（光学工程专业论文）基于多重光正交码的光标签产生及实验研究.pdf

摘要 摘要 作为下一代光网络的发展目标，光分组交换网络以光分组的形式来承载数据 业务，净荷的传输与交换在光域中进行，而标签头的处理和控制在光域或电域中 完成，标签处理技术是光分组交换中的一项关键技术，是实现光分组交换的前提。 本文围绕基于光正交码( o o c ) 的光标签处理技术分析讨论了三重o o c 光标签结 构的意义、与实现方案，设计相关的控制电路与编解码器，实验研究了基于三重 o o c 光标签的光分组交换系统的光标签处理技术。 非相干的o c d m a 系统利用光信号的强度携带信息，实现方式比较简单，对 器件的性能要求比较松。光正交码以其优良的性能成为实现非相干o c d m a 系统 的一种地址码。基于o c d m 的光分组交换系统采用光正交码对标签进行编码，通 过光解码器能恢复出经过编码的标签信号，而抑制未经过编码的净荷信号，从而 提取出标签信号。单个o o c 标签方案的光正交码标签数目十分有限，因此我们提 出用多个o o c 的串行排列组合的方法大大增加光标签的数目，这种方案可使光分 组交换网络的规模得到扩展。实现多个o o c 串行排列标签格式的关键技术在于标 签的编解码与标签的识别。本文的研究围绕这些关键技术展开。 多重o o c 光标签的编解码模块主要包括f p g a 控制电路，光开关，编解码器， 光纤延迟线( f d l ) 、光源及调制器。f p g a 控制电路包括光开关配置接口模块、 路由信息处理f p g a 模块、编码脉冲发送模块及主机接口模块。光开关配置模块 实现o o c 编码在时域上的不同延时；信息处理模块实现路由信息的接收与识别， 处理相关的控制信息；编码脉冲发送模块实现高速短脉冲；主机接口模块实现主 机与f p g a 控制电路的通信。编解码器采用光纤光栅串联结构，实现比较容易。 本文在设计的基础上进行了组网实验，包括单个o o c 编解码、三重o o c 光 标签的编解码、光分组信号的产生、标签识别与标签擦除。实验获得了比较满意 的结果。 关键字：光分组交换，光j 下交码，光标签处理，f p g a 电路，编解码器 a b s t r c t a b s t r a c t a st h en e x t - g e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r kd e v e l o p m e n tg o a l ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) n e t w o r kb e a rt h ew e i g h to fd a t as e r v i c e sb yt h ef o r mo fo p t i c a lp a c k e t p a y l o a d t r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n gi nt h eo p t i c a ld o m a i n , w h i l et h ep r o c e e s i n ga n dc o n t r o l l i n g o fl a b e la r ec o m p l e t e di nt h ee l e c t r o n i cd o m a i n t h et e c h n o l o g yo fo p t i c a ll a b e l p r o c e s s i n gi sak e yt e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t a t i o nf o ro p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g i nt h i s t h e s i s ，t h eo p t i c a ll a b e lp r o c e s s i n gb a s e do no p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ( o o c ) a r ea n a l y s e d a n dt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i ta n df b ge n c o d e r d e c o d e ra r ed e s i g n e d t h eo p t i c a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt r i p l e - o o c a r ee x p e r i m e n t e di nt h eo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n gs y s t e m n o n c o h e r e n to c d m a s y s t e mu s eo p t i c a li n t e n s i t yt oc a r r yt h ei n f o r m a t i o n i ti s v e r ye a s yt oa c h i e v e m e n t t h er e q u i r e m e n to ft h ed e v i c ep e r f o r m a n c ei sl o o s e o p t i c a l o r t h o g o n a lc o d eb e c o m ea d d r e s sc o d eo fn o n - c o h e r e n to c d m as y s t e mf o ri t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e o c d m b a s e do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gs y s t e m su s et h eo p t i c a l o r t h o g o n a lc o d e st oe n c o d et h el a b e l i tc a l lb er e s t o r e dt h r o u g ho p t i c a ld e c o d e r t h e p a y l o a ds i g n a li sr e s t r a i n e db yt h ed e c o d e r t h eq u a n t i t yo fl a b e l 、析mas i n 酉eo o c i s l i m i t e db yt h ec o d el e n 舀ha n dc o d ew e i g h to fo o c s ot h em u l t i p l eo p t i c a lo r t h o g o n a l c o d e ( m o o c ) i sp u tf o r w a r dt oi n c r e a s et h eq u a n t i t yo fl a b e ll a r g e l y t h es c a l eo f n e t w o r kw o u l db e e n l a r g e d t h ek e yt e c h n o l o g i e s o fm o o c1 a b l ea r e e n c o d i n g d e c o d i n ga n di d e n t i t y t h o s et e c h n o l o g i e sw i l lb er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h ee n c o d i n gm o d u l eo fm o o cc o n s i s t so ff p g ac o n t r o l i n gc i r c u i t ，o p t i c a l s w i t c h i n g ，e n c o d e r , o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e ( f d l ) ，l i g h ts o u r c e sa n dm o d u l a t o r f p g a c o n t r o l l i n gc i r c u i ta n de n c o d e ro f t h es y s t e ma y ed e s i g n e db yt h er e q u i r e df u n c t i o n t h e f p g ac o n t r o l i n gc i r c u i ti n c l u d et h eo p t i c a ls w i t c h i n gc o n f i g u r a t i o ni n t e r f a c em o d u l e ， r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm o d u l e ，e c c o d i n gp u l s ep r o d u c i n gm o d u l ea n dt h e r s 2 3 2i n t e r f a c e t h ed i f f e r e n td e l a yo fo o c e n c o d i n go nt i m e d o m a i ni sc a r r i e do u tb y t h eo p t i c a ls w i t c h i n gc o n f i g u r a t i o nd i f f e r e n ta c c e s s t h er o u t e ri n f o r m a t i o ni sr e c e i v e d a n dp r o c e s s e db yt h er o u t e ri nf o r m a t i o np r o c e s s i n gm o d u l e e n c o d i n gp u l s et r a n s m i t t e r t t a b s t r c t p r o d u c et h eh i 曲s p e e dp u l s e t h er s 2 3 2i n t e r f a c em o d u l ec o m p l e t et h ec o m p u t e ra n d f p g ac o m m u n i c a t i o n e n c o d e ra n dd e c o d e ru s ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) t a n d e m s t r u c t u r e ，r e l a t i v e l ye a s y t oa c h i e v e t h ee x p e r i m e n tc o n s i s t so fs i n g l eo o ce n c o d i n g d e c o d i n g , t r i p l eo o cl a b e l e n c o d i n g d e c o d i n g , o p t i c a lp a c k e ts i g n a lp r o d u c i n g , l a b e lr e c e i v i n g ，l a b e lr e c o g n i t i o n a n dl a b e le r a s u r eh a v e b e e nd o n e s o m ei s s u e se n c o u n t e r e di nt h ee x p e r i m e n th a v eb e e n a n a l y s i s e a n de x p e r i m e n ti si m p r o v e db a s eo nt h ea n a l y s i s e k e y w o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g , o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e s ，o p t i c a ll a b e l m a n a g e ，f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yc i r c u i t ，e n c o d e r d e c o d e r i i i 图形列表 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 - 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图形列表 光分组交换网络结构2 o c d m a 接入网拓扑结构示意图3 基于光正交码光标签的光分组交换网络6 基于f b g 的光编解码器原理1 4 基于m o o c 光标签的o p s 网络1 6 边缘节点组成框一1 7 光标签产生模块1 7 核心交换节点组成框图18 f p g a 系统模块框图器1 9 光开关配置接口电路2 0 f p g a 配置模式2 2 电源原理图2 2 晶振电路原理图2 3 可编程引脚模块2 3 印制线与信号沿的关系2 4 双端口转单端口的转换电路2 5 单端口输出电路2 6 串口电路模块设计原理图2 7 编解码器结构图2 9 编解码器频谱图3 0 实验方案3 2 f p g a 控制电路实物图3 2 铌酸锂调制器实物图3 2 光开关实物图和光开关控制时序3 3 光编解码器与光环行器实物图3 3 f p g a 内部功能顶层模块3 4 f p g a 控制电路的主要信号时序3 4 v i 图形列表 图禾8 图4 9 图4 1 0 图4 _ 1 1 图禾1 2 图4 1 3 图4 - 1 4 图4 1 5 图4 _ 1 6 图4 1 7 图4 _ 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图4 _ 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 f p g a 输出的5 0 0 m 编码脉冲3 5 调制后的单脉冲3 5 o o c 编码波形3 6 经过e d f a 放大后的解码波形3 6 三重光正交换码光标签编解码方案3 7 边缘接点发送标签的时序3 8 f p g a 接收标签时序3 9 不同配置情况的三重o o c 编码波形一4 0 光开关切换后引起解码噪声功率突变一j 。4 0 对编码脉冲进行偏振控制后的标签编码4 l 噪声功率被抑制后的解码波形。4 2 分组信号产生框图4 2 光分组信号4 3 t xi n 与标签信号之间的延时4 3 f p g a 接收整形后的解码脉冲4 4 f p g a 整形电路对解码波形误判4 5 核心接点判决出标签4 5 周期分组信号的标签擦除4 6 标签擦除成功4 6 标签擦除位置偏差4 7 v i i o p s g n 口l s b s 印z o s o m o o c m o o c o c d m a m u i f b g f p g a s o a l e s i 缩略字表 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g b i t - s e a l w a v e l e n g t hl a b e o p t i c a ls u b c a r r i e r o r t h o g o n a lm 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 m u l t i p l eo p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e 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 m u l t i p l eu s e ri n t e r f e r e n c e f i b e rb r a g g g r a t i n g f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y s e m i _ c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r i x , g i ce l e m e n t s i g n a li n t e r i t y v i i i 光分组交换 通用多协议标签交 换 比特串行 波长标签 光副载波 正交调制 光正交码 多重光正交码 光码分多址 多用户干扰 光纤布拉格光栅 现场可编程逻辑阵 列 半导体光放大器 可编程逻辑单元 信号完整性 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：旦丛鱼日期：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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：娅导师签名：一 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光分组交换网络及光标签概述 光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 是下一代光网络发展的目标， 以光纤中传输的分组信号为基本交换单元，具有很小的交换粒度和更高的统计复 用率，对数据速率和格式透明、更能适应快速变化的网络环境，未来的通信网将 从现有的电( 光) 路交换网进化为光分组交换网。光分组交换网与通用多协议标 签交换( g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t h i n g ，g m p l s ) 协议的结合使其成为 一种最理想的光交换形式【l 捌。光分组交换的关键技术主要包括光标签处理，竞争 解决，光交换矩阵，网络流量控制和全光信号再生等。 光分组交换网络横向上分为核心节点和边缘节点【3 丌，如图1 1 所示。核心节 点完成对分组交换前的预处理，如光功率均衡，分组同步，标签和净荷的分离，3 r 再生等功能；与净荷分离的标签信号输入标签处理单元提取标签信息，由控制单 元完成竞争解决单元和交换矩阵的配置，净荷信号透明地通过竞争解决单元和交 换矩阵，由标签更新单元完成新标签信号的插入，核心节点输出级完成对交换过 程中净荷的损耗进行放大补偿。边缘节点与外部接入网络连接，具有协议转换和 路由功能；边缘节点将接入网中的数据汇集成光分组的净荷，并依据相关分组业 务的q o s 要求等分配标签，产生光分组。输入的数据经过缓存，拆帧并交换到相 应的波长输出通道，产生光分组。从光交换网络到达的分组经过反向处理，成帧 后输出到相应的接入网络。 在纵向上，光分组交换网络分为客户层、p 层、o p s 层以及w d m 层。同步 数字体系( s d h ) 和异步传递模式( a t m ) 等传统的传输网络在网络层次上逐渐上移， 连同当前的m 网络一起成为o p s n 的业务网络：i p 协议无可置疑成为语音、数据和 视频等各种业务的统一业务承载层；o p s 层是电域的i p 层与光域的w d m 层之问的 适配层；w d m 提供最底层的物理传输带宽资源。来自客户网络的业务数据在o p s n 边缘节点处打包，然后加上光标签或光信头构成光分组交换网络的基本数据传输 单元光分组。o p s 核心网络以光分组的形式来承载业务数据，所有光分组的 电子科技大学硕士学位论文 净荷数据的传输和交换都在光域中进行，而光分组信头的处理和控制如前所述可 能经光电光变换完成，也可能直接在光域中进行。 图卜1 光分组交换网络结构 光标签处理技术包括标签的提取，识别与更新，可分为电光混合标签处理和 全光标签处理。目前采用较多的是光电混合的标签处理技术，即标签信息在电域 进行处理并转化为控制信号，可充分发挥电域的信号处理能力，同时在提取标签 和更新标签时尽可能不影响净荷信号。全光标签处理指的是不经过光电转换，由 输入的光标签信号直接触发交换控制的光控光的处理方式。如采用s l a l o m ( s e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e ri nl o o po p t i c a lm i r r o r ) ( 即t o a d ( t e r a h e r t z o p t i c a la s y m m e t r i cd e m u l t i p l e x e r ) ) 实现光标签的提取与识别6 1 ，并转化为控制 信号触发光触发器( o p t i c a lf l i p f l o p ) 完成1 2 的交换功能7 之。由于逻辑光 器件不成熟，全光光标签处理技术所能实现的功能极其有限。 人们已提出了各种光分组的格式，主要体现在标签的调制方式上，而净荷主 要是o o k 调制。现有的标签调制方式有： ( 1 ) 比特串行( b i t s e r i a l ，b s ) 编码：比特串行的光标签格式在时域上与净荷 信号分开，标签与净荷信号的串扰小，但在提取和更新标签时，要求精确的定时 信息和控制。采用比特串行光标签方案的主要有k e o p s ( k e yt oo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 2 2 】、 w a s p n e t ( w a v e l e n g t h s w i t c h e dp a c k e tn e t w o r k ) 2 3 】、 i s t - l a s a g n e ( a l l o p t i c a l l a b e ls w a p p i n ge m p l o y i n g o p t i c a ll o g i cg a t e s i n n e t w o r kn o d e s l 【2 4 】等。 ( 2 ) 波长标签( w a v e l e n g t hl a b e ，w l ) ：在波长标签格式中使用单独的波长传 2 第一章绪论 输标签，是一种带外信令方式。采用光滤波器易于分离标签和净荷，且串扰小， 对定时的要求低，但为每个净荷波长通道都分配一个标签波长通道，对波长资源 的浪费大。 ( 3 ) 光副载波( o p t i c a ls u b c a r d e r ，o s ) ：采用副载波来传输标签，在频域上与 净荷分离，可采用滤波器来分离标签和净荷，但副载波频率限制了净荷的传输速 率，并且标签和净荷存在串扰。采用副载波标签的方案有美国a r p a 资助的 c o r d ( c o n t e l l t i o nr e s o l u t i o nb yd e l a y sl i n e s ) o z 副和o p e r a ( a no p t i c a lp a c k e t e x p e r i m e n tr o u t i n ga r c h i t e c t u r ew i t hl a b e ls w a p p i n gc a p a b i l i t y ) 0 2 6 j 等。 ( 4 ) 正交调匍j ( o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n ，o m ) ：光正交调制对标签与净荷采用 各自独立的调制方式，该方案以降低净荷的消光比为代价，标签与净荷的干扰严 重，且标签处理复杂。如欧洲i s t - s t o l a s ( s w i t c h i n gt e c h n o l o g i e sf o ro p t i c a l l y l a b e l e ds i g n a l s ) 【2 7 】项目采用f s k 调制标签，o o k 调制净荷：文献 2 8 】采用d p s k 调制标签，o o k 调制净荷。 ( 5 ) 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 ) - 采用光正交码对标签进行编 码，通过光解码器能恢复出经过编码的标签信号，而抑制未经过编码的净荷信号， 从而提取出标签信号。如日本n i c t ( n a t i o n a li n s t i t u t e o fi n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ) 采用b p s k 格式的光正交码标签【2 8 1 。 1 2o c d m a 系统结构与技术特点 光码分多址 o p t i c a lc o d ed 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 ) 技术将光通信 与c d m a 技术相结合，o c d m a 接入网通常采用星形拓扑结构，网络为每个通信 用户分配一个地址序列，用户用自己的地址对需要传输的信号进行编码后直接发 送到o c d m a 网络中。接入网拓扑结构如图卜2 所示。 3 电子科技大学硕士学位论文 l 用户数兹l 卜 ：耋兰兰；一茎薹茎i e - i 恢复数搦li l 其l 沪数据l t - 叫恢复数据l i 用广，数挺l 卜 叫编码器。卜一解码嚣：卜 一恢复数据l 图卜2o c d m a 接入网拓扑结果示意图 o c d m a 系统在光域对各路信号进行光编解码，对用户数据进行全光信号处 理，实现多址通信。一般的o c d m a 系统主要由数据源、光编解码器、光纤、数 据接收器组成。在发送端，每个用户分配一个地址码，由光编码器对用户数据编 码，即用地址序列对用户信号编码；在接收端，光解码器对收到的扩频序列与本 地地址码进行相关运算，采用相关或是非相关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信号 2 9 1 。由于信息在信源就变成了光信号，到达目的 地后才变成电信号，真正做到了光子进光子出，从而可望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【3 0 1 。 o c d m a 传送网上的信号是多个用户的合成信号，其扩频技术保证了可以在 任何地方下路，接收到的信号是多用户的信号叠加。只有在接收端地址和发送端 地址严格匹配的情况下，才能恢复出原始信号 3 l 】；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，因此o c d m a 系统具有很好的 安全性与抗干扰性【3 2 1 。此外，系统采用宽带光源，无须对波长进行精确的控制， 允许用户随机接入同一信道，简化了网络成本与网络管理【3 l 】。 根据o c d m a 系统采用的地址编码方式的不同，网络的实现主要有相干与非 相干系统。前者利用光场的相位来传输信号，而后者则是用光场的能量来传输信 号。非相干o c d m a 系统实现比较简单，对器件的性能要求较松，被认为是o c d m a 技术投入实际应用的首选方案。由于所用系统为正系统，所用的扩频序列为“0 ， 1 ”序列，地址码之间是伪f 交的，这样用户的扩频序列之间不可避免的存在多用 户干扰( m u l t i p l eu s e ri n t e r f e r e n c e ，m u i ) ，当并发用户集中时，就有很高的误码 率。因此，非相干光系统能否投入实际应用的关键在于：寻找性能优良的光地址 4 第一章绪论 码码集，并在现有的器件指标下能够实现的光编解码器构造，以及系统m u i 的抑 锖1 e 2 9 , 3 1 。 光地址码应具有自相关峰值最大、互相关峰值较小的特点。为使收发双方容 易获得同步，自相关的旁瓣也要小。同时，光码集能够容纳尽可能多的并发用户 数，增加系统容量【2 9 1 。 光编解码器是o c d m a 系统的核心部件。在发送端编码器将数据比特转换为 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成数据比特。光 编解码器的结构和特点直接影响着o c d m a 系统的用户规模、误码率等性能，决 定着o c d m a 系统能否投入实际应用。 多用户干扰是系统的主要误码源，在解码器中采用平衡接收可以有效抑制 m u i ；通过硬限幅器的限作用也可以使m u i 得到抑制，改善系统性能。 目前关于光正交码以及以此为基础的o c d m o c d m a 技术的一些较有代表性 的国内外发明专利情况如下： ( 1 ) d s o c d m a 系统编码解码所用的采样光纤光栅及其制作方法：它采用光 纤光栅来构造用于光码分多址通信的编码解码技术【3 4 】。 ( 2 ) 光码分多址波长时间域二维光正交码编码器及解码器：为一种适用于光 码分多址通信网络的波长一时间域可调二维光正交码编解码器的结构【2 9 3 5 ，3 7 】。 ( 3 ) 一种基于光码分多址复用技术的无源光网络：其光线路终端和光网络单 元是基于光码分多址复用技术的无源光网络【3 6 1 。 ( 4 ) o c d m 检测装置：一个用于检测接收到的o c d m 信号的检测器和一个受 o c d m 检测器控制的光学元件，在闭合光纤环路中，当o c d m 传输信号经过相应 的接收节点后，可以把它们从光学环路上移除【3 8 4 0 】。 ( 5 ) 光码变换器：码变换器用作将来自第一光传输信道的光信号变换到第二 光传输信道，主要用于o c d m 系统中灵活地分配信道旧。 1 3 基于光正交码光标签的光分组交换网络 光分组交换技术和o c d m a 技术在下一代光通信网络中扮演很重要的角色， 5 电子科技大学硕士学位论文 o c d m a 技术与光分组交换技术相融合已成为光通信发展的趋势之一，受到国内 外相关专家的极大关注瑚】。基于光正交码光标签的光分组交换网络，采用光正 交码对标签进行编码，通过光解码器能恢复出经过编码的标签信号，而抑制未经 过编码的净荷信号，从而提取出标签信号，如图l o 所示。 基于光正交码光标签的光分组交换网络同样分为边缘节点和核心节点，边缘 节点把用户数据组装成净荷信号，并加上基于光正交码的光标签。每个用户分配 一个光正交码地址，并且多个用户共享相同的信道。当分组包到达核心节点，标 签与数据净荷分离，核心节点提取标签中的路由信息，根据路由信息配置交换矩 阵，此外核心节点还将为数据净荷加上标签。分组包到达目的地址后，先对标签 进行解码，解码正确将接收数据挣荷，否则丢弃。目前人们对光正交码标签的研 蹦卜3 基十光正交码光标筘的光分组交换网络 究主要限丁单个o o c 情形，如同本n i c t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fi n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o n st c c h n o i o g y ) 实现的b p s k 格式的光丁f 交码标签等。随着光分组 交换网络的容昔扩大，光标誉的需求也随着扩大，单个o o c 标签方案的光正变码 标签数目十分有限，本课题组提出了o o c 串行排列标签格式。用多个o o c 的串 曩豳 臣里 雷 第一章绪论 行排列组合的方法大大增加光标签的数目，这种方案也可使光分组交换网络的规 模得到扩展。 本文将对多重光正交码( m u l t i p l eo p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ，m o o c ) 光标签的 产生与处理技术进行研究。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要对多重光正交码光标签进行研究，课题来源于国家8 6 3 项目“基于 多重光正交码光标签的光分组交换。 论文的主要安排如下： 第二章主要介绍了光正交码的构造，光编解码器的实现，并以此为模型构造 了码长为1 9 ，码重为3 的光正交码和基于光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg a t e ，f b g ) 的编解码器。 第三章分析讨论基于多重光正交码光标签的o p s 系统模型，研究了光标签编 解码的实现方案，并根据系统需要设计了f p g a 控制电路和基于f b g 的光编解码 器。 第四章为组网实验。进行了基于三重o o c 光标签处理的相关实验，完成了标 签产生模块中f p g a 控制电路与f b g 编解码器的功能验证：完成了光标签的编解 码、光分组的产生、标签识别和标签擦除等实验。 第五章为全文总结。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章光正交码与o c d m a 系统的编解码技术 在o c d m a 系统中，所谓的编解码，就是指用户信息与地址码之间调制与解 调的过程。在o c d m a 通信系统中，编解码实现的好坏直接影响系统的性能和通 信质量，而其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。本 章将首先对o c d m a 系统采用的地址码进行讨论研究，然后进一步讨论o c d m a 系统中完成用户信息与地址码之间调制、解调功能的基于f b g 的编解码器原理与 设计。 2 1o c d m a 系统中地址码的理论分析 在o c d m a 系统中，地址码的类型、长度和速率直接影响到编码的实现难度、 变址能力、系统的容量等，因此为了提高o c d m a 系统的性能就必须选择合适的 地址码。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码是o c d m a 的一 个重要研究方向。由于单极码的容量比双极性码小，为了克服该缺点，近年来有 许多关于二维编解码的报道，可以在保持相关性基本不变的情况下，大大提高系 统容量。 由于非相干o c d m a 系统比相干o c d m a 系统实现方式简单，对器件的性能 要求较松，因此被认为是o c d m a 技术投入实际应用的首选方案。在非相干 o c d m a 系统中，编码方式是在光域中对光信号强度进行处理，导致光信号处理 中只能用非负值( 0 、1 ) ，即单极性码，这与电域中c d m a 技术能采用的双极性 ( 1 ，1 ) 有本质区别。在电c d m a 技术中采用的扩频码如g o l d 码、w a l s h 码、m 序列等，在单极性码中无法使用。 o c d m a 系统的单极性码主要有光f 交码、素数码、准素数码、平方同余码、 扩展平方同余码、混合码和用于空间光通信的空间结构码等。 衡量一个地址码性能好坏的标准主要是相关性，包括自相关和互相关性。自 8 第二章光正交码与o c d m a 系统的编码技术 相关性： 对任意序列x ( x o ，五，玉，x n 一。) ，其不连续的自相关函数为： - 1 只一0 ) = 蕾玉。 o s _ n - 1 ( 2 1 ) i = 0 互相关性： 对任意序列x ( x o ，五，五，h 1 ) ，y ( y o ，咒，咒，y u i ) ，x y ，互相关 函数为： 一1 只y p ) = x i y i 。 o _ s _ n - 1 ( 2 - 2 ) 式中x o ，x ，x n 一。和y o ，y i ，“y n 一。表示码字，s 表示移位位数，n 为码长。 由式( 2 1 ) ，当s 0 时，自相关函数存在旁瓣。要求白相关函数的峰值越大越好， 旁瓣尽可能小，理想情况为0 ；互相关值对应检测中存在的多址干扰，应使其尽可 能的小，理想情况为零，对应正交序列。目前在单极码中研究较早较多的是素数 码和光正交码。 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 p ( 素数) ，码长为p 2 ，码字个数p ，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就可实现，但其相关输出旁瓣值较大，自相关 值乞= p 一1 ，互相关值丑= 2 。同光正交码相比，素数码可以提供比较多的用户数。 光正交码是o c d m a 系统中比较成熟的地址码之一，是一种比较好的码集， 其码重小，相关性是各种码集中最佳的，但码字个数少，且码字的算法复杂。光 正交码因其良好的相关特性，受到学术界的广泛关注，目前很多研究人员对光正 交码的构造和性能进行了大量的研究。本文中将采用光正交码作为实验地址码。 2 1 1 光正交码的码字结构与相关性分析 光正交码是一组自相关和互相关性都很好的“0 ，1 序列。光正交码的设计 参数为矽( 厶c o ，乃，乃) ，其中l 为光正交码的码字长度，即“0 ，1 ”序列的码片总数； c o 为码字重量，即“0 ，1 序列中“l 的数目。丸和乃分别为自相关和互相关限 制；矽( 厶c o ，无，乃) 则表示长为l ，码重为c o ，相关限制为无和乃的光正交地址码码 集的码字基数。当乃乃时，该j 下交码称为等重非对称光j 下交码，类似于光素数 地址码。当乃= 乃= 五时，该f 交码称为等重对称光正交码。此时，光f 交码可记 9 电子科技大学硕士学位论文 为矽( 厶缈，a ) 。 在素数p 的基础上建立的光素数序列一般可分为p 个子序列，每个子序列中 有一个“l ，用“1 在各自子序列中的相对位置可以简洁的表示光素数码。与素 数码不同，光正交码的一长串“0 ，l 序列是一个整体，不可能分为若干个子序 列。对于码长较长的光正交码，可以简洁地用脉冲位，即码字中“1 的位置序号 来表示“0 ，1 码字序列。码片的序号为0 到l 1 。如长为1 3 、码重为4 、自相关 和互相关限制均为1 的( 1 3 ，3 ，1 ) 码集有两个码字： c = 11 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ，1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 可记为 c = o ，1 ，4 ) ， o ，2 ，7 ( m o d l 3 ) 这样，光正交码码字集的元素个数等于码集中码字的基数，每个元素是大小 为缈的集合。国集中每个码字都可以看成国维的矢量。 t = x o ，屯屹一。 ( m o d l ) ，c = ( 2 - 3 ) 光正交码码字矽( 厶缈，丸，疋) 的自相关为： - i 互，( f ) 玉k ，= 缈v ：r = 0 ，x e c ( 2 - 4 ) 一l 乙。，( f ) 薯札，屯v ：r ，o x e c ( 2 - 5 ) i = 0 互相关为： 一l 乙，( f ) 再，乃x , y c ，x c y i = o ( 2 6 ) 若光j 下交码用式( 2 3 ) 所示的向量表示，则码字的互相关性即为码字的交。 设x ，y 分别为矽( 厶c o ，无，丸) 的两个码字，其自相关限制为： i ( + x ) n ( f 2 + x ) j = 缈， v ：x c ，( r l t 2 ) ( m o d l ) = 0( 2 - 7 ) i ( 1 + x ) 厂、( 2 + x ) l 屯，v ：x c ，(