1、OCDMA编解码方法研究,马君显,目录,全光网络对于OCDMA的要求 现有电子通信网络及其根本局限 全光网络特征 现有光通信技术距离全光网络有多远 关于OCDMA技术 常用光复用形式 OWDM、OTDM的优点及其问题 OCDMA的优势及其需要解决的问题 OCDMA技术及其基础理论问题 码字挑选：MAI与带限正交性 码片波形优化：带限问题的描述 多自由度编码：多类自由度空间及其编码问题 自由度转化： 4F谱面的空间滤波实现频谱编码 全光网络的硬件路由与自由度统筹,网络可用带宽短缺问题,Gilder法则*： 通信带宽的增长速度应当是计算机运算速度增长的3倍。 依此计算，通信的带宽每6个月要增长一倍
2、。*George Gilder, TELECOM, How infinite bandwidth will revolutionize our world,姚毅译，上海译文出版社，2003年5月。,MOORE定律：计算机的速率每18个月翻一番。,现有电子通信网络基本构架,图1.2 OSI参考模型,现有电子通信网络对于带宽的根本性局限,电子瓶颈：量子效应造成的电信号速率限度约为10Gb/s。 高时延和低带宽效率：据统计现有Intetnet上的每个虚拟链路平均需要经过17次路由转，多者可达40余次；现有大量使用的采用碰撞检测机制的局域网协议802.3的带宽效率约为17%，现有电话系统约有55%的呼
3、叫未达到预想的收话人。 复杂、低效、低安全性的交换与路由方式：交换技术在经历了以电话语音为主要应用的空分交换、步进制交换、纵横制交换等线路交换技术后，发展到了基于时分的虚拟线路程控交换技术，又针对Internet应用发展了包交换和包路由技术。电子交换与路由技术发展的趋势可以大致归纳为软交换和硬路由；最近人们在争论究竟是在第二层实现路由还是在第3层实现交换的问题；有人对于曾经风靡一时的IP over X包交换方式提出安全性质疑；随着光传输的普及，交换与路由环节瓶颈效应凸显。,全光网络涵义,所有的通信环节包括信号传输、放大、路由或者交换等均应采用光信号处理。 光信号在整个通信过过程中应始终处于光导
4、波介质中。 应采用较7层模型更为简化的新的网络结构，例如采用长距离传输减少交换或者路由环节、将智能由位于网络中心的交换机和路由器路转移到位于网络边缘的终端、等等。 Gilder先生所称的“大笨网”的含义：大的带宽、简单的网络结构、无需干预的全光学信号交换、粗放的网络管理机制、高度智能的终端和边缘路由控制，等等？,扩展到光域的Shannon公式,上式中的Nx分别表示时间自由度、偏振自由度、颜色自由度、空间自由度,光通信技术的现状,90年代初期人们又在单模光纤上开发了1.5附近的窗口，至今达到40Gb/s的传输速率，该速率被认为是偏振模色散对于单路信号经济传输速率造成的极限。 由于低损耗光纤特别是
5、掺铒光纤放大器（EDFA）的发明与应用，损耗问题已不再是影响光纤链路传输距离的主要障碍，利用Raman放大已经达到5200km的传输距离。 在信道复用技术方面，以WDM 技术为代表的新的光复用技术和新的光纤制造技术及分布式Raman放大技术等相结合使得原先分离的3个分立的光通信窗口扩展为一个带宽高达50THz 的大窗口。据报道，已达到的单物理信道最高传输速率为10.96Tb/s（采用DWDM，273*40Gbits/s）。IP协议被引用于光域，出现了IP Over SDH、IP Over WDM甚至IP Over Optics等等应用模式。但是，这种利用光包头作为路由标签的包交换协议只不过是T
6、CP/IP协议的一种光学实现方式，无法摆脱上述电子通信网络的根本弊端，且被认为存在根本性的安全隐患。因此，这种光IP技术被认为是一种过渡性技术。最近对于其发展出路的研究涉及到光码标志交换、码分与波分结合的交换方案等。,常用光复用形式,（A）波分复用WDMA （B）时分复用TDMA （C）码分复用CDMA(扩谱)三种常用光复用形式原理图,WDM的优势与面临的问题（1）,WDM链路的传输指标在2002年达到10.2Tb/s(256*42.7Gb/s)，并以每9个月翻一番的速度继续增长。 由于现有单波长信道的传输速率已经接近PMD对于单个通道的经济传输速率限度，因此今后进一步提高WDM系统容量的出路
7、主要在于增加单根光纤中传输的波长数量，其技术途径主要包括扩展光通信的窗口宽度和增加WDM的复用密度。随着O、E、S、C、L波段的相继开通，人们开始将更多的目光转向了后者，即密集波分复用（DWDM，Dense WDM）技术。 ITU-T G.652推荐的235路（1524.110nm-1620.500nm）DWDM系统的信道中心波长间隔为0.39nm（或50GHz），目前有的实验室正在研究更密集的DWDM系统。但是，更加密集的复用，要求复用器件不仅具有更加精细的波长选择精度，还要具有更低的单路成本。在系统方面则对于光源波长稳定特性、放大器增益谱的宽平特性、色散和非线性补偿等提出更高要求。这使得D
8、WDM在进一步提高波长密集程度时遇到相当大的技术和成本压力。,WDM的优势与面临的问题（2）,基于WDM的光波长交换技术和光波长路由技术得到较快的发展：因为采用光学滤波技术便可以在众多的复用波长中选择出所需信号，因此波长可以作为光信号上下路的标志。过去几年，基于WDM技术的光分插复用（OADM）技术，其分立与集成（如AWG）器件均已实现产业化，并已在传统电通信网络的光纤化改造方面得到广泛应用；波长还可以被用作光学路由和光包交换的标签，WDM技术与波长变换、光交叉互连(OXC)、光交换等技术配合可构成多波长光网络，提高了网络可重组性和生存性，已成为自动交换光网络（ASON）领域的研究热点之一。
9、从原理上看，基于波长交换技术的WDM全光网络在本质上属于线路交换，该交换方式容易实现对于信号的透明传输，但是难以实现与业务层（如IP等）在7层模型底层的融合。 将WDM技术与高速光交叉矩阵技术结合可以实现光的分组甚至比特信息交换，实现光突发交换业务，但是不仅光交叉矩阵的开关速率最终将直接制约系统的交换速率从而制约业务的类型，在安全方面也还缺乏必要的保护措施。这些都将直接影响到业务层全光网络的实施。 最近，利用OCDM技术的光码分标签交换技术引起人们的关注，尽管该技术被认为是WDM全光网络由基于波长变换的线路交换方式向全光分组交换方式发展的一种中间过渡。但是，它在技术上具有比前者灵活，比后者容易
10、实施的优点。更为重要的是该技术展示了一种在较大的自由度空间（或自由度冗余）中解决全光网络分组交换难题的思路。,OTDM的优势与面临的问题,光/电和电/光信号转换器件和信号处理电路均工作在基带速率下，避免了电子瓶颈问题。OTDM技术被认为是一种构成高比特率传输系统的有效途径，其传输速率目前已超过1Tbit/s。 时隙OTDM (Slotted OTDM )网络，具有网络管理简单、可按需提供带宽、可提供带宽保证、可自动实现包路由、可支持用户数量变化、可选择服务质量、可数字再生和数字缓存等优点。目前，OTDM网络技术与WDM等技术在成网方面的配合等也在研究中。 总体而言，OTDM技术现在尚未成熟。从
11、长远看OTDM系统速率的提高最终将受制于色散和系统同步。因为随着速率的提高，单位时间内的码片数N增加，光脉冲的宽度变窄，其在频域的展宽趋于严重，因此需要更加严格的系统时钟同步、色散管理和补偿。,OCDMA的潜在优势,从编码到解码均在光学域进行，无需光电转换，因此其传输速率不会受到“电子瓶颈”的制约。 允许不同的用户复用相同的波长和相同的时隙。因此，可与WDM和OTDM技术同时使用，进一步增加单个WDM与OTDM信道的用户数量；而单独使用OCDMA技术时，无需苛刻的波长控制（与WDM 相比）和时钟同步控制（与OTDM相比），且允许动态带宽分配，支持高实时性、高突发性业务。 利用星型耦合器可以构成
12、OCDMA网络的基本单元，多个单元联结可构成不同规模的OCDMA网络，在该网络内通过给用户分配码字可实现光信号多址接入、通过光学相关等方法可实现光信号检出。因而，OCDMA技术同时具有传输复用与信号路由功能，无需中心交换即可实现点到点、点到多点通信。用户可在码字允许的情况下随时接入，而无需像电域网络协议那样进行冲突检测或者等待令牌，也不象具有中心交换结构的网络那样可能会由于中心节点的失效而造成所辖网络的局部瘫痪，甚至影响其它节点。 系统可用异步或者同步两种方式工作。 由于可采用伪随机码作为用户签字序列，编码后的信号看似光学伪随机噪声，只有利用相应的光学解码器和解码序列方能解码，因而，相对于其它
13、复用技术而言保密性较好。 由于信号功率低，较不容易受到非线性作用的影响。 对于具有相同速率的系统而言，采用OCDM技术的系统对于系统和器件的要求与WDM和TDM技术相比较低，因而系统简单、成本较低。 OCDMA编码可直接作为光信息交换的标志，也可以与光波长路由、光时分缓存以及现有IP技术结合，取长补短，构造更加灵活、高效和低成本的全光网络。,OCDMA技术需要解决的问题,多址干扰问题是OCDMA的独特问题。作为一种干扰受限系统，OMAI问题对于OCDMA系统的意义是不言而喻的。作为系统的主要干扰源，OMAI直接影响系统的信干比指标，它的量值成为衡量OCDMA系统性能的一种主要标志，抑制OMAI
14、成为OCDMA技术的主要目标之一。 低功率信号问题是OCDMA技术的一个伴随问题。作为一种扩频技术，OCDMA技术必然造成信号谱密度降低，这是能量在Fourier变换过程中保持守恒的自然结果。考虑到光信号的传输和处理损耗，情况会更糟。更有甚者，对于采用单极性强度编码的系统，由于地址码的长度至少是采用双极性码的相应系统的两倍以上，编码后的信号功率更弱。因此，低功率光信号问题是OCDMA编码固有的伴随问题，其根源在于扩频编码原理。类似于噪声的低功率信号，有利于保密，不利于提高信干比，OMAI问题因此突出。 色散问题与OMAI问题的作用相形益彰。在一般光通信系统中，色散效应造成编码光脉冲波包的宽度展
15、宽和幅度降低，容易引起相邻脉冲的辨识困难，而造成信号误判。由于OCDMA系统编码所需的码片宽度及其间距均较窄，色散问题较突出。色散问题与OMAI问题的作用相形益彰，造成系统的信干比指标降低。,OCDMA技术的研究重点,光复用技术的本质是研究精细划分和利用网络自由度的方法。如果按照Shannon公式对于自由度基本类别的划分来区分常用的光复用技术，那么，OTDM技术对应于一维时间自由度空间，OWDM技术对应于三维颜色自由度空间中波长自由度空间，OPDM（偏振分复用）技术对应于2维偏振自由度空间，OSDM（空分复用）技术对应于3维空间自由度空间。 上述光复用技术通过精细划分该类自由度空间的频带，实现
16、复用。但是OCDM技术则不然。首先，它不局限于某类Shannon基本自由度，因为到目前为止所提出的各种OCDMA方案，一般会涉及到时间、光学频率、空间、偏振等中的1-2个Shannon自由度类。其次，OCDMA技术的特点在于扩频，而不象其它基本复用技术偏重于分频或者频带细划。因此，我们认为OCDMA技术的研究重点应当主要放在多自由度编码，而不是单自由度细划。诚然，单自由度细划是多自由度编码的基础，在这方面OCDMA完全可以借鉴各种基本复用技术的成功经验。 OCDMA技术的目标应当在于通过对于整个信道的全部自由度进行编码，实现信息的自路由传输。只有最大限度地挖掘出整个信道的全部自由度，才能最大限
17、度地兼顾信息在链路传输和节点路由（或交换）方面的总体带宽利用效率，最大限度地实现Gilder先生提出的“大笨网” 或者简水生先生提出的“高度安全、超大容量、无阻塞全光网”的内涵。,码字挑选：带宽受限与正交性修正,现有码字大多根无色散、无干扰、无噪声、无损耗的理想信道设计，但是，实际信道存在： 光源能量的空间分布：如上图 色散：造成脉冲展宽、峰值降低 噪声：引起误码 损耗：如下图 干扰：OCDMA本身是干扰受限系统，其中，以多址干扰影响为主。 影响：正交性在实际信道条件下无法得到保持 解决的方法：修正正交性的定义，使其更加苛刻。例如，对于光正交码，挑选相关性更好的码字，出现诸如修正OOC、严格O
18、OC等建议。,码型设计：OCDMA编码在时间域的深化,动机：多址干扰产生的根本原因在于码系本身正交性不佳，或者传输过程中正交性无法保持。故此，根据信道传递函数设计一种可以在传输过程中保持正交的优化波形，可以减少多址干扰的发生机会 理论工具：时频分析、回转椭球球波函数 物理模型：带限全光信道 优化目的：求得最小干扰 数学方法：随机过程平均、条件极值,多类自由度空间及其编码（1）,扩大了的调制与编码空间 总自由度不变定律与光信息处理,多类自由度空间及其编码（2）,时间、光学频率编码 可利用具有不同中心波长的光纤光栅和光线延迟线组配合，取得对于时间和多个光学频率自由度空间的利用。时间、空间编码 可利用传像光纤束和光线延迟线组配合，取得对于时间和空间自由度的利用,自由的转化：利用谱面的空间滤波实现频率自由度的编码,在4F系统的谱面上，利用空间滤波可以实现对于光学频率自由度的编码。有方案提出在谱面上进行空间滤波，实现色散补偿。,空间滤波实现光学频谱编码,链路与网络的自由度数,节点B光学路由的最低要求：应克分辩、导向链路 AB、BF、BE之间的所有存在的全部光学编码状态。 节点B光学路由的高效要求： AB、BF、BE之间的全部自由度得到充分利用。 这需要我们统筹与节点B相连的所有链路的自由度数。 推而广之，对于整个网络，欲实现全部光学路由，需要统筹所有节点和链路的光学自由度数。,
