【OCDMA通信系统的仿真实现6600字（论文）】

OCDMA通信系统的仿真实现摘要光码分多址技术OCDMA是将码分多址CDMA技术与大容量的光纤通信技术相结合的一种通信方式，其主要优点表现在如下几个方面:允许多个用户随机的接入同一信道;可以构成真正“透明”的全光通信网络;具有良好的安全性;允许可变速率或者多速率传输，并可同时提供多种业务支持;具有良好的抗干扰能力，并能够充分地利用石英光纤的可用带宽。因此，OCDMA技术具有很强的技术优势和广阔的应用前景。本文主要围绕二维OCDMA系统展开研究。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。关键词：光码分多址；二维编解码；通信系统；仿真实现目录TOC\o"1-3"\h\u311031引言 1302982OCDMA技术概述 3274032.1OCDMA.系统基本结构原理 359212.2OCDMA系统特点 4206262.3OCDMA系统分类 557783OCDMA通信系统仿真 6110803.1系统结构 6163763.2系统性能分析 7134763.3仿真结果与分析 8319624结束语 913882参考文献 101引言上个世纪后期，电信技术的蓬勃发展使人类跨入了信息时代。信息技术是当今世界应用范围最广、前景最为广阔的一门科学技术，正在并将继续深刻地改变人们的生活方式，成为21世纪世界第一大产业己勿庸置疑。作为信息技术支柱之一的光纤通信技术的地位也空前地提高，在新的世纪里必将被赋予更大的历史使命和焕发出更加强大的生命力。随着社会和经济的发展，低速、窄带、单一形式的通信已不能满足人们对通信的要求，人们迫切期望高速通信、多媒体通信及综合业务数字网的实现。为更好地适应这一要求，光纤通信技术在近年来得到了长足的发展。研究者们为了更进一步地提高光纤利用率，挖掘出更大的带宽资源，参考电域比较成熟的电复用技术，提出了光域的许多复用技术，如光时分复用(OTDM)、光波分复用(OWDM)、光码分复用(OCDMA)、光空分复用(OSDM)和副载波复用(SCM)等。其中，OTDM,OWDM和OCDMA是光纤通信的三大主流信道复用技术。OTDM技术把电网络数据传输的常规时分复用技术引入光纤网络。它利用高速光开关，将调制后的光信号在时间上多路复用到一根光纤上。一芯光纤中携带多个用户，每个用户在指定的时隙传输数据，时隙还可以识别用户地址。OTDM技术在提高单信道传输带宽的同时，也避开了电子器件速率极限的瓶颈。但是系统需要严格的色散管理、时钟同步和超短脉冲激光器，且地址分配不灵活等，它的一些关键技术还巫待解决。OWDM技术是在一芯光纤中开辟多个波长信道，每个信道采用不同的光波长在同一芯光纤中同时传输，不同的信道可以根据需要传输不同的速率和数据形式。这样就有效地利用了光纤带宽，大大增加了系统容量。但是，OWDM系统波长数有限，且随着波长数的增加，波长间隔就变得愈来愈窄，光线中的非线性效应也就越来越大，对光源和元器件就会提出更高的要求，大大地增加了系统的成本。此外，OWDM系统主要解决传送网上的电子瓶颈，并没有解决从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。CDMA技术作为一种多址技术方案已经成功应用到移动通信、卫星通信领域，而且显示出许多优于其他技术的特点，如抗干扰、抗多径衰落、显著提高系统容量等。但由于带宽的限制，CDMA技术在无线领域中并未充分地发挥出其优势。然而，光纤通信具有丰富的带宽资源，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，OCDMA技术应运而生，成为光纤通信领域新的研究热点。OCDMA系统将光纤通信与CDMA技术结合起来，山数据源、光纤、光编解码器、数据接收器组成。系统预先给每个用户分配一个特定的地址码，各路信一号在光域上进行编解码而实现复用，所有的用户共占整个带宽，是时间和频域上处于重叠，利用地址码在光域内的正交性彼此地区别。三种不同的复用方式对信道带宽的利用方式如图1-1:图1-1OTDM,OWDM和OCDMA复用技术的基本特征图OTDM,OWDM,OCDMA三种技术各有各自的优缺点，综合起来见表1-1所示:表1-1OTDM,OWDM.OCDMA三种技术比较OTDMOWDMOCDMA速率带宽比高光纤可用带宽利用率高保密性强需要全网同步需要精确的波长控制不需精确的时间同步地址分配不灵活对激光源同步要求苛刻在零色散附近工作光器件非线性影响小受色散影响小地址分配灵活从表1-1可以看出，OTDM技术需要全网同步，这一点在光域里还比较难于实现。OWDM技术不需要很大的TBP时间带宽乘积，受色散影响小，但需要精确的波长控制，多波长之间的转换还需要精确调谐的光滤波器。而OCDMA技术不需要OTDM技术所要求的全网同步，也不需要OWDM技术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，因此有极大吸引力，尤其在高速光纤局域网和用户接入网中的应用更具潜力。2OCDMA技术概述2.1OCDMA.系统基本结构原理OCDMA技术是在电CDMA技术基础上演变而来的，两者的技术原理有很大的相似，但也有很大的不同，两者都是首先给每个用户分配一个地址码，标示这个用户的身份，不同的用户有不同的地址码，且他们相互正交或准正交。OCDMA技术将码分多址技术应用于光纤通信，以扩频通信为基础，将低速率的基带用户变换成高速率的光脉冲序列，在宽带光纤信道中传输，刘一用户信号采用全光处理，克服传统网络中的“电瓶颈”。典型的OCDMA通信系统山用户数据源、超短脉冲激光器、光开关、光编码器、星型祸合器、光解码器、光电探测器、电阑值检测器组成。系统组成框图如图2-1。图2-1OCDMA系统原理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、直通态)，进而控制超短脉冲光源。当用户信息比特为“1”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CDMA编码器;当用户信息比特为“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CDMA编码器，不进行编码。经光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，信息比特为“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祸合器，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，最后通过电闭值检测器，恢复出发送端用户的信息比特流，从而实现OCDMA通信。2.2OCDMA系统特点1)全光通信OCDMA系统在光域对各路信号进行光编懈码，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OWDM光网络残留在发送和接收端的电子瓶颈，真正做到了光子进光子出，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。随机、异步接入OCDMA系统允许多个用户随机接入同一信道，新上路的用户扩频信号直接叠加在合成信号矢量上。用户在共享整个信道过程中，可以随时随机异步接入，而不需要延时等待或等待空闲信道，大大简化了网络控制协议。这种接入方式简单、不要求波长可调和器件稳定，适合局域网(LAN)、接入网(AN)等大容量、动态、高速率环境。保密性和安全性好OCDMA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，否则为伪噪声随机信号。抗干扰性OCDMA系统对用户信号编码时，对脉冲信号进行了扩一频处理，增大了编码信号的带宽。相对于密集波分复用而言，对波长漂移并不十分敏感，从而增强系统的抗干扰能力。成本降低OCDMA系统采用宽带光源，且无须精确控制波长，对传输光纤无特殊的要求。系统中器件数量少，降低了网络成本，简化了网络管理，并增强了网络的可靠性。此外，OCDMA对光源性能的稳定性、谱线宽度等要求比WDM大大降低，对光滤波器的要求也相应降低。而且由于OCDMA系统中谱资源利用率高，它又可以与OWDM和OTDM技术相结合，进一步增加系统的容量，为局域网和长途骨干网提供更加高效的网络支撑。因此，OCDMA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扩频技术，将在未来的局域网中获得广泛应用。2.3OCDMA系统分类按照OCDMA系统的不同特征，可以将其分为以下几种类别:从光信号的处理角度来讲，OCDMA系统可以分为相干OCDMA系统和非相干OCDMA系统。相干OCDMA系统利用高相干光源和相位控制措施实现光编码和传输，光纤信道中的光脉冲携带位相信息，并在接收端采用光纤延迟线网络，基于相干光脉冲的干涉原理实现解码。该系统的优点在于利用光的干涉效应有效消除多址干扰，同时容量大、误码率低，可以实现双极性编解码，便于数据的恢复。但相干OCDMA系统结构复杂，对器件要求高，对激光光源的相干性要求苛刻，实现难度较大。非相干OCDMA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信息，利用光信号的有无来表示二进制的“0”，和“1”。由于非相干光扩频序列的相关输出为光强的迭加，因此多址干扰对光解码器输出信噪比影响大，系统的误码性能和容量都受到限制。但是非相干OCDMA系统的主要优点是实现方式简单，对器件的性能要求宽松，是OCDMA技术投入实用化的首选方案。2)按照地址码所涉及的自由度空问，OCDMA系统可以分为时域OCDMA、谱域OCDMA、一维OCDMA、二维OCDMA。时域OCDMA系统，即直接序列扩频系统，是将信息比特直接扩频成时间上编码的脉冲序列，解码也是在时域上利用光纤延迟线将脉冲序列恢复成数据比特。在此过程中，系统中已扩频信号的频域并没有受到影响。谱域OCDMA系统是利用光的频谱成分来进行编码，在携带数据信息的光脉冲的频谱上传输相应的地址码信息，利用信道占用频率所具备的准正交性以区分不同用户，因此系统中已扩频信号的时域没有发生变化。在一维OCDMA系统中，用户地址码是在时域上扩展的(0,1)序列，为了使这些地址码具有良好的自、互相关性，并容纳尽可能多的并发用户，都必须增加码字长度，扩大扩频系数。这样，不仅使编解码器结构复杂，系统性能也随之下降。二维OCDMA系统中，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上扩展，提高了码字容量，在OCDMA网络中能支持更多的并发用户。从时钟同步的角度，OCDMA系统分为同步OCDMA和异步OCDMA。同步OCDMA就是在收发双方建立码字同步机制，它的优点在于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接入的用户数。缺点在于同步机制实现复杂，建立同步有一定延迟。异步OCDMA系统接收端完全依靠光解码器的匹配滤波原理实现解码。该系统实现相对简单，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性能影响较大，码字空间和系统容量也相对较小，适合于突发性、低密度业务(如数据LAN)和误码性能要求不高的业务(如语音等)。3OCDMA通信系统仿真前面几章我们分别从地址码的构造、接收机判决阂值的选取、系统性能分析三个方面对OCDMA系统中的部分关键技术问题进行了理论研究。结合前面几章的研究内容，本章主要从实验的角度出发，探讨OCDMA实验系统的设计、实现及性能分析。首先，在电子科技大学宽带光纤传输与通信网络技术重点实验室现有硬件资源的基础上，对OCDMA实验系统的基本参数进行设计;其次，给出基于并行光纤延迟线结构的OCDMA光学编/解码器的详细设计及物理实现过程;最后，结合具体的OCDMA实验系统方案，进行了OCDMA通信技术的原理性实验，得到用户基带信号时域直接扩频与解扩的实验结果，并对实验结果进行了分析与讨论。3.1系统结构该系统采用并行多信道结构，并行多信道结构就是系统中分配给用户多个码字，多个码字并行地在信道中传输。对于不同的用户，它们每个码字的速率是一样的，但是有的用户拥有多个码字，所以它的速率是基本码字速率的若干倍，这样就实现了不同用户的多速率传输。通常低速率用户分配一个码字，如果某用户的信息速率是低速率的N倍，那么该用户将分配到N个码字，即有N个编码器，其系统结构框图如图3－1所示：图3-1基于FBG的并行多速率OCDMA系统框图考虑到系统的复杂程度，N值不宜取过大，图3-1中我们取N＝3，低速率用户(用户＃2)的信息速率为系统的基本速率，而对高速率用户(用户＃1)，它的信息速率是基本速率的3倍，采用并行多信道结构后，用户＃1使用3个FBG编码器，3bit的用户数据通过串并转换，分成3个信道同时编码，并行产生3个码字。3.2系统性能分析在系统中我们采用二维素数码，假定所有用户之间的信息传递是相互独立的，当用户较大时，用户间的干扰可以近似为高斯分布。二维素数码的码字性能为：互相关均值互相关方差若系统中同时有k1个使用高速率的用户和k2个使用低速率的用户，则用户的干扰为：互相关均值互相关方差其中k表示系统中同时使用的用户数，即k=k1+k2，用户发送数据“0”和“1”是等概率的，为了使接收端的判决尽可能准确，判决阈值应尽可能接近码字的自相关峰值(等于码重p)。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阈值时,接受端将发生误判决。根据高斯分布公式,可得到比特差错概率为：把上式整理并化简，可以得到：3.3仿真结果与分析仿真结果如图3-2所示，对低速率用户数(2k)分别是总用户数(k)的14、13、12的情况进行了仿真，素数p取31。当系统要求的误码率一定时，高速率用户数与低速率用户数可以有不同的组合，适合不同业务量下多速率用户数的选择，而且从图可以看出，随着同时接入用户数的增多，系统的误码率性能逐渐变差。图3－2误码率与同时使用的用户数k的关系曲线通过对采用并行多信道结构的多速率二维OCDMA系统性能的理论分析和仿真研究可以看出，该系统具有如下特点：采用二维素数码，克服了传统光码分多址系统用户数少的缺点，由素数p产生的二维素数码，可以有p×(p−1)个码字;而且二维素数码具有良好的相关性，在较多用户数的情况下系统还能保持较好的误码性能。使用并行多信道结构，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。该系统可以满足用户对多媒体传输业务的要求，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。4结束语光码分多址（OCDMA，CodeDivisionMultipleAccess）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还处于相对不成熟的阶段。双极性系统是实现大容量的有效途径之一。但双极性系统需要窄线宽、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。对于还处于强度调制/直接检测的光通信现状，开发双极性OCDMA系统还不现实。二维OCDMA系统中的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。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分析展开的，取得了以下几个方面的进展：对基于FBG编解码结构的快跳频光码分多址系统进行了仿真研究。结果表明，该系统具有良好的匹配滤波性能，而且与光纤连接简便、传输波长可控，是一种很有发展前景的光码分多址系统。对跳频扩时OCDMA系统的性能进行了分析，并在仿真平台上对影响该系统性能的各个参数进行了仿真，从仿真结果可以看到，该系统有效克服了一维系统码字长度较长、用户数少、对编解码要求较高的缺点,通过减少码片之间的碰撞概率FLK/2以及使用光硬限幅器可以有效地改善系统的性能。对考虑了接收机噪声的二维光码分多址系统进行了研究。结果表明，随着接收光功率的增加，接收机噪声（暗电流、热噪声）对系统的影响减弱，误码率性能得到改善；当光功率达到一定值以后，接收机噪声可以忽略，误码率曲线与仅考虑多用户干扰的情况基本重合，在此基础上再增加光功率，误码率