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光码分多址网络技术

2/14/2005来源:光纤通信人气:9410

光码分多址网络技术(张美敦、罗忠生) 摘要 介绍了光码分多址技术的友展、原理、典型方案及最新实验结果,分析了各种 方案的系统性能和不足之处。 关键词 光码分多址 光纤通信网 扩频通信 随着多接火光纤网的发展,产生了新的基于全光系统的多址接火协议。波分多址 (WDMA)、光时分多址(OTDMA)和光码分多址(OCDMA)是常见的多址接入方法。 相对于光时分多址和波分多址,光码分多址技术的主要特点是:(1)接入简单 为每个用户分配不同的码字,以区分不同用户发出的信息,因此光码分多址允许多个 用户随机接人同一信道,不要求波长可调和稳定器件;(2)可异步接入 码分多址 不要求各节点同步,几乎没有接入时延。可以实现“讲完即走”(tell-and-go)工 作方式,适合局域同中突发流量、大流量和高速率环境;(3)可构成真正“透明” 的全光网通信光码分多址只在发射节点和接收节点对用户数据进行编译码,与网络结 构无关。另外,光码分多址可构成灵活的高速通用网络,能同时提供各种业务;(4) 安全性高 码分多址采用扩谱技术编码,只有接收端与发送端严格匹配才能解出用户 信号,否则为伪噪声随机信号。 1光码分多址技术基本原理及关键技术 在发送节点,光脉冲对数据源中数据流的每个比特“1”按规律编码,形成高速 光序列,每个脉冲称为一个码片(chip)。比特“0”不编码,由全零序列代替。每 个节点的码型不同,代表该节点的地址码。通过光纤和星形耦合器,将编码后的光 序列发送到每个接收节点。在接收端,如果译码器与编码器匹配,译码信号为自相 关输出,得到大自相关峰(同时伴有小的旁瓣),否则为互相关输出,相关峰小。 通过光阈值开关或高速光电接收器接收,在比较器中,输出的电信号与阈值Tb。相 比较,若信号值大于阈值,输出“1”,反之则输出“0”,即可恢复原来的数据。 光码分多址的关键技术包括:(1)码型设计;(2)编码及译码器设计。码型 的特性对系统的性能(如数据传送速率、误码率、信噪比及能提供的用户数等)有 很大影响,码型设计包括码的相关特性、正交特性、码长和实现难度等。另外,选 择光源和阈值开关对系统性能影响也很大。 2码型设计 单极性码(0,1)通常由四个参数(n,ω,λa,λc)描述,其中n为码长,ω 为码重量,λa和λc分别表示自相关和互相关常数。当λa=λc=1时,满足Johnson 边界条件,为最优码。码的容量最大值(上界)由φ(nω,λa,λc)描述。 码型设计要求单极性码序列有良好的相关性和正史性,即自相关值应尽可能大, 互相关值尽可能小,每个码字与其自身移位后的码字应容易区别,以保证在译码器 的输出瑞,除主脉冲外,所有脉冲振幅均小于或等于λa,主脉冲的振幅等于ω, 减小自相关函数旁瓣引起的信号不稳定概率,即减小误码率。此外,还要求能为用 户提供尽可能多的码字,并在工程上易于实现。 已设计出多种单极性码,包括光正交码、素数码。扩展素数码、2n素数码。二 次全等码、扩展二次全等码。矩阵码和区组复用码。它们的不足之处是:(1)提 供的地址码字较少;(2)码字很长,使得码片周期,τc很短,实现非常困难,非 常窄的光脉冲色散严重,限制了局域网的规模;(3)非平衡码,即“1”和“0” 的个数不相等,影响码的效率 光矩阵码(或二维码)是码型设计的重要发展。其构造基于一维光正交码,码 长为mn,m行表示波长数或空间信道数,n列表示一维码的码片数。矩阵码可以提供 更多的码字,增加容量,降低对光源脉冲宽度的要求,并可构成空间或波分复用混 合系统。 在相干系统中,采用电码分多址系统中的双极性码(如Gold码、循环移位m序 列码等),对光的相位进行编码,也可使用截短Costas码、Hadamard码、Walsh码 及Reed-Solomon码。 3典型光码分多址系统 3.1非相干时域系统 非相干时域系统采用直接检测法,在接收端使用平方律检测光信号,信号是功 率叠加而不是振幅叠加。系统结构包括并行光纤延迟线、梯形网络和可调谐延迟线, 采用单极性码。由于双极性码的相关性比单极性码好,提供的码字多,所以如何将 其用于非相干系统是一个研究课题,通常使用单极性/双极性转换法(SIK )。 光纤延迟线构成了光码分多址系统的基础。为了发送给不同用户,设计了码字 选择开关。译码器也包括一列并行光纤延迟线,其长度对应编码序列中“1”的位置。 在光纤延迟线中,编码序列经过再延迟和再组合,构成泽码信号,输出到阈值器件。 光纤延迟线的主要问题是:(1)体积庞大;(2)存在严重的功率损失和分配 问题;(3)当传送数据“0”时,由于其它节点的干涉,引起互相关峰大于阈值, 产生译码错误。 为了克服并行光纤延迟线光功率损失大的缺点,采用梯形网络。梯形网络是光 码分多址系统的基本结构。 基于梯形网络结构的可调光纤延迟线方案,其耦合器被2×2可调光开关取代, 采用素数码。扩展二次全等码或区组复用码。它的主要优点是由于采用电光开关, 整个传输结构可以编程控制,能产生各种区组码。 为了实现非相干编译码器,必须考虑:(1)码长问题。为了能提供尽可能多的 用户数,码字必须很长,以致光脉冲非常短,通常小于10ps。理论上,全光非相干 码分多址系统可在使用光阈值器件检测自相关峰的同时,展宽脉冲,从码片宽度τc 还原到数据宽度T,但很难实现。此外,脉宽很窄的光脉冲经过分光和延迟,再复合 时将会与自身相干涉,带来干涉噪声;(2)网络的性能受到网络中其它用户串扰的 影响;(3)由于使用平方律检波,会产生严重的混频噪声,即光拍频噪声。 3.2相干时域系统 相干时域系统利用光的相干特性,对光的相位编码,接收端检测光的相位。其 优点是系统容量大,可以使用已有的双极性码。 对光相干编译码采用相干复用方法,利用Mach-Zehnder干涉系统构成相平梯形 网络。在系统中,一臂为已编码的信号,调制干涉仪中的光波相位,另一臂为非调 制参考信号。两束光与其它用户的类似信号相干复用。在接收端,匹配干涉仪的一 臂也带有相位调制器,通过与发送端同步的相位调制,将被编码的数据译码。平衡 式接收电路检测光信号,如果为匹配信号,采用相干检测方式,输出信号大;反之, 则采用强度检测方式,输出信号小,类似噪声。 与非相干系统相比,相干系统容许更短的序列长度,在不同的相干信道可使用 同~码字,以增加用户数。此外,编码还可为系统提供很好的保密性能。 相干编码系统可使用双极性码,提供的用户数多,传送数据速率高,信噪比高, 误码率低。但要求系统能控制和稳定光脉冲的相位,传输时,要求光脉冲保持偏振 态不变。另外,源的相干时间也很重要,要求延迟时间小于相干时间。设光源谱最 大半宽度(FWHM)为2nm,对应于相干时间为3.99ps,这要求编译码之间的延迟小 于798pm(在单模光纤中),这个精度目前实现很困难。由于这些原因,光码分多 址的研究曾主要集中在非相干系统。然而,随着光源研究的进展,根于光码分多址 已成为研究重点。 3.3频域扩谱编码和泽码系统 上述讨论方案都是在时域内编码,相当于对脉冲位置进行调制,它要求非常窄 的光脉冲及精确的延迟。为了克服这些困难,在频域内对载波光波的频谱进行编码, 称为扩谱编码。其基本思想是使用Fourier频谱变换方法,采用衍射光栅对表示源数 据“1”,周期为τc的光脉冲的频谱进行分解,然后通过相位模板或振幅模板,使 光谱中不同的频谱成份产生特定的相移或振幅衰减,即对频谱编码,再将光脉冲整 形,成为低强度伪噪声突发信号。模板位于透镜1的焦点上,使光谱成分有最大的分 隔。透镜1与透镜2共焦,使光束准直。第二个光栅将已编码的光谱成分重新组合, 编码后的脉冲形状取决于模板的选择,通常比人射脉冲宽,采用伪随机模板,可使 输出的脉冲形状为低强度伪随机信号。 在接收端,通过扩谱相关过程将接收信号还原。译码器结构与编码器一致,只 是模板为其复共轭模板,将扩谱编码信号中的特定相移或振幅还原,得到译码后的 还原脉冲。若译码器与编码器不匹配,译码器的输出仍为低强度伪随机突发信号。 为了适应不同的接收机,相位或振幅模板采用可编程空间光调制器(SLM),编 程控制模板的相位或振幅分布形式。也可使用柱面透镜和二维模板,一维用于频域, 另一维用于预置尽可能多的地址序列,移动模板选择码序列。 扩谱编码不需要特殊编码,可使用双极性码、Gold码或Hadamard码,扩谱宽度 不依赖于调制信号,接收端的扩展增益也不依赖数据速率。从理论上讲,扩谱系统 可进行完全正交的数据传送,因而可提供任意数据速率(但实际上,数据率仍受色 散和多源干涉限制)。最新实验报道,光源为掺铒环形光纤激光器,波长为1.55pm, 脉冲宽度为65fs,数据率30Mb/s,采用液晶128K可编程相位模板,传送距离2.5km。 3.4混合系统 为了增加网络用户数,减少码长,考虑将光码分多址技术与其它复用方法(如 空分复用、波分复用或副载波)结合。 光码分多址与波分复用结合,是将光码分多址应用到每一个波长中,可提供高 保密性和高信噪比,增加整个网络用户数,减少用户间的串扰。有人提出使用光码 分多址技术,减小波分复用系统中四波混频所引起的串扰及光拍频干涉噪声(OBI)。 通过一根光纤传送多个波长的码分多址信号,称为跳波长一时间扩展系统(WH /TS)。通过这种方法,可得到零自相关函数旁瓣和小于1的互相关值。时域内编码 与频域内编码相结合,可增加网络用户。另外,跳波长有高度的保密性,容易与波 分复用相结合,但需要快速可调激光器和快速光开关。将光码分多址与副载波系统 结合,利用电码分多址副载波传送与声表面滤波器(SAW)结合的匹配滤波器接收, 用光纤作为传送媒质,用副载波分割光纤带宽。这种方法的优点是技术上容易实现, 但其传送速率受电子器件的限制,不适用高速率环境。 除上述系统外,还有空间码分多址系统、跳频光码分多址、偏振移位键控(PO LSK)方法和系列电光相关等。 光码分多址系统的评价标准通常包括采用的码型。处理数据的速度、实现的难 度和网络用户数等。从以上分析可看出,现在提出的方案都有不足之处,因此使光 码分多址系统实用非常重要。设计性能更好的码型,使其具有更好的相关性和提供 更多的码字,是光码分多址技术的重要课题。设计新的光码分多址系统及对这些系 统的性能包括流量、误码率、容量及干涉噪声进行分析,成为目前的研究重点。在 系统研究中,相干复用系统。频域编码系统以及将光码分多址系统与波分复用系统 结合等尤其引人注意。 光码分多址技术的独特性能及对光码分多址的研究将会产生的新的光器件和新 的光通信系统。随着光码分多址技术的继续发展,将产生全光码分多址系统。 摘自《电信快报》