光码分多址系统总体方案及其关键技术研究（二）
2019-11-03 18:08:35
供稿：网友
光码分多址系统总体方案及其关键技术研究（二）（沈成彬 范戈）3 OCDMA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。3.1 光地址码理论 由于OCDMA技术的特殊性，传统的用于无线CDMA的M序列、Gold码等不适用于OCDMA领域，因此必须研究新的光地址码。好的光地址码应具有高的自相关主峰、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人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，但其异相自相关峰值和互相关峰值较大，码字个数较少。由于其较大的异相自相关限不利于实现同步，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，所以输出信噪比较高，而且码字个数大大增加。光正交码是一种性能优异的光地址码，其互相关输出峰值和自相关侧峰均为1，相关输出的信噪比较高，既适合同步OCDMA系统，也适合异步OCDMA系统，而且其较小的异相自相关输出有利于实现同步。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。 另外，双极性OCDMA系统由于采用双极性编码技术，可以完全采用无线CDMA技术中常用的Gold、Walsh筹码集。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，一般是基于光纤延迟线的并行结构编/解码器和梯形编/解码器，在并行结构编码器中，输入光脉冲由光分路器分成w路（w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。 另外，还有基于频域编码的编/解码器、跳频OCDMA编/解码器和解相关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，在解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（双稳态阈值器件），可以有效提高光解码器的解码性能。但这种器件还不实用。3.3 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。3.4 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10GHz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，但是这些方法还不成熟，而且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。3.5 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，需采用类似无线CDMA系统的反向链路开环和闭环功率控制措施。3.6 光学逻辑运算技术 全光学的“AND”，“OR”，“XOR”等逻辑运算和光存储对于OCDMA编码和解码过程都是关键性技术，该技术的成熟将极大地促进该技术的进一步发展。4 OCDMA系统的应用 OCDMA系统主要应用在局域网、接入网、全光网及其他共用信道结构系统中。 由于LAN中业务特征为突发性、低密度和非实时性，所以OCDMA技术比较适合LAN。OCDMA技术在LAN中，主要采用环型或总线型拓扑结构，这就要求为每一个用户分配一个地址码，当某一用户要向该用户发送数据时，需将自己的发送机的编码器结构进行更改以实现寻址，这就要求采用易于实现寻址的码组和编码器（如前面介绍的并行和梯形光纤延迟线光编码器及跳频型光编码器等）。在局域网中，较大的用户数，较小同时接入用户数决定了地址码应选取码字空间大的码集（如改进的素数码或光正交码），而且必须采用闭环反馈功率控制机制，以抑制功率差异引起的附加干扰。误码控制措施（纠错码）对数据业务显得很必要。对于要传输多媒体业务的LAN来讲，有文献提出采用同步OCDMA技术，采用改进的素数码，每个用户拥有一个子码组（由一个素码循环移位构成的多个相似码字，子码组内码字互相关为0），子码组内每一个码字对应一种业务类型。这种方案有一定的价值，但码字和信道资源利用率较低。 OCDMA技术在公用网中主要是在光接入网（OAN）中使用，因为在骨干网中色散和损耗将限制其传输速率、容量和距离。在接入网中，主要采用无源星型或树型拓扑，由光耦合器和分路器实现信道共享。每一个ONU拥有一个地址码，OLT可以对每一个ONU寻址并被每一个ONU接入。可以采用同步方式，也可以采用异步方式。对同步OCDMA系统，OLT应为ONU提供同步定时信息。上行链路采用OCDMA技术，下行也可以采用OCDMA或广播式TDM技术。同步方式可以容纳更多的用户，所以有一定优势。相对OOK，PPM方式性能更佳，因为对这种点对点通信来讲，电PPM相对容易实现，但各ONU与OLT的距离不同，为实现PPM方式，系统需有测距功能。OCDMA在骨干网中应用时，其超短脉冲受光纤色散影响相当严重，一种较为实用的方案是采用WDM和OCDMA结合的方式，在WDM基础上，在每个波长的信道内采用OCDMA技术实现多址接入，这样具有更强的灵活性，这种WDM+OCDMA更适合将来的接入网。骨干网应用也可以采用TDMA+S/OCDMA方式，即在信息帧内，一部分时隙为TDMA方式，传输高速率、高密度和实时性业务（如视频信号和时钟信号），另一部分时隙为同步OCDMA方式，传输突发性、低速率、低密度业务（如语音和数据），这样可以发挥两种技术各自的优势。 OCDMA技术也可以应用于其他共用总线领域，如舰船或飞行器的传感器总线及其他对保密性要求较高的场合。5 结束语 综合考虑各种OCDMA技术方案的优缺点，技术可行性，与现有技术和业务的融合，结合具体的应用场合，选择合适的技术方案，是OCDMA技术应用的基本原则。同时，OCDMA是电子、光电子、编码等技术相互渗透、相互融合的一种新兴技术，其发展强烈依赖于这些技术领域的最新进展，深入开展对地址码和光信息处理等技术的研究将有力促进OCDMA技术的成熟和实用化。摘自《光纤与电缆》
