二维OCDMA通信系统研究.doc

JIU JIANG UNIVERSITY题 目： 二维OCDMA通信系统研究 英文题目： The Research Of Two DemensionOCDMA Communication System院 系： 电子工程学院 专 业： 通信工程 姓 名： 吴芳 年 级： 二零零三级 指导教师： 查代奉 二零 零七 年 五 月 二维OCDMA通信系统研究摘要光码分多址(OCDMA,Optical Code Division Multiple Access)是未来高速全光通信网络的备选方案之一，是目前光通信研究领域的热点。与其他的复用方式相比，OCDMA目前还处于相对不成熟的阶段。本文主要研究二维OCDMA系统。在二维OCDMA系统中，每个用户的地址码序列是二维的，即每个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空间或波长域上扩展。由于增加了一个自由度(空间或波长，二维OCDMA系统的性能比一维OCDMA系统有很大的提高。在相同的扩频系数下，不仅码字数增多，同时可使用的用户数也有较大的提高。最重要的是二维OCDMA系统的实现对现阶段的光纤通信现状比较现实，成本也要比双极性OCDMA系统低的多。论文首先对光码分多址技术的基本原理、编解码结构方案以及关键技术进行了介绍，并对光码分多址技术发展历史、研究现状以及发展趋势进行了总结，指出同其它复用方式相结合的混合全光网络和采用光纤光栅编解码器是光码分复用技术最有希望的发展方向。第二章针对二维OCDMA系统的性能进行了分析。通过对跳频扩时OCDMA系统误码率上限的研究，给出了误码率随影响系统性能的各个参数以及有无光学硬限幅器时的变化曲线，分析表明:通过减少码片之间的碰撞概率KZIFL以及使用光硬限幅器可以有效地改善系统的性能。对两种典型的二维OCDMA系统(MW OCDMA和WDM+OCDMA)的性能进行了比较分析。最后对改善二维 OCDMA系统的性能提出了建议和总结。第三章针对在光码分多址网络中实现多速率传输的要求，提出了一种采用并行多信道结构的多速率二维OCDMA系统。通过对该系统的理论分析和仿真研究可以看出，该系统克服了传统光码分多址系统用户数少的缺点，能实现多种速率信息的传递，而且每个用户都采用相同的光编码器，简化了系统的复杂程度，而且较多的用户数和较好的系统误码性能也说明了系统的可行性和实用性。第四章为全文总结。关键词：光码分多址，接收机噪声，跳频扩时码，多速率光码分多址AbstractOptical code division multiplexing access (OCDMA) is one of the possible resolutions for all future optical communication network, which is a hot topic in optical communication research. Compared with other multiplexing technologies, it is still at the state of infancy.The main research of this paper is focused on two dimension optical code encoded in time and wavelength or time and space domain, so the performance of two dimension OCDMA system is better than one dimension OCDMA system .It can accommodate more user simultaneously than one dimension OCDMA system and the implement is more easier than bipolar OCDMA system. Firstly, the basic principle, system schemes and the key technologies are introduced. The development, research status and trends of OCDMA technologies are also summarized. Combining with other multiplexing technologies and using fiber gratings as the encoder/decoder are the trends of OCDMA system. The sorts and architectures of two dimension OCDMA systems are investigated in the second section. Optical Fast Frequency-Hop CDMA system based on encoder/decoder of FBG is investigated through simulation. Results show that the system has preferable performance of the matched filtering. It is easily implemented and the wavelengths transmitted can be controlled. This system is one of the promising optical CDMA systems.The performance of two dimension OCDMA system is analyzed in the third section. The upper-bounds on BER of OCDMA system using the time spreading/wavelength hopping codes is investigated with or without using the optical hard limier. The thorough investigation and analysis on the performances of the system is performed by simulation and some valuable results are obtained. Two typical system of two dimension OCDMA systems are compared by simulation. At last, suggestion of improving the performance of two dimension OCDMA system is summarized.On the demand of the multirate transmission in OCDMA network, we advance a multirate two dimension OCDMA system using parallel structure in the forth section. By analysis and simulation, we can see that the system can overcome the disadvantage of traditional OCDMA system and all the users can use the same encoders and decoders, so it simplified the implement of system.The summarization of all the paper is got in the last section.Key words: Optical code division multiplexing access, Receiver noise, Time spreading/wavelength hopping code, multirate OCDMA目录第一章 绪论61.1 概述61.2 光码分多址技术基本原理71.3 光码分多址关键技术81.3.1 光地址码理论81.3.2 光编/解码器技术91.3.3 超短脉冲光源技术101.3.4 光功率控制技术101.3.5 码字同步技术101.4 光码分多址编解码结构方案101.4.1 非相干时域系统111.4.2 相干时域系统111.4.3 频域扩谱编码和译码系统121.5 光码分多址技术发展历史、研究现状以及发展趋势121.6 本文的主要研究工作13第二章 二维OCDMA系统性能分析142.1 光正交码码间干扰理论142.2 跳频扩时光码分多址系统误码率上限的研究162.2.1 系统性能分析162.2.2 仿真结果与分析182.3 MW OCDMA与WDM+ OCDMA系统的性能比较202.3.1 系统性能分析202.3.2 仿真结果与分析212.4 基于光正交码的MW OCDMA和WDM+OCDMA系统的性能比较222.4.1 系统性能分析222.4.2二维光正交码222.4.3仿真结果与分析242.5 二维OCDMA 系统性能的改善25第三章 基于FBG的多速率二维OCDMA系统263.1 引言263.2 系统结构263.3 系统性能分析273.4 仿真结果与分析28第四章 全文总结30参考文献31致谢32第一章 绪论1.1 概述光纤通信技术是随着人们对信息量需求的不断增长而飞速发展起来的，特别是近年来各种宽带的新型信息业务大量涌现，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，需要人们更好的充分利用现有光纤通信系统的巨大传输容量。光纤这种传输媒质在实际应用中几乎可以为人们提供无限的带宽。在1300nm和1500nm两个窗口，各约有l00nm的平坦滞宽，而实际中这超过30Tb/s的巨大带宽留有很大的潜在资源有待人们去开发.90年代以来，为了提高通信系统的性价比和经济有效性，满足不断增长的电信和Internet业务的需求，如何充分利用这一庞大的潜在带宽资源成为光纤通信技术发展的关键问题。为了进一步挖掘光纤的带宽资源，出现了光学多路复用技术，主要有光波分复用(WDM)、光时分复用(OTDM)和光码分复用(OCDMA)，以及近年来出现的混合WDM/OTDM, WDM/OCDM系统。光时分复用(OTDM,Optical Time Division Multiplex)是将调制后的光信号在时间上多路复用后输入光纤传输，在接收端实现光信号的解复用。OTDM关键技术包括高重复率超短光脉冲源、超短光脉冲传输技术、时钟恢复技术、时分复用信号处理和色散管理传输技术。由于应用于OTDM的光器件价格较高，系统复杂度高等原因，OTDM技术仍很不成熟，但是OTDM所具有的优势，如组网灵活、单波长传输可以克服WDM 系统中的四波混频等，使得OTDM仍成为光纤通信系统研究的热点，是未来高速、大容量光纤通信系统的方案之一。在WDM技术中，每一个信道采用不同的光波长在同一根光纤中同时传输。不同的信道可以根据需要传输不同的速率和数据格式。随着掺饵光纤放大器的广泛应用，以及大范围可调谐光源等技术的成熟，WDM 技术从实验室走向了商用化，已被广泛应用于世界各国的干线传输和城域网扩容。WDM可以细分为:W-WDM(wide-WDM)，通道间隔大于或等于25nm),M-WDM(mid-WDM，通道间隔大于3.2nm，小于25nm),DWDM(dense-WDM，通道间隔小于等于3.2nm)。通道可以是等间隔的，也可以是非等间隔的，采用非等间隔是为了减少光纤中FWM(四波混频)的影响。波分复用技术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。在波分复用技术中，波道数不能太多。目前投入商用的波分复用是40波道(40 X 2.4Gbit/s)，研究到达的水平为27340Gbit/s。码分多址(CDMA)技术是一种扩频通信技术，该技术具有极佳的保密性能。CDMA以扩频通信为基础。山农在信息论中提出:在保持信息传输速率不变的前提下，提高信息的带宽则可以降低信噪比。由此可知，我们把一个数字信号扩展成一个频谱无限宽的窄脉冲序列，将大大提高信号的抗干扰能力。光码分多址(OCDMA, Optical Code Division Multiple Access)是近年来兴起的另一种充分利用现有光纤带宽的复用技术。在OCDMA系统中，用户被预先分配一个特定的地址码，各路信号在光域上进行编/解码来实现信号的复用，所有用户同时占有整个带宽，在时间和频率上重叠，利用地址码在光域内的正交性来实现彼此的区分。它是将码分多址通信和光纤通信相结合的一种新型通信方式，该方式结合了两种通信技术的特点，具有很强的技术优势和广阔的应用前景。而且具有良好相关特性的扩频序列标识用户，可以同步或异步地将多个接入用户复用到相同的频带和时隙上，实现多个用户共享同一光纤信道和提高系统的容量，是一种全新的频率资源利用思路。虽然WDM、OTDM和OCDMA技术是实现高速、大容量光纤通信系统的不同技术方案，有各自的优缺点，但它们之间并不相互排斥。在建设下一代全光网上，每一种技术都可以构筑大容量的光纤通信系统，但都存在不足，因此近年来这三种技术互补共同构筑大容量的光纤通信系统成为一种趋势。例如，WDM和OTDM结合可以降低单信道OTDM的速率，从而减少超短光脉冲传输和色散管理的难度，同时可以降低WDM信道之间的非线性串扰，另一方面，在OTDM信道或者WDM波长上附加简单的伪随机序列，可以使得路由技术更具有灵活性，大大简化全光网的复杂性。1.2 光码分多址技术基本原理光码分复用的思想来源于无线的码分复用技术，下表为二者的比较:： 表1-1 无线CDMA技术与OCDMA技术的比较 无线CDMA OCDMA载波容量干扰抑制传输问题 微波波段 光波 干扰受限 干扰受限天线设计、功率控制 光限幅器、多用户检测损耗、远近、多径干扰等 色散、非线性等光码分多址系统主要由用户数据源、超短脉冲激光器、光开关、可调光CDMA编码器、光星型耦合器、可调光CDMA解码器、光电探测器、电阀值检测器等组成。OCDMA典型系统框图如图1-1所示 图1-1光码分多址系统组成框图在系统的发送端，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，当用户信息比特为“l”时，光开光置于直通态，激光源发射的光脉冲通过光开关进入可调光CDMA编码器，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可调光CDMA编码器，不进行编码，经可调光CDMA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，然后均匀地分配给每一个接收机，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信号，最后通过电阀值检测器，恢复出发送端用户的信息比特。从图中可以看出，与WDM和OTDM技术相比，OCDMA的不同在于发送端和接收端光编解码器的加入。由于OCDMA 技术中编解码方式多种多样，基于不同光编解码器结构的OCDMA 系统原理也不尽相同，但它们对伪随机地址码序列的要求必须满足以下几点:自相关峰值越大越好，自相关旁瓣值越小越好互相关峰值,越小越好。其中X和Y为码序列中任意两个码字，F为码长，下标i和j则表示时间位移。1.3 光码分多址关键技术由于OCDMA技术采用很多新的理论，光学信号处理技术也远未成熟所以有很多问题需要解决，归纳起来，OCDMA发展过程中的关键技术有以下几方面:1.3.1 光地址码理论由于OCDMA技术的特殊性Gold码等不适用于OCDMA地址码应具有高的自相关主峰领域，传统的用于无线CDMA的M序列、因此必须研究新的光地址码。好的光、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。光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。典型的码源有素数码及其改进码、光正交码。素数码构造算法简单，但其自相关旁瓣值和互相关峰值较大，码字个数较少。由于其较大的自相关旁瓣值不利于实现同步，所以只适合异步OCDMA系统。改进的素数码由素数码循环移位获得，用于同步OCDMA系统，其同步输出取样的自相关输出和互相关输出均为1,所以输出信嗓比较高，而且码字个数大大增加。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OCDMA系统.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。1.3.2 光编/解码器技术光编/解码器是OCDMA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。在现有的光码分多址编/解码器方案中，一般采用基于光纤延迟线的并行结构编/解码器和梯形编/解码器，分别如图1-2、图1-3所示。在并行结构编码器中，输入光脉冲由光分路器分成口路(m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OCDMA系统。利用光开关代替其中的光耦合器，可以实现灵活寻址。T输入端激光脉冲 1M光开关光开关光开关光开关：时间码选择器M1已编码位时间T图1-2:并联光纤延迟线编码器光纤延迟线耦合器1234图1-3:梯形网络另外，还有基于频域编码的编/解码器、跳频OCDMA编/解码器和相干OCDMA解码器等很多方案，但设计性能更好、更实用的编/解码器仍是一个重要研究方向。对OCDMA系统来讲，多用户干扰(MAI)是系统的主要误码源，在码器中采用平衡接收可以有效抑制MAI。另外采用同步方案，系统的抗MAI性能较异步方案有较大提高。另一个提高系统误码性能的方法是在电域对数据采用前向纠错码(FEC)进行编码，理论分析表明，采用FEC编码可以有效降低系统误码率。另一个提高光解码器抗MAI能力和输出信噪比的有效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IA值器件)，可以有效提高光解码器的解码性能。但目前这种器件还不实用。1.3.3 超短脉冲光源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，OCDMA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lOGHz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10GHZ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，如何抑制相邻光脉冲间的相干性和降低占空比还有待研究。1.3.4 光功率控制技术OCDMA系统与无线CDMA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。可以采用类似无线CDMA系统的反向链路开环和闭环功率控制措施。1.3.5 码字同步技术对同步OCDMA系统来讲，码字同步是一个关键性的技术。由于绝大多数OCDMA系统接收机都是基于非相干光的匹配滤波原理，另外光存储和光逻辑运算等技术还不成熟，所以匹配滤波法和突发同步法比较适合OCDMA系统的同步捕获，OCDMA系统同步后的相位跟踪采用非相干跟踪方法比较适合。具体的同步实现技术还需进一步研究。目前OCDMA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OCDMA网络结构和通信协议的研究还很不成熟。但是OCDMA技术在构建全光网络上的优点还是引起了人们极大的研究兴趣。例如OCDMA技术同其他复用方式结合的混合网络研究。1.4 光码分多址编解码结构方案OCDMA编解码结构的实现方法，归纳起来可分为时间域、频率域和空间域等几种。在时间域寻址方式中又可分为相干和非相干两种，在时间寻址方式中，数据是以一个在时间上连续的高速脉冲序列的形式传输的，编解码也是在时间域上进行的。频率域寻址方式中，数据是以光谱编码的形式传输的，解码也是光谱的匹配过程。评价OCDMA编解码器的主要考虑是:所采用光扩频码的特性、系统性能边界(误码率)、系统所能允许的最大用户数、硬件成本及技术可行性等.光码分多址系统的评价标准包括采用的码型、处理数据的速度、实现的难度和网络用户数等，使光码分多址系统的实用非常重要。下面对OCDMA系统的几种典型方案和光编解码器给予一定介绍:1.4.1 非相干时域系统非相关时域系统采用直接检测法，在接收端使用平方率检测光信号，信号是功率叠加而不是振幅叠加。系统结构包括并行光纤延迟线、梯形网络和可调谐延迟线，采用单极性码。图1-2为并行光纤延迟线构成的编码器，1M分光器将输入超短光脉冲分成M份，脉冲输入到一列并行光纤延迟线中，经过不同延迟后，在合光器中相互叠加重新构成编码序列，由于是非相干光脉冲，叠加的结果是光强相加，所以形成一个近似于函数的光脉冲序列。为了发送给不同用户，设计了码字选择开关。译码器与编码器结构相同，且对光脉冲的响应函数也相同。译码器中也包括一列并行光纤延迟线，其长度对应编码序列中“1”的位置。在光纤延迟线中，编码序列经过再延迟合再组合，构成译码信号，输出到网值器件，判决输出。1.4.2 相干时域系统相干时域系统利用光的相干特性，对光的相位编码，接收端检测光的相位。其优点是系统容量大，可以使用已有的双极性码。相干OCDMA系统中，编解码器也采用梯形网络结构，只是对其光学参量控制的要求较高:光源单色性好，波长稳定;延迟线延迟精确;有相位控制措施。光编解码器结构上严格对称，编码器将一个超短光脉冲编码成一个带有各自相位信息的脉冲序列，经过光纤传输后，解码器将各脉冲象非相干梯形网络一样进行解码，输出的重叠脉冲之间发生相干，自相关的主峰为几个相同脉冲的振幅相加，而旁瓣则是几个反向脉冲的振幅相消为0，互相关(多用户干扰)的输出也极小，信噪比大大提高。在相干OCDMA中，能量损失极少，可达1/2;一条通信链路需要两根光纤，但光编解码器均为两输入、两输出，因此可同时供两个用户使用，容量并没有下降;利用一根光纤也可实现编解码，主要是主峰能量较少一半，侧峰有一定输出;另外可以利用一根光纤的两个偏振态分别作为一个信道传输，节约了成本，同时克服了两根光纤内光信号的相位扰动;编解码器中的延迟量较小，可利用集成光学技术制造，若技术成熟，体积和成本可大幅下降。图1-4相干OCDMA的梯形光网络由于光相干编译码采用相干复用方法，可利用Mach-Zehnder干涉系统构成的相干梯形网络，如图1-4所示。在系统中，一端为已编码的信号，调制干涉仪中的光波相位，另一端非调制参考信号。两束光与其他用户的类似信号相干复用。在接收端，匹配干涉仪的一端也带有相位调制器，通过与发送端同步的相位调制，将被编码的数据译码。平衡式接收电路检测光信号，如果为匹配信号，采用相关检测方式，输出信号大;反之，则采用强度检测方式，输出信号小，类似噪声。 图1-5串连MZI网络与非相干系统相比，相干系统容许更短的序列长度，在不同的相干信道可使用同一码字，以增加用户数。此外，编码还可为系统提供很好的保密性能。相干编码系统可使用双极性码，提供的用户数多，传送数据速率高，信噪比高，误码率低。但要求系统能控制和稳定光脉冲的相位，传输时，要求光脉冲保持偏振不变。另外，光源的相干时间也很重要，要求延迟时间小于相干时间。设光源谱最大半宽度(FWHM)为2nm，对应于相干时间为3.99ps，这要求编译码之间的延迟小于798um(在单模光纤中)，这个精度目前实现很困难。由于这些原因，光码分多址的研究主要集中在非相干系统。然而随着光源等光器件研究的进展，相干光码分多将成为研究热点。1.4.3 频域扩谱编码和译码系统上述讨论方案都是在时域内编码，相当于对脉冲位置进行调制，它要求非常窄的光脉冲及精确的延迟。为了克服这些困难，在频域内对载波光波的频谱进行编码，称为扩谱编码，如图1-6所示。其基本思想是使用Fourier频谱变化方法，采用衍射光栅对表示源数据1周期为z。的光脉冲的频谱进行分解，然后通过相位模板或振幅模板，使光谱中不同的频谱成分产生特定的相移或振幅衰减，即对频谱编码，再将光脉冲整形，成为低强度伪噪声突发信号。模板位于透镜一的焦点上使光谱成分有最大的分隔。透镜1与透镜2共焦，使光束准直。第二个光栅将已编码的光谱成分重新组合，编码后的脉冲形状取决于模板的选择通常比入射脉冲宽，采用伪随机模板，可使输出的脉冲形状为低强度伪随机信号。光标透镜1掩膜透镜2图1-6采用相/幅掩膜的光谱编码在接收端，通过扩谱相关过程将接收信号还原。译码器结构与编码器一致，只是模板为其复共用模板，将扩谱编码信号中的特定相移或振幅还原，得到译码后的还原脉冲。若译码器与编码器不匹配，译码器的输出仍为低强度伪随机突发信号。1.5 光码分多址技术发展历史、研究现状以及发展趋势在系统设计方面，从80年代末、90年代初开始有人研究相干OCDMA系统，但是，因为相干OCDMA具有系统结构复杂、对器件要求高、实现难度大、成本高等缺点，就目前的硬件水平，相干OCDMA还难以实现。所以，近年来，国外对非相干OCDMA 技术的研究开始活跃。在OCDMA 技术发展的十多年中，己经由开始的概念提出，地址码构造理论，系统设计，向实验系统、实际应用发展。研究较深入且认为比较接近实用的是时域编码的OCDMA。特别是对于采用素数码和光正交码的OCDMA，从地址的理论、地址码的构造方法、码字容量、光编/解码方法到实验系统、系统性能分析等均作了较系统深入的研究。但由于时域编码采用的是光的单极性码，码字之间的相关性不太理想，使码字容量和扩频增益之间互为矛盾，致使时域编码的非相干OCDMA没能尽快实用化。OCDMA系统从概念的提出到目前的实验研究阶段已经走过了10多年，它并没有象WDM技术那样成为光通信的支撑技术，在这10余年的发展中，OCDMA系统的问题不断被发现和研究。从目前的研究方向来看，OCDMA技术在全光接入方面有其独到的优势，与WDM和OTDMA结合可以充分利用光纤的带宽。值得注意的是，光纤光栅技术的迅速发展对OCDMA系统编解码的发展注入了新的活力，大量的实验研究报道都是基于光纤光栅的。可以说，OCDMA技术与WDM、OTDM的结合以及光纤光栅在OCDMA编解码的应用方面是OCDMA发展的两大趋势。设计大容量、各种性能良好的伪随机地址码组，并在此基础上构建一个完全基于OCDMA技术的全光网虽然是可行的，但技术复杂、高的成本投入阻碍了这个方向的进一步发展。相反，设计码组容量虽然不大，但实现简单，并且能够与现有成熟技术相融合的OCDMA系统是今后的发展方向。在二维OCDMA系统中，每个用户的地址码序列是二维的，即每个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空间或波长域上扩展。由于增加了一个自由度(空间或波长)，二维OCDMA系统的性能比一维OCDMA系统有很大的提高。在相同的扩频系数下，不仅码字数增多，同时使用的用户数也有较大的提高。最重要的是二维OCDMA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OCDMA系统低的多。1.6 本文的主要研究工作本文的内容主要是围绕着二维OCDMA 系统的编解码结构和性能展开的。主要工作包括: (1)跳频扩时光码分多址系统误码率上限的研究。(2)MW OCDMA与WDM+OCDMA系统的性能比较。(3)基于光正交码的MW OCDMA与WDM+OCDMA系统的性能比较。(4)基于FBG的多速率二维OCDMA系统。第二章 二维OCDMA系统性能分析光正交码理论是目前研究的最多，也是最成熟的OCDMA系统理论之一，它是光码分多址系统性能分析的基础理论。本章在光正交码码间干扰理论的基础上，对二维OCDMA系统的性能进行了分析。通过对跳频扩时OCDMA系统误码率上限的研究，给出了误码率随影响系统性能的各个参数以及有无光学硬限幅器时的变化曲线，并给出了相应的分析，首次推导了考虑接收机噪声的二维OCDMA系统的性能，给出了仿真结果和分析，对两种典型的二维OCDMA系统MW OCDMA和WDM+OCDMA的性能进行了比较分析，最后对改善二维OCDMA系统提出了建议和总结。2.1 光正交码码间干扰理论假设A,B是正交码(FK,1,1)中的任意两个码字，把他们的互相关输出定义为随机变量I，并且把不同的互相关值的概率用下面符号表示：q=(I=0) （2.1.1）p=(I=1) （2.1.2）1-p-q=(0I1)那么，随机变量I的概率密度函数就可以用下式表示：=q+p+(1-p-q)| （2.1.3）在(2.1.3)式中，显然满足p+q 1，并且S(x)为狄拉克函数|= （2.1.4）由此，我们容易的到随机变量工的均值和方差:= （2.1.5）=q(1/6-q/4)+p(1/6-q/4)+1/12 （2.1.6）对实际的异步系统，就码片而言也应该是异步的，它有两种可能的情况:强码片异步干扰模式和弱异步干扰模式。然而，在实际中，为分析问题方便，我们常采用码片同步(但比特异步)的方式，这是一种理想的情况。(1) 强码片同步干扰模式这是码片异步时干扰强度最大的一种情况，此时p=(K*K-1)/F，q=1-(K*K+1)/F,1-p-q=2/F，随机变量工的概率密度函数为：=(1-) +| （2.1.7）方差和均值为:=P=/F （2.1.8）= （2.1.9）(2) 弱码片异步干扰模式这是所以情况中干扰最小的一种情况。此时P=0,1-q=2K*K/F，随机变量I的概率密度函数为： =q+(1-q)| | （2.1.10）均值和方差分别为： =1-q/2= （2.1.11）=(-) （2.1.12） (3) 码片同步情况这是为了分析问题方便而假设的一种理想情况，此时P=K*K/F，p+q=1,随机变量I的概率密度函数表示为： + （2.1.13）均值和方差分别为：= (2.1.14) (2.1.15)在以上三种情况中，随机变量I的均值都相等，方差不同，且有以下关系:其中，码片同步时，方差最大。由于方差的大小就是干扰程度的量度，所以，码片同步时用户之间的干扰程度最大。在码片同步时，系统分析起来相对简单，因此，在处理这一类问题时就假设系统为码片同步，系统的性能与实际情况相比要差。如果系统性能用误码率表示，则误码率为实际系统误码率上限值。2.2 跳频扩时光码分多址系统误码率上限的研究跳频扩时(TS-WH)码是一种二维OCDMA 码集，其中每个地址码序列不仅在时域上扩展，同时还在波长域上扩展，有效地克服了一维码集码字长度较长、用户数少的缺点，而且跳频扩时系统的实现也要比一维系统简单的多，是目前最有可能实现的OCDMA系统之一。我们在文献31理论模型的基础上，对TS-WH码在没有使用和使用了光学硬限幅器的情况下的误码率上限进行了深入的研究，并与一维光正交码系统进行了比较，通过对仿真结果的分析，得到了一些有意义的结果。2.2.1 系统性能分析跳频扩时光码分多址系统主要是利用串联的光纤光栅作为光编解码器的。假设在同一个光纤信道有N个用户共享L个波长，每个用户通过光纤光栅编码器将每个数据比特编码成长度为F的光脉冲序列，这样所生成的编码序列可以表示为： （2.2.1）其中表示第j个光脉冲的值(1jF)，该脉冲的波长为（0Pj(t)为单位能量脉冲函数，其脉冲宽度为。 那么，在基于光纤光栅的OCDMA网络系统，用户接收的信号是所有用户发送信号之和：= （2.2.2）式中b和r.分别表示第n个用户的信息比特和时延，且0。对于解码器，将所接收的信号与匹配的地址码进行相关解码，从而恢复信息比特。假设考虑用户I所期待提取的信号，即取n=1, =0，则接收端输出端输出为:y=+=+ （2.2.3）其中，=，MAI为多用户干扰项。在大多数的OCDMA系统中，MAI是最主要的干扰噪声，系统的性能也取决于自相关输出值和MAI的比值。在分析中，我们假定地址码的自相关旁瓣值为I，码字间的互相关不超过2。在基于光纤信道的OCDMA系统中主要的干扰来自多用户干扰(MAI)，而其他噪声对系统的影响很小;对于OCDMA系统，码片异步系统的误码率性能优于码片同步系统，当假定码片同步时可得到系统的误码率上限。所以我们在分析中只考虑多用户干扰对系统的影响，并假定系统是码片同步的。这样不仅能简化计算，而且能得到系统的误码率上限值。对TS-WH码，只有当两个码片脉冲在时间上碰撞而且它们都使用同一个波长时，才出现干扰。所以一个地址码的码片上受到另一个地址码的码片碰撞的概率为K*F-L(其中包括了碰撞两次的概率)，k和F分别表示地址码的码重和码长，L为可用的跳频波长数。假定用户发送(0，1)数据的概率都为1/2，则可以得到碰撞所产生的干扰强度几的概率密度函数为:=+=+-+ (2.2.3）其中Po、P1和P2分别表示没有发生碰撞、只发生一次碰撞和发生两次碰撞的概率。当网络中有N个同时接入的用户时，在接收端i所受到的干扰是来自于其它N-1个用户干扰的叠加，所以产生干扰强度的方式有种，X是表示不超过X的最大整数值。当干扰强度大于门限值Th(1thk)时就会出现误码，所以得到系统的误码率上限值为:+ （2.2.4）光学硬限幅器(OHL)是一种有效减少信道干扰的非线性元件。理想的光限幅器的传递函数可用下式表示: = （2.2.6）其中“1”为归一化光强度，即光限幅器的门限阀值。当光强度大于等于1”时，光限幅器将输出光强压回“1，当光强度小于“1时，输出光强度为零。在OCDMA 系统中采用光限幅器可以提高系统性能，这是因为多用户干扰的强度被压低以后，当某一用户发送数据“0”时，相关解扩时相关输出达到或超过门限阀值的概率降低了。当在OCDMA系统的接收端的光学相关器前使用一个OHL时，只有当产生碰撞的码片数超过门限值时才出现干扰。与文献217的分析方法相同，可得到使用OHL的误码率上限值为: 其中= （2.2.7）对一维光正交码，由文献5可得到系统分别在没有使用OHL的误码率上限值为:= （2.2.8）2.2.2 仿真结果与分析分别对式(2.2.4),(2.2.7)和(2.2.8)进行了仿真，仿真结果如图2-1-2-5所示(仿真参数已标识在图中)： 图2-1TS-WH码与00C在不同接入用户数的误码率图2-2TS-WH码在不同码重值的误码率图2-3 TS-WH码在不同跳频波长数的误码率 图2-4 TS-WH码不同码长值的误码率从仿真结果可得到如下的结论:(1)由图2-1可以看到，在相同码重和接入用户数的情况下，TS-WH码不仅误码率性能比一维00C码的性能有所提高，而且码长大大减少。这样便能在保证系统总体性能不变的同时，减少了对编解码器的要求，使系统更易于实现。(2)由图2-1可以看到，在其它条件不变的情况下，随着接入用户数N的增加，系统的误码率性能不断恶化。(3)由图2-2-2-4可以看到，在其它条件不变的情况下，随着码重K的增加、跳频波长数L的减少或码长的减少，系统的误码率性能不断恶化。这是因为随着码重K的增加、跳频波长数L的减少或码长F的减少，码片之间的碰撞概率K2/(F*L)也随之增大，从而导致性能的恶化。(4)由图2-5可看到，在其他条件不变的情况下，使用OHL能有效地改善系统的性能，这是由于使用了OHL后，能抑制造成系统误码的一些模式，从而达到改善系统性能的目的。(5)从图2-1-图2-5可以看到，在其它条件不变的情况下，随着门限值Th的增加，系统的误码率性能不断得到改善。图2-5 TS-WH码有无OHL时的误码率2.3 MW OCDMA与WDM+ OCDMA系统的性能比较2.3.1 系统性能分析P个(P2，P,P-1,2)素数码的码字性能为:互相关均值: = (2.3.1)互相关方差: = (2.3.2)由素数码构造而成的二维PC/PC码，码字数为P(P-1)，码长为P2,码重为p,=0, =1,p(p-1)个(p,p,0,1)二维光正交码的码字性能为:互相关均值: = (2.3.3)互相关方差： (2.3.4)两种系统都采用素数p构成的码字(扩频系数相同)，而且波长数都为P,比较两者的码字数和误码率，WDM十OCDMA的码字数为P2个，MWOCDMA的码字数为P*(P-1)个，当P较大时，两者的码字数基本相等。假定所有用户之间传递信息是独立的，且当用户数较大时，干扰可以近似为高斯分布。当有k个同时使用的用户时，则由其他k-1个用户引起的干扰为:对于MW OCDMA系统，互相关均值: (2.3.5)互相关方差: = (2.3.6)对于WDM+ OCDMA系统，假定系统存在能均匀分配有效波长的中央控制器，则:互相关均值 = (2.3.7)互相关方差： = (2.3.8)本文只考虑用户之间的码字干扰，而忽略系统中其他噪声。因此干扰信号总是正的，为了使接收端的判决尽可能准确，判决阀值应尽可能接近码字的自相关峰值(等于码重)。当发送端发送信息比特“1”时，接受端总能够正确判决；当发送端发送信息比特“0”并且互相关干扰超过判决阀值时，接受端特发生误判决。根据高斯分布公式，可得到比特差错概率为: = (2.3.9)分别代入各自的参数，就可以得到两个系统各自的误码率表达式。对于 MW OCDMA 系统:= (2.3.10) 对于WDMOCDMA系统:= (2.3.11) 其中erf(x)为误差函数,定义为：= (2.3.12)2.3.2 仿真结果与分析根据式(2.3.10)和(2.3.11),当使用p=31构成的素数码及其构成的二维光正交码时，可得MW OCDMA和WDM+OCDMA时使用的用户数(N)的关系，如图2-6所示图2-6 WDM+OCDMA和MW OCDMA 系统的性能比较假定WDM十OCDMA 系统存在能均匀分配有效波长的中央控制器，当同时使用的用户数小于p*p/2(p=31时约为480)时,WDM+OCDMA系统可以无差错传输。这是由于此时每