全光OCDMA技术分类及发展

1 OCDMA系统基本原理 CDMA技术在移动通信中已经取得了很大成功，将这种码分多址技术应用到光纤通信系统中，就得到了OCDMA通信系统，两者的技术原理相似。在发送节点，编码器对数据流的每个比特"1"按规律编码，形成光脉冲序列，比特"0"不编码，由全0序列代替。每个节点的码型不同，代表不同用户地址。通过光纤和星形耦合器，将编码后的光序列发送到每个接收节点。在接收端，如果译码器与编码器匹配，译码信号为自相关输出，得到大自相关峰(同时伴有小的旁瓣)，否则为互相关输出。译码信号通过光阈值开关或高速光电接收器接收，在比较器中，输出的电信号与阈值相比较，若信号值大于阈值，输?quot;1"，反之则输出"0"，从而恢复原始数据。

按编码方式的不同，可分为时域编码(DS-CDMA)和频域编码(FH-CDMA)。在DS-CDMA中，每一个传输比特用脉冲时域序列组成的码字来定义，FH-CDMA中，码片或字节的载频相应于定义好的码序列而变化。与光纤的巨大带'宽相结合，RCDMA所需解决的许多问题，如：噪音干扰能力、克服远近效应、抗多径衰落能力等都不再重要，人们更关心的是他的多址功能码型选择时，更强调的是其正交性和容纳用户能力。在这方面OCDMA具有其新的特点和优势。

2 OCDMA技术发展

OCDMA的发展在某种意义上是编码技术的发展。20世纪80年代中期，国外有人提出采用双极性Gold码对用户数据进行电CDMA编码，光电转换后之后再由光纤传输。这种编／解码方式不可避免地受限于电子"瓶颈"问题，只能在中、低速光通信中应用。后来有人采用光延迟线编码技术对光信号直接进行光编／解码，实现了真正意义上的OCDMA编／解码。早期的编码器仅对光强进行编码，从而OCDMA技术也只能应用于非相干光系统，不能使用RCDMA中性能优良的双极性码。这使得OCDMA系统的码型设计一度成为一个关键问题。码型设计的发展经历了素数码(PC)、光准正交码(OOC)、扩展素数码(EPC)、二次同余码(QC)、扩展二次同余码(EQC)和混合码(HC)等。这些都是单极性码，通常应用于一维非相干OCDMA系统中。随着光源技术及光栅编码器技术的发展，与相干光通信技术相结合的双极性码OCDMA系统日益受到重视，并在实验室取得成功。此外有关二维OCDMA系统的研究也日见深入。

目前OCDMA技术在实验室内已取得重大成就。将OCDMA技术与time-gating技术相结合，可实现在50km NZ-DSF上以160 Gchip／s码片速率、1．25Gb／s速率的无误码传输。但该系统的商用化还存在许多问题。1998年，CodeStream technologies公司宣布实现了OCDMA商用产品，但3年后该公司即提出破产保护申请。2001年11月6日APN公司推出的APN-1008OCDMA多路复用器引起轰动。该产品以OCDMA技术为，支持多种速率(10Mb／s～10Gb／s)，多路协议(TDM，cell，packet)和多种拓扑结构(ring，mesh，bus，tree)，并可在保持当前光网现有投资状况下，增加用户容量和网络冗余量。这被们称之为通信史上一大创举，其实用前景还有待进一步考察。

3 OCDMA系统优点

OCDMA相对OWDM和OTDM有不可比拟的优点：

(1)可随机接入性 OCDMA通过不同的码字来区分不同用户信息，不需要WDM所要求的波长控制和波长转换，这样地址分配灵活，用户可以随机接人，因此引起了人们极大兴趣。 (2)可异步接入性 OCDMA不同信道之间可相互独立地发送与接收信号，不需要网际规模的时钟同步，也没有接人时延。能支持突发性业务，可以实现"讲完即走"(tell-and-go)适合突发流量、大流量和高速率环境；

(3)宽带性 OCDMA只在发射节点和接收节点对用户数据进行编译码，与网络结构无关。可构成真正"透明"的全光通信高速通用网络；

(4)可靠性 OCDMA中每一用户分配一个单独的光条码，只有接收端与发送端严格匹配才能解出用户信号，具有较高的安全性与保密性。

OCDMA还是一项协议独立的技术，可与现有的任何新老设备兼容。可传送任何数字信号，包括SONET，ATM及DS-1和DS-3信号。

OCDMA技术与WDM技术的结合更好地发挥了光纤通信的潜力，可能成为未来全光网发展的重要趋势。

4 OCDMA系统分类

4．1 相干系统和非相干系统

从信号处理角度来讲，OCDMA系统可分为相干系统和非相干系统。非相干系统中，信道编码采用光强调制方式，利用光信号的有无来表示二进制的"0"和"1"，终端采用用平方律检测光信号，信号是功率叠加而不是振幅叠加。非相干系统容易实现，但实现多址功能时，编解码器结构复杂，码间串扰不可避免，误码率较高。

在相干编码系统中，利用光的相干特性，对光的相位进行编码，接收端检测光的相位，信号是振幅叠加。由于发送端机之间的延迟时间差远大于相干时间，形成了期望接收信号的相干叠加与不期望接收信号的非相干叠加，非相干叠加的信号作为背景噪声可在梯形网络解码器的接收端使用平衡接收光电管消去，大大减少了多用户引起的干扰。可调节的参量除了脉冲序列的延迟时间之外，又多了一个相位因素，使得他可利用现有的外部光相位调制器来编码，更接近实用状况。由于相干系统可以使用已有的双极性码，容许更短的序列长度，不同的相干信道可使用同一码字，所以提供的用户数更多，传送数据速率更高，且误码率低。但是要求系统能控制和稳定光脉冲的相位，传输时要求光脉冲偏振态保持不变，还要求编译码之间的延迟时间小于相干时间。目前还有一些课题有待解决。

4．2 一维和二维系统

按照编码维数，OCDMA系统可分为一维OCDMA系统和二维OCDMA系统。

在一维OCDMA系统中，用户地址码是在时域上扩展的{0，1}序列，要求这些地址码具有良好的自相关性和互相关性，这将导致码序列很长，扩频系数很大，编解码器结构复杂。

二维OCDMA系统中，每个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空间或波长上扩展。在相同扩频系数下，二维OCDMA系统不仅码字数增多，而且同时使用的用户数也大有提高，发展潜力较大。二维OCDMA系统常采用的方案有以下3种：

(1)T／SOCDMA(时分／空分OCDMA) 同一码字中的不同脉冲调制在不同光纤信道上，并行传输方式，同步解调。

(2)WDM+OCDMA 同一码字可以在不同波长上重复使用。在相同扩频系数下，码字数和并发用户数都成倍增长。

(3)MW OCDMA(多波长OCDMA，有时也称跳频OCDMA) 同一码字中的不同脉冲调制在不同光纤波长上，每个码字(也可看成矩阵)同时在时域和波长上扩展。

3种方案的比较如下：T／S OCDMA系统需要多个耦合器，而且要求每对编解码器中不同空间信道的时延要完全相同。WDM+OCDMA系统误码性能优于MW OCDMA，但是码字数要远小于MW OCDMA。

4．3 单比特和多比特传输系统

按同一序列周期中传输的比特数，OCDMA系统可分为单比特和多比特传输系统。在单比特系统中在每个序列周期仅传输用户的一个比特数据，而在多比特系统中，每个序列周期传输多个比特数据。在接收端的比特判断中使用相关值的方法，编码器把用户数据的多个比特转换为一个光正交序列的循环移位形式，不同数据对应不同的移位，该移位在光纤中传送。解码器并行地把信号与本地产生的用户序列的各种移位形式进行相干性处理，找出所接收的相对应的移位形式，某处的移位所对应着多个比特组成一个数据块的值。这种方法可以大大地减小误码率。
5 编／解码器的构成

OCDMA的发展与编码器的发展息息相关。OCDMA编／解码器经历了光纤延迟线、体光栅、光纤光栅等几种。

初使用的编码器大都基于光纤延迟线原理。光纤延迟线编码系统是由并行的几束光纤和2个1×P星形耦合器构成的，同一码字中，编码器之间的差别在于光纤延迟线的长度不同。编码器的作用是将一个输入的短脉冲进行不同的延时，在输出端将得到由这些不同延时的短脉冲合成的脉冲序列，如图1所示，经与阈值比较后，接收器将判决为"0"或"1"码。

光纤延迟线编码器的缺点是：体积庞大；存在严重的功率损失和分配问题；当传送数据"o"时，易产生译码错误。经改进后，形成的梯形网络光纤延迟线编码器，该编码器由n个不同延时的延迟线构成延迟线阵列，采用电光开关连接，整个传输结构可以编程控制，能产生各种区组码，为目前通用光编码器，但是还存在码长选择问题、码间串扰问题及光拍频噪声等问题。

另一编码原理是使用自由空间衍射光学。采用一体光栅对脉冲中各频率成分进行空间分离和重组，用一相位模板来完成必要的脉冲滤波和整形功能。该方法结构松散、有瞬时频偏，造价昂贵，实用较少。

目前业界比较看好的是基于FBG单光束编／解码技术，这是近几年发展起来的新技术。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。随之二维光栅矩阵编码(相位和幅度)器也已在实验室应用。现在更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)，用他替代离散FBG阵列进行编／译码。该技术可在实验室实现77km，10Gb／s的传输速率(包括双极性码和单极性码)，系统性能良好。

SSFBG方法的实用潜力、工作极限目前还未曾详细考察。根据OCDMA发展趋势，我们预测可用于MWOCDMA系统的可调SSFBG编码器将是以后发展的重点。而且考虑到SSFBG同时具有良好的色散补偿性能与编码性能，这将大大简化系统结构，集两者功能为一身的SSFBG编码器将是未来OCDMA技术的重要组成部分。

与OCDMA相关的技术还有硬件限幅技术及脉冲取样技术，SSFBG技术与time-gating等脉冲取样技术相结合，已在实验室成功实现了64 chip的1．25Gb／s的无误码传输。

6 结 语

为满足未来通信的需要，人们在加紧实现WDM系统商业化的同时，开始了OCDMA技术的研究，OCDMA技术将是未来全光网发展的必然趋势。许多大学及公司已充分认识到其应用前景，纷纷开展对OCDMA技术的研究。以后OCDMA的工作可能集中于以下几个关键技术上：

(1)具有大容量及优良特性的光正交码的构造问题。

(2)可调的可编程光／解码器的设计和实现问题。

(3)网络结构及偏振模色散、相关检测等相关技术。

这些，都直接影响OCDMA技术的实用化发展。总之，还有许多课题需要我们做进一步深入研究。