（光学工程专业论文）两种多维ocdma系统研究.pdf

摘要 摘要 光码分多址( o c d m a ) 通信系统，作为一种扩展频谱系统，用户同 时共享所有带宽，因为可以充分利用光纤中的巨大带宽资源，因此在未来 超高速局域网和实时计算机通信系统中将扮演重要角色。但是目前， o c d m a 还处于不成熟阶段，有待更深入的研究。 本文主要围绕多维o c d m a 系统展开研究。二维o c d m a 系统，每 个用户的地址码序列的光脉冲不仅可以在空间域扩展，同时还可以在时间 域或者频率域扩展，因为增加了一个自由度，所以与一维系统相比，二维 o c d m a 系统有较好的性能。三维o c d m a 系统中，每个用户码字序列 的光脉冲同时在时间域、频率域和空间域扩展，三维系统较之二维系统拥 有更大的总用户和同时激活用户的容纳能力，系统性能更好。 论文首先对光码分多址技术的基本原理，系统方案以及关键技术进行 了介绍，并对o c d m a 系统的优点以及发展前景进行了总结。 第二章主要介绍多维o c d m a 系统的分类，研究不同多维0 c d m a 系统的结构以及误码率特性。指出多维o c d m a 系统是今后的一个重要 发展方向。 第三章首先对双极性序列的性质进行讨论和研究。通过对其性质的总 结，自相关曲线、互相关曲线的对比，以及在规定误码率条件下，使用双 极性序列的系统与使用光正交码的系统之间的同时用户数比较，得出以下 结论，双极性系统较之单极性系统具有更好的自相关、互相关函数，码字 容量更大，使用双极性序列的o c d m a 系统在规定误码率条件下的同时 用户数比使用单极性序列的系统要多得多，双极性序列完全适用于 o c d m a 系统。基于对双极性序列的研究的基础上提出了由双极性补沃尔 什一哈达码( c w h ) 和m 序列构造的二维c w h m 矩阵码，并对此二维 码在空频二维系统中的应用进行了研究。分析表明，基于c w h m 矩阵 码的二维系统较一维系统增加一个自由度，在相同码长情况下能够容纳的 总用户数有所增加；系统编码利用码字原补码的关系，有效降低系统误码 率；系统解码采用双平衡检测，完全消除m a i ；在相同码长和误码率的 摘要 条件下，系统的同时用户数较一维系统也有所增加。 第四章在第三章讨论的基础上构造c w h m m 三维码，研究基于此三 维码的时频空域三维o c d m a 系统，对其性能进行研究。基于c w h m m 三维矩阵码的三维o c d m a 系统比二维系统又增加了一个自由度，系 统容纳用户的能力比二维系统大得多，系统性能以及系统误码率和同时用 户数条件都得到提高。 第五章为全文总结。 关键词：光码分多址，双极性序列，补沃尔什一哈达码一m 矩阵，补沃尔 什一哈达码一m m 三维码，阵列波导光栅波长路由器，多维光码分多址 系统 a b s t r a c t a bs t r a c t o p t i c a lc o d em u l t i p l ea 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 i sa s p e c t r a ls p r e a d i n gs y s t e m a l lu s e r si nt h es y s t e ms h a r ea l lt h eb a n d w i d t hi n t h es a m et i m e b e c a u s eo ft h eu s i n go ft h ea l m o s ti n f i n i t u d eb a n d w i d t hi nt h e f i b e r ，o c d m as y s t e mw i l lb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nf u t u r eu l t r a h i g hs p e e dl a n a n do n l i n ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b u ta tp r e s e n t ， t h er e s e a r c h e sf o ro c d m an e e dt og om o r ed e e pi n t o i nt h i sa r t i c l e ，t w o a n dt h r e e - d i m e n s i o n a l ( 2 一da n d3 - d ) o c d m a s y s t e m a r er e s e a r c h e d i n2 - do c d m as y s t e m ，t h ec o d es e q u e n c ef o re a c hu s e ri s s p r e a d e d i nt i m ec h i pa n dw a v e l e n g t h ，o ri nt i m ec h i pa n ds p a c e ，o ri n w a v e l e n g t ha n ds p a c e 2 - do c d m as y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c ec o m p a r e d w i t ho n e d i m e n s i o n a l ( 1 一d ) o c d m as y s t e mb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n go fo n e d i m e n s i o n i n3 - do c d m as y s t e m ，t h ec o d es e q u e n c ef o re a c hu s e ri s s p r e a d e di nt i m ec h i p ，w a v e l e n g t ha n ds p a c e c o m p a r e dw i t h2 - do c d m a s y s t e l n ，3 - ds y s t e mc a na c c o m m o d a t em o r et o t a lu s e r sa n ds i m u l t a n e o u su s e r s t h eb a s i ct h e o r y ，s y s t e ms c h e m ea n dk e yt e c h n o l o g yo fo c d m a t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h ea d v a n t a g e sa n dt h ef u t u r e d e v e l o p m e n to fo c d m as y s t e m a r es u m m a r i z e d t h ed i f f e r e n tk i n d so f2 - da n d3 - d0 c d m as y s t e m sa r ei n t r o d u c e di n c h a p t e rt w o t h e i rs y s t e mc o n s t r u c t u r e sa n db i te r r o rr a t e sa r ea n a l y s i s e dw e c a np o i n to u tt h a t2 - da n d3 - do c d m as y s t e mw i l lb e c o m ea ni l n p o r t a n t d e v e l o p i n gd i r e c t i o n i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ep r o p e r t i e so ft h eb i p o l a rs e q u e n c ea r ea n a l y z e d f i r s t l yt h ea u t o c o r r e l a t i o n ，t h ec r o s s c o r r e l a t i o na n dt h ea c c o m m o d a t i o no f s i m u l t a n e o u su s e r su n d e rg i v e nb i te r r o rr a t eb e t w e e nt h eb i p o l a rc o d e sa n d u n i p o l a rc o d e sa r ec o m p a r e d t h ec o n c l u s i o ni st h a tb i p o l a rc o d e sh a v eb e t t e r a u t o c o r r e l a t i o na n dc r o s s c o r r e l a t i o n ，a n dt h es y s t e mt h a tu s e sb i p o l a l c o d e s c a l la c c o m m o d a t em o r eu s e r sa n ds i m u l t a n e o u su s e r s s ot h eb i p o l a rc o d e sa r e a b s t r a c t a p p r o p r i a t e f o ro c d m as y s t e m n e w2 - d o p t i c a l c o d eb a s e do n c o m p l e m e n t a r yw a l s h h a d a m a r dc o d e a n dms e q u e n c ei s p r o p o s e d t h e c o d i n gs c h e m ea n dt h es p a t i a l f r e q u e n c ys y s t e mc o n f i g u r ei sr e a l i z e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds y s t e m i s a n a l y z e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s e s h o w st h a t ，w i t ht h i ss y s t e m ，m a ic a nb ep e r f e c t l yc a n c e l l e da n dt h e o r e t i c a l l y a c h i e v eq u a s i o r t h o g o n a l i t yb e t w e e no c d m au s e r s t h ee m u l a t i o n a lr e s u l t s h o w st h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e d c o m p a r e dt o o n e d i m e n s i o n a ls y s t e ma n dt h ec o n v e n t i o n a ls y s t e m se m p l o y i n gs i m p l eo n o f f k e y i n g i nt h ef o r t hc h a p t e r ，n e w3 - do p t i c a lc o d eb a s e do nc o m p l e m e n t a r y w a l s h h a d a m a r dc o d ea n dt o wms e q u e n c e si sp r o p o s e d t h ec o d i n gs c h e m e a n dt h et i m e s p a t i a l f r e q u e n c ys y s t e mc o n f i g u r ei sr e a l i z e d t h ep e r f o r m a n c e o ft h ep r o p o s e ds y s t e mi sa n a l y z e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s es h o w st h a t ，w i t h t h i s s y s t e m ，m a i c a nb ep e r f e c t l yc a n c e l l e da n d t h e o r e t i c a l l y a c h i e v e q u a s i o r t h o g o n a l i t yb e t w e e no c d m au s e r s t h ee m u l a t i o n a lr e s u l ts h o w st h a t t h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e dc o m p a r e dt o2 - d s y s t e m t h et o t a ls u m m a r yi sg i v e ni nc h a p t e rf i v e k e y w o r d ：o c d m a ，b i p o l a rs e q u e n c e ，c o m p l e m e n t a r y w a l s hh a d a m a r d m m a t r i x ，c o m p l e m e n t a r yw a l s hh a d a m a r d - m m3 - dc o d e ，a w gr o u t e r ，2 - do c d m a s y s t e m ，3 - do c d m as y s t e m v 图形列表 图形列表 图卜1o c d m a 系统组成框图 图2 一l 时空域二维编解码器结构 图2 2 时频域二维光延迟线编解码器结构 图2 - 3w d m + o c d m a 编解码器结构 图2 - 4 时频空域三维o c d m a 系统结构( w m p p 情况) 图3 1m 序列发生器 图3 2m l 和m 2 序列的自相关函数 图3 3m 1 和m 2 序列的周期互相关函数 图3 - 4g o l d 序列发生器 图3 59 1 序列和9 2 序列的自相关函数 图3 - 6g l 序列和9 2 序列的周期互相关函数 图3 78 阶沃尔什函数的波形 图3 8w 1 序列和w 2 序列的自相关函数 图39w l 序列和w 2 序列的周期互相关函数 图3 1 0m 1 和m 2 序列的自相关函数 图31 lm 1 和m 2 序列的周期互相关函数 图3 一1 2g 1 和g 2 序列的自相关函数 图3 1 3g l 和g 2 序列的周期互相关函数 图3 1 4w l 和w 2 序列的自相关函数 图3 1 5w l 和w 2 序列的周期互相关函数 图3 1 6 误码率与同时用户数之间的关系 图3 1 7 空频域编解码o c d m a 系统模型 图3 1 8n n 的a w g 波长路由器的工作过程 图3 1 9 空频域编码器 图3 2 0 空频域解码器实现双平衡解码 图3 2 1 一维c w h 码与二维c w h - m * e 阵的b e r 一同时用户数曲线图 图3 2 2 二维m 矩阵与二维c w h m 矩阵的b e r 一同时用户数曲线 图4 1 时频空域编解码o c d m a 系统模型 v 0心坞m坫”墙墙均均均加扒趴拢毖毖毖船船拍孙约如如弘如 图形列表 图4 2 时频空域三维编码器 图4 3 时频空域三维编码器实现三平衡检测 图4 4 二维c w h m 矩阵与三维c w h m m 碍r j j 的b e r - - 同时用户数曲线图 x 4 1 4 2 4 7 表目录 表目录 w d m a 、o c d m a 、o t d m a 对比 1 各种码字基本参数比较 2 3 码长为4 的w a l s h 序列与码长为3 的m 序列组成的二维矩阵码 2 7 码长为4 的w a l s h 序列的补码与码长3 的m 序列组成的二维矩阵码 2 7 期望用户信息为“l ”时与不同类型干扰用户之间的相关函数 3 2 期望用户信息为0 时与不同类型干扰用户之间的相关函数 3 2 基于码长为4 的w a l s h 序列的多波长双极性码 3 9 x = 1 ，l ，0 和z = 1 ，l ，0 构造的m 矩阵码 3 9 x 1 1 2 3 4 5 l 2卜卜卜卜卜卜p卜 表表表表表表表表 塑堕圭茎 缩略字表 o c d m a 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 光码分多址 c d m a c w h m a i o t d m w d m b e r i p o f d m p n o o k l a n p p m o o c p c i m d d f b g a w g f e c t ，s m w t f 2 一d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c c s s 码分多址 c o m p l e m e n t a r yw a l s h h a d a m a r d补沃尔什一啥达码 m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e o p t i c a lt i m ed i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g b i te r r o rr a t e i n t e r n e tp r o t o c o 多用户干扰 光时分复用 波分复用 比特误码率 网络协议 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x 正交频分复用 p s e u d on o i s e o n - o f fk e y i n g l o c a lar e an e t w o r k p u l e sp o s i t i o nm o d u l a t i o n o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e p r i m ec o d e 伪噪声 开关键控 局域网 脉冲位置调制 光正交码 素数码 i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d e r e c td e t e c t i o n 强度调制一直接检测 f i b e rbr a g gg r a t i n g a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n t i m e s p a c e m u l t i - w a v e l e n g t h t i m e f r e a u e n c e t w o d i i l l e n s i o n a l x 光纤布拉格光栅 阵列波导光栅 前向纠错 时分空分 多波k 时分频分 二维的 缩略字表 3 d r s s a c s n r o f d l p i i n t h r e e d i m e n s i o n a r e e d s o l o m o nc o d e s p e c t r a la m p l i t u d ec o d i n g s i g n a lt on o i s er a t i o o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e p h a s ei n d u c e di n t e n s i t yn o i s e x 三维的 r s 码 谱幅编码 信噪比 光纤延迟线 相位引导强度噪声 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：旦量!日期：聊6 年f 月“日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：周毫导师签名：丝盛 日期：j o “年5 月2 1 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光纤通信技术在近年得到了很大发展，随着人们对信息量需求的不断 增长而飞速发展起来，特别是近年来各种宽带的新型信息业务大量涌现， 比如视频点播、视频电话、高清晰度图像传输和视频远程会议等多媒体信 息业务，需要人们更充分利用现有光纤通信系统的巨大传输容量，为了进 一步提高光纤利用率，挖掘更大的带宽资源，提出了许多光域上的复用技 术。目前最具潜力的复用技术是波分复用( w d m ) 、光时分复用 ( o t d m ) 、光码分复用( o c d m ) ( w d m a ) 、光时分多址( o t d m a ) 三种多址方式的特点对比。 。相对应的多址方式为光波分多址 、光码分多址( o c d m a ) 。表1 1 是 表1 1w d m a 、o c d m a 、o t d m a 对比 o t d m a 系统采用超短脉冲光源产生高重复频率的超短光脉冲，每路光 脉冲由各支路信号单独调制并经过不同的时延后用合路器合并成一路高速 o t d m 信号，经光纤传输到接收端后进行时钟提取并将该时钟作为控制信 号解出各支路信号，各支路信号单独接收。从表1 1 看出o t d m a 要求全网 电子科技大学硕士学位论文 同步，目前最高速率为l0 g b i t s ，4 0 g b i t s 已达到电子器件的速率极限。 o t d m a 系统需要的时间带宽极大，在局域网中地址分配不灵活。 w d m 系统是采用波分复用器在发送端将不同波长的光信号复用、耦合 到光缆线路上的同一根光纤中传输，在接收端由分波器将组合波长的光信 号解复用，处理后恢复出原始信号送入不同终端。表1 1 中可以看出， w d m a 不需要很大的时间带宽，受色散影n 向小，但是要求光载波要有精确 的波长控制，接收端要有精确调谐的光滤波器，才能避免干扰，准确接 收，实现起来相当困难。在w d m a 中，波道数不能太多 2 1 。 o c d m a 是将c d m a 技术与光纤通信技术相结合的一种新技术，具有很 强的技术优势和广阔的应用前景。o c d m a 是在一个波长通道中，分成许多 逻辑信道，每个逻辑信道之间用不同的地址码加以区别，即各逻辑信道的 波长相同只是地址码不同。用不同的地址码对需要传送的信息进行编码， 每个逻辑信道的地址码是唯一的，且各逻辑信道间的地址码不相关。 0 c d m a 不需要o t d m a 所要求的全网同步，也不需要w d m a 所要求的波长 控制和波长转换，工作在低色散窗口，地址分配灵活，用户可以随机接 入。所以o c d m a 在高速光纤局域网中的应用具有很大潜力1 3 1 。 1 2 光码分多址技术的基本原理 光码分复用的思想来源于无线的码分复用技术。但是光c d m a 与无线 通信的c d m a 相比，无论在适用范围、目的，还是在实现技术上都有显著 不同。首先，无线c d m a 工作于无线信道，因此强调抗噪音干扰和抗多径 衰落能力，然后才是多址能力。而光c d m a t 作于传输质量很高的光纤 中，人们更关心的是多址功能。其次，无线c d m a 选择扩频码时，从安全 性和保密性出发要考虑其噪声的频谱形状，然后才是其正交性；而光 c d m a 中只强调其正交性和容纳用户能力1 4 l 。 典型的o c d m a 通信系统由数据源、光编码器、光纤、光解码器、数掘 接收器组成。如图1 1 所示。 第一章绪论 可i g l 光c o h 黼h ；：h 示波器 可馏h 勰h ：幅 解码器r 叫探测r 叫值器r 叫刁i 敬器 可僦mi l 勰i j ；：u 示波器解码器 叫探测 叫恒器卜叫1 。 图i 1o c d m a 系统组成框图 在系统发送端，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源，编码器对数据流 的每个比特“l ”按规律编码，形成光脉冲序列。比特“0 ”不编码，由全 零序列代替。每个节点的码型不同，代表不同用户地址。编码后的光脉冲 序列进入由光纤和星型耦合器组成的光纤网络，发送到每个接收节点。在 接收端，如果译码器与编码器匹配，译码信号为自相关输出，得到大自相 关峰( 同时伴有小的旁瓣) ，否则则为互相关输出。输出的自相关峰经光电探 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比 特i s 。 1 30 c d m a 系统方案分类 1 3 1 按时钟同步角度划分 从时钟同步的角度，有同步0 c d m a 和异步o c d m a 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，件 能影响较大，码字空问和系统容量也相对较小，适合于突发性、低密度业 兰兰| | | |一五磊西熏 竺 垂 蕊 电子科技大学硕士学位论文 务( 如数据l a n ) 和误码性能要求不高的业务( 如语音等) 【6 1 。 1 3 2 按光信号处理来划分 从光信号处理的角度来讲，o c d m a 系统可以分为相干o c d m a 系统和 非相干o c d m a 系统。 相干0 c d m a 利用高相干光源和相位控制措施实现光编码和传输，采用 双极性光脉冲序列携带输入信号在光纤信道中传输，在接收端以相干光脉 冲干涉的原理实现解码。相干o c d m a 系统的主要优点在于具有较高的信噪 比：容量大，误码率低：由于相干光的干涉效应，可以有效消除多用户干 扰；可以实现双极性编解码，便于数据恢复；可产生较高的处理增益。相 干o c d m a 系统的技术难点在于：如何精确控制产生高速相干超短光脉冲的 光源的相位；如何在超短光脉冲受光纤色散和非线性的影响下保持输入光 编码信号的相位谱不变：如何提高光信号的利用率。由此可以看出相干 o c d m a 系统技术复杂，需要克服的难点多，目前主要处在实验室阶段，技 术上实现困难。 非相干o c d m a 系统基于非相干光的扩频编解码技术，光纤信道中光 脉冲序列的强度表示编码强度，利用光信号的有无来表示二进制的“0 ”和 “l ”。非相干o c d m a 系统的主要优点有：光编解码器可以是固定的或可 调的，可以实现点到点、点到多点和广播式通信；对环境变化不灵敏。非 相干o c d m a 系统的技术难点在于：如何寻找更多更优的单极性码以增加用 户数：如何降低多用户干扰对光编解码器输出信噪比的影响；如何提高系 统容量和降低误码率。目前，非相干o c d m a 系统由于其技术相对成熟、简 单、易于实现成为研究主流1 7 1 。 1 3 3 按线路码元的极性来划分 从线路码元的极性角度来讲，o c d m a 系统有单极性和双极性之分。 传统的无线c d m a 系统均为双极性编码，即线路码字为f + l ，一1 1 序列， 多用户干扰对系统性能的影响相对较小，系统容量较大。而由于光频过 高，难于实现双极性编码，所以目前对o c d m a 的研究主要针对单极性编 码，各种光正交码也均是单极性码。由于单极性o c d m a 系统编码序列中没 有负极性成分，所以互相关输出峰值较大，系统性能相对较低。双极性编 第一章绪论 码有利于消除多用户干扰，提高信噪比和利用已有的无线c d m a 中的成熟 技术，所以双极性o c d m a 也是一项研究重点 8 1 。 1 3 4 按信息比特的调制方式来划分 从信息比特的调制方式角度来讲，有o n o f f 键控( o o k ) 调制的o c d m a 方案和同步脉冲位置调制( p p m ) 的o c d m a 方案。 o o k 方式就是当数据比特为“1 ”时，o o k 调制器驱动激光器发出一个 超短脉冲进行扩频，当数据比特为“0 ”时，o o k 调制器没有输出信号，信 道中没有光脉冲序列；接收端的解码过程是上述过程的反过程。o o k 方式 实现简单，缺点是码间串扰较大。 p p m 方式则将数据比特进行p p m 调制，然后在每个时隙内利用光编码 器进行扩频。p p m 属于同步方式，可以减小信道串扰和提高接收信噪比， 但系统实现复杂性略高【9 】。 1 3 5 按编码维数划分 按照编码维数，o c d m a 系统可分为一维o c d m a 系统和多维o c d m a 系统。这将在第二章中详细讨论。 1 3 6 按单比特和多比特传输系统来划分 按同一序列周期中传输的比特数，o c d m a 系统可分为单比特和多比特 传输系统。在单比特系统中，每个序列周期仅传输用户的一个比特数据。 在多比特系统中，每个序列周期传输多个比特数据，编码器把用户数据的 多个比特转换为一个光正交序列的循环移位形式，不同数据对应不同的移 位，该移位在光纤中传送，解码器并行地把信号与本地产生的用户序列的 各种移位形式进行相干性处理，找出与所接收信号相对应的移位形式。这 种方法可以大大地减小误码率。 1 4o c d m a 的关键技术研究 光码分多址通信的关键技术包括l ： ( 1 ) 容量大、相关特性优良的地址码的构造 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 光编解码器、尤其是可调光编解码器的设计与实现： ( 3 ) 光码分复用中去除多址干扰的方法； ( 4 ) o c d m a n 络拓扑结构、通信协议及网络管理等问题的研究 ( 5 ) j z n 何与其它光通信技术进行融合的问题等。 1 4 1o c d m a 光地址码理论 由于o c d m a 技术的特殊性，在o c d m a 通信中通常使用的是单极性伪 随机序列，这种单极性序列可以用( n ，u ， a ，九c ) 表示，其中a n 码长，6 0 为码重， a 和 c 分别代表码字的自相关旁瓣峰值和互相关峰值。码型设 计要求单极性码序列自相关峰值应尽可能大，互相关峰值应可能小，每个 码字与其自身移位后的码字应容易区别，以保证在解码器的输出端，除主 脉冲外，所有脉冲振幅均小于或等于 a ，这样可以减小自相关函数旁瓣引 起的信号不稳定概率，即减小误码率。此外，码型设计还要求能为用户提 供尽可能多的码字，并在工程上易于实现。常用的单极性伪随机序列有： 光正交码、素数码及其改进码、多层素数码、扩展素数码、矩阵码等。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 1 ，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，其缺点是码 字空间较小，系统容量不大，而且其构造算法较复杂。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，只适合异步 o c d m a 系统。改进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1 ，所以输出信噪比较 高，而且码字个数大大增加。针对不同的系统研究更好的光地址码仍是一 个重要的研究领域1 1 2 1 。 二维码的扩频编码涉及到时域、频域和空域中的任意两个，二维码可 以提供更多的码字，增加系统容量，降低对光源脉冲宽度的要求，并可构 成空间或波分复用混合系统。如果扩频编码是时域、频域和空域的三维整 合，则称为三维码。目前，时域和频域相结合的跳频扩时二维码是研究热 点【13 1 。 虽然光纤通信系统目前多为强度调制一直接检测( i m d d ) ，在电c d m a 系统中采用的双极性伪随机序列不能直接应用在o c d m a 系统中，但是通过 第一章绪论 几种双极性单极性编解码方案，双极性序列在o c d m a 系统中的应用也成 为研究热点。 1 4 2o c d m a 光编解码技术 光编解码器是o c d m a 通信系统中最关键的技术。根据信号处理是否 以相干为基础，o c d m a 的编码机制可分为相干编码和非相干编码。相干处 理是电c d m a 通常采用的方法，而在o c d m a 中，比较常用的是非相干信号 处理方法。在o c d m a 的研究中，编解码方式有两种基本类型：扩频类型和 非扩频类型，扩频类型又进一步可分为扩时编码和扩频编码，非扩频类型 主要是以光学特征为码字的编码。( 1 ) 扩频编解码。在用户的数据信号光 上，通过编码器把信号光的某一参量( 如偏振方向或波长等) 按地址序列调 整，使这一参量变为一高速扩频信号。( 2 ) 扩时编解码。在用户数据信号光 出现“l ”的时候，发出一个短光脉冲，经编码器的作用，得到一个短光脉 冲序列来代表用户的数据，其核心是地址序列由短光脉冲形成。( 3 ) 非扩频 类型编解码。这个类型的编解码比较典型的一种是利用光的相干性作为调 制参数，例如在相干光相关编码系统中，用户信号光经编码器调制，变成 两个失去相干性的信号，在解码端，在匹配解码器的解调下，这两个失去 相干性的信号恢复相干性，恢复出用户信号i l ”。 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。典型的光编解码器有光纤延 迟线编解码器、光纤光栅编解码器、集成光波导编解码器、傅氏变换( 频 域) 光编解码器、全息光学编解码器等，这些编解码器都有各自的特点和 应用局限。目前，研究热点集中在光纤延迟线编解码器、布拉格光纤光栅 ( f b g ) 编解码器以及阵列波导光栅( a w g ) 编解码器。设计性能更 好、更实用的编解码器仍是一个重要研究方向。 1 4 3 信道干扰的消除 在o c d m a 系统中，不同用户之问不再有波段和时间上的保护，所有信 号重叠在同一波段，特别由于扩频序列是伪正交码，必定导致用户之f b j 光 电子科技大学硕士学位论文 信号的互相干扰，即信道干扰，又称为多用户干扰( m a i ) 。一般情况 下，m a i 远远大于o c d m a 系统中的其它干扰源( 包括光电转换器的热噪 声，暗电流和a p d 噪声等) ，它的存在将严重影响o c d m a 系统的链路性 能。在解码器中采用平衡接收可以有效抑制m a i 。另外采用同步方案，系 统的抗m a i 性能较异步方案也有较大提高。另一个提高抗m a i 能力和输出 信噪比的方法是采用双光硬限幅器，即在光相关器前后各放一个光硬限幅 器( 双稳态闽值器件) ，但目前这种器件还不实用，而且这种消极方法将浪费 信号能量，更积极的做法是使用多用户检测技术，充分利用所有的信号能 量，尽量降低错误概率，尽可能准确地恢复原始信号【l “。 1 4 4 光码分复用网络结构和通信协议 o c d m a 技术对传输介质来说，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 a 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， 超过一定阈值时，系统性能下降，误码率增大。因此o c d m a 网络的拓扑结 构、通信协议、速度和容量等方面的特点与已有的其他光通信系统有很大 的差异【15 1 。 目前o c d m a 还处在不成熟阶段，人们的研究重点在于物理层各种问题 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 a 网络结 构和通信协议的研究还很不成熟。 1 5o c d m a 技术的优势及发展前景 1 5 1o c d m a 技术具有的优势 1 )o c d m a 技术可以实现光信号的直接复用和交换，传输速率可达 t b s 数量级，能动的分配带宽资源，扩展网络容易，网络升级简单，网管 也简单，很适合于实时、高突发、高速率和保密的通信业务。 第一章绪论 2 )通过给用户分配唯一码字实现多址，可在无交换中心的情况下实 现点到点、点到多点的通信方式，且一个节点的故障不影响系统中其它的 节点，用户可以随时接入，不需用户的同步，时延也很小。 3 ) 有很高的保密性和可靠性，在o c d m a 系统中是采用每个用户分配 唯一的地址码，要获得的用户信息就必须采用与发送方相匹配的地址码， 作相关解码，而得到用户信息，对于在不知道确切地址码的情况下是很难 获得信息的。 4 )光域里的信号处理简单，没有像波分复用那样对波长的严格控 制，也不需像光时分复用那样严格的时钟同步。在多用户随机接入同一信 道时，不需要波长可调和稳定器件等，一般对光源性能要求较低，所有现 在成熟的光通信系统的光源即可用于o c d m a 系统，大大降低了系统的成 本。 5 ) o c d m a 系统的拓扑结构灵活，具有交叉连接能力，可以承载视频 电话、视频电视、多媒体、数据和高清晰度图象等多种业务，可构成真正 “透明”的全光通信网。 1 5 2o c d m a 技术的应用前景 o c d m a 技术从网络的观点看，能充分满足全光网的四个基本要求：即 充分利用光纤频谱的技术、光上下路业务的方法、光交叉连接业务的能 力、光层处理的恢复方案，是实现全光网的一个好的解决方案。o c d m a 主 要可以应用在以下几个方面【l6 1 ： 1 ) 高速光纤局域网 由于高速光纤局域网中业务特征为突发性、低密度和非实时性， o c d m a 比较适合应用于高速光纤局域网中。o c d m a 在局域网中，主要采 用环形或总线型拓扑结构，采用o c d m a 的网络能实现真正的随机接入，缩 短网络时延，安全性好。可接入的用户数与光正交码中正交序列的多少有 关。可以预见，随着光正交码技术的发展，o c d m a 将首先在高速光纤局域 网中得到应用。 2 ) 光纤接入网 将o c d m a 技术应用于光纤接入网，既充分利用了光纤的带宽优势，保 证了多个用户及时接入，简化了控制，同o t d m 技术相比，不需要复杂的 电子科技大学硕士学位论文 测距和同步问题，而且在光纤传输通道中，噪声抑止和传输控制都被大大 简化。 3 ) 有线电视业务 在有线电视业务中，o c d m a 的使用可以使用户拥有巨大的上行带宽， 解决网络中漏斗噪声造成的上行信号被带宽和窄带干扰所污染而导致的系 统性能劣化，而且可以通过对扩频码的控制来实现对收看电视节目的用户 的控制，使电视公司的计费变得极为方便。 总之，随着o c d m a 技术不断发展与成熟，特别是多维码o c d m a 技术 的深入研究，o c d m a 技术有着良好的应用前景。届时它将更好地满足人们 各种各样的通信业务要求，有效地缓解宽带接入网中最后一英里的瓶颈问 题。 1 6 本文的主要研究工作 本文的内容主要是围绕多维o c d m a 系统研究展开的。 主要工作包括： 1 ) 对双极性序列在o c d m a 系统中的应用进行研究，讨论其在 o c d m a 系统中使用的可行性以及码字优劣。 2 ) 采用两种双极性序列，补沃尔什一哈达码序列和m 序列构造二维码 字，并利用码字特性建立空频二维系统理论模型。 3 ) 采用双极性序列补沃尔什一哈达码序列和两个m 序列构造三维码字， 并建立基于此三维码的时频空域三维o c d m a 系统理论模型。 第二章多维o c d m a 系统方案与结构 2 1 引言 第二章多维o c d m a 系统方案与结构 由于光纤的单极性特性以及基于时域编码的非相干o c d m a 通信系统大 都采用强度调制和直接检测的方式，电c d m a 领域中研究得比较成熟的双 极性码不能直接采用，只能应用单极性码，用户之间的多址干扰问题变得 很严重，在很大程度上限制了系统容量。为了系统可以容纳更多的用户， 增大码字容量，必须极大地增大码长，这样做的结果将会