（电磁场与微波技术专业论文）ocdma技术的研究.pdf

摘要 光码分复用技术( o c d m ) 作为一种全新的光通讯复用技术，有着其独特的优 势。它可以更加有效的利用光纤所能提供的巨大带宽，不需要全网的时钟同步， 可以实现灵活的用户接入，并且使灵活的光交换成为可能。目前，o c d m 技术还 处在初级阶段，有很多基本的理论问题还没有得到很好的解决，一些关键的技术 还处在探索阶段，物理层以上的研究还很少。针对这种很有希望，但尚未成熟的 技术，本论文在以下几个方面作了较为具体的研究： 1 在研究了跳频码分多址系统以及光正码理论的基础之上，提出了一种基 于e p c 编码的使用多波长光纤光栅作为编解码器的跳频光码分多址系 统。该系统在不减少码字数量和信道质量的前提下，减小了码字长度， 从而可以提高系统的性能。 2 研究了等间隔频谱分割的o c d m 系统，成功搭建了基于频谱分割的o c d m 实验系统。在本系统中使用我们自行研制的f p 腔作为光编解码器。期 望用户工作在6 2 2 m b i t s ，传输介质为1 i k m 单模光纤，在相当于l o 个 用户的干扰影响下，系统误码率优于1 0 。当期望用户工作在1 5 5 m b s 时，在相当于3 0 个用户的干扰影响下，误码率优于1 0 一。 3 提出了一种新的，基于环形拓扑结构的光码分多址接入网络。设计了这 种网络的模型，对网络的性能进行了分析。重点研究了这种网络中所存 在的自干扰问题，提出了网络性能优化的方案，并且设计了一种消除基 于频谱分割的o c d m 系统的自干扰抑制方案。 4 根据1 ) c d m 技术所特有的优势，研究了o c d m 与w d m 技术的融合提出了 一种o c d m w d m 的混合型光通讯网络。并且设计了网络节点的结构，给出 了m a c 层的网络协议。同时，对网络的时延和误码进行了分析。结果表 明，这种网络比单纯使用o c d m 或者w d m 技术的全光网络性能更优越。 关键字：光码分多址：光码分复用；跳频系统：全光网；接入网。 a b s t r a c t o p t i c a lc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s ( o c d m a ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e e n 蜜v 鼹a l li n t e n s i v ei n t e r e s tc u r r e n t l yf o ri t sm a n ym e r i t s i no c d m a s y s t e mm o r eu s e r s c a l lb ea c c e s s e di n t on e t w o r k s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e md o e sn o t r e q u i r e f o rt h es y n c h r o n i z a t i o n ，m o r e o v e r , o c d mc a r lp r o v i d ef l e x i b l es w i t c ha m o n gd i f f e r e n t c o d ec h a n n e l s ，w h i c hi sv e r yd i f f i c u l ti nw d m a sar e s u l t ，o c d m ai sap o s s i b l e s o l u t i o no f a l l o p t i c a la c c e s sn e t w o r k i nt h ef u t u r e ，t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si sa s f o l l o w i n g ： 1 an o v e l o p t i c a l c d m a c o m m u m c a t i o n s y s t e m i nw h i c ht h e f r e q u e n c y h o p p i n gs e q u e n c ei sb a s e do nt h ee p c w a s p r o p o s e d f i b e rb r a g g g r a t i n ga r r a y ( f b g a ) i se m p l o y e d a st h ee n c o d e ra n dd e c o d e ri nt h i ss y s t e m t h ec o d el e n g t hi ss h o r t e r 、w i t ht h i sc o d es c h e m eh e n c eh i g h e rb i tr a t ec a nb e o b t m n e d t h en u m e r i c a lr e s u rs h o w st h a tg o o d p e r f o r m a n c e c a l lb eo b t a i n e d b ya d d i n gd o u b l eo p t i c a lh a r d - l i m i t e r s 2 a no c d m ae x p e r i m e n t a l s y s t e mw i t h3g s e r s i se s t a b l i s h e d a s s u m i n g p e r i o d i cs p e c t r a le n c o d i n gs c h e m e 。t h ei n f l u e n c eo fm u l t i p l ei n t e r f e r e n c e u s e r so l lt h ed e s i r e dr e c e i v e ri ss t u d i e d 姆i n c r e a s i n gt h eo l i 肇u tp o w e ro f i n t e r f e r i n g u s e r w h e nt h ed e s i r e du s e r o p e r a t e s a t6 2 2 m b i f f sa n d t r a n s m i s s i o nm e d i u mi s1 1k m s i n g l em o d e 舶龇t h e b e ri sl o w e rt h a n1 0 8 i nt h ep r e s e n c eo f e q u i v a l e n t l oi n t e r f e r i n gr s e r s 。w h e nt h ed e s i r e du s e r o p e r a t e s a t15 5 m b s ，t h eb e ri sl o w e rt h a n 1 0 4 i nt h e p r e s e n c e o f e q u i v a l e n t3 0i n t e r f e r i n gu s e r s i tr e v e a l st h ec h a n n e lw i t hl o w e r b i tr a t ec a l l t o l e r a t em o r e i n t e r f e r i n g u s e r s 3 。an o v e l o p t i c a l f i b e rn e t w o r kw i t ha r i n gt o p o l o g yu s i n go p t i c a l c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e * a c c e s st e c h n o l o g yi sp r o p o s e d 。t h ep e r f o r m a n c eo f s u c ha1 2 e r c f o r ki sa n a l y z e d t h e u s e r s o u t p u tp o w e r i so p t i m i z e d 始m a i n t a i n t os a m es i ra m o n ga l ln o d e sa n das e l f - i n t e r f e r er e s t r a i nm e t h o df o rt h e p e r i o d i cs p e c t r a le n c o d i n go c d m i sp r o p o s e d 4 an o v e lo e d mo v e rw d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a ss t u d i e d 强en e t w o r k m o d e li sb u i l ta n dt h em a c p r o t o c o li sp r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo fs u c ha n e t w o r ki sa n a l y z e d i nt h eo c d m w d mn e t w o r k m o r eu $ e t sc a na c c e s si n t h i sk i n dn e t w o r k , a n dt h er e q u i r e m e n tf o rt h et i g h ts o u r c ea n do p t i c a lf i l t e ri s l o w e rt h a np u r eo c d i v l ao rw d m m o r e o v e r , i ta l l o w sd i f f e r e n tl l s e l s t o c o m m u n i c a t e i n d i f f e r e n t r a t e s ，w h i c h m a k e s t h e n e t w o r k m o r e f l e x l b l e k e yw o r d s ：o c d m a ，o c d m ，f i - e q u e n c yh o p p i n gs y s t e m ，a l lo p t i c a l n e t w o r k ， a c c e s sn e t v y o r k 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学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。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名：塑刍丝 本人承担一切相关责任。 日期：塾! 竺= h 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： k 巡。 ：丛 日期：! ! 生，! ! ! 一 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 。1引言 第一章绪论 利用现有光纤带宽的复用技术。在电通信领域，码分复用是一种扩频通信技术，在发送 十竣长十波长1 i 波长 黾嗵恳 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 o c d m 系统中使用的伪随机地址码序列可以对光信号的任意信息进行标记来实现绵， 解码，如光振幅编解码，光相位编解码，光波长编1 解码等，因此o c d m 的实现方式是 多种多样的。每一种编解码方式都要求不同伪随机地址码序列的正交性。同w d m 和 o t d m 相比，o c d m 并没有严格的系统容量定义，它只是随着用户数的增加而系统性能 不断降低，是一种干扰受限系统。因此o c d m 相对于w d m 和o t m ，有着其独特的， 崭新的特点。 1 。2o c d m 的基本技术原理 o c d m a 技术在原理上与电码分复用技术相似。大致的过程是首先给每个用户分配 一个地址码，用来标记这个用户的身份。不同的用户有不同的地址码，并且它们互相正 交( 或准正交) 。在发射端，要传输的数据信号首先经过适当的调制方式，转换成相应的 光域上的信号，然后再经过一个编码器进行扩频处理，标记上这个用户的地址信息，成 为伪随机信号。编码器是在光域上进行工作的，它是0 c d m a 技本中的核心内容之。 扩频信号( 伪随机信号) 通过光纤网络到达接收端之后，通过解码器进行解码( 它是编 码的逆过程) 处理，恢复出期望的光信号，再经过光电转换设备，得到电域上的数据信 号( 图1 2 ) 。 善艳吊户二筏舻 图1 2 光码分多址系统框图 从o c d m a 的概念出现以来，专家学者们提出了各种各样的系统方案，包括相干的 和菲相干的系统，同步的和异步的系统以及时域编码和频域编码系统等等。但是，比较 起来，非相干的时域编码( 也称为单极性时域编码) 系统方案最为直观，它采用强度调 制和功率检测。光信号只能在非负值域( 0 ，1 ) 内取值，没有利用到相位信息，这与无线领域 扩频通信中地址码可以采用双极性码字( 4 - 1 ，一1 ) 是有本质区别的。在无线c d m a 中 得到广泛应用的扩频码，如g o l d 序列，m 序列等，虽然在( 4 - 1 ，一1 ) 域内具有良好的 自相关、互相关特性，但在( 0 ，1 ) 域内并不能保持这特点，所以就不能应用于这种 系统。因此设计出合适的扩频码和相应的调制、解调器就成为o c d m a 的关键技术之一。 北京耐 电大学硕士论文第一罩绪论 在o c d m a 技术中习惯将扩频调制器和解调器称为编码器( e n c o d e r ) 和解码器( d e c o d e r ) 。 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 ) 是一组取值于( 0 ，1 ) 域并且具有良好的 自、互相关特性的准正交序列。它具有尖锐的自相关峰值、较低的自相关旁瓣和互相关 值。光正交码尖锐的自相关峰值使有用信号的检测更为方便，提高了抑制其它干扰信号 的能力。较低的自相关旁瓣值使系统可以按异步方式进行工作，所有的用户可以随时接 入网络，发送数据信息而不必进行同步，这样就简化了网络的结构和设备，降低了网络 的造价。较低的互相关值使用户尽可能地降低对其它用户的干扰。这三点是设计码字时 所要考虑的基本要素。图1 3 是两个正交码的例子，其中码长为3 2 ，码重( 码重为其中 1 的个数) 为4 ，t 为码字的时间宽度，t 。为码片( c h i p ) 时间宽度。 _ 0 l l l ；ll 而【叠【晤l 匠ll 团l i if 【五iiill茹l五1 0 图1 3 两个光正交码的例子( 码长为3 2 ，码重为4 ) 0l o1 52 02 53 0 ( b ) 图1 4 自相关曲线( b ) 互相关曲线 北京邮电大学硕士论文第一童绪论 图1 4 ( a ) 中表示图1 3 中第一个光正交码的自相关曲线，( b ) 表示图1 3 中两个光正 交码的互相关曲线。从图1 4 中可以看出，本例中自相关旁瓣值和互相关值都不超过“1 ”。 采用这样的码字的系统多址干扰比较小。另外，在图1 4 中，自相关峰和互相关峰都呈三 角形，原因是在作自相关和互相关运算时，把码片视为理想的矩形脉冲。 光号出 例i5 采用光纤延迟线作为编解码器的o c d m a 系统 图1 5 是采用光纤延迟线作为编解码器的单极性扩时0 c d m a 系统。此系统采用光正 交码作为地址码。在发射端，当数据是“0 ”时，光源不发光，编码器也没有任何输出： 当发送数据1 时，光源发射一个短脉冲，进入编码器后，根据码重的大小被分成若干 个小脉冲，每个小脉冲经历长短不同的光纤延时线，每个小脉冲所经历时延的大小完全 由地址码决定。编码器的输出是一个小脉冲串，这就是所谓的直接扩时信号。直接扩时 信号通过光纤网络( 在图1 5 中为星型网络) 到达接收端。在接收端，解码器对该扩时 信号进行解扩处理后，输入到判决设备进行判决。在期望用户发“l ”的情况下，如果解 码器与编码器完全匹配，那么输出一个尖锐的自相关峰值，判决器判定为“1 ”：否则输 出一系列低功率的伪随机噪声信号，判决器判定为“0 ”。这样，所传输的信息比特就被 恢复出来了。通常，判决器的阈值需要精心设置，它会明显地影响系统的性能。当然， 由于其它用户的信号对期望用户的信号有干扰作用以及接收机中的散弹噪声和热噪声的 作用，不可避免地会出现错误判决现象。 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 以上就是单极性时域编码光码分多址系统的简要原理介绍。实际的系统可能会比上 述的系统更为复杂。为了使系统更好地工作，往往会多一些必要的设备，比如为了抑制 多址干扰而采用的双限幅器方案等。 1 3o c d m a 系统方案分类 自从1 9 8 9 年j a w a da s a l e h i 发表了关于光正交码的开创性的工作之后许多对这一 领域感兴趣的学者进行了广泛而深入的研究和探索，先后提出了许多种o c d m a 系统方 案，其中有的已经进行了实验验证，并且表现出了优越的性能。在这些方案中，有相干 和非相干之分，有同步和异步之分，还有时域编码和频域编码之分等等。实际上，个 系统方案可能会同时属于上述几个不同的范畴。不过，由于可以实现灵活的异步接入是 o c d m a 系统的重要优点之一，所以对同步o c d m a 系统的研究就相对比较少，但同步 o c d m a 系统在相同的前提条件下，可以承载更多的用户。下面就对o c d m a 系统的分 类作介绍。 1 ，3 1 时域编码系统 时域编码o c d m 一般分为相干系统和非相干系统。 相干系统利用到了光信号的相位信息。因为相干系统首先对光源的要求比较高，通 常是锁模激光器( m l l d ) 。光纤的色散和非线性效应如何影响携带有相位信息的光信号， 即光域上的c d m a 信号如何受到传输介质的影响并且如何去补偿矫正等问题还没有得到 真正解决。另外相干系统还需要进行偏振控制，这些因素都大大增加了实现的难度。实 际上，最重要的问题目前集中在编解码器上。对于相干系统来说，可以采用移相键控( p s k ) 调制方式，在二进制的情况下，有两种相位状态( 0 和n ) 。这种系统方案，尽管从理论 上来讲具有许多潜在的优越性能，但是实现起来难度很大。目前，日本在这方面的研究 工作处于世界领先水平。图1 6 是日本邮电省通信研究实验室的n a o y aw a d a 和k e n - i c h i k i t a y a m a 等人在1 9 9 8 年搭建了相干时域编码的o c d m a 系统( 图1 6 ) ，采用双极性码字， 码长为8 ，单路速率为1 0 g b s 。 北挛邮电大学硕士论文 第一章绪论 t ：五基匝釜= 叵i 多 图16 相干o c d m a 系统原理囤 在扩时编码方案里，除了相干系统，还有非相干系统。它是目前研究最多的种 o c d m a 系统方案，其特点在于采用强度调制和功率检测，优点是易于实现，不足之处 是多址干扰比较严重，必须要采用特殊的干扰抑制措施才能保证系统正常工作。该系统 通常采用光正交码( o o c ) 、素数码( p r i m ec o d e ) 以及改进素数码( m o d i f i e d p r i m ec o d e ) 作为地址码。该类码字统称为单极性非相干码，其中码重( c o d ew e i g h t ) 是码字中1 的个数。码重与码长相比，一般都比较小。这样设计的目的是为了减小其它用户对期望 用户的干扰，提高系统的性能。但是这无疑使码字的数目减小，系统不能同时承载更多 的用户。另外一个方面，也不能把码长取得太大，因为对于一个传输数据速率一定的系 统来说，增大码长就意味着减小码片的时问宽度。毫无疑阀，这将在光纤中引起严重的 色散和非线性效应。表1 1 给出了双极性码和单极性码的一些基本性质。在表1 1 中，k 为码重，f 代表码长。 表1 1 双极性码和单极性码的性质对比 双极性码单极性码 调制方式 b p s ko o k 码片的幅度 l0 或i 码片的相位0 或n不考虑 自相关峰值 f 2k 自相干旁瓣值或互相关值 11 北京邮电大学硕士论文 篱一童绪论 对于单极性系统来讲，除了常见的对二进制数据信号进行c d m a 编码的系统外，在 文献中还经常会见到采用脉冲位置编码( p p m ) 或重叠脉冲位置编码( o p p m ) 的o c d m a 系统( 图1 7 ) 。 、“* ”+ v 1 蒜i y 图1 7 光p p m c d m a 系统模型 在这种系统中，首先把二进制，数据进行分组，不同的数据块在p p m 帧中就用光脉 冲的不同位置来表示( 图1 8 ) ，经过p p m 编码后的光脉冲再进行o c d m a 编码。经过理 论分析，这种系统具有很高的效率，但是在光域上实现p p m 编码需要很高的技术水平， 所以这种系统目前仅限于理论研究，国内外尚未有实验报道。 光脉冲 1 3 2 频域编码系统 图1 _ 8p p m 编码示意圈 我们前面已经提到，在时域编码o c d m a 系统中，当系统需要容纳更多的用户或者 提高单路传输速率时，就必须减小码片的宽度，这会在光纤中引起很大的色散和非线性 效应。在众多的o c d m a 系统方案中除了时域编码系统，还有频域编码系统。在频域编 码系统中，可以进行变比特率传输，这使得它可以适应于不同的业务需要。频域编码系 统可以分为两大类：非相干系统和相干系统。非相干系统可以采用廉价的非相干光源( 如 l e d 和e d f a 的a s e 噪声) ，这是一个很大的优势。图1 , 9 是一个非相干频域编码o c d m a 系统的示意图： ：叵 竺 一， ：翟 单 菡 北豪衄电女章砸+ 诒立 第鼍绪论 尉l9 非相干频域编码o c d m a 系统 在这个系统里，采用l e d 作为光源，编( 解) 码器由两个衍射光栅、两个透镜和一 块掩模板( a m p l i t u d em a s k ) 组成。它们按照图1 9 那样放置，其中两个透镜应处于同一 光轴上，并且需要共焦点。由l e d 发出的非相干光经过数据信号调制后，先射到第一个 镜子上，然后经过衍射光栅把光谱分解开，再经过第一个透镜后到达掩模板。掩模板示 意图中的黑色部分表示光不能通过，透明部分则表示光可以通过。黑色部分和透明部分 的顺序不同则代表不同的地址码。掩模板可以由液晶显示技术来实现，并且由电极来控 制其上不同的部分是否能够透光，从而使掩模板或者说编( 解) 码器达到可调谐的目的。 通过掩模板的光再经过第二个透镜和衍射光栅后，重新合并成一个时域上的光脉冲信号。 这个光脉冲信号就携带有地址码信息，和编码前相比，缺失了某些频率分量。它通过光 纤网络到达接收端时，将会遇到一个和编码器结构相同的解码器，如果码字相同，就会 恢复出数据信息，否则，输出低强度的噪声信号。在接收端，为了提高系统信噪比，可 以使用差动接收方式( 图1 9 ) 。图1 8 中爿( ) 表示其中的掩模板与4 ( 矽) 中的掩模板呈 互补关系。在这种系统中，可以使用r n 序列、哈德玛( h a d a m a r d ) 序列作为地址码。 尽管上述的系统方案有很大的优越性，但是它的编解码器实现起来有很大的困难， 至少从目前看来还不是很实用。还有一种非相干频域编码的系统，有时也称作周期性频 域编码系统，采用非相干宽带光源。它的编解码器采用可连续调谐的法布里一珀罗腔或 马克一泽德干涉仪。不同的码分信道对应于不同的自由谱域( f s r ) 。系统所能容纳的用 户数与法布里一玻罗腔的自由谱域和精细度( f i t n e s s ) 有关。当f s r 一定时，精细度越 大，系统所能容纳的用户就越多。 1 3 3 跳频系统 在时域编码系统中，提高码速率就意味着减小码片的时间宽度。为了克服这个困难， 可以把频域看作另外一“维”，同时在时域和频域上进行编码，这就是二维码，通常也称 8 一 北京挪电丈拳硕士论文第一重绪论 作跳频码。采用跳频码进行工作的系统称为跳频光码分多址系统( f h o c d m a ) 。目前 最常见的跳频系统的编解码器是多波长光纤光栅( f b g ) 。多波长光纤光栅就是用光栅写 入技术( 例如掩模板法) 在一根光纤上按照一定顺序刻上多个光播，并且每个光栅对应 不同的波长，即不同的反射谱。光栅之间的距离是根据系统的码速率和跳频码的情况事 先精心设计好的。 圈1 1 0 采用多波长光纤光栅的跳频系统的编码过程 图1 1 0 是采用多波长光纤光栅的跳频码分多址系统的编码过程示意图。宽带光源经 过数据信号调制后，耦合进入光学编码器一多波长光纤光栅。宽带光脉冲遇到光栅后， 相应的频率分量被反射回来，剩下的频率分量继续向前传播，直到被另外一个光栅反射 回来。被反射回来的光脉冲具有不同的频率分量，并且在时域上有一定的间隔，码片与 相邻光栅之间的距离工之间的关系可以由下式表示： t = 2 n 2 l 。c ( 1 1 ) 在( 1 2 ) 式中，e 为码片时间， ，为光橱中有效群速度指数c 为真空中光速。一个大 的光脉冲进入多波长光纤光栅后再被反射回来，形成了具有一定次序的小脉冲串( 这个 次序就体现了跳频码) ，这个过程就是o c d m a 跳频编码。 图1 1 1 采用多波长光纤光栅的跳频系统的解码过程 图1 1 1 为采用多波长光纤光栅的跳频系统的解码过程。需要注意的是，互相匹配的 编解码器应该按相反的方向放置，才能达到正确解码的效果。在一个网络系统中，如何 使这样的编解码器达到可调谐是一个非常重要的问题。众所周知，对光纤光栅的两端施 加应力( 拉伸或者压缩) 可以改变其反射谱( 或透射谱) 的作用，目前一般是利用这个 北京邮电大学硕士论文曹一童培俭 原理来使编解码器实现可调谐的。l ib i n 设计了一种具有非常优良性能的跳频码( 图 1 t 2 ) 。它具有以下三个基本性质：( 1 ) 所有的码序列都具有相同的长度( 在这里，码的长 度也就等于编解码器里光栅的个数) 。( 2 ) 在每一个码序列里，每一个频率最多使用一次。 ( 3 ) 码序列的自相关旁瓣和互相关值都不超过“1 ”。图1 1 2 所示的跳频码共有2 9 个频 点( 频率) 和1 2 个时隙，而图中只标出了3 个码字1 2 ”“7 ”。它最大的特点是采用 这种码字进行编码的多波长光纤光栅，通过压电( p i e z o e l e c t r i c ) 陶瓷在其两端施加应力 后，可以自动地成为本码组内的另外一个码字。至于说究竟跳变到哪一个码字，取决于 应力的大小( 也就是光栅反射谱偏移量的多少) ，这可以通过调节压电陶瓷上的电压来精 心地调节。 圈1 1 2 一种其有2 9 个频点和1 2 个时隙的跳频码 目前看来跳频编码系统是一种很有前途的技术方案。方面是因为它同时在时域和 频域上工作，克服了扩时系统中码片比较窄的不足和频域编码系统比较难实现光学傅立 叶展开的弱点。另一方面，因为它采用光纤光栅作为编解码器，体积小，非常轻便，并 且可以很方便地做到可调谐，目前很少有其它形式的编解码器可以做到这一点。等到将 来技术成熟之后，这种编解码器就可以实现光学集成，则大大降低它的成本。目前，加 拿大的u n i v e r s i t yl a v a l 在这方面的研究处于世界领先水平。 1 。4o c d m a 的中的关键技术 1 4 1 伪随机地址码序列的设计 从1 2 节o c d m 系统的基本原理可以看出，不同的o c d m 编解码方式对伪随机地址 码序列的要求是不同的，要根据自己的特点进行码序列设计。 适用于时域振幅编码o c d m 系统的伪随机地址码序列的设计是研究较深入的领域， 其根本思想在于针对光信号单极性，无负极性的特点，在满足自相关和互相关的基本要 求下，尽量能够容纳多的用户。已经提出的地址码序列有：光正交码、素数码、准素数 北京邮电大掌硕士论文 第一童绪论 码、2 “素数码、全等码、扩展全等码、同余码、扩展同余码等。 光波长编码o c d m 系统的伪随机地址码序列的构造方法有以下两种：基于对原有时 域振幅编码o c d m 系统伪随机地址码的改造和适合于光纤光栅编解码器的码组设计。第 一种方法中，码组构造的思想是对单极性直扩码中“1 ”位置处的光脉冲进行不同频率的 组合，构成在频域和时域同时满足一定正交性的跳频扩时码。例如对改进素数码中的1 脉冲进行基于素数码的时间和波长的组合，可以构成新的跳频扩时码。这些码组的构造 同时考虑了时间和波长的组合，因此又被称为二维正交码。二维正交码克服了单极性直 扩码可用用户数少、构造困难、相关性差等缺点。 多波长光纤光栅在o c d m 系统的应用带动了二维正交码的设计。多波长光纤光栅是 在光纤的不同位置处写入不同波长的子光栅，由于子光栅之间的位置不可能相距太远、 光栅长度不能过长，因此要求码组中1 位置不能相距太远，即稀疏码组不适用于光纤 光栅编解码器。b i n 于1 9 9 7 年在无线跳频系统中提出的一次重叠序列在光波长编码 o c d m 系统得到了一定的应用。这种码组的每一个码片位置都是“1 ”脉冲，不存在0 脉冲，用户数与波长点数相同，相邻码字之间波长点的关系为顺序增加，该码组虽然克 服了码组稀疏的缺点，但是构造困难。 伪随机地址码序列的构造一直是o c d m 领域的研究热点，除了上述提到的单极性 直扩码、二维正交码等，还有在空闻进一步扩展的三维正交码，随机曼彻斯特码，t r u b o 码等。 1 。4 2 光编解码器的设计 光编解码器是o c d m 系统的核心部件，o c d m 的发展实质上就是光解码器和编码器 的发展。光编解码器的结构和特性直接影响着系统的功率损耗、用户容量、误码率、成 本以及整个系统的灵活性。可以说每一种伪随机地址码序列都可以设计出相应的编解码 器。在光振幅编码o c d m 系统中，树型网络、梯形网络结构应用较多，光波长编码o c d m 系统中采用光纤光栅、a w g 技术，相位编码o c d m 系统采用掩模板、光纤延时线加移 相器和光纤光栅等技术。 北京皤电大掌颊士论文 董一童结论 图11 3采用树型网络的时域振幅编码0 c d m 系统可调谐编解码器结构图 图1 1 3 这是最早提出的一种结构。一个光脉冲依次通过j f 分波器、，个不等长的 平行光纤延迟线、f x l 合波器后，成为v 个较小光脉冲组成的脉冲序列，f 是码长，v 是 码重，可以通过码字选择来控制光开关，从而实现地址码的可调谐。不同的延迟序列对 应不同的码字，同理，可得到相应的解码器。 图1 1 4 所示为自反馈的a w g 编码器，在发送端，宽带光脉冲经过a w g 后，首先 在波长上分离，不同波长的光脉冲按编码方案经历不同的光纤时延，然后再反馈回至a w g 相应输入端口，从输出端口输出的则是时间和波长上分离的跳频扩时序列。接收端的光 解码器与发送端编码器结构类似，只是光纤延时线的分布与发送端编码器互补。 亮带光脉 冲输入 图11 4基于a w g 的自反馈光波长编码0 c 喇系统编解码罂 利用a w g 来实现0 c d m 系统的优点在于光信号处理灵活，可充分利用光波长，难点在 于a w g 的制造技术、成本以及编解码器的可调谐性，特别是a w g 的端口数直接限制了可 用码字的长度。 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 光纤光栅的反射特性使得它可以广泛的应用于o c d m 系统的编解码器中。利用光 纤光栅的部分振幅反射特性，在一根光纤上写入振幅反射率按比例减小的分段光栅，可 以构成单极性振幅编码o c d m 系统的编解码器 1 】：利用光纤光栅的波长选择性，可以构 成光波长o c d m 系统编解码器；利用光纤光栅的相位反射特性，可以代替难以集成的掩 模板而构成光相位o c d m 系统编解码器。将光纤光栅应用于o c d m 领域是目前研究较 多的课题，也是最有希望将0 c d m 系统实用化的研究方向。 1 4 3 多用户干扰的消除 与w d m 和o t d m 技术相比，多用户干扰( m a i ，m u l t i l ；，l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ) 是 o c d m 系统特有的问题。由于不同用户之间没有了波长或者时间上的保护，所有用户的 光信号重叠在同波长和时间段上，用户之间的光信号必然存在相互干扰，特别是单极 性伪随机地址码的正交性差，解码时不能完全消除由此引起的信道干扰，这种干扰带来 的问题就更加突出。多用户干扰一般远远大于o c d m 系统中的其他干扰源，如接收机的 热噪声、散弹噪声、a p d 噪声等，它的存在是限制o c d m 系统广泛应用的一个重要因素。 目前，用于消除或者减少多用户干扰的主要方法是使用“光硬件限幅器”，它是一种 阈值器件，理论分析证明使用光硬件限幅器可以有效的抑制码间干扰，减小系统的误码 率。然而，目前对光硬件限幅器的研究大多还停留在理论研究上，其实际实现还有待于 光器件的发展与突破。 1 4 4 光码分复用网络结构和通信协议 o c d m 技术对传输介质两言，是一种共享媒质技术，比较适合业务特征为突发性、 低密度和非实时性的局域网、接入网等共用信道网络系统中。 传统的接入协议可以简单的分为有冲突接入和冲突避免两种，波分和时分接入方式 通过给用户分配不同的波长或者时隙避免了冲突的发生，而码分方式则不同。o c d m 系 统是一种干扰受限系统，当同时接入的用户数较少时，它允许多个用户同时接入而没有 接入时延，可以方便的为每一个用户动态的分配带宽，用户之间不存在冲突，但是当同 时接入的用户数较多，误码率就会增加，整个网络的性能就会下降。因此，o c d m 技术 在网络的构建和通信协议上有自己的不同之处。 目前o c d m 还处于不成熟阶段，人们的研究重点在于对物理层各种问题的解决上， 如编解码器的实现、对多用户干扰的抑制等，对o c d m 网络结构和通信协议的研究还很 不成熟。但是o c d m 技术在构建全光网络上的优点还是引起了人们的研究兴趣，并且由 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 于o c d m 具有w d m 和o t m 所不具备的特点，将其与w d m 、o t d m 相融合，组成混 合型的网络也是一个值得我们研究的问题。 1 5 本论文将要研究的问题 尽管从o c d m a 概念的提出到现在，无论在其理论研究还是初步应用都取得了很大 的成就，但是它作为一项新技术，需要研究的问题还很多。本论文将在以后的章节中对 _ 列问题作具体的研究。 ( 1 ) 跳频码分多址问题 跳频码分多址系统是目前o c d m a 领域一个研究的热点，特别是光纤光栅的应用为 髟t 频码分多址技术的发展提供了新的动力，在本文中，我们将讨论跳频码字的设计问题， 并对系统的性能做出分析。 ( 2 ) 光码分多址的实验研究 我们根据实验室的软、硬件条件，自主完成了一套光码分多址实验系统的搭建。本 实验是一种基于“频谱分割”简化了的光码分多址系统。通过本实验项目的研究，我们 对码分多址的多项关键技术有了实验层面上的认识，同时为我们今后的实验与理论研究 积累了宝贵的经验。 ( 3 ) 环形o c d m 网络的研究 由于w d m 已经成为目前主干网络传输的统治技术，所以对于o c d m a 的接入网研 究逐渐引起了我们的兴趣。在本论文中，我们提出并研究了一种基于光码分多址技术的 环形网络，对网络的性能进行了数学分析，并且提出了对这种网络的优化方案。 ( 4 ) o c d m a 与其他技术的融合 o c d m a 相对于w d m 和o t d m 有着独特的优点，因此，将其与其它技术相融合， 将可以更好的发挥各种光复用技术优势，使网络的能力得到更好的发挥。本论文中，我 们主要研究了o c d m 与w d m 的复用。我们设计了一种o c d m i w d m 的网络，并具体研 究了这种网络的时延性能和信道的误码性能。 1 6 小结 光码分复用( o c d m ) 技术是未来极具发展潜力的种复用方式，它允许所有的信道同 时共享圊一带宽，提高了带宽资源的利用率，增强了全光网络的灵活性。o c d m a 技术 起步比较晚，还处在研究的初始阶段，一些重要的理论问题还有待于今后的进一步解决。 北京蛆电大掌硕士论立第一章绪论 在本论文中，将就以上4 点问题进行具体的论述。 参考文献 m a r o me “o p t i c a ld e l a yi m em a t c h e df i l t e r s ，”i e e et r a n s a c t i o n so nc i r c u i t sa n ds y s t e m s ，v o lc a s - 2 5 ，p p 3 6 0 3 6 4 j u n e1 9 7 8 2j a w a da s a l e h i ，“c o d ed i v i s i o nm u l 卸l e a c c s st e c h n i q u e si no p t i c a lf i b e rn e t w o r k s - p if u n d a m e n a t lp r i n c i p l e s ，” i e e et r a n s a c t i o n so nc o m m u n i c a t i o n s ，v o l3 7 ，n o 8 ，p p 8 2 4 8 3 3 ，a u g 1 9 8 9 3t o m o a k io h t s u k i ，“p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f d i r e c t - d e t e c t i o no p t i c a la s y n c h r o n o u sc d m a s y s t e m sw i t hd o u b l eo p t i c a l h a r d - l i m i t e r s ，”i e e ej o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y , v 0 1 1 5 ，n o 3 ，p p4 5 2 - 4 5 7 ，m a r , 1 9 9 7 4 to h t s u k i ，k s a t o ，l s a s e s m o r i ，“d i r e c t d e t e c t i o no p t i c a ls y n c h r o n o u sc d m as y s t e m sw i t hd o u b l eo p t i c a l h a r d l i m i t c r su s i n gm o d i f i e dp i m es e q u e n c ec o d e s ”i e e ej o u r n a lo f s e l e c t e da r e a si nc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 1 4 ，n o 9 ，p p i8 7 9 1 8 8 7 ，d e c 1 9 9 6 5 to h t s u k i “c h a n n e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nu s i n ge l e c t r o o p t i cs w i t c ha n do p d c a lh a r d l i m i t e r sf o rd i r e c t d e t e c t i o n o p t i c a l c d m as y s t e m s ”i c c 1 9 9 7 。m o n t r e a l ，v o l1 p p 1 0 6 - 1 1 0 6swl e e dh g r e e n p e r f o r m a n c ea n a l y s i sm e t h o df o ro p t i c a lc o d e si nc o h e r e n to p t i c a lc d m an e t w o r k s ，“l e e p r o c e e d i n g so f c o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 1 4 7 ，n o 1 ，p p 4 1 - 4 6 ，f e b 2 0 0 0 7gk a t s ds a d o t ，“an e wf s k - b a s e c lm e t h o df o rc o h e r e n to p t i c a lc d m as y s t e m s ”2 0 0 0 e e es i x t hi n t c m a t i n n a i s y m p o s i u m o ns p r e a ds p e c t r u m t e c h n i q u e sa