光码分多址系统中地址码的双极性编码方案

光码分多址系统中地址码的双极性编码方案

光代码多地通信系统（ocdma）是未来高速全光网络的可能解决方案之一。在ocdma系统中，每个用户都被分配具有相同特性的光地址码，相互标记和差异，以实现公共信号的随机通信。由于网络的整体性能主要取决于系统中使用的光地址码，因此适合ocdma系统的体积和相关功能是ocdma技术的关键之一。1数字光校正跳频码当前光纤通信仍采用强度调制/直接检波(IM/DD)方式,传统CDMA的双极性码不能直接引入,对单极性光正交码的研究就成为OCDMA技术研究的重点.OCDMA系统的单极性地址码主要有光正交码(OOC,OpticalOrthogonalCode)、素数码(PC,PrimeCode)、扩展的素数码(EPC)、2n素数码、二次同余码(QC)、扩展的二次同余码(EQC)和混合码(HC)等.OOC和PC是OCDMA系统中比较成熟的地址码,它们具有良好的相关特性,很受国际学术界的重视.很多人对OOC和PC的构造及其性能进行了讨论.OOC虽然具有良好的相关特性,但容量很小,设光正交码C为(n,ω,λ),这里n为码长,ω为码重,自相关限和互相关限均为λ,则C的容量|C|满足Johnson限,即|C|=(n-1)(n-2)⋯(n-λ)ω(ω-1)⋯(ω-λ)‚(1)|C|=(n−1)(n−2)⋯(n−λ)ω(ω−1)⋯(ω−λ)‚(1)其容量随着码长的增大而增大,而随着码重的增大而减小,因此为了增大容量可以增大码长和减小码重,但增大码长将导致有效数据的传输速率下降,减小码重会导致自相关峰值下降,这些都会导致系统性能的下降.PC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.为此,很多人对用于OCDMA系统中的跳频地址码进行了研究.光跳频码其实是对一个比特数据上的脉冲用不同的波长(或频率)进行编码,这种波长的时间间隔非常短.文献提出的光跳频码,其码容量可由采用的频率数目决定,码的容量有限.目前光正交跳频码成为研究的热点.研究表明光正交跳频码的容量远远大于OOC的容量,码字性能也得到了很大的改善.2使用双极性码的性能以上介绍的单极性码均为“1”少“0”多的稀疏码,虽然他们在性能上都有所改进,但是仍然存在着许多不足之处:(1)单极性码提供的地址码字较少,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的用户相当有限.以光正交码(6000,8,1)为例,仅能容纳100个用户.表1给出了不同码序列的码字容量的比较,显然单极性系统在系统总用户数方面远不及双极性系统.(2)单极性OCDMA系统是正定系统,不能实现真正的正交,相关特性并不是很理想,必定导致用户之间光信号的相互干扰,即多用户干扰(MAI).降低用户间的多址干扰是提高OCDMA的综合性能的前提,而降低多址干扰的有效办法是采用具有优良相关特性的双极性码.(3)单极性码的码字很长,使得码片周期很短,实现非常困难,非常窄的光脉冲色散严重,限制了局域网的规模.(4)单极性码是非平衡码,即“1”和“0”的个数不相等,影响码的效率,其自相关峰等于码重,而传统CDMA系统中自相关峰等于码长.系统的误码特性由自相关峰决定,故单极性码系统的性能明显低于双极性码系统.以下我们对使用双极性码序列的系统(以Gold序列为例)和使用单极性码序列(以OOC为例)的系统的性能进行比较.如使用Gold序列系统,当K个用户同时传输时,在某一接收端的总干扰是(K-1)个不同的互相关函数的叠加,而这些干扰是系统的主要噪声来源.Gold码系统的信噪比(SNR)可用下式表示:SΝRGold=4[n3(Κ-1)(n2+n-1)]‚(2)SNRGold=4[n3(K−1)(n2+n−1)]‚(2)式中,K为同时占用信道的用户数;n为码长.对于使用OOC序列系统,其SNR可表示为:SΝRΟΟC=4n2(Κ-1)(2n-ω2)‚(3)SNROOC=4n2(K−1)(2n−ω2)‚(3)式中,K、n、ω的含义同式(1)、(2).图1为码长n=100,OOC码重ω=4时,Gold码系统与OOC系统在不同用户下系统SNR与同时用户数的关系图,可见,Gold码系统在SNR指标上要明显优于OOC系统.综上所述,单极性系统无论是在确定误码率条件和同时传输用户数方面,还是在系统总用户数方面,都远不及双极性系统,双极性系统是实现大容量系统的有效途径之一.相干光信号处理系统和传统的射频CDMA系统一样都是双极性系统.射频CDMA的地址码可以直接应用于相干系统.相干OCDMA系统需要窄线宽、高相干性的光源,而且整个传输和光信号处理过程中都要保持光信号的极化方向,正如相干光通信技术还不成熟一样,相干OCDMA系统是明日的技术,它只能是未来大容量的必由之路.用现有成熟的技术实现双极性,是OCDMA系统实现大容量的现实之路.3ocd-ma方法的双极性3.1ocdma的谱图编码技术先前双极性码的研究工作主要集中在频域编解码方案的研究.光谱编码的CDMA系统最早由Zaccarin和Kavehrad两人提出.这种系统应用平衡发射和接收技术,以及光谱中的多个波长成分来进行地址编码.由于我们可以在非相干调制光系统中得到地址码的正交,从而提高了OCDMA系统的性能.通过应用互补光谱编码和平衡检测技术,我们可以得到完全的双极性和正交结果.光谱编码采用衍射光栅、共焦平面棱镜和相位掩膜板对光脉冲的频谱实现编解码.其原理如图2所示.利用光栅的色散特性,将不同频率的光投向不同角度,棱镜将光栅的一级衍射波变换为它的空间频谱图案,利用相位板使不同频率光之间引进光程差(相差),再反变换得到频谱展宽的光脉冲.3.1.1高效双信道融合的发射与互补光谱的编码在OCDMA系统中,为了得到正交结果,可用平衡发射、平衡接收技术和NZI来进行地址编解码.图3所示为MZI双极性编码原理,发射端包括一对连接成平衡方式的宽带光源,输入信号分别调制这两个光源的强度.宽带光源发出的光谱通过一个双信道且光谱互补的强度编码器.当发送“0”时,发射端以直接光谱进行编码发射;当发送“1”时,则以互补光谱1-|T(ω)2|来进行编码.收端计算出直接光谱和它的互补光谱间的不同.对应地址码匹配的发射端,当发射的是“0”时,平衡接收端将会检测出正的输出;当发射的是“1”时,平衡接收端将会检测出负的输出.从不匹配端发射来的光谱将在接收滤波器的两个输出端口平衡地分离,得到零输出.多级MZI的输出自动达到了互补;当输入光源由一个输入端切换到另一个输入端时,MZI输出端的两个互补光谱将会颠倒过来.3.1.2个控制编码哈达码矩阵双极性光谱编码OCDMA系统发射端和MZI双极性编码一样包括一对宽带光源,它连接成平衡方式,输入信号分别调制这两个平衡光源的强度.图4中宽带光源发出的光谱先通过两个同样的波分复用(WDM)解复用器,再通过一个2×2的光开关阵列,以此控制从两个宽带光源选择不同的波长成分,再通过复用器把所选择的光谱复用到一根光纤.当开关bi=0时处于直通状态,发送的是从上光源发出的波长为λi的直接光谱|T(ω)|2;而当开关bi=1时处于交叉状态,发送的是从下光源发出的波长为λi的互补光谱1-|T(ω)|2,所以光谱编码由开关状态{b1,b2,…,bn}决定.这里我们用一个n×n的哈达码矩阵(-1在这里映射为0)来实现编码,从而得到正交的码字{b1,b2,…,bn}.例如:当n=4时,我们有(1111),(1010),(1100),(1001)和从哈达码矩阵的反矩阵得到的(0000),(0101),(0011),(0110)共8个码字,去掉(1111)和(0000)这两个坏码,我们得到6个可用码字,但是每次只能从哈达码矩阵的正或者反中挑出3个码字,例如选了(1100)就不能选(0011),因为它们是互补的,在解码端无法分清楚.设n等于2的整数次幂,则码字个数为2(n-1),而一个系统可以同时使用的码字数为(n-1).当发射端用户地址码为(1010)时,如输入数据是“0”比特,则耦合到发射光纤的光谱为上光源的λ2和λ4;如输入数据是“1”比特,则耦合到发射光纤的光谱为下光源的λ1和λ3:在接收端,当地址码匹配时,对应“0”比特信号λ2和λ4将出现在上合路器,下合路器没有输出;而对应“1”比特信号λ1和λ3会出现在下合路器,上合路器没有输出.最后它们到达平衡检测器相减后分别得到正、负的输出;当地址码不匹配时,光谱在平衡检测器端平均分离,通过平衡检测器的相减作用,我们得到零输出.这就是双极性系统的正交结果.对于哈达码的系统,理想情况下,其它地址码的干扰可以完全滤出.3.1.3提高系统性能和提高光带宽snr在OCDMA通信系统中,利用我们提出的平衡检测方案和光谱直接编码技术可得到地址码的正交相关特性,从而可以大大改善系统性能.MZI双极性编码OCDMA系统接近WDM的性能,它可以在非相干调制光系统中得到地址码的正交,从而改善系统的性能.当用户数开始上升时,系统的性能主要受到散弹噪声的影响,这时我们可以提高信号功率来改善SNR,降低误码率.然而,当用户数上升到一定程度时,系统性能主要受限于谱噪声和多用户间的干扰,提高信号功率并不能明显改善系统SNR,也就不能明显地改善系统的性能.这时的SNR还和光带宽与数据带宽的比率有关.而哈达码矩阵双极性编码方案可以提高该比率,从而也在一定程度上改善SNR.和相干调制,检测技术相比,本方案不需要极短的脉冲光源,且编解码是通过光的强度来实现,所以它受色散的影响小.本系统的地址码可以选择用多种电CDMA系统中的地址码,对于互相关值不为零的地址码,这时系统的性能主要来自多用户间的干扰.另外,光的强度调制和检测技术已较为成熟.所以本方案有一定的实用价值.3.2单元层双极性编码技术3.2.1双极性地址码的tt-tt的映射码组的序列时间重整就是一种OCDMA系统的双极性码编解码方案,它使原来在RFCDMA系统中已较为成熟PN码,如具有良好相关特性的Gold序列等,仍可适用于OCDMA系统,从而得到更好的相关性能,使码的容量有较大的增加.WDM技术与射频CDMA编码技术相结合,在OCDMA系统中引入了传统射频CDMA的双极性地址码.原理如图5所示,具体实现如下:选定系统地址码c(t),如m序列,把m序列的二进制逻辑符号“0”或“1”映射到实数“+1”和“-1”.于是,若m序列c(t)=(100010011010111),则经映射后c(t)=(-1+1+1+1-1+1+1-1-1+1-1+1-1-1-1).于是c(t)可表示为c(t)=c+(t)-c-(t)‚(4)c(t)=c+(t)−c−(t)‚(4)式中,c+(t)和c-(t)分别为地址码c(t)的正半轴序列和负半轴序列,即c+(t)=(011101100101000)‚c-(t)=(100010011010111).c+(t)=(011101100101000)‚c−(t)=(100010011010111).设另一地址码序列为d(t)=d+(t)-d-(t),则c(t)与d(t)的相关系数为R=∫Τc(t)⋅d(t)dt=∫Τ[c+(t)-c-(t)]⋅[d+(t)-d-(t)]dt=∫Τc+(t)⋅d+(t)d(t)+∫Τc-(t)⋅d-(t)dt-∫Τc+(t)⋅d-(t)dt-∫Τc-(t)⋅d+(t)dt.(5)R=∫Tc(t)⋅d(t)dt=∫T[c+(t)−c−(t)]⋅[d+(t)−d−(t)]dt=∫Tc+(t)⋅d+(t)d(t)+∫Tc−(t)⋅d−(t)dt−∫Tc+(t)⋅d−(t)dt−∫Tc−(t)⋅d+(t)dt.(5)采用WDM将双极性地址码的正半轴序列和负半轴序列分别用两个不同的波长λ1、λ2在同一根光纤中传输,在接收端用两对正、负半轴序列对应的相关器进行检测、判决,便可实现OCDMA系统的双极性编/解码.3.2.2cd青统编解码这种时域OCDMA双极性码编解码方案解决了传统OCDMA单极性编解码中存在的相关性能较差、码本容量小的问题.使得OCDMA系统有可能达到与射频CDMA系统同样的性能,并且该系统有着较好的可实现性.一般情况下,OCDMA中的双极性编码是采用副载波调制,在电域实现扩频编码和解码.所以严格地说,它们不是OCDMA,受电子器件响应速率极限的限制,它只适用于低速率系统.但是,我们提出的系统是在光域进行编解码,所以它不受电子器件响应速率极限的限制,可以应用于高速系统.3.3“双极性码”的映射这种编码方案实际上是光谱成分编码(SpectralAmplitudeCoding).首先根据系统所需的容量、通信速率、同时通信的用户数目等选择一种具有适当码长n、码重ω的双极性码X;接着将双极性码X映射为相应的单极性码U,1不变,-1变为0;然后在U后添上ˉUU¯¯¯(即把U中的-1变为1,1变为0),使码变为长度是2n的单极性码J,这样的单极性码保留了原来双极性码的相关特性.4光相位双极编码/光催化机器双极性OCDMA系统的研究得到了迅猛的发展.日本邮电部通信研究实验室采用谱双极编/解码进行的非相干OCDMA的实验系统,单路速率达1.24Gbit/s,可传输40km,采用的光编/解码器是将光抽头延迟线、相移器和光耦合器集成在一块芯片上实现的单片集成光编/解码器;日本的NTT公司采用阵列波导光栅编/解码器进行的相干OC