光碼分多址系統(tǒng)中地址碼的雙極性編碼方案

光代碼多地通信系統(tǒng)（ocdma）是未來高速全光網(wǎng)絡(luò)的可能解決方案之一。在ocdma系統(tǒng)中，每個用戶都被分配具有相同特性的光地址碼，相互標(biāo)記和差異，以實(shí)現(xiàn)公共信號的隨機(jī)通信。由于網(wǎng)絡(luò)的整體性能主要取決于系統(tǒng)中使用的光地址碼，因此適合ocdma系統(tǒng)的體積和相關(guān)功能是ocdma技術(shù)的關(guān)鍵之一。1數(shù)字光校正跳頻碼當(dāng)前光纖通信仍采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢波(IM/DD)方式,傳統(tǒng)CDMA的雙極性碼不能直接引入,對單極性光正交碼的研究就成為OCDMA技術(shù)研究的重點(diǎn).OCDMA系統(tǒng)的單極性地址碼主要有光正交碼(OOC,OpticalOrthogonalCode)、素?cái)?shù)碼(PC,PrimeCode)、擴(kuò)展的素?cái)?shù)碼(EPC)、2n素?cái)?shù)碼、二次同余碼(QC)、擴(kuò)展的二次同余碼(EQC)和混合碼(HC)等.OOC和PC是OCDMA系統(tǒng)中比較成熟的地址碼,它們具有良好的相關(guān)特性,很受國際學(xué)術(shù)界的重視.很多人對OOC和PC的構(gòu)造及其性能進(jìn)行了討論.OOC雖然具有良好的相關(guān)特性,但容量很小,設(shè)光正交碼C為(n,ω,λ),這里n為碼長,ω為碼重,自相關(guān)限和互相關(guān)限均為λ,則C的容量|C|滿足Johnson限,即|C|=(n-1)(n-2)?(n-λ)ω(ω-1)?(ω-λ)?(1)|C|=(n?1)(n?2)?(n?λ)ω(ω?1)?(ω?λ)?(1)其容量隨著碼長的增大而增大,而隨著碼重的增大而減小,因此為了增大容量可以增大碼長和減小碼重,但增大碼長將導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)的傳輸速率下降,減小碼重會導(dǎo)致自相關(guān)峰值下降,這些都會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降.PC因放寬了碼字間的互相關(guān)特性,容量有所增加,但是依然很小.為此,很多人對用于OCDMA系統(tǒng)中的跳頻地址碼進(jìn)行了研究.光跳頻碼其實(shí)是對一個比特?cái)?shù)據(jù)上的脈沖用不同的波長(或頻率)進(jìn)行編碼,這種波長的時間間隔非常短.文獻(xiàn)提出的光跳頻碼,其碼容量可由采用的頻率數(shù)目決定,碼的容量有限.目前光正交跳頻碼成為研究的熱點(diǎn).研究表明光正交跳頻碼的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OOC的容量,碼字性能也得到了很大的改善.2使用雙極性碼的性能以上介紹的單極性碼均為“1”少“0”多的稀疏碼,雖然他們在性能上都有所改進(jìn),但是仍然存在著許多不足之處:(1)單極性碼提供的地址碼字較少,系統(tǒng)可容納的總用戶數(shù)由地址序列的碼字容量決定,一定誤碼率條件下可同時傳輸?shù)挠脩粝喈?dāng)有限.以光正交碼(6000,8,1)為例,僅能容納100個用戶.表1給出了不同碼序列的碼字容量的比較,顯然單極性系統(tǒng)在系統(tǒng)總用戶數(shù)方面遠(yuǎn)不及雙極性系統(tǒng).(2)單極性O(shè)CDMA系統(tǒng)是正定系統(tǒng),不能實(shí)現(xiàn)真正的正交,相關(guān)特性并不是很理想,必定導(dǎo)致用戶之間光信號的相互干擾,即多用戶干擾(MAI).降低用戶間的多址干擾是提高OCDMA的綜合性能的前提,而降低多址干擾的有效辦法是采用具有優(yōu)良相關(guān)特性的雙極性碼.(3)單極性碼的碼字很長,使得碼片周期很短,實(shí)現(xiàn)非常困難,非常窄的光脈沖色散嚴(yán)重,限制了局域網(wǎng)的規(guī)模.(4)單極性碼是非平衡碼,即“1”和“0”的個數(shù)不相等,影響碼的效率,其自相關(guān)峰等于碼重,而傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)中自相關(guān)峰等于碼長.系統(tǒng)的誤碼特性由自相關(guān)峰決定,故單極性碼系統(tǒng)的性能明顯低于雙極性碼系統(tǒng).以下我們對使用雙極性碼序列的系統(tǒng)(以Gold序列為例)和使用單極性碼序列(以O(shè)OC為例)的系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較.如使用Gold序列系統(tǒng),當(dāng)K個用戶同時傳輸時,在某一接收端的總干擾是(K-1)個不同的互相關(guān)函數(shù)的疊加,而這些干擾是系統(tǒng)的主要噪聲來源.Gold碼系統(tǒng)的信噪比(SNR)可用下式表示:SΝRGold=4[n3(Κ-1)(n2+n-1)]?(2)SNRGold=4[n3(K?1)(n2+n?1)]?(2)式中,K為同時占用信道的用戶數(shù);n為碼長.對于使用OOC序列系統(tǒng),其SNR可表示為:SΝRΟΟC=4n2(Κ-1)(2n-ω2)?(3)SNROOC=4n2(K?1)(2n?ω2)?(3)式中,K、n、ω的含義同式(1)、(2).圖1為碼長n=100,OOC碼重ω=4時,Gold碼系統(tǒng)與OOC系統(tǒng)在不同用戶下系統(tǒng)SNR與同時用戶數(shù)的關(guān)系圖,可見,Gold碼系統(tǒng)在SNR指標(biāo)上要明顯優(yōu)于OOC系統(tǒng).綜上所述,單極性系統(tǒng)無論是在確定誤碼率條件和同時傳輸用戶數(shù)方面,還是在系統(tǒng)總用戶數(shù)方面,都遠(yuǎn)不及雙極性系統(tǒng),雙極性系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)大容量系統(tǒng)的有效途徑之一.相干光信號處理系統(tǒng)和傳統(tǒng)的射頻CDMA系統(tǒng)一樣都是雙極性系統(tǒng).射頻CDMA的地址碼可以直接應(yīng)用于相干系統(tǒng).相干OCDMA系統(tǒng)需要窄線寬、高相干性的光源,而且整個傳輸和光信號處理過程中都要保持光信號的極化方向,正如相干光通信技術(shù)還不成熟一樣,相干OCDMA系統(tǒng)是明日的技術(shù),它只能是未來大容量的必由之路.用現(xiàn)有成熟的技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙極性,是OCDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大容量的現(xiàn)實(shí)之路.3ocd-ma方法的雙極性3.1ocdma的譜圖編碼技術(shù)先前雙極性碼的研究工作主要集中在頻域編解碼方案的研究.光譜編碼的CDMA系統(tǒng)最早由Zaccarin和Kavehrad兩人提出.這種系統(tǒng)應(yīng)用平衡發(fā)射和接收技術(shù),以及光譜中的多個波長成分來進(jìn)行地址編碼.由于我們可以在非相干調(diào)制光系統(tǒng)中得到地址碼的正交,從而提高了OCDMA系統(tǒng)的性能.通過應(yīng)用互補(bǔ)光譜編碼和平衡檢測技術(shù),我們可以得到完全的雙極性和正交結(jié)果.光譜編碼采用衍射光柵、共焦平面棱鏡和相位掩膜板對光脈沖的頻譜實(shí)現(xiàn)編解碼.其原理如圖2所示.利用光柵的色散特性,將不同頻率的光投向不同角度,棱鏡將光柵的一級衍射波變換為它的空間頻譜圖案,利用相位板使不同頻率光之間引進(jìn)光程差(相差),再反變換得到頻譜展寬的光脈沖.3.1.1高效雙信道融合的發(fā)射與互補(bǔ)光譜的編碼在OCDMA系統(tǒng)中,為了得到正交結(jié)果,可用平衡發(fā)射、平衡接收技術(shù)和NZI來進(jìn)行地址編解碼.圖3所示為MZI雙極性編碼原理,發(fā)射端包括一對連接成平衡方式的寬帶光源,輸入信號分別調(diào)制這兩個光源的強(qiáng)度.寬帶光源發(fā)出的光譜通過一個雙信道且光譜互補(bǔ)的強(qiáng)度編碼器.當(dāng)發(fā)送“0”時,發(fā)射端以直接光譜進(jìn)行編碼發(fā)射;當(dāng)發(fā)送“1”時,則以互補(bǔ)光譜1-|T(ω)2|來進(jìn)行編碼.收端計(jì)算出直接光譜和它的互補(bǔ)光譜間的不同.對應(yīng)地址碼匹配的發(fā)射端,當(dāng)發(fā)射的是“0”時,平衡接收端將會檢測出正的輸出;當(dāng)發(fā)射的是“1”時,平衡接收端將會檢測出負(fù)的輸出.從不匹配端發(fā)射來的光譜將在接收濾波器的兩個輸出端口平衡地分離,得到零輸出.多級MZI的輸出自動達(dá)到了互補(bǔ);當(dāng)輸入光源由一個輸入端切換到另一個輸入端時,MZI輸出端的兩個互補(bǔ)光譜將會顛倒過來.3.1.2個控制編碼哈達(dá)碼矩陣雙極性光譜編碼OCDMA系統(tǒng)發(fā)射端和MZI雙極性編碼一樣包括一對寬帶光源,它連接成平衡方式,輸入信號分別調(diào)制這兩個平衡光源的強(qiáng)度.圖4中寬帶光源發(fā)出的光譜先通過兩個同樣的波分復(fù)用(WDM)解復(fù)用器,再通過一個2×2的光開關(guān)陣列,以此控制從兩個寬帶光源選擇不同的波長成分,再通過復(fù)用器把所選擇的光譜復(fù)用到一根光纖.當(dāng)開關(guān)bi=0時處于直通狀態(tài),發(fā)送的是從上光源發(fā)出的波長為λi的直接光譜|T(ω)|2;而當(dāng)開關(guān)bi=1時處于交叉狀態(tài),發(fā)送的是從下光源發(fā)出的波長為λi的互補(bǔ)光譜1-|T(ω)|2,所以光譜編碼由開關(guān)狀態(tài){b1,b2,…,bn}決定.這里我們用一個n×n的哈達(dá)碼矩陣(-1在這里映射為0)來實(shí)現(xiàn)編碼,從而得到正交的碼字{b1,b2,…,bn}.例如:當(dāng)n=4時,我們有(1111),(1010),(1100),(1001)和從哈達(dá)碼矩陣的反矩陣得到的(0000),(0101),(0011),(0110)共8個碼字,去掉(1111)和(0000)這兩個壞碼,我們得到6個可用碼字,但是每次只能從哈達(dá)碼矩陣的正或者反中挑出3個碼字,例如選了(1100)就不能選(0011),因?yàn)樗鼈兪腔パa(bǔ)的,在解碼端無法分清楚.設(shè)n等于2的整數(shù)次冪,則碼字個數(shù)為2(n-1),而一個系統(tǒng)可以同時使用的碼字?jǐn)?shù)為(n-1).當(dāng)發(fā)射端用戶地址碼為(1010)時,如輸入數(shù)據(jù)是“0”比特,則耦合到發(fā)射光纖的光譜為上光源的λ2和λ4;如輸入數(shù)據(jù)是“1”比特,則耦合到發(fā)射光纖的光譜為下光源的λ1和λ3:在接收端,當(dāng)?shù)刂反a匹配時,對應(yīng)“0”比特信號λ2和λ4將出現(xiàn)在上合路器,下合路器沒有輸出;而對應(yīng)“1”比特信號λ1和λ3會出現(xiàn)在下合路器,上合路器沒有輸出.最后它們到達(dá)平衡檢測器相減后分別得到正、負(fù)的輸出;當(dāng)?shù)刂反a不匹配時,光譜在平衡檢測器端平均分離,通過平衡檢測器的相減作用,我們得到零輸出.這就是雙極性系統(tǒng)的正交結(jié)果.對于哈達(dá)碼的系統(tǒng),理想情況下,其它地址碼的干擾可以完全濾出.3.1.3提高系統(tǒng)性能和提高光帶寬snr在OCDMA通信系統(tǒng)中,利用我們提出的平衡檢測方案和光譜直接編碼技術(shù)可得到地址碼的正交相關(guān)特性,從而可以大大改善系統(tǒng)性能.MZI雙極性編碼OCDMA系統(tǒng)接近WDM的性能,它可以在非相干調(diào)制光系統(tǒng)中得到地址碼的正交,從而改善系統(tǒng)的性能.當(dāng)用戶數(shù)開始上升時,系統(tǒng)的性能主要受到散彈噪聲的影響,這時我們可以提高信號功率來改善SNR,降低誤碼率.然而,當(dāng)用戶數(shù)上升到一定程度時,系統(tǒng)性能主要受限于譜噪聲和多用戶間的干擾,提高信號功率并不能明顯改善系統(tǒng)SNR,也就不能明顯地改善系統(tǒng)的性能.這時的SNR還和光帶寬與數(shù)據(jù)帶寬的比率有關(guān).而哈達(dá)碼矩陣雙極性編碼方案可以提高該比率,從而也在一定程度上改善SNR.和相干調(diào)制,檢測技術(shù)相比,本方案不需要極短的脈沖光源,且編解碼是通過光的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn),所以它受色散的影響小.本系統(tǒng)的地址碼可以選擇用多種電CDMA系統(tǒng)中的地址碼,對于互相關(guān)值不為零的地址碼,這時系統(tǒng)的性能主要來自多用戶間的干擾.另外,光的強(qiáng)度調(diào)制和檢測技術(shù)已較為成熟.所以本方案有一定的實(shí)用價值.3.2單元層雙極性編碼技術(shù)3.2.1雙極性地址碼的tt-tt的映射碼組的序列時間重整就是一種OCDMA系統(tǒng)的雙極性碼編解碼方案,它使原來在RFCDMA系統(tǒng)中已較為成熟PN碼,如具有良好相關(guān)特性的Gold序列等,仍可適用于OCDMA系統(tǒng),從而得到更好的相關(guān)性能,使碼的容量有較大的增加.WDM技術(shù)與射頻CDMA編碼技術(shù)相結(jié)合,在OCDMA系統(tǒng)中引入了傳統(tǒng)射頻CDMA的雙極性地址碼.原理如圖5所示,具體實(shí)現(xiàn)如下:選定系統(tǒng)地址碼c(t),如m序列,把m序列的二進(jìn)制邏輯符號“0”或“1”映射到實(shí)數(shù)“+1”和“-1”.于是,若m序列c(t)=(100010011010111),則經(jīng)映射后c(t)=(-1+1+1+1-1+1+1-1-1+1-1+1-1-1-1).于是c(t)可表示為c(t)=c+(t)-c-(t)?(4)c(t)=c+(t)?c?(t)?(4)式中,c+(t)和c-(t)分別為地址碼c(t)的正半軸序列和負(fù)半軸序列,即c+(t)=(011101100101000)?c-(t)=(100010011010111).c+(t)=(011101100101000)?c?(t)=(100010011010111).設(shè)另一地址碼序列為d(t)=d+(t)-d-(t),則c(t)與d(t)的相關(guān)系數(shù)為R=∫Τc(t)?d(t)dt=∫Τ[c+(t)-c-(t)]?[d+(t)-d-(t)]dt=∫Τc+(t)?d+(t)d(t)+∫Τc-(t)?d-(t)dt-∫Τc+(t)?d-(t)dt-∫Τc-(t)?d+(t)dt.(5)R=∫Tc(t)?d(t)dt=∫T[c+(t)?c?(t)]?[d+(t)?d?(t)]dt=∫Tc+(t)?d+(t)d(t)+∫Tc?(t)?d?(t)dt?∫Tc+(t)?d?(t)dt?∫Tc?(t)?d+(t)dt.(5)采用WDM將雙極性地址碼的正半軸序列和負(fù)半軸序列分別用兩個不同的波長λ1、λ2在同一根光纖中傳輸,在接收端用兩對正、負(fù)半軸序列對應(yīng)的相關(guān)器進(jìn)行檢測、判決,便可實(shí)現(xiàn)OCDMA系統(tǒng)的雙極性編/解碼.3.2.2cd青統(tǒng)編解碼這種時域OCDMA雙極性碼編解碼方案解決了傳統(tǒng)OCDMA單極性編解碼中存在的相關(guān)性能較差、碼本容量小的問題.使得OCDMA系統(tǒng)有可能達(dá)到與射頻CDMA系統(tǒng)同樣的性能,并且該系統(tǒng)有著較好的可實(shí)現(xiàn)性.一般情況下,OCDMA中的雙極性編碼是采用副載波調(diào)制,在電域?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)頻編碼和解碼.所以嚴(yán)格地說,它們不是OCDMA,受電子器件響應(yīng)速率極限的限制,它只適用于低速率系統(tǒng).但是,我們提出的系統(tǒng)是在光域進(jìn)行編解碼,所以它不受電子器件響應(yīng)速率極限的限制,可以應(yīng)用于高速系統(tǒng).3.3“雙極性碼”的映射這種編碼方案實(shí)際上是光譜成分編碼(SpectralAmplitudeCoding).首先根據(jù)系統(tǒng)所需的容量、通信速率、同時通信的用戶數(shù)目等選擇一種具有適當(dāng)碼長n、碼重ω的雙極性碼X;接著將雙極性碼X映射為相應(yīng)的單極性碼U,1不變,-1變?yōu)?;然后在U后添上ˉUUˉˉˉ(即把U中的-1變?yōu)?,1變?yōu)?),使碼變?yōu)殚L度是2n的單極性碼J,這樣的單極性碼保留了原來雙極性碼的相關(guān)特性.4光相位雙極編碼/光催化機(jī)器雙極性O(shè)CDMA系統(tǒng)的研究得到了迅猛的發(fā)展.日本郵電部通信研究實(shí)驗(yàn)室采用譜雙極編/解碼進(jìn)行的非相干OCDMA的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),單路速率達(dá)1.24Gbit/s,可傳輸40km,采用的光編/解碼器是將光抽頭延遲線、相移器和光耦合器集成在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)的單片集成光編/解碼器;日本的NTT公司采用陣列波導(dǎo)光柵編/解碼器進(jìn)行的相干OC