（光学工程专业论文）基于ocdm的光网络中两项关键技术研究.pdf

摘要 摘要 光码分多址( o c d m a ) 技术是c d m a 技术与光纤通信的融合，具有抗干扰、 用户随机接入、管理方便、优良的安全性能等优点。光码分复用( o c d m ) 在光 域对各路信号进行编码和解码，对用户数据进行全光信号处理，是实现真正意义 上的全光通信最有希望的多址复用技术之一。本文对基于o c d m 的光网络技术进 行研究，主要包括基于o c d m 的光分插复用器( o a d m ) 研究和基于o c d m 的 o p s ( 光分组交换) 研究两部分，具体工作内容如下： ( 1 ) 把光硬限幅器引入到现有基于o c d m 的o a d m 结构中，使用马尔科夫 链模型和状态转移概率矩阵，得到基于这种o a d m 的环网中各用户的误码率表达 式。计算表明，基于o c d m 的o a d m 中下路单元( 即码字消除单元c o d ed r o pu n i t ) 虽然能够有效地把码字从环网中消除掉，避免码字在环网中循环产生干扰累加， 但是会明显恶化经过下路单元的其它用户的误码率。论文中还讨论了基于这种 o a d m 的环网中用户的误码率与码长、判决阙值的关系。最后，提出了一种基于 误码率监测及反馈的方法，来降低下路单元造成的误码率恶化。仿真结果表明， 该方法能有效改善用户的误码率性能。 ( 2 ) 结合一种基于o c d m 的o p s 系统模型，重点研究了作为o p s 标签的四 相o c d m 码的生成方法、相关值及其分布、实现，理论分析了基于四相o c d m 码 的o p s 系统分组间干扰的影响。通过仿真比较了码长为6 3 和1 2 7 的四相o c d m 码o p s 系统和光正交码o c d m 的o p s 系统的性能，仿真结果表明，四相码o c d m 字更适合作为基于o c d m 的0 p s 系统的标签。 关键词：光码分多址，光分插复用器，光分组交换，四相码 a b s t r a c t a b s t r a c t o c d m ai sa l li n t e g r a t i o no fc d m aa n do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n i to f f e r s s e v e r a lu n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss t r o n gr e s i s t a n c ea g a i n s ti n t e r f e r e n c e ，a s y n c h r o n o u s a c c e s s i n g ，c o n v e n i e n tm a n a g e m e n t ，s t r o n gs e c u r i t yp e r f o r m a n c ea n ds oo n d u et ot h e u s e r sd a t ai sc o d e da n dd e c o d e db ya l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g , o c d mi sr e g a r d e da s am o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g yt or e l i z 跫a l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t s t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho no a d ma n d0 p sb a s e do n0 c d mt e c h n o l o g y t h em a i n c o n t e n t sa l eg i v e na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) 卸吐c a lh a r d1 i m i t e rj sj u t r o d u c e di n t ot h es t r u c t u r eo fq 气d mb a s eo no c d m 1 n h ec o d ed r o pu n i ti no c d m r i n gn e t w o r k si sa n a l y z e d e x p r e s s i o n so fb e r i m f o r m a n c eo f e v e r yu s e ra l e0 b c a i n e db yu s i n gm a l k o vc h a i nm o d e la n ds t a t e t r a n s i t i o np r o b a b i l i t ym a t r i x t h er e s u l t ss h o wt h a te v e nt h o u g hc o d ed r o pu n i t r e m o v e st h ec o d ee f f e c t i v e l yf r o mt h er i n gn e t w o r k , i tw i l ld e t e r i o r a t et h eb e r p e r f o r m a n c eo fo t h e rn s e r s 1 1 1 cr e l a t i o nb e t w e e nb e rp e r f o r m a n c ea n dc o d e l e n g t h ，c o d ew e i g h ti sa n a l y z e di nd e t a i l a f t e rt h a t ，w ep r o p o s ea n0 c d mr i n g n e t w o r ka g c g , 袋$ c o n t r o lm e t h o dw h i c hc a l l i m p r o v et h en e t w o r k sb e r p e r f o r m a n c eb yb e rm o n i t o r i n ga n df e e d b a c k , w i t hc h i pt i m ec o n t r o la n d c o d e sr a n d o ms e l e c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o dc a ne f f i c i e n t l y i m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c eo f u s e r si nt h eo c d mr i n gn e t w o r k ( 2 ) a no p ss y s t e mm o d e ii si n t r o d u c e d t h eg e n e r a t i o nm e t h o d ，c o r r e l a t i o n , c o r r e l a t i o nd i s t r i b u t i o na n dc o d e r d e c o d e ro f4 一p h a s eo c d mc o d e sa l es t u d i e d n 帕p e r f o r m a n c eo fi n t e r f e r e n c eb e t w e e no p t i c a lp a c k e t si sa n a l y z e d t h e p e r f o r m a n c eo f s y s t e m sb a s e do i l4 - p h a s eo c d m w i t i lc o d el e n g t h1 2 7 a n d6 3 i s s i m u l a t e d t h er e s u l ts h o w st h a t4 - p h a s eo c d mc o d e si sr e g a r d sa sab e t t e r l a b e li n0 p sb a s e do no c d m k e y w o r d s ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o c d m ) ，o a d m ，o p t i c a lp a c k c t s w i t c h i n g ，4 - p h a s ec o d e u 图形列表 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 6 图4 - 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 - l o 图4 1 l 图形列表 光网络分层结构 o a d m 功能原理图2 o a d m 分类3 o c d m a 系统原理框图9 并行光纤延迟线编码器1 3 梯形编码器，1 3 环网总体结构图1 6 上路单元结构1 6 基于o c d m a 下路单元( d u ) 结构1 7 系统模型1 8 状态转移图2 0 b e r 随判决阈值及码长的变化：图a 码长1 0 1 ，图b 码长2 0 3 ，码重均 为6 ：1 3 第i 个用户接入时：( a ) 平均尝试次数，( b ) 被网络拒绝接入的概率2 5 基于w d m 和o c d m 的全光分组交换网络结构2 8 全光分组交换网络协议模型2 8 边缘节点向全光分组交换网转发分组模型2 9 边缘节点从全光分组交换网接收分组模型 核心交换节点模型3 0 二进制线型移位反馈寄存器图3 4 四进制线型移位反馈寄存器图3 6 四相码o c d m a 通信系统模型( a ) 发射系统( b ) 接收系统3 9 误码率与激活用户数之间的关系4 l 由光延时线构成的四相码o c d m 编码器4 2 v i 表格列表 表格列表 表1 1o t d m 、w d m 、o c d m a 技术的比较5 表4 1a 序列四相码和b 序列四相码与双极性g o l d 码比较3 2 表4 2a 序列本原多项式表3 5 v l l 缩略字表 缩略字表 c d m a 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 p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u r i p l ea c c e s s o c d m o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o a d m o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r o x c o p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r o p s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g w d m w 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 a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e a s o n a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k s o b s o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g g m p l s9 四叫i z e d m u m p r o t o c o l l a b e l 5 w i t c n m g o t d m 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 o c o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e o p c o p t i c a lp r i m ec o d e m a i m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e t o a d 裂。x 盯删训 脚姗疵 c h p c c a r r i e r - h o p p i n gp r i m ec o d e v l i l 码分多址 光码分多址 光码分复用 光分插复用器 光交叉连接设备 光分组交换 波分复用 异步传输模式 自动光交换网络 光突发交换 通用多协议标签交 换 光时分复用 光正交码 光素数码 多用户干扰 太赫兹光非对称解 复用器 跳频素数码 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：塑l 垒鳞日期：砂7 年 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。 褓椭学篓! 篓蘧= 名：邋签名：塑1 诬堡垒导师签名：丝墅坠 日期：砂哆年 月日 第一章绪论 第一章绪论 光码分多址技术( o c d m a ) 是c d m a 技术与光纤通信的融合，具有抗干扰、 用户随机接入、管理方便、优良的安全性能等优点。o c d m 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理，是实现真正意义上的全 光通信最有希望的多址复用技术之一。因此，基于o c d m 的光网络技术越来越成 为光通信技术的研究热点。 本章将简要介绍光网络的概况和基本结构，随后介绍o a d m 和光分组交换的 概况以及存在的问题，接着介绍o c d m a 技术的特点、o c d m a 的发展与研究现 状。最后，介绍本文的总体结构和开展的工作。 1 1 光网络概述 随着光纤通信技术的迅速发展，许多学者提出了“全光网络”的概念，其本意是 信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换，选路， 中间不经过任何光电转换，以达到全光透明性，实现在任意时问、任意地点、传 送任意格式信号的理想目标。 由于光器件技术的局限性，目前全光网络的覆盖范围还很小，要扩大网络覆 盖范围，必须要通过光电转换来消除光信号在传输过程中积累的损伤( 色散、衰 减、非线性效应等) ，进行网络维护、控制和管理。因此，目前通常所说的“光网 络”是由高性能的光电转换设备连接众多的全光透明子网的集合，是i t u t 有关 “光传送网”概念的通俗说法。i t u t 在( 3 8 7 2 建议中定义光传送网为一组可为客 户层信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存性处理的功能实 体，它能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的理想基础传送网络。 电子科技大学硕士学位论文 s o n e t s d ha t mf d d ii pp d h 其它 光通道( o c h ) 层 光复用段( o m s ) 层 光传送段( o t s ) 层 图1 1 光网络分层结构 光网络的基本结构类型有星形、总线形( 含环形) 和树形等3 种，可组合成 各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域7 本地网和接入网。核心 网多倾向予采用网状结构，城域，本地网多采用环形结构，在接入网多是环形和星 形相结合的复合结构。光网络可纵向分层为客户层、光通道层( o c h ) 、光复用段 层( 0 m s ) 和光传送段层( o t s ) 等。如图1 1 所示，两个相邻层之间构成客户， 服务关系。 1 2 0 a d m 概述 光分插复用器( o a d m ：o p t i e a la d d - d r o pm u l t i p l e x e r ) 和光交叉连接设备 ( o x c ：o p t i e a lc r o s sc o n n e c t o r ) 是光网络中的关键网元设备。o a d m 在w d m 系 统中的功能是从传输设备中选择性的下载和上载特定波长的光信号，而不影响其 他波长信道的传输。其功能原理如图1 2 所示： o u t p u t 图卜2o a d m 功能原理图 o a d m 的种类很多，大体上，其分类如下 2 第一章绪论 图1 3o a d m 分类 通常o a d m 是通过控制不同的波长来实现光波长的上路和下路。虽然这种方 式能很好的满足目前w d m 网络的要求，但是也有一些不足，比如支持的用户数 直接受波长间隔及实际可用波长数目限制。o c d m 系统支持的用户数与设计的码 字相关，而不是直接受波长数目的限制。为此，考虑基于o c d m 技术的o a d m ， 在这种方案中，o a d m 支持的用户数与o c d m a 支持的码字数目有关，通过精心 设计o c d m 系统可以使o a d m 支持的用户数目突破可用波长数目的限制。本文 第三章将对基于o c d m 技术的o a d m 进行较为深入的研究。 1 3 光分组交换 在电子处理速率和光纤传输速率失配的情况下出现了制约光网络发展的电子 瓶颈，光交换是解决电子瓶颈的有效方法。因此光交换越来越成为研究的热点。 目前光交换按交换粒度分为波长粒度的智能交换光网络( a s o n ) ，突发包粒度 的光突发交换( o b s ) 以及分组粒度的光分组交换( o p s ) 。其中光分组交换由于 其交换粒度小，能与i p 很好地兼容，是最适合i p 网络发展的理想方式。但由于光 逻辑器件和光缓存技术不成熟，制约了电交换方式到光交换方式的直接映射。至今 对光分组交换技术的研究主要集中在如何避免光逻辑处理和光缓存来实现光分组 的顺利交换，其基本思想是将路由和交换分开，在电域实现路由，在光域实现交换。 这种思想与通用多协议标签交换( g m p l s ) 将路由和交换分开的思想一致，受这 思想影响，光网络被分为边缘节点( 实现路由) 和核心交换节点( 实现交换) 。 3 电子科技大学硕士学位论文 在光分组交换中，光分组标签的形式是区分各种光分组交换方案的主要标志， 目前主要有副载波复用标签、净荷上附加调制a s k 标签、f s k 标签。但以上方案 都存在着标签提取、更新和竞争解决等难题，尤其是对标签的提取和更新无例外地 需要电子处理过程的参与。鉴于此，本文第四章研究了一种新型的基于w d m 和 光码分复用( o c d m ) 的全光分组交换方案。该方案采用o c d m 技术中的编码器 产生标签和解码器擦除标签，不需要对标签信息在电域进行实时处理，克服了标签 提取和更新难的问题，并且能适应变长的分组异步交换，成为一种真正的全光分组 交换方案；采用g m p l s 协议，合理的标签分配能实现无竞争的交换，避免了复杂 的竞争解决硬件和软件设计；采用广播选择交换结构不需要大端口数的光交换矩 阵，克服了交换矩阵带来的交换速率和偏振相关损耗( p d l ) 限制：配合波长转换 器，该方案给标签的分配和w d m 光网络的保护与重构带来了灵活性。 1 4o c d m 技术概述 1 4 1 光纤信道复用及寻址技术 光网络的大容量、高速率主要取决于多址复用技术。光多址复用技术包括光 时分复用( o t d m ) 、光波分复用( w d m ) 、光码分多址( o c d m a ) 、空分复 用( 0 s d m ) 和副载波复用( s c m ) 。其中，o t d m 、w d m 和o c d m a 是光纤 通信的三大主流信道复用技术，这三种技术的比较如表i 1 所示。 o t d m 技术是把电网络中的时分复用技术引入光纤网络，利用高速光开关将 多路信号复用到一根光纤上。一根光纤中携带多个用户信号，每个用户在特定的 对隙传输数据，时隙还用于识别用户地址。o t d m 是增大单信道带宽的有效技术， 同时避开电子器件速率极限的瓶颈。但系统中需要的关键技术时钟同步较为复杂。 特别是传统的o t d m 只用一个波长信道，对光纤的带宽资源利用率较低1 2 。 w d m 技术是在一根光纤中开辟多个波长信道i ”，它有效地利用了光纤带宽， 大大增加了系统容量，是目前光通信骨干网的主导复用技术。不过，w d m 系统对 激光器、光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接( o x c ) 等网元器件的性能要求苛刻。 4 第一章绪论 此外，w d m 系统主要解决传送网上的电子瓶颈，并未解决信源到信宿之间的所有 瓶颈。因此，难以构成真正透明的全光网络1 4 1 。 表1 一io t d m 、w d m 、o c d m a 技术的比较 复用及主要优点不足之处实际应用 寻址方式 o t d m速率带宽比高高速率传输时，要求精确 现有网络中 的时间同步，系统容量不部分采用 大，光纤带宽利用率较低 w d m技术已经成熟；光纤可用需要精确可调的窄带激光 是当前光纤 带宽利用率非常高：系统源，对激光源要求十分苛通信骨干网 容量大；单根光纤传输速刻，缺少低速率复用点络最主要的 率实验室水平已经突破信道复用技 l o t b i t ，s 术 o c d m a保密性强；可随机接入；实用化尚未取得突破性进现阶段尚无 抗干扰、抗多径衰落；管 展实用系统 理方便。 码分多址( c d m a ) 技术已经成功地应用于卫星通信和移动通信领域，并且 显示出许多优于其它技术的特点，如抗干扰、抗多径衰落、显著提高系统容量等。 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f 5 】【6 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 技术结合起来的技术，一般o c d m 系统主要由数据源、光编码器、光纤、 光解码器、数据接收器组成，在发送端，每个上路用户分配一个地址码，由光编 码器对用户数据源进行光编码，即用地址序列对用户信号进行编码处理。在接收 端，光解码器对收到的扩频码序列与本地地址码进行相关运算，采用相干或是非 相干的方法进行解扩处理，并通过特定的门限判决技术恢复出数据源信号。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 4 2o c d m a 技术特点 ( 1 ) 全光通信：o c d m a 系统在光域对各路信号进行编码和解码，对用户数据 进行全光信号处理，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 了光予进光子出。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 技术之一【7 1 。 ( 2 ) 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。 ( 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d w d m 而言，对波长漂移并不十分敏感，从而增 强了系统的抗干能力嘲。 ( 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。新上路用户的 扩频信号直接叠加在合成信号上。不要求各用户之间同步，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。 ( 5 ) 管理方便：o c d m a 不需要在时间或是频率上对用户进行严格的管理，而 是以用户扩频序列来原理用户。网络管理简单方便。 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 解决的问题。同时，o c d m a 技术可以方便地与o t d m 和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技术之一。 1 4 3o c d m a 技术的发展及其现状 1 9 8 3 年，d a v i spa 和s h a a raa 首次提出了异步光通信系统【9 】，指出光码分 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。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。此后， 一大批研究人员在o c d m a 系统设计上进行了大量的研究工作。 6 第一章绪论 经过2 0 多年的研究，o c d m a 技术已经取得了较大了的进展。围绕提高信道 容量和降低误码率这两个中心问题，人们在降低多址干扰、优化带宽资源、改进 探测手段等方面提出了许多新的方案。码字结构及编码方案也在不断改进。 在地址码码字结构方面，最初研究的是一维地址码，其中较有代表性的是光 素数码( o p c ) 和光正交码( o o c ) 。尽管一维码的设计水平不断提高，但是一 维码分多址系统的用户容量和系统性能之间存在很大的矛盾。p a r ke 在时分复用 和空分复用的基础上提出二维o c d m a 系统的模型框架【。随后，又出现了多波 长光正交码，缩短了码字长度，有效地提高了光纤带宽的利用率，使系统性能得 到了进一步的优化。近几年来，围绕提高码字容量，改进系统性能，二维码的码 字构造有了不少研究【川【1 2 l 。 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 1 3 1 1 4 1 、基于衍射光栅和相位掩膜板的频域编码方案1 1 5 1 。不过，近几年，基于f b g s 的谱域编解码方案1 1 6 1 1 刀逐渐占据了主导地位。 就o c d m a 技术的应用研究而言，大部分集中在基于星型网络点对点传输中。 近几年，有少量文献为o c d m a 技术的应用研究指出了新的方向。文献1 8 】【1 9 2 0 1 1 2 1 】 中指出了o c d m a 技术用于光分组交换的可行性，文献中称这种新的方式为“码 路由”( c o d er o u t i n g ) ，文献1 2 2 1 在2 0 0 5 年提出了o c d m a 技术用于光分插复用 器( o a d m ) 的结构，进行了演示试验。这些新的方向进一步推动了o c d m a 技 术的发展。 1 5 本文的主要研究内容 第一章简要介绍光网络的概况和基本结构，随后介绍o a d m 和光分组交换的 概况以及存在的问题，接着介绍o c d m a 技术的特点、o c d m a 的发展与研究现 状。最后，介绍本文的总体结构和开展的工作。 第二章首先从系统结构、地址码和编解码等角度讨论了o c d m a 技术的基本 原理，然后从地址码设计、编解码实现、光源、多用户检测、光功率控制等方面 讨论了o c d m a 系统关键技术。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章把光硬限幅器引入到现有基于o c d m 的o a d m 结构中，使用马尔科 夫链模型和状态转移概率矩阵得出了环网中各用户的误码率表达式，计算表明， 下路单元( 即码字消除单元) 虽然能够有效地把码字从环网中消除掉，避免码字 在环网中循环产生干扰累加，但是会明显恶化经过码字消除结构的其它用户的误 码率性能。本文还讨论了环网中用户的误码率性能与码长、判决阈值的关系。最 后，提出了一种基于误码率监测及反馈的方法来降低码字消除结构造成的误码率 恶化。仿真结果表明，该方法能有效改善用户的误码率性能。 第四章结合本课题组基于o c d m 的o p s 系统模型，重点研究了作为o p s 标 签的四相o c d m 码的生成方法、相关值及其分布，理论分析了基于四相o c d m 码 的o p s 系统分组间干扰的影响。通过仿真比较了码长为1 2 7 和6 3 的四相o c d m 码o p s 系统和光正交码o c d m 的o p s 系统的性能，仿真结果表明，四相码o c d m 字更适合作为基于o c d m 的o p s 系统的标签。 第五章全文总结。 8 第二章o c d m a 系统基本原理及其关键技术 第二章o c d m a 系统基本原理及其关键技术 2 1o c d m a 系统基本原理 2 1 1o c d m a 系统结构 o c d m a 系统主要由用户数据源、超短脉冲激光器、光开关、光c d m a 编， 解码器、光星型耦合器、光电探测器、电阈值检测器组成，系统组成框图如图2 1 所示 图2 - 1 0 c d m a 系统原理框图 o c d m a 技术以扩频通信为基础，将低速率的用户信号变换成高速率的光脉 冲序列，在宽带光纤信道中传输。在系统发送端，当用户信息比特为“l ”时，光开 关置于直通态，激光源发射的光脉冲通过光开关进入光c d m a 编码器进行编码； 信息比特为“0 ”时，光开关置于交叉态，激光源发射的光脉冲不能通过光开关进入 光c d m a 编码器，不进行编码。经光c d m a 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“1 ”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，通过接收端的光解码器，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 9 电子科技大学硕士学位论文 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流，从而实现o c d m a 通信。 2 1 20 c d m a 系统地址码 由于o c d m a 技术在光域中对光信号强度进行处理，导致光信号处理中只能 采用非负值( o 、1 ) ，即单极性码，这与电域c d m a 技术中能采用的双极性码( 1 、 1 ) 有本质的区别。在电c d m a 技术中采用的扩频码，如g o l d 码、w 砒s h 码和m 序列等，在单极性码中却无法使用。 o c d m a 系统的单极性地址码主要有光正交码( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ， o o c ) z 3 l 、素数码 2 4 1 、准素数码【2 卯、2 “素数码 2 6 1 、平方同余码【2 7 】、唯一叠和码 2 s l 、 扩展平方同余码、混合码和用于空间光通信的空问结构码等。 素数码在非相干o c d m a 和跳频o c d m a 等领域有着广泛的应用，其码重为 以素数1 ，码长为尸2 ，码字个数为p ，其优点是产生算法简单，而且编解码器结构 简单，利用光纤延迟线网络和光开关即可实现，但其相关输出旁瓣值大，自相关 值l = p - 1 ，互相关值七- - - - 2 。同光正交码相比，素数码可以提供较多的用户数。 光正交码是o c d m a 系统中比较成熟的地址码之一。它是一种较好的码集， 其码重较小，相关性是各种码集中最佳的，但码字个数较少，且产生码字的算法 复杂。光正交码因其良好的相关特性，很受国际学术界重视，很多研究人员对光 正交码的构造及其性能进行了大量讨论。 虽然光正交码具有良好的相关特性，但是容量很小；素数码因放宽了码字间 的互相关特性，容量有所增加，但是依然很小。系统可容纳的总用户数由地址序 列的码字容量决定，一定误码率条件下可同时传输数据的用户相当有限，必须寻 找新的具有更好的相关特性、并能容纳更多用户的光地址码编码方法。为此，很 多人对用于o c d m a 系统中的多维地址码进行了研究。 多维码的扩频编码涉及到时域、频域和空域，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；如果扩频码涉及到时域、频域和空域中的任意 两个则称为二维码。二维码的每个地址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，由于增加了一个自由度( 空间或波长) ，二维码o c d m a 系统 的性能比一维码o c d m a 系统的性能有较大的提高。在相同的扩频系数下，不仅 1 0 第二章o c d m a 系统基本原理及其关键技术 码字数增多，同时使用的用户数也有较大的提高。最重要的是二维o c d m a 系统 的实现在现阶段的光纤通信现状下比较现实，成本也要比双极性o c d m a 系统低 得多。目前时域和频域相结合的跳频，扩时二维码成为研究的热点，研究表明时域 频域二维光正交码的容量远远大于一维光正交码的容量，码字性能也得到了很大 地的改善。 2 1 3o c d m a 系统编解码 光编解码器的结构与特性直接影响系统的功率损耗、用户容量、误码率、系 统成本和系统的灵活性等。在o c d m a 系统中不同的地址码需要设计相应的编解 码器，光强度编码系统中采用树型、梯形网络结构的编解码器较多；光波长编解 码系统中一般采用光纤光栅、阵列波导光栅；相位编解码系统中常采用掩模板、 光纤延迟线加移相器和光纤光栅编解码器等。 根据信号处理是否相干，o c d m a 编解码方式可分为相干编码和非相干编码。 非相干o c d m a 大都采用非相干的强度调制直接检测( i m d d ) 方式，只能使用 单极性码字。由于只有“1 ，o ”的地址码之间无法实现完全正交，所以非相干系统的 地址码之间事实上是伪正交。因为互相关值不为零，所以解码器在解调期望用户 的数据时，其它用户会对期望用户产生干扰，当并发用户( 也成激活用户) 数目 超过一定值时，就会产生较高的误码率。这种干扰即为多址干扰( m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ，m a d 。在非相干o c d m a 系统中，消除或减小多址干扰是非常重要 的一个问题。 2 2o c d m a 关键技术 2 2 1 地址码的设计 因地址码的特性对系统的性能( 如数据传送速率、误码率、信噪比及能提供 的用户数等) 有很大的影响，所以设计和选取合适的地址码至关重要。地址码的 设计包括码的相关特性、码长、码容量及实现难度等。要求地址码序列有良好的 相关，以保证在解码器的输出端，能通过光时控门及合适的判决，较容易的恢复 出码元脉冲。此外，还要求能为用户提供尽可能多的码字容量，并在工程上易于 实现。 电子科技大学硕士学位论文 o c d m a 地址码主要分为用于光强度调制的单极性码和用于光相位调制的双 极性码。目前已提出的单极性码存在一定限制： ( 1 ) 码字稀疏，使的码片宽度很窄，编码时要求很窄的光脉冲，实现困难。 ( 2 ) 码字容量非常小。如光正交码o o c 的码字容量满足 m 刮蒜南l 数( 2 - 1 ， 其中l 为码长，w 为码重。当l = 1 2 7 ，w = 4 ，o o c 的码字数耳最多为1 0 。 ( 3 ) 码长不能任意选取。 ( 4 ) 相关性能差。 目前采用波长、空间和时间组合的多维编解码，已经显著增大系统码字容量。 相位编解码和码字转换实现了无线c d m a 技术中常用的g o l d 、w a l s h 等码集到 o c d m a 的直接映射，改善了系统的相关性能。由予码字容量和实现的难易程度 等方面优势，目前波长和时间结合的二维码字仍然是o c d m a 码字的研究热点。 二维码字比较有代表性的是二维波长时间素数码【”、二维光正交码和二维r s 码f l 】 2 2 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 在现有的o c d m a 编解码器方案中，基于光纤延迟线的并行结构编解码器和 梯形编解码器t 2 9 j 分别如图2 2 、图2 3 所示。 在并行结构编懈码器中，输入光脉冲由光分路器分成w 路( w 为码重) ，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。利用可调光纤延迟线和延迟控制器可 以实现任意寻址。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。 梯形光编解码器具有结构简单、功率损耗小等优点，适用于时域扩频o c d m a 系 统。利用光开关代替其中的光耦合器，可以实现灵活寻址。 1 2 第二章o c d m a 系统基本原理及其关键技术 图2 2 并行光纤延迟线编码器 时间 图2 3 梯形编码器 另外，还有基于频域编码的编，解码器、跳频o c d m a 编解码器等很多方案， 设计性能更好、更实用的编解码器仍是o c d m a 技术的一个重要研究方向。 2 2 3 光源 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，一般 来讲，o c d m a 系统要求光源发出的光脉冲尽可能窄，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1 0 g h z 的系统，需超短 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，但是如何抑制相邻光脉冲间的相干性还有待研究。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 多用户干扰抑制技术 o c d m a 技术中m a i 是c d m a 技术特有的问题，尤其是在单极性系统中，由 于码字的相关性较差，m a i 对系统的影响远大于系统中的其他影响，如热噪声、 散粒噪声、a p d 噪声等。 因此，消除o c d m a 系统中的m a i 是关键技术之一。一种方法是采用光限幅 器f 3 2 1 ，但是它是比较消极的措施，不能充分利用光功率。自适应光限幅器在一定 程度上得到了改进，但实现比较困难。如何有效地抑制多用户干扰是现阶段研究 的热点之一。 2 2 5 光功率控制技术 o c d m a 系统同无线c d m a 系统一样都存在着类似的功率控制问题。不同的 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 问题显得尤为突出，需要采取类似于无线c d m a 系统中反向链路开环、闭环的功 率控制措施。 就目前的情况而言，光功率控制现在并不是研究热点，在几乎所有的o c d m a 文献中，都假设不考虑这个问题以简化分析过程。相信随着o c d m a 技术向实用 化的进一步发展，光功率控制技术会引起更多人的重视。 2 3 小结 本章首先从系统结构、地址码和编解码等角度介绍了o c d m a 技术的基本原 理，然后从地址码设计、编解码实现、光源、多用户检测、光功率控制等五个方 面介绍了o c d m a 系统关键技术。 1 4 第三章基于o c d m 的o a d m 研究 第三章基于0 c d m 的o a d m 研究 环网简化了网络协议和硬件设计，方便网络资源的管理和控制，有很强的生 存性，近年来在接入网、城域网得到了广泛应用。构成全光环网的关键网元设备 是o a d m ，现有的o a d m 几乎都是通过控制光波长来实现用户数据的上路和下 路。虽然这种方式能较好地满足w d m 网络的需求，但是它也有一些不足，比如 支持的用户数受波长间隔及实际可用波长数目的限制。光码分多址技术作为一种 新颖的多址接入技术，它可以在整个带宽内提供随机接入，简化网络控制，增加 系统的安全性和灵活性【3 1 】【3 2 】【3 3 1 ，此外，光码分多址系统支持的用户数与设计的码 字有关，不直接受波长数目的限制。如何把o c d m 技术的优势应用到o a d m 中， 成为一个值得研究的问题。 ， 基于o c d m 技术的o a d m 用于环网时，一个必须解决的问题是码字消除问 题( “消除”也就是说在某用户的码字被下路时，该码字应从环网中被彻底清除掉) ， 因为如果一个码字在环内不停地循环会导致干扰累计，最终使整个系统无法工作 为此，文献瞄】提出并实验验证了一种基于t o a d ( t e r a h e r t zo p t i c a la s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x e r ) 的下路单元( 即码字消除单元) 的结构，实验表明该结构或装置能 够正确实现所需码字的下路。本章则通过理论分析重点研究这种基于o c d m 的 o a d m 的环网中下路单元对经过它的的其它用户误码率的影响。计算结果显示