光码分多址通信技术研究

第33卷第6期电子科技大学学报Vol.33No.62004年12月JournalofUESTofChinaDec.2004·综述·光码分多址通信技术研究邱昆，张崇富，安晓强(电子科技大学宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室成都610054)【摘要】介绍了光码分多址的技术原理。综述电子科技大学光纤通信重点实验室在波分复用/光码分多址混合网络、光正交码构作、码间干扰和双极性OCDMA系统等OCDMA通信技术方面所进行的研究工作和成果，最后指出了OCDMA系统的技术优势和面临的问题。关键词光码分多址;码型构造;码间干扰;双极性码;混合网络中图分类号TN929.11文献标识码AStudyonOpticalCodeDivisionMultipleAccessCommunicationsTechnologyQiuKun，ZhangChongfu，AnXiaoqiang(KeyLaboratoryofBrodbandOpticalFiberTransmissionandCommunicationNetworksUESTofChina,MinistryofEducationChengdu610054)AbstractOpticalCodeDivisionMultipleAccess(OCDMA)CommunicationsTechnologyisintroducedindetail.TheresearchresultsoftheachievementofWavelenghtDivisionMultipleAccess/OpticalCodeDivisionMultipleAccess(WDM/OCDMA)hybridnetworks,constructionforOOCs,multipleaccessinterference(MAI)andbipolarOCDMAsystemstudied.Finally,somepredominancesandkeytechniquesareproposed.Keywordsopticalcodedivisionmultipleaccess;constructionforcode;multipleaccessinterference;bipolarcode;hybridnetworks光纤通信技术在近年得到了长足的发展，为了更进一步的提高光纤利用率，挖掘出更大的带宽资源，提出了许多光域上的复用技术，如波分复用(WDM)、光时分复用(OTDM)、光码分复用(OCDM)、光频分复用(OFDM)和副载波复用(SCM)等，其中前三种复用技术最具潜力。光码分多址(OCDMA)是将CDMA技术与光纤通信技术相结合的一种新技术，如果结合两种通信方式的特点，则具有很强的技术优势和广阔的应用前景。1978年，EMarom等人提出了在光处理中采用光纤延迟线技术，为OCDMA技术的发展从理论和实验上奠定了基础[1]。近年来OCDMA技术也得到了很大的突破和创新，在理论和实验上也取得了长足的发展。本文介绍OCDMA通信技术的基本原理，阐述OCDMA通信技术方面进行的研究工作和成果，最后指出OCDMA通信的技术优势和面临的问题。收稿日期：2004−07−08基金项目：国家863计划资助项目(2001AA122071)作者简介：邱昆(1964−)，男，教授，博士生导师，主要从事光纤通信理论与技术的研究.电子科技大学学报第33卷6281OCDMA通信技术1.1OCDMA系统结构OCDMA系统一般考虑为无源星形结构，在此结构中，星形耦合器是网络中心，每个用户通过光纤或光无线媒质与之相连，OCDMA通信技术分为光有线CDMA技术和光无线CDMA技术，光有线CDMA系统中光传输信道为光纤媒质，光无线CDMA系统中传输媒质为微波或激光光线，通过微波或激光实现信号的传输，光无线CDMA系统根据传输信道可以分为自由空间、室内无线和大气无线光CDMA系统，光无线CDMA系统特别适合应用到局域网、军事网或移动网络中。图1给出了OCDMA通信系统原理框图，系统中有N对发送和接收用户，每个用户具有不同的地址码，系统发射端采用超短光脉冲(皮秒量级)对用户信息数据进行处理，经过编码器给处理后的信息数据附上光正交码码字(单极性码或双极性码)，形成光脉冲序列，光脉冲序列通过光传输信道传输，再通过星型耦合器耦合到光传输网，光传输网把用户信息广播给每个用户，接收端由光解码器进行解码(编码器和解码器的原理、结构相同)，经检测器、阈值判决器后用户便能提取到有用信息数据。其他用户其他用户……OCDMA编码器1＃激光源数据流光有线(无线)网络OCDMA编码器n＃激光源数据流OCDMA编码器n＃OCDMA解码器1＃接收端接收端…图1OCDMA通信系统原理框图波分复用/光码分复用(WDM/OCDMA)混合网络模型如图2所示，它分析了网络带宽分配、码字转换、码分配方案和WDM/OCDMA混合网络构架；研究了OCDMA和WDM/OCDMA网络性能，导出网络误码率公式；针对加性白色高斯噪声信道模型，将信息论应用到网络系统性能的分析上，得到网络的吞吐量公式。研究结果表明：WDM/OCDMA混合网络较单纯OCDMA网络具有容量大，网络扩展容易、方便等优点。第二节环OCDMA环CADMCADMCADMCADM第一节环WDM环OADMOADMOADMOADMCCTCCTCOXC图2WDM/OCDMA网络结构1.2OCDMA系统的地址码1.2.1光正交码基本问题OCDMA技术是在光域中对信号进行处理，所以不存在负的物理量，导致光信号处理中只能采用非负值域(0、1)，这与电域CDMA技术中能采用的双极码(−1、1)有本质的区别。在电CDMA技术中采用的扩频码，如Gold码、Walsh码和m序列等，具有很好的自、互相关性，而在单极性码中互相关值并不能保证为零。因第6期邱昆等:光码分多址通信技术研究629此，在OCDMA技术中设计好的地址码成为关键技术之一。地址码Φ(v,k,λa,λc)的性能是用码长、码重、λa、λc和码字个数来衡量，尤其是后三者，在同样码长和码重情况下，λa，λc越小，解码时自相关旁瓣干扰和多用户干扰就越小，系统误码率也越低，系统通信容量就越大，这是OCDMA能否同WDM竞争的关键，还需要考虑其对应的光编码器结构复杂程度。目前研究较多的有光正交码及其变种码、素数码及其变种码、唯一叠和码、混合码和用于空间光通信的空间结构码等。地址码设计不仅要自相关和互相关性能好，还要考虑与光解码器输出自相关峰值位置相邻码片处的峰值也要尽量小，这对地址码的设计提出了更高要求。光正交码必须表现出良好的相关特性，其光正交码自、互相关特性表示为[2]()10011ixxiiiakxxlττθτλτ−⊕===⎧=∑⎨−⎩≤≤≤(1)10()01ixyiicixyτθτλτ−⊕=l=−∑≤≤≤(2)光正交码C容量定义为光正交码包含的码字数，用|C|表示。如果给定v,k,λa,λc，那么最大可能的码字为Φ(v,k,λa,λc)，假定λ=max{λa、λc}，则有Johonson限为(1)(2)()(,,)(1)()vvvvkkkkλΦλλ−−−−−≤(3)由等重码的Johnson界知，如果光正交码Φ(v,k,λa,λc)含有|(v-1)/[k(k-1)]|码字，则称为最佳光正交码。1.2.2光正交码与循环差集族光正交码构造与组合设计有着紧密联系[3]，特别是一个最佳光正交码(v,k,1)等价于一个最佳循环差集族CDF(v,k,1)。一个循环差集族CDF(v,k,1)，可以定义为模v的剩余类环Zv上的一族k元子集(称为基区组)Β={B1,BB2,…,BtB},使得模v的每一个非零剩余整数在由集合Β产生的所有差中至多出现一次，很明显，基区组个数t满足t≤|(v−1)/[k(k−1)]|。当t=|(v−1)/[k(k−1)]|时，称CDF(v,k,1)是一个最佳循环差集族。光正交码是一个二元(0,1)序列族，一般码重量k要比码长度v小得多，用集合理论可以更简单地表示光正交码，此时，一个(v,k,1)光正交码可以看作是一族模v剩余整数集合上的k元子集，每个k元子集对应于一个码字，而k元子集中的元素表示码字中“1”的位置序号。一个最佳(v,k,1)光正交码确定了一个最佳循环差集族CDF(v,k,1)，而一个最佳CDF(v,k,1)同样可确定一个最佳(v,k,1)光正交码，从组合设计的观点来看，两者是等价的。1.2.3光正交码构作光正交码研究主要集中在3个方面：1)码字个数理论界(上界、下界)问题；2)光正交码构造方法问题；3)特定长度和重量光正交码存在性问题。FRKChuang等人在码字个数理论界方面做了大量的研究工作，并取得了许多非常重要的结果[2～4]。FHRyoh，JXYin等人阐述了光正交码与组合设计间的关系[5]。文献[6]在码字构作问题作了研究，取得了具有较高参考价值的结果。码存在性问题而言，Bose，Buratti等人在这方面做了大量的研究工作，并用组合设计和初等数论的相关理论，证明了码长满足特定条件的光正交码是存在的[7]，但是，他们并未给出这些光正交码的具体构作方法。作者对光正交码构造方法展开了深入的研究，基于FHRyoh等人的思想，将光正交码的构造问题转化为循环差集族的构造问题，以有限域和初等数论的基本理论为基础，在此基础上，提出几种最佳光正交码的构造算法，通过计算机编程实现这些算法，搜索得到了一些最佳(v,k,1)光正交码。1)提出了一种构作循环差集算法，采用我们提出的循环差集算法得到的数据，结合传统递归方法，可得到(v,k,1)光正交码，该光正交码具有较好的相关特性[8]。2)光正交码的构造与组合设计有着紧密的联系。特别地，一个最佳(v,k,1)光正交码等价于一个最佳(v,k,1)循环差集族。本文的基本思想是将光正交码的构造问题转换为循环差集族的构造，基于有限域和初等数论的基本理论，对差集族的基本概念和特性进行了分析和研究，在此基础上，借助计算机辅助设计，构造出了一些最佳(v,k,1)循环差集族，从而得到了一些最佳(v,k,1)光正交码[9]。3)在构作方法2)的基础上，对循环差集所有的基区组生成元作了改变，通过计算机可以搜索到满足特定约束条件的生成元集，采用这种算法可以得到一些新的光正交码[10]。电子科技大学学报第33卷6302OCDMA技术中码间干扰2.1OCDMA码型设计可以采用归零码(RZ)来减小相邻脉冲之间互相作用。在相同传信率条件下，采用RZ意味着需要更窄的光脉冲，在普通单模光纤中这将会导致更严重的色散现象。在不改变脉冲宽度的情况下使用RZ，这将意味着系统的传信率要下降。因此，这是一个需要折衷考虑的方案。参考光通信系统中克服色散的方案，可针对OCDMA系统的光脉冲展宽设计出线路码。跳频扩时OCDMA系统中近年来提出了二维跳频扩时码组，在时间和波长上选择各自的伪随机地址码，通过两者适当组合，达到码组优化，组合后跳频扩时码保留了原有码组优点。光信号在时间上的单极特性，优化的码组互相关峰值可满足小于等于“1”，自相关峰值达到码重值，自相关旁瓣值可以达到“0”。为克服一维码组稀疏缺点，在时间上对伪随机地址码应尽量选取码长和码重之比较小地址码。素数码产生比较简单，每个素数码可以通过分割为p个等长度子序列、每个序列中仅包含一个脉冲被扩展，扩展后的素数码码长与码重之比为素数p，但扩展后的素数码不能应用于异步OCDMA系统，可通过在波长码组选择上来克服MAI。波长码组选择上，应选取同一码字中没有相同波长的码组，以达到码字互相关峰值尽量小，理论上采用二维码组的OCDMA系统性能要远远优于其他一维码组的OCDMA系统，如系统可用码字数量大大增加，码字长度减小，在同样码长条件下系统能承载用户大大增加，在光限幅器作用下，系统性能得到了显著提高，是目前最有可能实现的OCDMA系统之一。与时域振幅编码OCDMA系统相比，跳频扩时系统最大特点在同一个用户分配了不同波长资源而不是一个用户占用一个