光碼分多址（OCDMA）應用于接入網的研究

梁 靜

（貴州大學 計算機科學與信息學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

信息時代的到來，人們對電信業務的需求日益增大，尤其是三網合一服務的提出，即數據、語音、視像等各種業務綜合進行傳送，這就對接入網的帶寬提出了更高的要求，光纖接入方式以其巨大的帶寬優勢得到了全球運營商及用戶的青睞，尤其是無源光網絡技術（PON，Passive Optical Network）以其純介質技術得到廣泛的部署和應用。目前應用最廣泛的無源光網絡技術是TDM-PON技術，但其傳輸速率低，對同步要求高，安全性不好，動態波長分配（DBA）和測距等均增大了設備的復雜度；而WDM-PON雖然帶寬足夠大，但是高昂的成本和復雜的系統卻限制了它的推廣；于是人們提出了OCDMA-PON（光碼分多址無源光網絡），OCDMA技術允許用戶異步接入網絡，多個用戶可在同一時刻同時使用公用信道，同時基于OCDMA技術組建的接入網在光域進行編解碼，可以提供高速的信息接入服務，因而適合用戶高速連續信號的接入。基于以上優點，OCDMA應用于接入網成為下一代接入網技術的最佳侯選方案[1]。

1 OCDMA應用于接入網的系統結構

OCDMA技術應用于接入網中主要以OCDMA-PON的形式為發展方向，而根據系統采用的地址編碼方式的不同，OCDMA接入網的實現主要有相干和非相干系統，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系統中，相干與非相干光編碼方式的區別限制著系統所采用的地址碼的類型，并最終決定系統的性能。

Wang xu等人[2]提出的基于 SSFBG編解碼器的相干OCDMA-PON系統結構如下頁圖1所示，該系統中相干編碼方式主要是相位編碼。相位編碼可獲得嚴格正交的擴頻序列，碼間干擾大大減弱，但是相干OCDMA系統結構復雜，相位編碼器及接收端的時鐘同步對器件要求很高，特別是隨著傳輸速率的上升，對激光光源的相干性要求十分苛刻。

非相干OCDMA-PON系統結構[3]如下頁圖2所示，該系統是利用光信號的強度攜帶信息，即所謂的正系統。用光信號的有無來表示二進制的“1”和“0”。這里在接收端上，任一用戶都可以收到來自多個編碼器的信號，在解碼器內，這些信號與預置的擴頻地址序列進行相關運算，結構送至平衡探測器，最后由閾值器件判決而恢復出原始信號。該系統的優點就是實現方式較為簡單，對器件性能要求較松，缺點就是地址碼是偽正交，當并發用戶集中時，多用戶干擾（MUI）較嚴重，存在很高的誤碼率。

圖1 相干OCDMA-PON系統結構

圖2 非相干OCDMA-PON系統結構

2 地址碼的選擇和構造[4]

光地址碼主要分為兩大類：光素數碼和光正交碼。光地址碼應具有自相關峰值較大、互相關峰值較小的特點，這樣可以減少其他用戶的干擾，獲得較高的信噪比，為了使收發雙方容易獲得同步，自相關的旁瓣也要小。同時，光碼集應能夠容納盡可能多的并發用戶數，增加系統容量。

光地址碼的主要參數為(L,w,λa,λC)，式中L為碼字長度，即(0,1)序列的切普總數；w為碼字重量，即(0,1)序列中“1”的數目，是碼字的自相關峰值；λa,λC分別是自相關限制和互相關限制，即碼字的自相關旁瓣和互相關峰的最大值。

光地址碼碼集C(L,w,λa,λC)的自相關和互相關特性如下：，對任意,對任意x∈C，

2.1 光素數地址碼

光素數碼（OPC）是構造OCDMA系統地址碼碼集的基礎之一，碼長為2L p= ，碼重w=p(p為素數)的素數序列碼的碼字容量為p，自相關限制為 1p- ，互相關限制為2，首先選擇一個不等于2的素數；以構造素數序列由素數序列 Si可構造素數序列碼其中碼函數可為：

當p=5時，構造的素數序列 Si和光素數碼序列 Ci如表1所示：由表1可看出，素數序列碼字中“1”的分布很有規律，碼字的相關性不好，碼字容量也不大。

表1 p=5時構造出的素數序列Si和素數碼序列

2.2 光正交地址碼

光正交地址序列碼（OOC）是一組自相關及互相關性都很好的“0,1”序列。光正交碼優良的相關特性使得 OCDMA系統的異步用戶數大大增加；使得用戶數據的傳輸更加高效、可靠、系統組網更加靈活；低旁瓣的“圖釘”狀自相關特性使得數據探測更加便利；低互相關值使得多用戶干擾大大降低。

構造OOC的算法有直接構造法、有限幾何法以及區組設計法等，每種方法都很復雜，直接構造是用計算機窮舉，在設定碼字相關性的前提下，逐個排除不符合條件的碼字，從中篩選出合適的碼字組成碼集，運算量較大。射影幾何法是建立在有限射影幾何理論的基礎上，根據射影幾何中直線與碼字的對應關系獲得光碼集，組合區組設計法是根據組合理論，把對稱平衡不完全區組設計和部分平衡不完全區組設計方法引入光正交碼設計。

3 OCDMA系統誤碼率分析

首先從概率角度分析誤碼率，對于OCDMA系統，當用戶較少時，系統誤碼率主要受接收機噪聲的影響,而用戶較多時則主要受用戶間的多址干擾決定。可容納的用戶數 N由Johnson邊界條件給出：

每個用戶都要對預定用戶產生一定的干擾，則對應于誤碼率上限的I1的多用戶干擾的概率密度函數為：

系統的誤碼率定義為：

Z是接收端的判決器的輸入，th表示判決門限，0≤th≤w。式中的第一項表示“0”錯判成“1”的概率，第二項表示“1”錯判成“0”的概率，則系統的誤碼率上限為：

其次從信噪比角度分析誤碼率，對于光正交碼信噪比可表示為自相關函數峰值（即判決時接收機光功率）與互相關函數平均值（即每個多址干擾平均光功率）之比。即信噪比為：

對于ASK調制可得系統的誤碼率為：

對比式(5)和式(7)可發現無論從哪個角度來分析，誤碼率都和用戶數、碼長和碼重三個因素相關，通過實驗仿真[5]，這兩種方法得出的誤碼率的接近程度與判決門限 th取值有關，且隨著用戶數的增多逐漸接近。

同時從式(5)可知：增加碼長、降低碼重或適當提高判決門限的值均可以改善系統誤碼性能；系統的誤碼率隨著用戶數的增加而劣化，但有一個飽和值，因此OCDMA系統是一個有彈性容量的系統。

4 結語

OCDMA技術應用于接入網具有實現全光通信，優良的安全性能、抗干擾性強，同時允許多個用戶的隨機接入等優點，這符合了運營商和客戶的雙重需求，是未來光接入網的演進方向。但OCDMA技術目前還處于實驗室研究階段，還有很多技術及應用上的問題需要解決。隨著光纖通信以及光電子器件技術的不斷發展，OCDMA技術必將在未來的光接入網中占有重要地位。

[1] 易叢琴.下一代接入網技術 WDM-OCDMA-PON的研究[J].通信技術,2009,42(06):124-126.

[2] Hamanaka T,Wang X.Ten-User Truly Asynchronous Gigabit OCDMA Transmission Experiment With A 511_Chip SSFBG En/Decoder[J].Journal of Lightwave Techonlogy,2006,24(01):95-100.

[3] Zhang Z G,Qiu K.Passive Optical Networks Based on Optical CDMA:Design and System Analysis[J].Chinese Science Bulletin,2007,52(01): 118-126.

[4] 李傳起，李曉濱.光纖通信OCDMA系統[M].北京:科學出版社，2008:10-13;205-207.

[5] 葛海波,王海潼.影響OCDMA系統誤碼率的主要參數研究[J].光通信技術,2008(07):12-14.