光碼分多址（OCDMA）應(yīng)用于接入網(wǎng)的研究

梁 靜

（貴州大學(xué) 計算機科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

信息時代的到來，人們對電信業(yè)務(wù)的需求日益增大，尤其是三網(wǎng)合一服務(wù)的提出，即數(shù)據(jù)、語音、視像等各種業(yè)務(wù)綜合進行傳送，這就對接入網(wǎng)的帶寬提出了更高的要求，光纖接入方式以其巨大的帶寬優(yōu)勢得到了全球運營商及用戶的青睞，尤其是無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（PON，Passive Optical Network）以其純介質(zhì)技術(shù)得到廣泛的部署和應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣泛的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是TDM-PON技術(shù)，但其傳輸速率低，對同步要求高，安全性不好，動態(tài)波長分配（DBA）和測距等均增大了設(shè)備的復(fù)雜度；而WDM-PON雖然帶寬足夠大，但是高昂的成本和復(fù)雜的系統(tǒng)卻限制了它的推廣；于是人們提出了OCDMA-PON（光碼分多址無源光網(wǎng)絡(luò)），OCDMA技術(shù)允許用戶異步接入網(wǎng)絡(luò)，多個用戶可在同一時刻同時使用公用信道，同時基于OCDMA技術(shù)組建的接入網(wǎng)在光域進行編解碼，可以提供高速的信息接入服務(wù)，因而適合用戶高速連續(xù)信號的接入?；谝陨蟽?yōu)點，OCDMA應(yīng)用于接入網(wǎng)成為下一代接入網(wǎng)技術(shù)的最佳侯選方案[1]。

1 OCDMA應(yīng)用于接入網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OCDMA技術(shù)應(yīng)用于接入網(wǎng)中主要以O(shè)CDMA-PON的形式為發(fā)展方向，而根據(jù)系統(tǒng)采用的地址編碼方式的不同，OCDMA接入網(wǎng)的實現(xiàn)主要有相干和非相干系統(tǒng)，前者利用光場的相位來傳輸信號，而后者則是用光場的能量。在OCDMA系統(tǒng)中，相干與非相干光編碼方式的區(qū)別限制著系統(tǒng)所采用的地址碼的類型，并最終決定系統(tǒng)的性能。

Wang xu等人[2]提出的基于 SSFBG編解碼器的相干OCDMA-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示，該系統(tǒng)中相干編碼方式主要是相位編碼。相位編碼可獲得嚴(yán)格正交的擴頻序列，碼間干擾大大減弱，但是相干OCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相位編碼器及接收端的時鐘同步對器件要求很高，特別是隨著傳輸速率的上升，對激光光源的相干性要求十分苛刻。

非相干OCDMA-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]如下頁圖2所示，該系統(tǒng)是利用光信號的強度攜帶信息，即所謂的正系統(tǒng)。用光信號的有無來表示二進制的“1”和“0”。這里在接收端上，任一用戶都可以收到來自多個編碼器的信號，在解碼器內(nèi)，這些信號與預(yù)置的擴頻地址序列進行相關(guān)運算，結(jié)構(gòu)送至平衡探測器，最后由閾值器件判決而恢復(fù)出原始信號。該系統(tǒng)的優(yōu)點就是實現(xiàn)方式較為簡單，對器件性能要求較松，缺點就是地址碼是偽正交，當(dāng)并發(fā)用戶集中時，多用戶干擾（MUI）較嚴(yán)重，存在很高的誤碼率。

圖1 相干OCDMA-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 非相干OCDMA-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 地址碼的選擇和構(gòu)造[4]

光地址碼主要分為兩大類：光素數(shù)碼和光正交碼。光地址碼應(yīng)具有自相關(guān)峰值較大、互相關(guān)峰值較小的特點，這樣可以減少其他用戶的干擾，獲得較高的信噪比，為了使收發(fā)雙方容易獲得同步，自相關(guān)的旁瓣也要小。同時，光碼集應(yīng)能夠容納盡可能多的并發(fā)用戶數(shù)，增加系統(tǒng)容量。

光地址碼的主要參數(shù)為(L,w,λa,λC)，式中L為碼字長度，即(0,1)序列的切普總數(shù)；w為碼字重量，即(0,1)序列中“1”的數(shù)目，是碼字的自相關(guān)峰值；λa,λC分別是自相關(guān)限制和互相關(guān)限制，即碼字的自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)峰的最大值。

光地址碼碼集C(L,w,λa,λC)的自相關(guān)和互相關(guān)特性如下：，對任意,對任意x∈C，

2.1 光素數(shù)地址碼

光素數(shù)碼（OPC）是構(gòu)造OCDMA系統(tǒng)地址碼碼集的基礎(chǔ)之一，碼長為2L p= ，碼重w=p(p為素數(shù))的素數(shù)序列碼的碼字容量為p，自相關(guān)限制為 1p- ，互相關(guān)限制為2，首先選擇一個不等于2的素數(shù)；以構(gòu)造素數(shù)序列由素數(shù)序列 Si可構(gòu)造素數(shù)序列碼其中碼函數(shù)可為：

當(dāng)p=5時，構(gòu)造的素數(shù)序列 Si和光素數(shù)碼序列 Ci如表1所示：由表1可看出，素數(shù)序列碼字中“1”的分布很有規(guī)律，碼字的相關(guān)性不好，碼字容量也不大。

表1 p=5時構(gòu)造出的素數(shù)序列Si和素數(shù)碼序列

2.2 光正交地址碼

光正交地址序列碼（OOC）是一組自相關(guān)及互相關(guān)性都很好的“0,1”序列。光正交碼優(yōu)良的相關(guān)特性使得 OCDMA系統(tǒng)的異步用戶數(shù)大大增加；使得用戶數(shù)據(jù)的傳輸更加高效、可靠、系統(tǒng)組網(wǎng)更加靈活；低旁瓣的“圖釘”狀自相關(guān)特性使得數(shù)據(jù)探測更加便利；低互相關(guān)值使得多用戶干擾大大降低。

構(gòu)造OOC的算法有直接構(gòu)造法、有限幾何法以及區(qū)組設(shè)計法等，每種方法都很復(fù)雜，直接構(gòu)造是用計算機窮舉，在設(shè)定碼字相關(guān)性的前提下，逐個排除不符合條件的碼字，從中篩選出合適的碼字組成碼集，運算量較大。射影幾何法是建立在有限射影幾何理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)射影幾何中直線與碼字的對應(yīng)關(guān)系獲得光碼集，組合區(qū)組設(shè)計法是根據(jù)組合理論，把對稱平衡不完全區(qū)組設(shè)計和部分平衡不完全區(qū)組設(shè)計方法引入光正交碼設(shè)計。

3 OCDMA系統(tǒng)誤碼率分析

首先從概率角度分析誤碼率，對于OCDMA系統(tǒng)，當(dāng)用戶較少時，系統(tǒng)誤碼率主要受接收機噪聲的影響,而用戶較多時則主要受用戶間的多址干擾決定?？扇菁{的用戶數(shù) N由Johnson邊界條件給出：

每個用戶都要對預(yù)定用戶產(chǎn)生一定的干擾，則對應(yīng)于誤碼率上限的I1的多用戶干擾的概率密度函數(shù)為：

系統(tǒng)的誤碼率定義為：

Z是接收端的判決器的輸入，th表示判決門限，0≤th≤w。式中的第一項表示“0”錯判成“1”的概率，第二項表示“1”錯判成“0”的概率，則系統(tǒng)的誤碼率上限為：

其次從信噪比角度分析誤碼率，對于光正交碼信噪比可表示為自相關(guān)函數(shù)峰值（即判決時接收機光功率）與互相關(guān)函數(shù)平均值（即每個多址干擾平均光功率）之比。即信噪比為：

對于ASK調(diào)制可得系統(tǒng)的誤碼率為：

對比式(5)和式(7)可發(fā)現(xiàn)無論從哪個角度來分析，誤碼率都和用戶數(shù)、碼長和碼重三個因素相關(guān)，通過實驗仿真[5]，這兩種方法得出的誤碼率的接近程度與判決門限 th取值有關(guān)，且隨著用戶數(shù)的增多逐漸接近。

同時從式(5)可知：增加碼長、降低碼重或適當(dāng)提高判決門限的值均可以改善系統(tǒng)誤碼性能；系統(tǒng)的誤碼率隨著用戶數(shù)的增加而劣化，但有一個飽和值，因此OCDMA系統(tǒng)是一個有彈性容量的系統(tǒng)。

4 結(jié)語

OCDMA技術(shù)應(yīng)用于接入網(wǎng)具有實現(xiàn)全光通信，優(yōu)良的安全性能、抗干擾性強，同時允許多個用戶的隨機接入等優(yōu)點，這符合了運營商和客戶的雙重需求，是未來光接入網(wǎng)的演進方向。但OCDMA技術(shù)目前還處于實驗室研究階段，還有很多技術(shù)及應(yīng)用上的問題需要解決。隨著光纖通信以及光電子器件技術(shù)的不斷發(fā)展，OCDMA技術(shù)必將在未來的光接入網(wǎng)中占有重要地位。

[1] 易叢琴.下一代接入網(wǎng)技術(shù) WDM-OCDMA-PON的研究[J].通信技術(shù),2009,42(06):124-126.

[2] Hamanaka T,Wang X.Ten-User Truly Asynchronous Gigabit OCDMA Transmission Experiment With A 511_Chip SSFBG En/Decoder[J].Journal of Lightwave Techonlogy,2006,24(01):95-100.

[3] Zhang Z G,Qiu K.Passive Optical Networks Based on Optical CDMA:Design and System Analysis[J].Chinese Science Bulletin,2007,52(01): 118-126.

[4] 李傳起，李曉濱.光纖通信OCDMA系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社，2008:10-13;205-207.

[5] 葛海波,王海潼.影響OCDMA系統(tǒng)誤碼率的主要參數(shù)研究[J].光通信技術(shù),2008(07):12-14.