串联结构如图l - 5 所示，编码装置由一系列初始中心波长为b 的布拉格光纤 光栅( f b g ) 组成，每个光栅中心反射波长不同，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，从而实现时频域混 合编码。解码器中含有与编码器中相同的f b g 序列，但排列的方向相反，这样使 得经过编码器后在时间上分开的光脉冲在经过解码器后在时间上重新叠加在一 图卜5 布拉格光纤光栅串联结构的编解码器 起，经过阂值判决就可恢复信息。设计 f b g 编懈码器的关键在于各f b g 的反：” 拈 射特征以及相邻f b g 的间距。前者主要 1 依赖于o c d m a 系统所采用的扩频码，k 而f b g 的间距还与系统的数据传输速率 2 有关。与光延时线结构和衍射光栅结构 不同的是该方案的编码使用的是时一频 域二维编码。每个码的码重由光栅数决 t lt 2 t 3 “t st 6 图卜6 时频域编码模型 天津大学博士学位论文 定，每个光栅的反射波长分别为h 、k 、b 等。相邻光栅的间距表示不同频谱 分量在时域上的延时。系统使用的2 - d 编码如图l - 6 所示，横轴代表时间域，纵 轴代表光谱域，不同波长的脉冲具有不同的延时，从而在时域上彼此分开。由于 采用时一频域二维编码，使码字设计更加灵活，最重要的是，与一维编码相比， 它支持更多的并发用户，并能提供高性能数据传输。这种编解码器方案的插入 损耗小，结构精细小巧，克服了光延时线结构通过功分器后功率减小，需要大的 入射功率的缺点，同时也克服了衍射光栅结构插入损耗大的不足。 并联结构的系统框图如图1 7 所示，系统结构较复杂。 图1 7 布拉格光纤光栅并联结构的编，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0 c d s a 系统中使用双极性地址码字或多相位地址码字成为可能。现 有的相位编码的实验研究主要有英国南安普顿大学进行的利用超结构布拉格光 栅进行相位编码调制，进行了6 3 切普，基带速率是1 0 g b p s ，系统速率达到 2 0 g b i t s 1 4 8 】和四种相位的实验研究“”。这种方案要求系统的基带信号必须是占空 比值较小的窄脉冲。 _p哪_争螂 第一章绪论 1 2 4 基于阵列波导和延时线的二维编解码器 采用阵列波导光栅实现波长的复用和解复用每个波长所对应的延时线长度 与相应的地址码有关，从而实现时间和波长的二维编码。如图1 8 所示h 3 1 。这种 方案可以通过可变延时线实现灵活的编解码，集成度较高，只是价格偏高。 图卜8 基于阵列波导光栅和延时线的二维编码器 1 3 超短脉冲光源技术和光功率控制技术 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，0 c d 眦系统要求光 源发出的光脉冲尽可能窄，占空比很小( 反比于扩频系数) ，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，现有光通信系统中使用 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i o 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，但是这些方法还不成熟，而且如何抑制相邻光脉冲问的相 干性和降低占空比还有待研究。 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( 对接收 方) 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“”1 ，需采用类似无线c d m a 系统的反向链路开环和闭环功率控 制措施。 9 天津大学博士学位论文 综合考虑各种o c d m a 技术方案的优缺点，技术可行性，与现有技术和业务 的融合，结合具体的应用场合，选择合适的技术方案，是o c d m a 技术应用的基本 原则。同时，o c d m a 是电子、光电子、编码等技术相互渗透、相互融合的一种新 兴技术，其发展强烈依赖于这些技术领域的最新进展，深入开展对地址码和光信 息处理等技术的研究将有力促进o c d l l a 技术的成熟和实用化。 1 4o c d m a 的应用 o c d g a 系统主要应用在局域网、接入网、全光网及其他共用信道结构系统中 删。 由于l a n 中业务特征为突发性、低密度和非实时性，所以o c d e 技术比 较适合l a n 。o c d m a 技术在l a n 中，主要采用环型或总线型拓扑结构，这就要求 为每一个用户分配一个地址码，当某一用户要向该用户发送数据时，需将自己的 发送机的编码器结构进行更改以实现寻址，这就要求采用易于实现寻址的码组和 编码器。在局域网中，较大的用户数，较小同时接入用户数决定了地址码应选取 码字空间大的码集( 如改进的素数码或光正交码) ，而且必须采用闭环反馈功率 控制机制，以抑制功率差异引起的附加干扰。误码控制措施( 纠错码) 对数据业 务显得很必要。对于要传输多媒体业务的l a n 来讲，可以采用同步o c d m a 技术， 如采用改进的素数码，每个用户拥有一个子码组，子码组内每一个码字对应一种 业务类型。这种方案码字和信道资源利用率较低。o c d m a 技术在公用网中主要 是在光接入网( o a n ) 中使用，因为在骨干网中色散和损耗将限制其传输速率、 容量和距离。在接入网中，主要采用无源星型或树型拓扑，由光耦合器和分路器 实现信道共享。 在接入网中每一个光网络单元( o n u ) 拥有个地址码，光链路终端c o l t ) 可以对每一个o n u 寻址并被每一个o n u 接入。可以采用同步方式，也可以采用异 步方式。对同步o c d m a 系统，o l t 应为o n u 提供同步定时信息。上行链路采用o c d m a 技术，下行也可以采用o c d m a 或广播式t d m 技术。同步方式可以容纳更多的用户， 所以有一定优势。相对o o k ，p p m 方式性能更佳，因为对这种点对点通信来讲， 电p p m 相对容易实现，但各o n u 与o l t 的距离不同，为实现p p m 方式，系统需 有测距功能。o c d m a 在骨干网中应用时，其超短脉冲受光纤色散影响相当严重， 一种较为实用的方案是采用w o m 和o c o g a 结合的方式，在w d m 基础上，在每个波 长的信道内采用o c d m a 技术实现多址接入，这样具有更强的灵活性，这种 w d m + o c d 姒更适合将来的接入网。骨干网应用也可以采用t d m a + s o c d m a 方式， i o 第一章绪论 即在信息帧内，一部分时隙为t d m a 方式，传输高速率、高密度和实时性业务( 如 视频信号和时钟信号) ，另一部分时隙为同步o c d m a 方式，传输突发性、低速率、 低密度业务( 如语音和数据) ，这样可以发挥两种技术各自的优势。o c d m a 技术 也可以应用于其他共用总线领域，如舰船或飞行器的传感器总线及其他对保密性 要求较高的场合。 1 5 本论文的主要工作 本论文主要对光码分多址技术的编码、编解码器实现、系统传输、系统性能 等方面进行了理论分析和实验研究，主要包括： 1 一维编码方案及系统特性研究 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。 2 一维频谱编码和相位编码特性研究 对双极性o c d m a 地址码字和多相位o c d g a 地址码字进行了分析。研究了相位 编码对系统容量的提高。对基于布拉格光纤光栅的相位编解码器的原理进行了 详细的讨论，给出了数值仿真结果，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。研究了一维频谱幅度编码和频谱相位编码光码 分多址系统的传输特性、讨论了维频谱幅度编码系统的的多址干扰，进行了利 用平衡检测消除多址干扰的实验研究，并提出了消除差拍干扰的波长分配方案。 3 基于布拉格光栅的二维编码系统特性研究 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，对采用二维素数 编码和二维光正交码的两类o c d m a 系统进行了实验研究，得到了比较理想的结 果，实验结果表明存在干扰用户的情况下，系统仍可以实现正确的信息传输。对 用户速率超过布拉格间距限制速率的情况进行了实验研究，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。 4 多速率系统特性研究 对支持多媒体业务传输的多速率o c d h l 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 天津大学博士学位论文 案。并对该方案进行了理论分析和实验验证。该方案中系统中各种速率的关系， 可以不受整数倍关系的限制，灵活性好。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 验证了该方案可以简单、灵活地同时支持不同速率业务。 5 0 c d m 系统的安全特性 分析了o c d m a 系统的安全特性，其保密性主要与码字空间和探测者采用的 算法有关。以光正交码和二维素数码为例，讨论了码字空间、不连续波长数、用 于跳频和时间扩展的素数等参数对安全性能的影响。 第二章一维地址码特性研究 第二章一维地址码特性研究 在o c d m a 通信系统中，地址码的选择尤为重要，它直接决定了系统性能与用 户容量。地址码的类型、长度和系统的速率直接影响到编码的实现难度、变址能力、 系统的容量等。地址码的选择应具有如下特性：( 1 ) 具有尖锐的自相关峰值；( 2 ) 尽可 能小的互相关值；( 3 ) 具有足够多的码字容量。由于强度调制的o c d m a ( 非相干系 统) 采用的地址码序列为单极性码，因此探索性能优良的单极性码是o c d m a 的一 个重要研究方向。本章对o c d m a 系统采用的一维地址码进行讨论研究。 2 1 地址码理论 由于o c d m a 技术的特殊性，传统的用于无线c d m a 的m 序列、g o l d 码等不 适用于o c d m a 领域，因此必须研究新的光地址码。好的光地址码应具有高的自相 关主峰、低的自相关侧峰和低的互相关输出峰值。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每个用户拥有更大的接入速 率，较大的码字空间可以保证系统拥有较大的容量。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。地址码的主要参数有 码长、码重、自相关限、互相关限等。另外码集的构造复杂性也是较重要的评价因 素。典型的有素数码及其改进码、光正交码。素数码构造算法简单，但其异相自相 关峰值和互相关峰值较大，码字个数较少。由于其较大的异相自相关限不利于实现 同步，所以只适合异步o c d m a 系统。改进的素数码由素数码循环移位获得，用于 同步o c d m a 系统，其同步输出取样的自相关输出和互相关输出均为l ，所以输出 信噪比较高，而且码字个数大大增加。光正交码是一种性能优异的光地址码，其互 相关输出峰值和自相关侧峰均为l ，相关输出的信噪比较高，既适合同步o c d m a 系统，也适合异步o c d m a 系统，而且其较小的异相自相关输出有利于实现同步。 光正交码的缺点是在码字空间较小，系统容量不大，而且其构造算法较复杂。光正 交码可以用于直接扩频系统，也可以用于跳频o c d m a 系统。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。 衡量地址码性能好坏的标准是由码字的相关性决定的，包括自相关和互相关。 自相关性： 天津大学博士学位论文 对任意序列x = ( 而，而，薯，x 。) ，码长为n ，其不连续的自相关函数为： - l 见，( j ) = x ，x t 。 l 蔓j s r l( 2 - 1 ) 卸 由( 2 1 ) 式得，当s 0 时，自相关函数存在旁瓣。要求自相关函数的峰值越大越好， 旁瓣尽可能小，理想情况为0 ，旁瓣的最大值为自相关限； 互相关性： 对任意两个序列x = ( ，x 1 ，oo 9 ，铀) 和y = 0 ，o ，儿，y 。y s - i ) ，x y ，互 相关函数为： 一l 以y ( s ) = m 。 1sssnl(2-2) f = 0 互相关值对应着检测中存在的多址干扰，应使其尽可能的小，互相关函数旁瓣 的最大值为互相关限。理想情况为零，对应正交序列。 系统性能在很大程度上由地址码的性能决定，误码率主要是由多址干扰引起的， 这里所讨论的误码率只考虑多址干扰，而忽略系统的热噪声以及实际系统中不可避 免的信号衰减和恶化。本章中考虑的均是i m d d 系统中使用的单极性码字，在接收 端将对光脉冲信号进行抽样检测。当光脉冲强度大于阈值砀时，传送的是。l ”码； 反之，认为是“0 ”码。 2 2 一维编码 常用的是素数码【1 15 1 、光正交码【m 硼、跳频码【19 。2 0 l 等，下面阐述这些码字的构造 原理和误码率特性。 2 2 1 素数码( p c ) p c 的构造方法如下1 2 1 ： ( 1 ) 、设p 为一大于2 的素数，在有限域g f 劬构造剩余类集合 h = 0 ，l ，2 ，( p - 0 ； ( 2 ) ，在g f 中可以构造一族素数序列墨= b 。，瓯，墨( 川) j ， 其中： 瓯= + 】( m o d 以o s i , j s p i ( 2 3 ) 第二章一维地址码特性研究 ( 3 ) 、由素数序列墨可以进一步构造素数序列码g = b 。，q i ，g ，e ( ，- ) j 垤v k = 瓯s o + y * ： 。，p - l 胚_ j 珂一l ( 2 - 4 ) 表2 - i 给出了当p - = 5 时的素数序列和素数序列码。 表2 10 = 5 时的素数序列s 和素数序列码 码字素数序列“0 ，1 ”码字序列 c os o = 0 ，0 ，0 ，0 ，o 1 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0l o 0 0 0 c l s 1 = o ，1 ，2 ，3 ，4 ， 1 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 1 0 00 0 l o l o0 0 0 0 1 c 2 s 2 = 0 ，2 ，4 ，1 ，3 ) 1 0 0 0 0o o l 0 00 0 0 0 10 1 0 0 00 0 0 l o c 3 s 3 = o ，3 ，1 ，4 ，2 1 0 0 0 00 0 0 1 0 o i 0 0 00 0 0 0 l0 0 1 0 0 c 4 s 4 2 0 ，4 ，3 ，2 ，1 1 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 1 0o o l o o0 1 0 0 0 通过该方法构造的p c 码长为三= p 2 ，码重为国= p ，地址码容量为c = p 。其 自相关函数峰值为p ，自相关限屯= p - i ，互相关限乃= 2 。 p c 码的主要缺点是白相关限丸与自相关峰值十分接近，因此在接收端很难对码 序列进行同步，故无法在异步o c d m a 使用。但p c 码是很多其它常用o c d m a 码 字的基础，此外在二维o c d m a 也有应用。 下面详细分析素数地址码字之间“l ”码发生碰撞的可能性。 假设两个素数码字e 和g ，由于素数码的互相关限为2 ，e 和g 之间“l ”码 发生碰撞的次数只能为0 、l 、2 三种可能。由于p c 码码长为= p 2 ，码重为= p ， 并且，在绝大部分通信系统中，可以合理的假设用户信号为“l ”码与为“0 ”码是 等概率的，因此信道e 中某个特定“l ”码与g 中“l ”码的碰撞概率为夕乞= p 。 总的碰撞概率： j ：口上：三( 2 5 ) 假设当码字c o 循环移动s ( s = 印+ j ，) 个码片周期后与g 发生碰撞的次数为2 次 时，则码字必须满足如下方程组【2 】： m， = q 中其 天津大学博士学位论文 。( 七一工) ( m o d p ) 】+ y = j 。k ( m o d p ) ( 2 - 6 ) 1 【f o ( j | 一x i x m o d p ) + y p = j o k ( m o d p ) 在码字的循环移位的过程中，上面方程组同时成立的概率为： 一 口2 =莩( 霎y _ 2 p 3 ( p 1 ) ：垒! 墅= 尘( 2 - 7 ) 1 2 p 由式( 2 - 5 ) 和式( 2 - 6 ) ，可以得到e 和g 之间“1 ”码发生碰撞的次数为1 次 和没有碰撞的概率分别为： 磊= j 一2 一q 2 = j 1 一o + 矿o ( p - 2 ) = 三泸 ( 2 - 8 ) - i o = l - q , 。一一q 2 = 毪笋 协” 可以得到p c 码多址干扰的方差： 一0 - 2 ：5 p 2 - 2 p - 4 ( 2 1 0 ) 1 2 p 2 根据中心极限定理，当用户数n 较大时，可以用一个高斯分布来估计，其期望 和方差分别为：矗；( 一1 ) - ：砖：( 一1 ) 。注意到，用户数较大时，码字容 量p 亦应当取较大时，方差z 西5 因此，当用户容量较大的时候，误码率公式可 以近似为： = 吖而刊= 吖南 c 纠t ， 其中： 2 去一比一“仰 2 2 2 修正素数码( _ 陀) p c 码的另一个重要缺点是其码字容量和码重总是一样的。这样当系统需要容纳 第二章一维地址毋特性研究 较多用户时，码重p 也随之上升。实际上随着p 的上升，误码率会随之下降，当用 户容量较大时，由于多址干扰引起的误码率已经很低，仍旧采用码重为p 的p c 码， 系统的功率效率较低。此时，就可以考虑在大码重的p c 码中抽出一部分“l ”码， 使码重减轻，即减少光脉冲数。从而在保证误码率的前提下，提高功率效率。而这 种码重减轻了的p c 码被称为m p c 码。用类似的分析方法可以得到如下结论：在用 户数n 较大时，同样可以用一个高斯分布来估计其误码率1 2 1 ； 厂、r、 卸【赢h 面褊j 一2 - 1 2 ) m p c 地址码码长、码字容量和互相关特性均与原p c 码序列相同，而码重甜 p ，自 相关特性也比原p c 码序列有所改善。图2 一l 和图2 - 2 给出了不同p 值下p c 码和m p c 码的误码率一并发用户数日曲线。可以看出p c 码和m p c 码的误码率都随着并发用 户数目的增加而增加，随着p 值的减小而减小，相同p 值和用户数下，m p c 误码率 低于p c 码的误码率。 图2 - 1 不同p 值对p c 码误码率影响图2 - 2 不同p 值对m p c 码误码率影响 2 2 3 光正交码 一般光正交码c 是指等长、等重的一维光正交码，它是- - 串( o ，1 ) 序列码，可表 示为( n ，脚，厶，五) ，其中n 是码长，是码重( 1 的个数) ，屯是自相关限，丸是互相 关限。光正交码满足以下三个性质1 7 1 ： n - 1 ( 1 ) t = 国 任意的x c 。 ，_ m 天津大学博士学位论文 ( 2 ) 王t 。以任意的x c ，整数f 0 。 ( 3 ) 王x , y j + ，s 丸任意的工y c ，任意的整数f 自相关限丑和互相关限五对码字性能的影响不同。五影响收发双方获得同步的 难易度；五不仅影响同步的难易度，而且影响可同时使用的用户数的多少。 一个光正交码c 的容量定义为它所包含的码字数