光碼分多址（OCDMA）系統(tǒng)的基本原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

摘要　闡述了光碼分多址（OCDMA）系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分類及其國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。著重分析了相干OCDMA系統(tǒng)和非相干OCDMA系統(tǒng)的區(qū)別以及它們各自的編解碼方案與實現(xiàn)，最后展望了OCDMA的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢。

光碼分多址（OCDMA）是一種全新的頻率資源利用思路，它的信道占據(jù)的是同一個寬頻帶，原則上不需要光濾波器件，不同信道之間相互獨立地發(fā)送與接收信號，從而不需要網(wǎng)際規(guī)模的時鐘同步。OCDMA具有優(yōu)良的安全性能，抗干擾、抗多徑衰落能力強，允許用戶隨機(jī)上下路，隨機(jī)接入，綜合服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理便捷，協(xié)議簡單等技術(shù)優(yōu)勢。此外，OCDMA系統(tǒng)在光域上對各路信號進(jìn)行光編碼和光解碼，對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行全光信號處理，實現(xiàn)多址通信，是實現(xiàn)真正意義上的全光通信網(wǎng)的最有希望的多址復(fù)用技術(shù)。

1、基本原理

OCDMA概念是由CDMA概念演變而來的，電碼分多址（CDMA）主要通過分配碼字獲得多址接入能力，具有抗干擾、抗多徑衰落和提高系統(tǒng)容量等技術(shù)特點。CDMA技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于衛(wèi)星通信和移動通信領(lǐng)域，但衛(wèi)星通信和移動通信系統(tǒng)受到使用帶寬的限制，而使得CDMA技術(shù)優(yōu)點難以得到最充分地發(fā)揮。OCDMA技術(shù)將光纖的帶寬資源與CDMA技術(shù)有機(jī)結(jié)合解決了這一問題。

OCDMA是將不同用戶的信號用互成正交的碼序列來進(jìn)行光學(xué)編碼，編碼后的備用戶信號由星型耦合器疊加在一起，形成一個總的信號數(shù)據(jù)流進(jìn)入光纖傳輸。在接收端，利用光解碼器對收到的擴(kuò)頻碼序列與本地地址碼進(jìn)行相關(guān)運算，采用相干或非相干的方法進(jìn)行解擴(kuò)處理，并通過特定閾值判決技術(shù)恢復(fù)源信號，傳送給數(shù)據(jù)接收器實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)，其系統(tǒng)原理圖[1]如圖1所示。

圖1　典型的OCDMA系統(tǒng)原理圖

1.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OCDMA技術(shù)允許用戶異步接入光網(wǎng)絡(luò)，多個用戶可同時使用公用信道�；�于OCDMA技術(shù)組建的光接入網(wǎng)在光域進(jìn)行編解碼，可以提供高速的信息接入服務(wù)，OCDMA接入網(wǎng)通常采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，星形耦合器是網(wǎng)絡(luò)的中心，每個用戶通過兩條光纖與之相連，一個作為輸入，另一個作為輸出。每個用戶發(fā)出的信號功率通過耦合器被均勻地分配到每一個輸出上，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　OCDMA星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2　OCDMA的地址碼

OCDMA地址碼分為單極性和雙極性碼。單極性主要用于非相干系統(tǒng)中，雙極性主要用于相干系統(tǒng)中。單極性碼主要有光素數(shù)碼和光正交碼。光素數(shù)碼是根據(jù)代數(shù)理論先確定碼函數(shù)，用既定的碼函數(shù)給出（0，1）序列中“1”的位置，然后根據(jù)碼函數(shù)分析相關(guān)性、多用戶干擾以及系統(tǒng)誤碼率。而光正交碼是先確定系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，定下碼長、碼重以及互相關(guān)值，在既定的目標(biāo)下根據(jù)某種算法確定（0，1）序列中“1”的位置。雙極性碼有m序列，哈達(dá)碼，Gold序列，用于相位編碼方案。同單極性碼相比，在碼長相同的情況下，雙極性的相關(guān)性更好，而且可以大大提高通信系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)量。

地址碼選擇應(yīng)具有如下特征：（1）具有尖銳的自相關(guān)峰值；（2）盡可能小的互相關(guān)峰值；（3）具有足夠多的碼字容量。

地址碼碼字結(jié)構(gòu)方面，一維地址碼中較有代表性的是光素數(shù)碼（OPC）和光正交碼（OOC）。盡管一維碼的設(shè)計水平不斷提高，相應(yīng)的OCDMA系統(tǒng)實驗效果良好，但一維碼多址系統(tǒng)的用戶容量和系統(tǒng)性能之間存在著矛盾。Park E在時分復(fù)用和空分復(fù)用的基礎(chǔ)上提出二維OCDMA系統(tǒng)的模型框架[2]。隨后，Yang G C等提出了多波長光正交碼（MWOOC）的理論模型[3]，縮短了碼字長度，有效地提高了光纖帶寬的利用率，使系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。近幾年來，圍繞提高碼字容量，改進(jìn)系統(tǒng)性能，人們對二維碼地址碼字構(gòu)造進(jìn)行了不少研究，而且為了提供多種QoS，還提出了變重碼設(shè)計方案[4]。

2、OCDMA系統(tǒng)編解碼

2.1　OCDMA編解碼器原理

光編/解碼器是OCDMA系統(tǒng)的核心部件。OCDMA編/解碼器經(jīng)歷了光纖延遲線、體光柵、布拉格光纖光柵（FBG）、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）等幾種。光編解碼器的結(jié)構(gòu)和特性直接影響到OCDMA系統(tǒng)的總體性能，決定著OCDMA系統(tǒng)能否投入實際應(yīng)用。

最初使用的編碼器大都基于光纖延遲線的時域編碼。光纖延遲線編碼系統(tǒng)是由并行的幾束光纖和2個1×P星形耦合器構(gòu)成的，同一碼字中，編碼器之間的差別在于光纖延遲線的長度不同。編碼器的作用是將一個輸入的短脈沖進(jìn)行不同的延時，在輸出端將得到由這些不同延時的短脈沖合成的脈沖序列，如圖3所示。它的缺點是：體積龐大，存在嚴(yán)重的功率損失。

圖3　基于光纖延遲線的編解碼器

另一編碼是基于衍射光柵/相位掩模板的頻域編碼。采用一體光柵對脈沖中的各頻率成分進(jìn)行空間分離和重組，用一相位掩模板來完成必要的脈沖濾波和整形功能。該方法結(jié)構(gòu)松散、有瞬時頻偏，造價昂貴，實用較少。

第三種是基于FBG的時域/頻域二維編碼。該編碼器由一系列中心波長不同的FBG組成，每個光柵中心反射波長可由壓電陶瓷裝置調(diào)節(jié)光柵周期進(jìn)行改變，實現(xiàn)波長編碼，光柵的位置起到光纖延時線的作用，使不同的頻譜分量在時域上分開，從而實現(xiàn)時域/頻域混合編碼。該編碼器實現(xiàn)比較簡單，但地址碼的碼長受FBG數(shù)目的限制。利用AWG做編碼器可以解決碼長受限問題，易集成但損耗較大。

2.2　OCDMA編解碼方案

OCDMA系統(tǒng)目前采用的光編解碼方案主要有：基于光纖延遲線的時域光正交碼方案、基于衍射光柵/相位掩模板的頻域編解碼方案、基于FBG的編解碼方案以及基于AWG的編解碼方案。

在OCDMA系統(tǒng)中，最具有代表性的編解碼器實現(xiàn)方案是基于光纖延遲線的時域編解碼和基于衍射光柵/相位掩模板的頻域編解碼方案。在非相干OCDMA系統(tǒng)中，基于光纖光柵的譜域編解碼方案逐漸成為主流。前兩個方案的實現(xiàn)主要受器件的影響，如需要造價昂貴的相干超短脈沖光源，使得成本較高，缺乏市場競爭力。非相干OCDMA系統(tǒng)對光地址碼集的相關(guān)性能要求很高，而現(xiàn)有光地址碼集的多用戶干擾問題突出，限制了系統(tǒng)的容量。

目前，比較看好的是近幾年發(fā)展起來的基于FBG單光束編/解碼技術(shù)。最初采用的是在一根光纖上按序?qū)懭耄ɑ蚪永m(xù)而成）的FBG陣列，光柵的空間位置和反射幅度用于編碼。隨著光檢測技術(shù)的發(fā)展，光柵的反射相移也能檢測到，相位編碼也就成為可能，二維光柵矩陣編碼（相位和幅度）器也已在實驗室應(yīng)用。目前，較好的方法是在一根光柵上進(jìn)行連續(xù)的幅度和相位調(diào)制，形成SSFBG（超結(jié)構(gòu)光纖光柵），用它替代離散FBG陣列進(jìn)行編/解碼。

基于SSFBG來實現(xiàn)雙極性編碼的OCDMA系統(tǒng)方案在實驗室得到了實現(xiàn)。一個是南安普頓大學(xué)的P.C.Teh等人于2001年提出的一套利用SSFBG的相位編解碼OCDMA系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)采用m序列，碼字為1110010，碼片周期為6.4 ps，即碼片速率為160 Gchip/s，該碼字對應(yīng)的SSFBG長度為4.64 mm。用戶數(shù)據(jù)是10Gbit/s的231-1的隨機(jī)比特序列，采用的光源是鎖模鉺光纖環(huán)激光器（EFRL），該激光器可以產(chǎn)生重復(fù)速率為10GHz、寬度為2ps的孤子脈沖。另外一個是日本大阪大學(xué)的王旭等人在2004年提出的基于SSFBG的全異步OCDMA系統(tǒng)方案[6]，該系統(tǒng)用戶數(shù)為10，各個用戶的碼字為511 chip二進(jìn)制相移鍵控Gold序列，碼片速率為640Gbit/s，編解碼利用SSFBG實現(xiàn)。用戶的數(shù)據(jù)為1.25 Gbit/s，231-1隨機(jī)比特序列，系統(tǒng)采用的光源為鎖模激光器（MLLD），輸出脈沖寬度為1.8ps。

3、OCDMA系統(tǒng)分類

3.1　相干系統(tǒng)和非相干系統(tǒng)

從信號處理角度來講，OCDMA系統(tǒng)可分為相干系統(tǒng)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，相干或非相干編碼方式的區(qū)別體現(xiàn)了編解碼過程中信號變換的本質(zhì)，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。非相干系統(tǒng)中，信道編碼采用光強調(diào)制方式，利用光信號的有無來表示二進(jìn)制的“1”和“0”，終端采用平方律檢測光信號，信號是功率疊加而不是振幅疊加。非相干系統(tǒng)容易實現(xiàn)，但實現(xiàn)多址功能時，編解碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，碼間串?dāng)_不可避免，誤碼率較高。相干的CDMA與非相干的CDMA相比，最主要的優(yōu)點在于它具有較高的信噪比。這主要是由于碼間具有較好的正交性，可以產(chǎn)生較高的處理增益。相干的OCDMA的主要缺點是技術(shù)上實現(xiàn)較困難，以及相位移光信號的利用率較低。

3.2　一維和二維系統(tǒng)

按照編碼維數(shù)，OCDMA系統(tǒng)可分為一維OCDMA系統(tǒng)和二維OCDMA系統(tǒng)[7]。

在一維OCDMA系統(tǒng)中，用戶地址碼是在時域上擴(kuò)展的{0，1}序列，要求這些地址碼具有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，這將導(dǎo)致碼序列很長，擴(kuò)頻系數(shù)很大，編解碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

二維OCDMA系統(tǒng)中，每個地址碼序列的光脈沖不僅在時域上擴(kuò)展，同時還在空間或波長上擴(kuò)展。在相同擴(kuò)頻系數(shù)下，二維OCDMA系統(tǒng)不僅碼字?jǐn)?shù)增多，而且同時使用的用戶數(shù)也大有提高，發(fā)展?jié)摿�較大。二維OCDMA系統(tǒng)常采用的方案有以下3種：

（1）T/SOCDMA（時分/空分OCDMA）同一碼字中的不同脈沖調(diào)制在不同光纖信道上，并行傳輸方式，同步解調(diào)。

（2）WDM+OCDMA同一碼字可以在不同波長上重復(fù)使用。在相同擴(kuò)頻系數(shù)下，碼字?jǐn)?shù)和并發(fā)用戶數(shù)都成倍增長。

（3）MW OCDMA（多波長OCDMA，有時也稱跳頻OCDMA）同一碼字中的不同脈沖調(diào)制在不同光纖波長上，每個碼字（也可看成矩陣）同時在時域和波長上擴(kuò)展。

3種方案的比較如下：T/SOCDMA系統(tǒng)需要多個耦合器，而且要求每對編解碼器中不同空間信道的時延要完全相同。WDM+OCDMA系統(tǒng)誤碼性能優(yōu)于MWOCDMA，但是碼字?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)小于MW OCDMA。

4、OCDMA研究現(xiàn)狀

OCDMA研究在向高速率、集成化、可調(diào)諧和更多用戶的方向發(fā)展。英國南安普頓大學(xué)的光電磁研究中心于2002年實現(xiàn)了16通道基于16碼片（碼片速率為20 Gchip/s）SSFBG的OCDMA系統(tǒng)[8]。日本國家信息和傳輸技術(shù)研究機(jī)構(gòu)在美國召開的OFC’2005上展示了十用戶、基于SSFBG的異步OCDMA系統(tǒng)，碼片速率高達(dá)640 Gchip/s（碼長511，比特速率1.25 Gbit/s）[9]。加拿大的McGill大學(xué)基于對非相干OCDMA研究研制成了時域/頻域擴(kuò)展的二維的OCDMA編解碼器件，支持傳輸速率10 Gbit/s。美國加利福尼亞大學(xué)在國防高級研究項目機(jī)構(gòu)的支持下，研制出了基于AWG的單片集成的編解碼器芯片，芯片大小為12 mm×4 mm，實現(xiàn)可調(diào)諧的一維編碼技術(shù)。美國普林斯頓大學(xué)研制了利用環(huán)形網(wǎng)的全光分插復(fù)用單元（OADM），用戶數(shù)為4，單用戶的比特速率為2.5 Gbit/s。

國內(nèi)的OCDMA研究水平相對要落后一些，研究機(jī)構(gòu)主要有浙江大學(xué)光通信交叉研究中心、電子科技大學(xué)應(yīng)用所、上海交大區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光纖通信系統(tǒng)國家重點實驗室、清華大學(xué)以及深圳大學(xué)信息工程新技術(shù)研究中心等。其中浙江大學(xué)光通信交叉研究中心在OCDMA編解碼技術(shù)的領(lǐng)域已經(jīng)展開了廣泛的研究，并有了OCDMA實驗平臺，并能初步承載155 Mbit/s的系統(tǒng)。相比之下，其他研究機(jī)構(gòu)還大多限于碼字研究，編解碼器的實現(xiàn)等，鮮有OCDMA實驗系統(tǒng)的報道。

OCDMA的發(fā)展一直以接入網(wǎng)、碼字、編解碼技術(shù)及大容量傳輸?shù)葹橹饕�研究方向，近兩年來則開始對其安全問題進(jìn)行研究，特別是在美國和日本，都開始了一些由國家資助的重大研究項目。在美國，由DARPA啟動了一項數(shù)千萬美元的OCDMA研究計劃。在日本，OCDMA技術(shù)已被政府列入未來光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的戰(zhàn)略計劃。OCDMA的攻擊方式有碼字?jǐn)r截，能量偵聽等，特別是Thomas H Shake對相干頻域編碼的OCDMA系統(tǒng)的安全性有了初步的研究和對策，在文獻(xiàn)[10]中提出了兩種偵聽模型。

5、發(fā)展與展望

為滿足未來通信的需要，使OCDMA技術(shù)更好的適應(yīng)未來全光網(wǎng)發(fā)展需要，人們對OCDMA研究將關(guān)注如下幾個關(guān)鍵技術(shù)：

（1）具有大容量及優(yōu)良特性的光正交碼的地址碼字構(gòu)造問題。

（2）可調(diào)的可編程光/解碼器的設(shè)計和實現(xiàn)問題。

（3）如何與其他光通信技術(shù)進(jìn)行融合的問題。

（4）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，網(wǎng)絡(luò)組建的實現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的探索。

（5）物理層編碼與信息層編碼的技術(shù)融合。

（6）OCDMA系統(tǒng)的安全性能模型的描述。

（7）通過分析各種OCDMA系統(tǒng)的安全隱患，提出相應(yīng)的優(yōu)化方案和安全策略。

（8）各種攻擊OCDMA系統(tǒng)安全性能的手段及其仿真和實驗驗證。

（9）結(jié)合新型的信號調(diào)制方式，探索增強OCDMA系統(tǒng)的安全性能的編碼、檢測技術(shù)及相應(yīng)的優(yōu)化碼字。

（10）對物理層編碼與信息層編碼的安全性能進(jìn)行分析比較，并研究兩種技術(shù)融合的方式及其對提升OCDMA系統(tǒng)的安全性能的影響等。

采用OCDMA技術(shù)可以將傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過光學(xué)編碼成偽隨機(jī)的光學(xué)碼，所以具有很好的物理安全性，使得OCDMA技術(shù)在保密通信中有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在對于安全性能要求較高的政府機(jī)構(gòu)、銀行證券以及軍事通信等領(lǐng)域。

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