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摘要 闡述了光碼分多址（OCDMA）系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)結構，系統(tǒng)分類及其國內外的發(fā)展現狀。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，最后展望了OCDMA的關鍵技術及發(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，允許用戶隨機上下路，隨機接入，綜合服務，網絡管理便捷，協(xié)議簡單等技術優(yōu)勢。此外，OCDMA系統(tǒng)在光域上對各路信號進行光編碼和光解碼，對用戶數據進行全光信號處理，實現多址通信，是實現真正意義上的全光通信網的最有希望的多址復用技術。
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)容量等技術特點。CDMA技術已經成功地應用于衛(wèi)星通信和移動通信領域，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技術優(yōu)點難以得到最充分地發(fā)揮。OCDMA技術將光纖的帶寬資源與CDMA技術有機結合解決了這一問題。
OCDMA是將不同用戶的信號用互成正交的碼序列來進行光學編碼，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據流進入光纖傳輸。在接收端，利用光解碼器對收到的擴頻碼序列與本地地址碼進行相關運算，采用相干或非相干的方法進行解擴處理，并通過特定閾值判決技術恢復源信號，傳送給數據接收器實現數據恢復，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)結構
OCDMA技術允許用戶異步接入光網絡，多個用戶可同時使用公用信道�；贠CDMA技術組建的光接入網在光域進行編解碼，可以提供高速的信息接入服務，OCDMA接入網通常采用星形拓撲結構。在這種結構中，星形耦合器是網絡的中心，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，網絡結構如圖2所示。
圖2 OCDMA星形網絡結構
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碼和光正交碼。光素數碼是根據代數理論先確定碼函數，用既定的碼函數給出（0，1）序列中“1”的位置，然后根據碼函數分析相關性、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)的設計參數，定下碼長、碼重以及互相關值，在既定的目標下根據某種算法確定（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，雙極性的相關性更好，而且可以大大提高通信系統(tǒng)的并發(fā)用戶數量。
地址碼選擇應具有如下特征：（1）具有尖銳的自相關峰值；（2）盡可能小的互相關峰值；（3）具有足夠多的碼字容量。
地址碼碼字結構方面，一維地址碼中較有代表性的是光素數碼（OPC）和光正交碼（OOC）。盡管一維碼的設計水平不斷提高，相應的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在時分復用和空分復用的基礎上提出二維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)性能得到進一步優(yōu)化。近幾年來，圍繞提高碼字容量，改進系統(tǒng)性能，人們對二維碼地址碼字構造進行了不少研究，而且為了提供多種QoS，還提出了變重碼設計方案[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/解碼器經歷了光纖延遲線、體光柵、布拉格光纖光柵（FBG）、陣列波導光柵（AWG）等幾種。光編解碼器的結構和特性直接影響到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。該方法結構松散、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節(jié)光柵周期進行改變，實現波長編碼，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，從而實現時域/頻域混合編碼。該編碼器實現比較簡單，但地址碼的碼長受FBG數目的限制。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性能要求很高，而現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。最初采用的是在一根光纖上按序寫入（或接續(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）器也已在實驗室應用。目前，較好的方法是在一根光柵上進行連續(xù)的幅度和相位調制，形成SSFBG（超結構光纖光柵），用它替代離散FBG陣列進行編/解碼。
基于SSFBG來實現雙極性編碼的OCDMA系統(tǒng)方案在實驗室得到了實現。一個是南安普頓大學的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，該碼字對應的SSFBG長度為4.64 mm。用戶數據是10Gbit/s的231-1的隨機比特序列，采用的光源是鎖模鉺光纖環(huán)激光器（EFRL），該激光器可以產生重復速率為10GHz、寬度為2ps的孤子脈沖。另外一個是日本大阪大學的王旭等人在2004年提出的基于SSFBG的全異步OCDMA系統(tǒng)方案[6]，該系統(tǒng)用戶數為10，各個用戶的碼字為511 chip二進制相移鍵控Gold序列，碼片速率為640Gbit/s，編解碼利用SSFBG實現。用戶的數據為1.25 Gbit/s，231-1隨機比特序列，系統(tǒng)采用的光源為鎖模激光器（MLLD），輸出脈沖寬度為1.8ps。
