軟件定義光網(wǎng)絡光碼分多址編解碼技術發(fā)展趨勢

蒲濤　孟凡秋　趙繼勇

摘要：認為光碼分多址技術的發(fā)展趨勢應當是高頻譜效率動態(tài)可重構的，以適應軟定義光網(wǎng)絡（SDON）對端到端長距離跨節(jié)點的安全光通道應用服務需求。針對現(xiàn)有基于全光信號處理的光碼分多址（OCDMA）技術存在頻譜效率低、色散補償困難和多址干擾嚴重3大問題，分析了全球研究現(xiàn)狀，預測OCMDA技術發(fā)展趨勢應采用電編碼和數(shù)字相干接收機。提出了光編解碼技術應用于SDON所面臨的關鍵問題，并給出了解決這些關鍵問題的技術路線。

關鍵詞： 光碼分多址；軟定義光網(wǎng)絡；數(shù)字相干接收機

Abstract： In order to fit the application needs of secure， long-haul optical channel across relay nodes in soft defined optical networks （SDON）， the next-generation optical code division multiple access （OCDMA） system should pursue the goal of high frequency efficiency and dynamic reconfiguration. Recent researching reports are reviewed to reveal the main problems of traditional OCDMA with all optical signal process， which are low frequency efficiency， dispersion and multiple access interference. It is predicted that electronic domain encoding/decoding and digital coherent receiver will be the trends of OCDMA technology. The pivotal problem and solution path are provided for the application of the next-generation OCDMA in SDON network.

Key words： optical code division multiple access； softwave-defined optical networks； digital coherent receiver

作為一種基本的通信復用方式，碼分多址（CDMA）技術具有軟容量、支持多業(yè)務和內(nèi)在安全性的特點，它同數(shù)字信號處理技術相結(jié)合在第3代移動通信中得到廣泛的應用，3G標準無論是北美的CDMA2000、歐洲的寬帶碼分多址（WCDMA）還是中國的時分同步碼分多址（TD-SCDMA）標準都以CDMA作為主要的多址/復用方式。作為一種抗干擾與抗截獲通信手段，CDMA在軍事衛(wèi)星通信和野戰(zhàn)地域網(wǎng)中得到應用。光纖通信具有長距離大容量的優(yōu)勢，20世紀90年代以來，憑借波分復用（WDM）和摻鉺光纖放大器（EDFA）技術，數(shù)百個波長信道的大容量光傳送網(wǎng)（OTN）為以互聯(lián)網(wǎng)為主要業(yè)務的信息網(wǎng)絡提供底層傳送服務。借助數(shù)字信號處理與相干接收技術，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)了單波長100 Gb/s和單根光纖100 Tb/s信號的數(shù)千公里傳輸。

光碼分多址（OCDMA）系統(tǒng)中總用戶數(shù)（碼字容量）可以遠大于實時通信的用戶數(shù)（通信容量），通信用戶可以按需占用信道資源而不受通信容量的限制，這種彈性容量（軟容量）的特點使得OCDMA比固定資源分配的波分多址（WDMA）和時分多址（TDMA）方式更適應動態(tài)的光層組網(wǎng)需求。

隨著2013年9月“棱鏡門”事件爆發(fā)，越來越多的證據(jù)表明原本被認為安全的光纜通信也存在被竊聽的安全隱患。其實從2003年起，美國就在美國國防高級研究計劃（DARPA）項目的支持下開展了OCDMA抗截獲通信的研究，推動了OCDMA全光編解碼器技術的發(fā)展，后又發(fā)展為可以把保密信道隱藏在公共信道中的光隱藏通信技術。這是因為OCDMA編解碼技術可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為高速、寬頻譜、類噪聲信號，從而成為一種物理光層抗截獲通信方式。

軟件定義網(wǎng)絡（SDN）是面向未來的新一代網(wǎng)絡創(chuàng)新架構，通過將網(wǎng)絡設備控制面與數(shù)據(jù)面分離，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡及應用的創(chuàng)新提供良好的平臺。SDN的引入擴大了光網(wǎng)絡智能管控的功能和范疇，并帶來了豐富的應用層，成為目前的發(fā)展趨勢。

虛擬化的增值業(yè)務應用是基于軟定義光網(wǎng)絡（SDON）的一種重要應用，目前包括多租戶的光虛擬專網(wǎng)（OVPN）、動態(tài)帶寬按需分配（BOD）、差異化服務等級（SLA）等。隨著網(wǎng)絡安全事件的頻繁曝光，用戶對光網(wǎng)絡通道安全抗截獲性能的日益重視，端到端長距離跨節(jié)點的安全光通道服務必將成為SDON網(wǎng)絡的一種新型應用。

1 全球研究現(xiàn)狀分析

1.1 全光編解碼技術的OCDMA研究

現(xiàn)狀

隨著光纖布拉格光柵（FBG）、平面光波電路（PLC）和空間液晶調(diào)制器（SLCM）等全光信號處理技術的發(fā)展，基于全光信號處理技術的OCDMA研究迅速發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)吉比特多用戶傳輸?shù)挠卸S編碼、時域相位編碼和頻譜相位編碼等3種全光編碼方案：

實現(xiàn)較多用戶數(shù)通信的實驗記錄是加拿大Laval大學在OFC2001會議上報道的[1]，實現(xiàn)了16個速率為1.25 Gb/s的用戶傳輸80 km的系統(tǒng)，它采用了30個間隔50 GHz的波長通道，光纖光柵陣列（FBGA）中子光柵長度14 mm、子光柵間隔1 mm，編解碼器總長119 mm，對應于150 ps的編碼周期，限制了系統(tǒng)用戶速率的進一步提高。

時域相位編解碼是一種重要的編碼方案，可以采用超結(jié)構光纖光柵（SSFBG）和PLC技術實現(xiàn)。研究SSFBG實現(xiàn)超長碼片數(shù)時域相位編解碼的主要有英國和日本。英國南安普頓大學首先發(fā)表了采用SSFBG、碼長為255的實驗報道[2]。日本的國家信息通信技術研究所（NICT）、大阪（Osaka）大學和OKI公司創(chuàng)造了碼長為511，碼片速率640 Gchip/s的編解碼器世界紀錄[3]。2004年，意大利Rome Tre大學提出波導光柵路由器（AWG）可以用于設計產(chǎn)生高相關性能的正交光碼[4]。

除了上述兩種方案之外，頻譜相位編解碼也是代表OCDMA技術最新進展的重要技術方案。美國在頻域相位編碼技術方面處于領先地位，南加州大學最早于1985年提出利用對超短脈沖的頻譜進行相位編碼[5]，采用體光柵、透鏡系統(tǒng)和掩模板構成4倍焦距（4-f）空間光學系統(tǒng)實現(xiàn)光譜相位編碼。

加州大學Davis分校在DARPA O-CDMA微系統(tǒng)項目的支持下進行一系列的頻譜相位編碼研究工作。UCDavis同時采用液晶-空間光相位調(diào)制器（LC-SLPM）這兩種不同的器件分別進行頻譜相位編解碼實驗。在OFC上報道了采用LC-SLPM實現(xiàn)32個10 Gb/s用戶速率的傳輸實驗[6]。

上述基于SSFBG、SLM、AWG等全光編解碼器的實驗系統(tǒng)研究報道中，編碼方式雖然從非相干的幅度編碼發(fā)展為相位/相干編碼方式，但是存在如下問題：

（1）采用4～20 nm的寬譜光源，無法與基于密集波分復用（DWDM）波長顆粒的軟件定義光傳送網(wǎng)絡（SDON）相兼容。

（2）均使用直接檢測方式的接收機，多址干擾和差拍噪聲嚴重影響多用戶性能，必須采用光閾值、時間門等復雜全光處理手段。

（3）由于占有頻譜較寬，需要針對不同鏈路長度配置特定的色散補償模塊。

1.2 采用電域編解碼和相干接收技術

的OCDMA研究進展

采用數(shù)字相干接收技術是OCDMA走向軟件定義光網(wǎng)絡的關鍵。針對全光信號處理OCDMA編解碼系統(tǒng)存在頻譜利用率低、多址干擾嚴重的問題，國際上已有研究機構開展電域編解碼和采用數(shù)字相干接收的OCDMA技術研究。

日本NTT接入網(wǎng)業(yè)務系統(tǒng)實驗室（ANSSL）針對下一代寬帶接入網(wǎng)技術與標準，研究非全光信號處理方式的OCDMA系統(tǒng)方案。在2008年ECOC會議上[7]，他們提出相位匹配編碼的光碼分復用（OCDM）與傳輸，接收機采用多頻自零差檢測方案，研制了平面光波電路-鈮酸鋰（PLC-LN）模塊用以實現(xiàn)OCDM編碼和數(shù)據(jù)調(diào)制，并進行了如圖1所示的驗證性實驗，用戶數(shù)據(jù)速率可以達到1.5 Gb/s。

2008年為了減緩差拍噪聲，他們理論研究了采用外差檢測接收頻譜幅度編碼OCDMA系統(tǒng)性能，并且通過實驗驗證了相干接收對差拍噪聲的抵消作用[8]。在2009年OFC會議上，他們又提出采用高速數(shù)字電路和激光器/調(diào)制器陣列的OCDM編碼方案，該方案屬于頻譜多級幅移鍵控（M-ASK）編碼方案，進行了3個用戶接收功率1.5 Gb/s速率的碼分復用傳輸驗證實驗，-17 dBm時誤碼率達到10-9（Q值15.6 dB），表明有效抑制了多址干擾（MAI）和差拍噪聲[9]。實驗方案如圖2所示。在OFC2009工作基礎上，NTT在ECOC2010會議上提出了采用多電平幅移鍵控與二進制相移鍵控相級聯(lián)的M-ASKxBPSK調(diào)制方式，保留了自零拍接收方式，實驗驗證了如圖3所示3用戶1.5 Gb/s OCDM系統(tǒng)傳輸[10]。

2007年，約翰霍普金斯大學提出采用相位偏振分集（PPD）的方法[11]，理論仿真驗證了這種方法在比特同步條件下可以使得MAI最小化，該方案的頻譜效率高達1 bps/Hz。2012年，他們提出采用2組光譜線外差接收的編碼方法[12]，一組編碼光頻梳同另一組參考光頻梳同時傳輸，它們的頻率間隔正好是比特速率。通過相干接收處理可以抵消差拍噪聲與多址干擾，無需鎖相環(huán)（PLL）和光閾值器件；還指出運用傅立葉綜合技術可以有效色散管理。2013年，該課題組報道了如圖4所示的實驗系統(tǒng)[13]，驗證了4用戶4.5 Gb/s速率的系統(tǒng)，誤碼率為10-7時，信號與MAI的最佳對比度達到648。

清華大學2006年研制出基于等效相移（EPS）方法的SSFBG時域相位編解碼器[14]；華中科技大學基于7碼片SSFBG相位編解碼器進行了40 Gb/s的傳輸試驗[15]；解放軍理工大學提出了靈活控制編碼帶寬的子采樣技術[16-17]，并基于低成本增益開關光源，實現(xiàn)了2.5 GHz雙用戶100 km無誤碼傳輸[18]。在中國國家“863”項目支持下，解放軍理工大學和南京大學進行了10 Gb/s速率多用戶的OCDMA系統(tǒng)的相關實驗[19]，對高頻譜利用率的時頻域編解碼器進行了一系列的實驗探索[20-21]。

2 軟定義光網(wǎng)絡下OCDMA

技術發(fā)展趨勢預測

由上述研究現(xiàn)狀分析可知，基于全光信號處理的OCDMA系統(tǒng)研究已進入技術“瓶頸”，存在多址干擾與噪聲嚴重、需要精確色散補償、頻譜利用率低的問題。采用數(shù)字相干光接收技術的光碼分多址技術研究才剛剛起步，相對于全光信號處理方式尚未實現(xiàn)速率和用戶數(shù)的提升，只有國際上個別的研究機構進行此類實驗研究。

OCDMA與相干光接收和數(shù)字信號處理技術相結(jié)合是未來發(fā)展趨勢，基于傳統(tǒng)DWDM、OFDM等固定資源分配的全光接入技術已經(jīng)達到很高的頻譜利用率（1～8 bps/Hz），可以和靈活顆粒（Flexible grid）的WDM骨干網(wǎng)無縫銜接。

作為具有內(nèi)在軟容量和動態(tài)接入能力的OCDMA技術目前在容量、頻譜利用率和變址靈活性方面與WDMA技術還有很多差距，必須借助數(shù)字相干接收技術提升能力，才能為下一代軟定義光網(wǎng)提供新型安全抗截獲、多址接入的解決方案。

因此要想成為下一代軟定光網(wǎng)絡的重要應用技術，光碼分多址就必須向數(shù)字相干OCDMA系統(tǒng)的方向逐漸發(fā)展。

3 軟定義光網(wǎng)絡中OCDMA

系統(tǒng)所面臨的關鍵問題

OCDMA技術要邁向下一代軟定義光網(wǎng)絡必須解決跨WDM傳送網(wǎng)應用的頻譜兼容、長距離傳輸動態(tài)可調(diào)諧色散補償和多址干擾對系統(tǒng)誤碼率性能的影響3個方面的問題。

3.1 跨WDM傳送網(wǎng)應用的頻譜兼容

問題

典型例子就是OCDMA抗截獲通信系統(tǒng)的跨中繼段應用問題。跨中繼段應用是OCDMA防竊聽通信系統(tǒng)能否在軟定義光網(wǎng)絡中端到端配置的關鍵，是面向國防信息安全的高速率（大于等于2.5 Gb/s）、長距離（大約1 000 km）光纖通信的關鍵。可以通過奈奎斯特間隔子載波時頻域數(shù)字編解碼方式，在30 GHz帶寬內(nèi)實現(xiàn)高性能OCDMA編解碼。

3.2 長距離傳輸動態(tài)可調(diào)諧色散補償

問題

OCDMA通信系統(tǒng)由于占有相對較寬的光譜，因此具有較小的接收機色散容限，具有動態(tài)可調(diào)諧色散補償能力的OCDMA數(shù)字接收機，是適應不同傳輸距離、不同色散管理鏈路應用的關鍵。本課題擬借助數(shù)字域?qū)崟r信號處理的強大能力，從信道的精確噪聲模型出發(fā)，探索適合OCDMA系統(tǒng)的最大似然序列估計（MLSE）均衡算法，最終解決OCDMA通信系統(tǒng)的色散補償問題，并為復雜噪聲干擾光纖通信系統(tǒng)中的信道均衡這一類問題提供可借鑒的方法。

3.3 多址干擾對系統(tǒng)誤碼率性能的

影響問題

光纖通信中的時鐘數(shù)據(jù)恢復（CDR）方法無法適應OCDMA信號接收，光閾值和時間門等光學非線性信號處理的方法不具備設備應用的條件，因此具有抑制干擾能力的接收機是OCDMA系統(tǒng)能否走向應用的關鍵。必須通過15～40 GHz帶寬的商業(yè)成熟的光電檢測器+模數(shù)轉(zhuǎn)換器（PD+ADC）無損采樣，然后借助實時數(shù)字信號處理工具與方法，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)干擾抵消和數(shù)據(jù)恢復。

4 解決關鍵問題的技術路線

要解決OCDMA應用于SDON網(wǎng)絡所面臨的頻譜效率、色散補償和多址干擾問題，必須將業(yè)已成熟的數(shù)字通信理論用于OCDMA傳輸系統(tǒng)，借鑒其中的載波相位恢復、時鐘恢復、信道估計與均衡等算法，所用的理論研究方法還包括OCDMA碼字構造與正交性、光纖光柵編解碼、OCDMA噪聲干擾理論。如圖5所示。

如圖5所示，OCDMA技術向SDON網(wǎng)絡應用發(fā)展必須開展如下3方面的研究：

（1）針對于WDM傳送網(wǎng)頻譜兼容問題，從OCDMA碼字構造出發(fā)，借鑒接入網(wǎng)中奈奎斯特超密復用方案，探索具有高頻譜效率的動態(tài)可重構電域編碼方案。

（2）針對OCDM信號長距離跨中繼傳輸?shù)膭討B(tài)色散補償要求問題，基于數(shù)字通信理論中MLSE信道均衡算法，采用OCDMA精確信道模型，為MLSE均衡算法中的信道估計提供精確模型。

（3）針對OCDM系統(tǒng)中嚴重的多址干擾問題，從碼字正交性能入手，針對OCDMA信道模型，探索數(shù)字域干擾抵消方法，為時鐘提取和閾值判決提供算法支持。

5 結(jié)束語

本文認為OCDMA編解碼技術的研究現(xiàn)狀可分為全光編解碼現(xiàn)狀和電編碼相結(jié)合的研究2類，其中全光編解碼研究報道較為深入全面，但是存在頻譜效率低、色散補償困難和多址干擾嚴重等問題。本文提出了應用于SDON網(wǎng)絡軟件定義光編解碼技術應當采用電域編解碼和數(shù)字相干接收機技術，必須能夠解決與OTN頻譜兼容問題、長距離跨中繼傳輸?shù)目烧{(diào)諧色散補償問題和自身多址干擾問題。

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