軟件定義光網絡光碼分多址編解碼技術發展趨勢

蒲濤　孟凡秋　趙繼勇

摘要：認為光碼分多址技術的發展趨勢應當是高頻譜效率動態可重構的，以適應軟定義光網絡（SDON）對端到端長距離跨節點的安全光通道應用服務需求。針對現有基于全光信號處理的光碼分多址（OCDMA）技術存在頻譜效率低、色散補償困難和多址干擾嚴重3大問題，分析了全球研究現狀，預測OCMDA技術發展趨勢應采用電編碼和數字相干接收機。提出了光編解碼技術應用于SDON所面臨的關鍵問題，并給出了解決這些關鍵問題的技術路線。

關鍵詞： 光碼分多址；軟定義光網絡；數字相干接收機

Abstract： In order to fit the application needs of secure， long-haul optical channel across relay nodes in soft defined optical networks （SDON）， the next-generation optical code division multiple access （OCDMA） system should pursue the goal of high frequency efficiency and dynamic reconfiguration. Recent researching reports are reviewed to reveal the main problems of traditional OCDMA with all optical signal process， which are low frequency efficiency， dispersion and multiple access interference. It is predicted that electronic domain encoding/decoding and digital coherent receiver will be the trends of OCDMA technology. The pivotal problem and solution path are provided for the application of the next-generation OCDMA in SDON network.

Key words： optical code division multiple access； softwave-defined optical networks； digital coherent receiver

作為一種基本的通信復用方式，碼分多址（CDMA）技術具有軟容量、支持多業務和內在安全性的特點，它同數字信號處理技術相結合在第3代移動通信中得到廣泛的應用，3G標準無論是北美的CDMA2000、歐洲的寬帶碼分多址（WCDMA）還是中國的時分同步碼分多址（TD-SCDMA）標準都以CDMA作為主要的多址/復用方式。作為一種抗干擾與抗截獲通信手段，CDMA在軍事衛星通信和野戰地域網中得到應用。光纖通信具有長距離大容量的優勢，20世紀90年代以來，憑借波分復用（WDM）和摻鉺光纖放大器（EDFA）技術，數百個波長信道的大容量光傳送網（OTN）為以互聯網為主要業務的信息網絡提供底層傳送服務。借助數字信號處理與相干接收技術，目前已經能夠實現了單波長100 Gb/s和單根光纖100 Tb/s信號的數千公里傳輸。

光碼分多址（OCDMA）系統中總用戶數（碼字容量）可以遠大于實時通信的用戶數（通信容量），通信用戶可以按需占用信道資源而不受通信容量的限制，這種彈性容量（軟容量）的特點使得OCDMA比固定資源分配的波分多址（WDMA）和時分多址（TDMA）方式更適應動態的光層組網需求。

隨著2013年9月“棱鏡門”事件爆發，越來越多的證據表明原本被認為安全的光纜通信也存在被竊聽的安全隱患。其實從2003年起，美國就在美國國防高級研究計劃（DARPA）項目的支持下開展了OCDMA抗截獲通信的研究，推動了OCDMA全光編解碼器技術的發展，后又發展為可以把保密信道隱藏在公共信道中的光隱藏通信技術。這是因為OCDMA編解碼技術可以將數字信號轉換為高速、寬頻譜、類噪聲信號，從而成為一種物理光層抗截獲通信方式。

軟件定義網絡（SDN）是面向未來的新一代網絡創新架構，通過將網絡設備控制面與數據面分離，從而實現網絡流量的靈活控制，為核心網絡及應用的創新提供良好的平臺。SDN的引入擴大了光網絡智能管控的功能和范疇，并帶來了豐富的應用層，成為目前的發展趨勢。

虛擬化的增值業務應用是基于軟定義光網絡（SDON）的一種重要應用，目前包括多租戶的光虛擬專網（OVPN）、動態帶寬按需分配（BOD）、差異化服務等級（SLA）等。隨著網絡安全事件的頻繁曝光，用戶對光網絡通道安全抗截獲性能的日益重視，端到端長距離跨節點的安全光通道服務必將成為SDON網絡的一種新型應用。

1 全球研究現狀分析

1.1 全光編解碼技術的OCDMA研究

現狀

隨著光纖布拉格光柵（FBG）、平面光波電路（PLC）和空間液晶調制器（SLCM）等全光信號處理技術的發展，基于全光信號處理技術的OCDMA研究迅速發展，能夠實現吉比特多用戶傳輸的有二維編碼、時域相位編碼和頻譜相位編碼等3種全光編碼方案：

實現較多用戶數通信的實驗記錄是加拿大Laval大學在OFC2001會議上報道的[1]，實現了16個速率為1.25 Gb/s的用戶傳輸80 km的系統，它采用了30個間隔50 GHz的波長通道，光纖光柵陣列（FBGA）中子光柵長度14 mm、子光柵間隔1 mm，編解碼器總長119 mm，對應于150 ps的編碼周期，限制了系統用戶速率的進一步提高。

時域相位編解碼是一種重要的編碼方案，可以采用超結構光纖光柵（SSFBG）和PLC技術實現。研究SSFBG實現超長碼片數時域相位編解碼的主要有英國和日本。英國南安普頓大學首先發表了采用SSFBG、碼長為255的實驗報道[2]。日本的國家信息通信技術研究所（NICT）、大阪（Osaka）大學和OKI公司創造了碼長為511，碼片速率640 Gchip/s的編解碼器世界紀錄[3]。2004年，意大利Rome Tre大學提出波導光柵路由器（AWG）可以用于設計產生高相關性能的正交光碼[4]。

除了上述兩種方案之外，頻譜相位編解碼也是代表OCDMA技術最新進展的重要技術方案。美國在頻域相位編碼技術方面處于領先地位，南加州大學最早于1985年提出利用對超短脈沖的頻譜進行相位編碼[5]，采用體光柵、透鏡系統和掩模板構成4倍焦距（4-f）空間光學系統實現光譜相位編碼。

加州大學Davis分校在DARPA O-CDMA微系統項目的支持下進行一系列的頻譜相位編碼研究工作。UCDavis同時采用液晶-空間光相位調制器（LC-SLPM）這兩種不同的器件分別進行頻譜相位編解碼實驗。在OFC上報道了采用LC-SLPM實現32個10 Gb/s用戶速率的傳輸實驗[6]。

上述基于SSFBG、SLM、AWG等全光編解碼器的實驗系統研究報道中，編碼方式雖然從非相干的幅度編碼發展為相位/相干編碼方式，但是存在如下問題：

（1）采用4～20 nm的寬譜光源，無法與基于密集波分復用（DWDM）波長顆粒的軟件定義光傳送網絡（SDON）相兼容。

（2）均使用直接檢測方式的接收機，多址干擾和差拍噪聲嚴重影響多用戶性能，必須采用光閾值、時間門等復雜全光處理手段。

（3）由于占有頻譜較寬，需要針對不同鏈路長度配置特定的色散補償模塊。

1.2 采用電域編解碼和相干接收技術

的OCDMA研究進展

采用數字相干接收技術是OCDMA走向軟件定義光網絡的關鍵。針對全光信號處理OCDMA編解碼系統存在頻譜利用率低、多址干擾嚴重的問題，國際上已有研究機構開展電域編解碼和采用數字相干接收的OCDMA技術研究。

日本NTT接入網業務系統實驗室（ANSSL）針對下一代寬帶接入網技術與標準，研究非全光信號處理方式的OCDMA系統方案。在2008年ECOC會議上[7]，他們提出相位匹配編碼的光碼分復用（OCDM）與傳輸，接收機采用多頻自零差檢測方案，研制了平面光波電路-鈮酸鋰（PLC-LN）模塊用以實現OCDM編碼和數據調制，并進行了如圖1所示的驗證性實驗，用戶數據速率可以達到1.5 Gb/s。

2008年為了減緩差拍噪聲，他們理論研究了采用外差檢測接收頻譜幅度編碼OCDMA系統性能，并且通過實驗驗證了相干接收對差拍噪聲的抵消作用[8]。在2009年OFC會議上，他們又提出采用高速數字電路和激光器/調制器陣列的OCDM編碼方案，該方案屬于頻譜多級幅移鍵控（M-ASK）編碼方案，進行了3個用戶接收功率1.5 Gb/s速率的碼分復用傳輸驗證實驗，-17 dBm時誤碼率達到10-9（Q值15.6 dB），表明有效抑制了多址干擾（MAI）和差拍噪聲[9]。實驗方案如圖2所示。在OFC2009工作基礎上，NTT在ECOC2010會議上提出了采用多電平幅移鍵控與二進制相移鍵控相級聯的M-ASKxBPSK調制方式，保留了自零拍接收方式，實驗驗證了如圖3所示3用戶1.5 Gb/s OCDM系統傳輸[10]。

2007年，約翰霍普金斯大學提出采用相位偏振分集（PPD）的方法[11]，理論仿真驗證了這種方法在比特同步條件下可以使得MAI最小化，該方案的頻譜效率高達1 bps/Hz。2012年，他們提出采用2組光譜線外差接收的編碼方法[12]，一組編碼光頻梳同另一組參考光頻梳同時傳輸，它們的頻率間隔正好是比特速率。通過相干接收處理可以抵消差拍噪聲與多址干擾，無需鎖相環（PLL）和光閾值器件；還指出運用傅立葉綜合技術可以有效色散管理。2013年，該課題組報道了如圖4所示的實驗系統[13]，驗證了4用戶4.5 Gb/s速率的系統，誤碼率為10-7時，信號與MAI的最佳對比度達到648。

清華大學2006年研制出基于等效相移（EPS）方法的SSFBG時域相位編解碼器[14]；華中科技大學基于7碼片SSFBG相位編解碼器進行了40 Gb/s的傳輸試驗[15]；解放軍理工大學提出了靈活控制編碼帶寬的子采樣技術[16-17]，并基于低成本增益開關光源，實現了2.5 GHz雙用戶100 km無誤碼傳輸[18]。在中國國家“863”項目支持下，解放軍理工大學和南京大學進行了10 Gb/s速率多用戶的OCDMA系統的相關實驗[19]，對高頻譜利用率的時頻域編解碼器進行了一系列的實驗探索[20-21]。

2 軟定義光網絡下OCDMA

技術發展趨勢預測

由上述研究現狀分析可知，基于全光信號處理的OCDMA系統研究已進入技術“瓶頸”，存在多址干擾與噪聲嚴重、需要精確色散補償、頻譜利用率低的問題。采用數字相干光接收技術的光碼分多址技術研究才剛剛起步，相對于全光信號處理方式尚未實現速率和用戶數的提升，只有國際上個別的研究機構進行此類實驗研究。

OCDMA與相干光接收和數字信號處理技術相結合是未來發展趨勢，基于傳統DWDM、OFDM等固定資源分配的全光接入技術已經達到很高的頻譜利用率（1～8 bps/Hz），可以和靈活顆粒（Flexible grid）的WDM骨干網無縫銜接。

作為具有內在軟容量和動態接入能力的OCDMA技術目前在容量、頻譜利用率和變址靈活性方面與WDMA技術還有很多差距，必須借助數字相干接收技術提升能力，才能為下一代軟定義光網提供新型安全抗截獲、多址接入的解決方案。

因此要想成為下一代軟定光網絡的重要應用技術，光碼分多址就必須向數字相干OCDMA系統的方向逐漸發展。

3 軟定義光網絡中OCDMA

系統所面臨的關鍵問題

OCDMA技術要邁向下一代軟定義光網絡必須解決跨WDM傳送網應用的頻譜兼容、長距離傳輸動態可調諧色散補償和多址干擾對系統誤碼率性能的影響3個方面的問題。

3.1 跨WDM傳送網應用的頻譜兼容

問題

典型例子就是OCDMA抗截獲通信系統的跨中繼段應用問題。跨中繼段應用是OCDMA防竊聽通信系統能否在軟定義光網絡中端到端配置的關鍵，是面向國防信息安全的高速率（大于等于2.5 Gb/s）、長距離（大約1 000 km）光纖通信的關鍵。可以通過奈奎斯特間隔子載波時頻域數字編解碼方式，在30 GHz帶寬內實現高性能OCDMA編解碼。

3.2 長距離傳輸動態可調諧色散補償

問題

OCDMA通信系統由于占有相對較寬的光譜，因此具有較小的接收機色散容限，具有動態可調諧色散補償能力的OCDMA數字接收機，是適應不同傳輸距離、不同色散管理鏈路應用的關鍵。本課題擬借助數字域實時信號處理的強大能力，從信道的精確噪聲模型出發，探索適合OCDMA系統的最大似然序列估計（MLSE）均衡算法，最終解決OCDMA通信系統的色散補償問題，并為復雜噪聲干擾光纖通信系統中的信道均衡這一類問題提供可借鑒的方法。

3.3 多址干擾對系統誤碼率性能的

影響問題

光纖通信中的時鐘數據恢復（CDR）方法無法適應OCDMA信號接收，光閾值和時間門等光學非線性信號處理的方法不具備設備應用的條件，因此具有抑制干擾能力的接收機是OCDMA系統能否走向應用的關鍵。必須通過15～40 GHz帶寬的商業成熟的光電檢測器+模數轉換器（PD+ADC）無損采樣，然后借助實時數字信號處理工具與方法，在數字域實現干擾抵消和數據恢復。

4 解決關鍵問題的技術路線

要解決OCDMA應用于SDON網絡所面臨的頻譜效率、色散補償和多址干擾問題，必須將業已成熟的數字通信理論用于OCDMA傳輸系統，借鑒其中的載波相位恢復、時鐘恢復、信道估計與均衡等算法，所用的理論研究方法還包括OCDMA碼字構造與正交性、光纖光柵編解碼、OCDMA噪聲干擾理論。如圖5所示。

如圖5所示，OCDMA技術向SDON網絡應用發展必須開展如下3方面的研究：

（1）針對于WDM傳送網頻譜兼容問題，從OCDMA碼字構造出發，借鑒接入網中奈奎斯特超密復用方案，探索具有高頻譜效率的動態可重構電域編碼方案。

（2）針對OCDM信號長距離跨中繼傳輸的動態色散補償要求問題，基于數字通信理論中MLSE信道均衡算法，采用OCDMA精確信道模型，為MLSE均衡算法中的信道估計提供精確模型。

（3）針對OCDM系統中嚴重的多址干擾問題，從碼字正交性能入手，針對OCDMA信道模型，探索數字域干擾抵消方法，為時鐘提取和閾值判決提供算法支持。

5 結束語

本文認為OCDMA編解碼技術的研究現狀可分為全光編解碼現狀和電編碼相結合的研究2類，其中全光編解碼研究報道較為深入全面，但是存在頻譜效率低、色散補償困難和多址干擾嚴重等問題。本文提出了應用于SDON網絡軟件定義光編解碼技術應當采用電域編解碼和數字相干接收機技術，必須能夠解決與OTN頻譜兼容問題、長距離跨中繼傳輸的可調諧色散補償問題和自身多址干擾問題。

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