基于OptiSystem軟件的OCDMA系統(tǒng)仿真

摘 要:分析了采用光素?cái)?shù)地址碼的異步OCDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，闡述了OptiSystem軟件針對(duì)光系統(tǒng)的強(qiáng)大仿真功能。在設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，采用光纖延時(shí)線(xiàn)編碼技術(shù)給出了基于OptiSystem的異步OCDMA系統(tǒng)仿真模型，得出仿真結(jié)果并進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞:光碼分多址; 素?cái)?shù)碼; 光纖延時(shí); 多用戶(hù)干擾

中圖分類(lèi)號(hào):TN914.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0099-03

Simulations of OCDMA System Based on OptiSystem Software

ZHANG Xiao-yan，YANG Yi

(Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract: The principle and design of asynchronous optical code division multiple access (OCDMA) based on the prime code are analyzed， and the OptiSystem simulation software used in optical communication system is introduced. Based on the design principle， a simulation model of OCDMA system which uses the encoder and decoder technologies of fiber-optic delay lines is given. The simulation results are obtained and analyzed. The OCDMA system is proved correct and feasible.

Keywords: code division multiple access; prime code; fiber optic delay; multi-user interference

0 引 言

光網(wǎng)絡(luò)的大容量、高速率主要取決于多址復(fù)用技術(shù)，光碼分多址(OCDMA)是光纖通信的三大主流信道復(fù)用技術(shù)之一。OCDMA通信系統(tǒng)將光纖通信與CDMA技術(shù)結(jié)合起來(lái)，由數(shù)據(jù)源、光編碼器、光纖、光解碼器、數(shù)據(jù)接收器組成。OCDMA系統(tǒng)在安全、抗干擾、降低成本和管理等方面的性能提升，使其具有廣闊的應(yīng)用前景，為接入網(wǎng)、局域網(wǎng)和長(zhǎng)途骨干網(wǎng)提供更加高效的網(wǎng)絡(luò)支撐[1]。OptiSystem是一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，能使用戶(hù)在從LAN，SAN，MAN到寬光譜光網(wǎng)絡(luò)的傳輸層上進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和模擬。它提供從元件到系統(tǒng)水平的傳輸層光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和預(yù)研，同時(shí)呈現(xiàn)可視化的分析及特定結(jié)果，滿(mǎn)足研發(fā)科學(xué)家、光通訊工程師、系統(tǒng)管理員、學(xué)生及各類(lèi)其他用戶(hù)的需要。

本文利用OptiSystem仿真平臺(tái)[2]，采用光纖延時(shí)線(xiàn)技術(shù)架構(gòu)了光素?cái)?shù)地址碼的異步OCDMA系統(tǒng)模型，通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，得出仿真結(jié)果并進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性，目的是為進(jìn)一步利用OptiSystem平臺(tái)進(jìn)行OCDMA系統(tǒng)的研究提供依據(jù)。

1 OCDMA系統(tǒng)介紹

OCDMA通信系統(tǒng)將光纖通信與CDMA技術(shù)結(jié)合起來(lái)，由數(shù)據(jù)源、光編碼器、光纖、光解碼器、數(shù)據(jù)接收器組成。在發(fā)送端，給每個(gè)上路用戶(hù)分配一個(gè)地址碼，由光編碼器對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)源進(jìn)行光編碼。各用戶(hù)的編碼信號(hào)經(jīng)星型耦合器疊加在一起，形成總的信號(hào)矢量進(jìn)行光纖傳輸。在接收端，光解碼器對(duì)收到的總信號(hào)矢量與既定用戶(hù)的本地地址碼進(jìn)行相關(guān)、解擴(kuò)運(yùn)算，通過(guò)特定的門(mén)限判決技術(shù)恢復(fù)出源信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)接收器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。圖1是典型的OCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 OCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

OCDMA系統(tǒng)能否投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)在于:尋找到性能優(yōu)良的光地址碼碼集、在現(xiàn)有器件指標(biāo)下光編解碼器構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)[3]以及系統(tǒng)中多用戶(hù)干擾(MUI)的抑制等[4]。

1.1 光地址碼的選取

光地址碼應(yīng)具有自相關(guān)值尖銳、互相關(guān)峰值較小、光碼集數(shù)量大的特點(diǎn)[5]，這樣可以增加系統(tǒng)容量、減小對(duì)其他用戶(hù)的干擾、獲得較高的信噪比增益。在仿真中采用了光素?cái)?shù)碼作為光地址碼，其是根據(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，然后可以根據(jù)碼函數(shù)分析相關(guān)性、MUI及系統(tǒng)誤碼率等。光地址碼是一串(0，1)序列，其主要參數(shù)為(L，w，λa，λc)，其中L為碼字長(zhǎng)度;w為碼字重量，即序列中“1”的數(shù)目，也是碼字的自相關(guān)峰值;λa，λc分別是自相關(guān)限制和互相關(guān)限制，即碼字的自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)峰的最大值。

光素?cái)?shù)地址碼是研究最早的碼字，是構(gòu)造OCDMA系統(tǒng)地址碼碼集的基礎(chǔ)之一。其構(gòu)造方法如下:

(1) 選擇一個(gè)不等于2的素?cái)?shù);

(2) 選定素?cái)?shù)序列:

Si={Si0，Si1，…，Sij，…，Si(p-1)}，i=0，1，…，p-1

其中，Sij={i×j}(mod p);

(3) 由素?cái)?shù)序列可構(gòu)造素?cái)?shù)序列碼:

Ci={Ci0，Ci1，…，Ci(N-1)}， i=0，1，…，p-1

Cik=1，:k=Sij+j×p， j=0，1，2，…，p-1

Cik=0，:k≠Sij+j×p， j=0，1，2，…，p-1

根據(jù)以上方法就可構(gòu)造出碼長(zhǎng)L=p2，碼重w=p(p為素?cái)?shù))，自相關(guān)限制為p-1，互相關(guān)限制為2，碼字容量為p的光素?cái)?shù)地址碼。

1.2 光編解碼器的實(shí)現(xiàn)

光編解碼器是OCDMA系統(tǒng)的核心部件。在發(fā)送端，光編碼器將數(shù)據(jù)比特轉(zhuǎn)換成擴(kuò)頻碼序列;在接收端，光解碼器利用相關(guān)解碼原理將擴(kuò)頻序列恢復(fù)成數(shù)據(jù)比特。在本仿真中采用“平行結(jié)構(gòu)的光纖延時(shí)線(xiàn)編解碼器”，原理如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，輸入已調(diào)窄光脈沖通過(guò)1×w分路器分成w個(gè)Chip，對(duì)應(yīng)用戶(hù)碼字中的w個(gè)“1”，每個(gè)Chip分別經(jīng)過(guò)w條不等長(zhǎng)的平行光纖延時(shí)線(xiàn)傳送到w×1合路器，形成用戶(hù)編碼信號(hào)。光纖延時(shí)線(xiàn)的長(zhǎng)度由地址碼碼字結(jié)構(gòu)，即“1”的位置確定。編碼后的信號(hào)送入有源星型耦合器，經(jīng)光纖傳輸。解碼器的實(shí)現(xiàn)與編碼器正好相反，不再贅述。

2 基于Optisystem軟件的異步OCDMA系統(tǒng)仿真

2.1 仿真系統(tǒng)構(gòu)成

利用OptiSystem仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“光纖延時(shí)線(xiàn)技術(shù)”的“光素?cái)?shù)地址碼異步OCDMA系統(tǒng)”仿真。其仿真模型如圖3(a)所示。由圖3(a)可見(jiàn)，本次試驗(yàn)中系統(tǒng)有三個(gè)用戶(hù)，其對(duì)應(yīng)的地址碼如表1所示。圖3(b)為用戶(hù)編碼器結(jié)構(gòu)。其中序列發(fā)生器產(chǎn)生用戶(hù)數(shù)據(jù)，經(jīng)光脈沖發(fā)生器調(diào)制后形成未編碼光信號(hào)，經(jīng)光分配器將它們分成三路，分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)的延時(shí)后通過(guò)光耦合器形成各用戶(hù)的已編碼擴(kuò)頻光信號(hào)序列。不同用戶(hù)已編碼擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)星型耦合器耦合疊加，形成總的擴(kuò)頻信號(hào)后進(jìn)入光纖傳輸信道。光脈沖發(fā)生器后的延時(shí)器將三路信號(hào)形成異步信號(hào)。在接收端，將用戶(hù)i(i=1，2，3)的地址碼與接收到的總信號(hào)進(jìn)行光乘法運(yùn)算進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將運(yùn)算結(jié)果送入示波器觀察，如圖3(c)所示。

圖2 平行結(jié)構(gòu)光纖延時(shí)線(xiàn)編解碼器

圖3 仿真模型及編、解碼器結(jié)構(gòu)

表1 p=3時(shí)構(gòu)造出的素?cái)?shù)序列和素?cái)?shù)碼序列

碼字素?cái)?shù)序列光素?cái)?shù)地址碼

C0S0={0，0，0}100 100 100

C1S1={0，1，2}100 010 001

C2S2={0，2，1}100 001 010

2.2 仿真環(huán)境設(shè)定

在該仿真中，用戶(hù)數(shù)為3個(gè)，碼片速率為18×106 Chip/s，光波長(zhǎng)為1 550 nm，發(fā)送功率為0 dBm，每用戶(hù)比特速率為2×106 b/s，每比特抽樣速率為256，序列長(zhǎng)度為9，比特序列為100000000。表2給出仿真環(huán)境中各延時(shí)器件的參數(shù)設(shè)置。

表2 仿真環(huán)境中各器件參數(shù)設(shè)置

隨機(jī)延時(shí)器 /ns延時(shí)器1延時(shí)器2延時(shí)器3

用戶(hù)10036

用戶(hù)222048

用戶(hù)333057

2.3 仿真結(jié)果及分析

以下取表1中的三個(gè)素?cái)?shù)地址碼按順序分配給三個(gè)異步用戶(hù)，各用戶(hù)在某個(gè)信號(hào)比特周期內(nèi)分別傳輸數(shù)據(jù){bk|0≤k≤2}={1，1，1}，各用戶(hù)上路時(shí)延見(jiàn)表2。通過(guò)在OptiSystem平臺(tái)上搭建異步OCDMA系統(tǒng)，設(shè)置各器件參數(shù)，得出仿真曲線(xiàn)如圖4~圖8所示。

圖4 用戶(hù)1光編碼信號(hào)

圖5 用戶(hù)2光編碼信號(hào)

圖6 用戶(hù)3光編碼信號(hào)

圖7 三個(gè)用戶(hù)光編碼信號(hào)的疊加

圖8 解碼器2輸出的解碼信號(hào)

圖4到圖6分別是用戶(hù)1，2，3的光編碼信號(hào)，圖7是異步系統(tǒng)中三個(gè)用戶(hù)分別傳輸1，1，1時(shí)的合成編碼光信號(hào)。圖8是用戶(hù)2輸出的解碼信號(hào)。

3 結(jié) 語(yǔ)

仿真結(jié)果顯示，利用光素?cái)?shù)碼作為地址碼，由于其碼字結(jié)構(gòu)有一定規(guī)律，利于系統(tǒng)快速重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。但其自相關(guān)和互相關(guān)特性不太好，碼字容量也不大，還需要改進(jìn)[6]。此外，仿真結(jié)果顯示利用光纖延時(shí)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光編解碼時(shí)使用的器件均為無(wú)源器件，實(shí)現(xiàn)成本低，可為器件實(shí)用化提供一定的思路。但此方法中光信號(hào)占空比較低，損耗較大。最后，仿真結(jié)果顯示利用Optisystem仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)仿真，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效、直觀，大大縮減了仿真成本，為OptiSystem實(shí)現(xiàn)光系統(tǒng)仿真提供了實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)。

目前OCDMA系統(tǒng)以其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文通過(guò)闡述異步OCDMA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及將它實(shí)用化所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，利用OptiSystem提供的可視化工具箱，建立了異步OCDMA系統(tǒng)仿真模型，并在給定的仿真條件下，實(shí)現(xiàn)了異步OCDMA系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性和可行性，為將來(lái)在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的OCDMA系統(tǒng)提供了有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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