OCDMA发展综述

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1、OCDMA 系统的发展与基本原理张涛0809040127 应用光电子1 OCDMA 的发展背景和特点随着Internet业务需求的迅猛增长， 特别是宽带业务的增长， 人们迫切需求 更大容量的系统和网络 有关预测表明， 20年后国家骨干传送网的容量将是现在 的100倍虽然SDH 的传输技术和 ATM 交换技术可以满足近期网络的需要，但从长 远来看，由于电子器件工作上限速率40GHz ，将很难完成未来高速宽带综合业务 的传送和交换处理， 所以以光节点代替电节点， 并用光纤将光节点互连成网的全 光网络必然成为下一代互联网络的核心全光网克服了光电、 电光转换和电子节 点的时钟偏移、 串话、响应速度慢等

2、缺点， 不受检测器、 调制器等光电器件响应 速度的限制，解决了“电子瓶颈”问题。全光网在光复用段层(OMS) 最常用的三 种复用技术是光码分复用(OCDMA) 技术、光时分复用 (OTMA) 技术和波分复用 (WDM) 技术，其中 OCDMA技术有着更为广阔的应用前景 光纤通信网络使世界变小。 它正以指数上升的趋势走进千家万户，渗透到社 会的各个角落。 为满足长距离、 大容量、高速率的通信需求， 许多国家正致力于 研究、开发和建设高效光网络。 光网络的大容量、 高速率主要取决于多址复用技 术。作为光纤通信的三大主流复用技术之一，OCDMA正在成为光纤通信领域新的 研究热点。 OCDMA通信系统

3、是将光纤通信与CDMA技术结合起来，由数据源、光编 码器、光纤、光解码器、数据接收器组成。在发送端，给每个上路用户分配一个 地址码，由光编码器对用户数据源进行光编码， 即用扩频地址序列进行扩频处理。 备用户的编码信号经星型耦合器叠加在一起，形成一个总的信号矢量进入光纤传 输。在接收端，光解码器对收到的扩频码系列与本地地址码进行相关运算， 采用相干或非相干的方法进行解扩处理，并通过特定的门限判决技术恢复出源信 号，传送给数据接收器实现数据恢复。CDMA 技术与光纤通信的有机结合，使得 OCDMA系统具有鲜明的特点和独特的优势。OCDMA 传送网上的信号是多个用户的合成信号，其扩频技术保证了在任何

4、地 方下路，接收到的信号都是多用户的信号叠加。只有在接收端地址和发送端地址 严格匹配的情况下，才能恢复出原始信号。因而具有优良的安全性能。OCDMA系统允许多个用户随机接入同一信道。新上路的用户扩频信号直接叠 加在合成信号矢量上。 不要求各用户之间的同步， 也不要求用户具有波长调节能 力。OCDMA系统对用户信号编码时，对脉冲信号进行了扩频处理，增大了编码信 号的带宽。 相对密集波分复用而言， 对波长漂移并不十分敏感， 从而增强了系统 的抗干扰能力。OCDMA系统采用宽带光源，且无须精确控制波长，对传输光纤无特殊要求， 系统中器件数量少， 降低了网络成本， 简化了网络管理， 并增加了网络的可靠

5、性。OCDMA系统还具有可变速率或多速率传输的能力。复用点速率分布范围较大。 可以承载 ATM 、SONET 、IP等多种信息传输服务。 OCDMA系统在光域对各路信号进行光编码和光解码，对用户数据进行全光信号处理，实现多址通信。 信息在信源就变成了光信号，到达目的地后才变成电信 号。克服了 OWDM光网络残留在发送和接收端的电子瓶颈，真正做到了光子进光子 出。从而成为实现真正意义上的全光通信网的最有希望的多址复用技术。2 OCDMA 系统结构和关键技术2.1 OCDMA 系统的结构 光码分多址 (OCDMA) 技术是将 CDMA 技术与光纤通信技术相结合而产生的一种 光域中的扩频通信技术 O

6、CDMA 通信系统给每个用户分配一个唯一的互相正交 ( 或准正交 ) 的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输数据的地址码进行 光正交编码， 然后实现多个用户共享同一光纤信道；在接收端， 用与发送端相同 的地址码进行光正交解码，恢复原用户数据。OCDMA技术以光纤作为传输信道， 利用高速光信息处理技术进行扩频和解扩，实现了多址接入， 信道共享。 典型的 OCDMA 系统框图如图 1所示。图1 典型OCDMA 系统框图 Fig 1 Block diagram of typical OCDM A system 在发送端，从超短光脉冲发生器发射的超短光脉冲与数据源的数据进行模2 相加数据调制后，

7、 变成一个代表一位信息的超短脉冲，然后送到光编码器进行光 编码，编码后的光脉冲经由传输介质光纤传送到光解码器，光解码器再进行相关 解码，后面的光门限装置用来通过正确解码的高强度脉冲，拒绝不正确解码的低 强度伪噪声信号脉冲，从而正确识别解码信号，恢复原始数据 2.2 OCDMA 编解码器原理 光编解码器是 OCDMA系统的核心部件。 OCDMA编解码器经历了光纤延迟线、 体 光栅、布拉格光纤光栅（FGB ） 、阵列波导光栅（ AWG ）等几种。光编解码器的结 构和特性直接影响到 OCDMA系统的总体性能，决定着OCDMA系统能否投入实际应 用。 OCDMA系统目前采用的光编解码方案主要有：基于光

8、纤延迟线的时域光正交 码方案、基于衍射光栅 / 相位掩模板的频域编解码方案、基于FBG 的编解码方案以 及基于 AWG 的编解码方案。 在OCDMA系统中，最具有代表性的编解码器实现方案是基于光纤延迟线的时 域编解码和基于衍射光栅/ 相位掩模板的频域编解码方案。在非相干OCDMA系统 中，基于光纤光栅的谱域编解码方案逐渐成为主流。前两个方案的实现主要受器 件的影响， 如需要造价昂贵的相干超短脉冲光源，使得成本较高， 缺乏市场竞争 力。非相干 OCDMA系统对光地址码集的相关性能要求很高，而现有光地址码集的 多用户干扰问题突出，限制了系统的容量。数据源光编码器光解码器光门限装置超 短 光 脉冲发

9、生器已恢复数据光纤模 2 相加目前，比较看好的是近几年发展起来的基于FBG 单光束编解码技术。最初 采用的是在一根光纤上按序写入（或接续而成）的FBG 阵列，光栅的空间位置和 反射幅度用于编码。 随着光检测技术的发展， 光栅的反射相移也能检测到，相位 编码也就成为可能， 二维光栅矩阵编码 （相位和幅度） 器也已在实验室应用。 目 前，较好的方法是在一根光栅上进行连续的幅度和相位调制，形成SSFBG （超结 构光纤光栅），用它替代离散 FBG 阵列进行编 / 解码。 2.3 OCDMA 的分类 可以根据其采用的是单极性正交码还是双极性正交码分为单极性和双极性 OCDMA通信； 根据光纤通信的接收

10、机是直接检测还是相干检测分为非相干和相干OCDMA通 信； 根据解码器是扩时、扩频还是扩空编码分为扩时、扩频和扩空OCDMA通信； 根据编解码器是采用电信号处理还是采用光信号处理分为电处理的OCDMA通 信、光电混合处理的 OCDMA通信和全光 OCDMA通信等。3 OCDMA 研究现状OCDMA研究在向高速率、集成化、可调谐和更多用户的方向发展。英国南安 普顿大学的光电磁研究中心于2002年实现了 16通道基于 16码片（码片速率为 20 Gchip/s ）SSFBG 的OCDMA系统8 。日本国家信息和传输技术研究机构在美国召开 的OFC 2005上展示了十用户、基于SSFBG 的异步 O

11、CDMA系统，码片速率高达640 Gchip/s （码长 511，比特速率 1.25 Gbit/s ） 。加拿大的 McGill 大学基于对非相干 OCDMA研究研制成了时域 / 频域扩展的二维的 OCDMA编解码器件，支持传输速率10 Gbit/s 。美国加利福尼亚大学在国防高级研究项目机构的支持下，研制出了基于 AWG 的单片集成的编解码器芯片，芯片大小为12 mm 4 mm ，实现可调谐的一维编 码技术。美国普林斯顿大学研制了利用环形网的全光分插复用单元 (OADM) ，用户数为 4，单用户的比特速率为 2.5 Gbit/s。 国内的 OCDMA研究水平相对要落后一些，研究机构主要有浙江

12、大学光通信交 叉研究中心、 电子科技大学应用所、 上海交大区域光纤通信网与新型光纤通信系 统国家重点实验室、 清华大学以及深圳大学信息工程新技术研究中心等。其中浙 江大学光通信交叉研究中心在OCDMA编解码技术的领域已经展开了广泛的研究， 并有了 OCDMA实验平台，并能初步承载 155 Mbit/s 的系统。相比之下，其他研究 机构还大多限于码字研究，编解码器的实现等，鲜有OCDMA实验系统的报道。4 发展与展望为满足未来通信的需要，使OCDMA技术更好的适应未来全光网发展需要，人们对 OCDMA研究将关注如下几个关键技术: （1）具有大容量及优良特性的光正交码的地址码字构造问题。 （2）可

13、调的可编程光解码器的设计和实现问题。 （3）如何与其他光通信技术进行融合的问题。 （4）拓扑结构分析，网络组建的实现及网络协议的探索。 （5）物理层编码与信息层编码的技术融合。 （6）OCDMA系统的安全性能模型的描述。 （7）通过分析各种 OCDMA系统的安全隐患，提出相应的优化方案和安全策略。 （8）各种攻击 OCDMA系统安全性能的手段及其仿真和实验验证。（9）结合新型的信号调制方式，探索增强 OCDMA系统的安全性能的编码、 检测技 术及相应的优化码字。 （10）对物理层编码与信息层编码的安全性能进行分析比较，并研究两种技术融 合的方式及其对提升 OCDMA系统的安全性能的影响等。 采

14、用OCDMA技术可以将传输的信息经过光学编码成伪随机的光学码，所以具 有很好的物理安全性，使得OCDMA技术在保密通信中有广阔的应用前景，特别是 在对于安全性能要求较高的政府机构、银行证券以及军事通信等领域。 又由于 OCDMA技术将 CDMA 技术同光纤通信技术很好地结合在一起，两者的优 点兼而有之， 且网络构建灵活， 所以其网络应用前景广阔， 主要可以应用在以下 几个方面： (1) 光纤接入网 将0CDMA 技术应用于光纤接入网， 既充分利用了光纤的带宽优势，保证了多 个用户及时地接入，简化了控制，同OTDM 技术相比，不需要复杂的测距和同步 问题，而且在光纤传输通道中，噪声抑制和传输控制

15、都被大大地简化。 (2) 高速光纤局域网 由于高速光纤局域网中业务特征为突发性、低密度和非实时性， OCDMA 比 较适合应用于高速光纤局域网中OCDMA在局域网中，主要采用环型或总线型拓 扑结构，采用OCDMA的网络能实现真正的随机接入， 缩短网络时延， 安全性好可 接入的用户数与光正交码中正交序列的多少有关可以预见，随着光正交码技术 的发展， OCDMA 将首先在高速光纤局域网中得到应用 (3) 有线电视业务 在有线电视业务中， OCDMA 的使用可以使用户拥有巨大的上行带宽，解决 网络中漏斗噪声造成的上行信号被带宽和窄带干扰所导致的系统性能劣化。而且 可以通过对扩频码的控制来实现对收看电视节目的用户的控制，使电视公司的计 费变得极为方便。 总而言之， OCDMA是目前为止最好的能实现全光通信网建立的技术之一，前 景一片大好！