一種基于ＯＣＤＭＡ技術實現局域網隨機接入的方法

摘要：局域網信道共享時，有限的信道只能允許有限的用戶接入，而且由于存在多用戶間的干擾，不能實現真正的隨機接入，因此存在擴容限制。光碼分多址(OCDMA)技術可提供寬帶寬和實現多址。OCDMA采用單極性擴頻正交編碼對輸入信息進行編碼，使得低速率的數據信息復用為高速率的光脈沖序列進行傳輸或解復用，實現多用戶的信道共享和隨機異步接入以及高速透明的數據通信，有效消除多用戶信道間的干擾。基于OCDMA技術組建局域網絡，采用智能多級網關對系統進行擴容，能實現多用戶真正的隨機接入。

關鍵詞：光碼分多址；光正交碼；局域網

Abstract: When Local Area Network (LAN) channels are shared by multiple users， the limited channels can only allow limited user access. Due to the interference among multiple users， it is impossible to get the real random access， which consequently restricts capacity expansion. The Optical Code Division Multiple Access (OCDMA) technology can provide broad bandwidth and multiple accesses. It uses unipolar spreading and orthogonal codes to encode the input messages， making a low-rate data message multiplexed to a high-rate optical pulse train for transmission and demulplex_i ng. In this way， it can effectively eliminate inter-channel interference and achieve channel sharing by multiple users， random asynchronous access and high-rate transparent data communications. Therefore， the real multi-user random access can be implemented by building a LAN based on the OCDMA technology and employ_ing the intelligent multi-level gateway to expand the system capacity.

Key words: optical code division multiple access; optical orthogonal code; local area network

高速計算機局域網支持并行和多址連接的實時寬帶多媒體通信。目前高速局域網實現信道共享主要采用時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)方式[1]。

光碼分多址(OCDMA)技術是光域內的一種擴頻通信技術，把碼分多址(CDMA)技術和光纖通信技術有機結合起來，利用光纖傳輸的寬帶寬和CDMA技術的多址能力實現超高速連接和實時通信。鑒于此，本文提出一種基于OCDMA技術實現局域網隨機接入的可行方法：利用OCDMA技術的優點，采用單極性的擴頻正交碼分序列進行編碼，復用成高速率的光脈沖序列進行傳輸，實現多用戶共享信道、局域網的隨機異步接入。

1 OCDMA系統的優點

1.1 高安全

通信系統設計的關鍵內容之一就是信息傳輸的保密性和安全性。OCDMA通信技術采用單極性正交擴頻碼序列，經擴頻編碼過程給所傳輸的信號加上了偽裝，再加上輸出的光序列的頻率范圍寬、功率低，竊聽者必須靠近網絡才能收到信號。所以OCDMA通信的保密性和安全性比其他的多址技術優越很多[2]。

1.2 低時延

OCDMA技術主要是通過編碼來獲得多址接入的容量，因此它不需要在用戶間保持同步，任何一個用戶都可以隨機地接入，接入控制簡單，沒有時分復用(TDM)協議所帶來的接入延時，同時不存在復雜的測距問題，減少了電器件處理的時延。

傳統的局域網接技術為了確保復用信道上各信道信號間具有正確的時隙，必須具有一定的時延。為了避免由于光脈沖在傳輸過程中被展寬而引起的碼間串擾，通常要使每個信道的脈沖寬度比復合后一個比特周期更加窄些，因為窄脈沖的光頻譜較寬，即使激光器的波長在光纖零色散附近，脈沖寬度的減少也將以增加色散為代價。于是通常需要在系統串話和光纖色散引起的脈沖展寬的矛盾之間進行協調，以便獲得最佳的脈沖寬度。而OCDMA通信網絡的特點是：光纖傳輸信道幾乎總是空閑的。所以OCDMA系統和CSMA、CSMA/CD系統相比，具有理論上的最小等待時延。這樣的組網方式可以最大限度地縮短網絡延遲時間。

1.3 異步隨機接入

傳統局域網接入技術的共同特點是將某一頻譜、時隙或者波長固定地分配給某一接入用戶，如果某一用戶空閑，帶寬資源就被浪費了。基于ALOHA技術的CSMA/CD隨機接入技術在任意時刻，只允許一個用戶在信道上傳遞信息，不能動態地分配帶寬，隨著用戶端站的增加，共享的可用帶寬不斷降低，用戶的沖突不可避免[3]。 而OCDMA系統是異步傳輸方式，利用單極性擴頻碼序列對輸入信息進行編碼，使得低速率的數據信息復用為高速率的光脈沖序列傳輸或解復用，從而實現多用戶的信道共享和隨機異步接入以及高速透明的通信方式。輸入的光序列被編碼后在光纖信道中共享傳輸，只要有多余的地址碼，就可以不斷地增加新用戶，實現多用戶的隨機異步接入。OCDMA系統不需要中央網絡集中管理，它為每個用戶分配一個固定的地址碼，光脈沖被地址碼調制后在發送端發送信息，在共享光纖信道中傳輸；接收端用戶進行相應的解調，恢復有效信息。光纖具有潛在的極大帶寬，單模光纖可提供30 THz以上的帶寬，只要光纖系統有足夠的信道帶寬，理論上就可以允許無限多的用戶同時接入。

2 OCDMA的單極性光正交碼

OCDMA中，不同的用戶信號采用不同的互成正交的碼序列來填充，這樣經過填充的用戶信號可以調制在同一光載波上在光纖信道中傳輸，接收時只要用與發方向相同的碼序列進行相關接收，即可恢復用戶信息。由于各用戶采用的是正交碼，因此相關接收時不會構成干擾。解決的關鍵技術是選擇適合于光纖信道的不同擴頻碼序列對碼元進行填充，形成不同的碼分信道，即以不同的互成正交的碼序列來區分用戶，實現多址。OCDMA系統中每個用戶預先被分配一個特定的地址碼即一個字長的“0”、“1”序列，這些碼字必須具有很大的自相關峰值和很小的互相關峰值，即滿足以下2個條件：

其中n為碼字長度；x和y是碼組中任意的兩個碼字；x_i 和y_i分別是x、y時移為i 時的碼字；y_i +j是y在時移為i+j 時的碼字。這里應用在局域網的隨機接入中采用單極性的光正交碼(OOC)，它只在二值域(0，1)上取值，具有尖銳的自相關峰值和弱的互相關性，滿足以上兩個條件，是用于非相干OCDMA通信系統的最佳地址碼。當λ_a＝0時滿足以上條件的OCC即為嚴格的正交碼。但是由于光纖通信系統是正系統，所以λ_a和λ_b最小只能取值“1”。然而，如果把OCDMA技術和跳頻技術結合在一起，理論上，當碼字和編/解碼器滿足一定條件時，λ_a可以取值為“0”。當碼長n給定時，所能提供的碼字數目就相應越小，也就是可以容納的用戶數目相應減少。這是一對不可調和的矛盾，所以在選擇設計λ_c時，就要均衡考慮兩者之間的關系。

3 OCDMA系統信道間干擾的消除

OCDMA系統中的噪聲主要來源于信道間的干擾。如上所述，光纖通信系統是正系統，λa和λb最小只能取值“1”，即擴頻碼之間是不完全正交，解碼時就不能完全消除由此引起的信道間干擾。一般情況下，信道干擾遠遠大于OCDMA系統中的其他干擾源(包括光電轉換器的熱噪聲、暗電流和雪崩光電二極管噪聲等)，它的存在嚴重影響了OCDMA系統的鏈路性能，是目前限制局域網接入用戶數目提高的最主要因素。隨著多用戶隨機接入數目的增加，信道干擾也越來越嚴重。

消除信道間干擾的方法有兩大類：一類是只取一個用戶的信號作為有效信號處理，其他用戶的信號作為干擾信號來進行處理；另一類是把所有用戶的信號都當作是有效信號來處理，即多用戶檢測法。第一類方法有：雙硬限幅器法、改進的素數碼消除法和時分參考信號法等。其中，雙硬限幅器法用于直接序列CDMA系統中，它在接收端的相關器前后分別加入一個硬限幅器來消除干擾。相關器前面的硬限幅器把解碼前幅度大于閾值的光信號進行幅度限制，所限制的幅度由被編碼的信號的幅度來決定，這樣就可以消除或減小其他信道用戶的信號引起的脈沖干擾。硬限幅器把幅度小于閾值的光信號限制為“0”，這樣就保證了當用戶信號為“0”時，有效信號也為“0”，完全消除了其他信道用戶引起的脈沖干擾。當用戶數目不太大時，雙硬限幅器應用在直接序列的同步CDMA系統中效果很好，可以大大降低用戶間的相互干擾，提高系統的性能。對于直接序列的異步CDMA系統，不論用戶數目多少，應用雙硬限幅器來消除多用戶信道間的干擾的效果都很好。

改進的素數碼消除法與時分參考信號法適用于采用改進的素數碼序列的同步CDMA系統中。改進的素數碼具有分組特性：同組的用戶間沒有相互干擾，同組中的各個用戶受到其他組用戶帶來的相同干擾。改進的素數碼消除多用戶干擾的方法：用戶把同組中其他用戶的輸出經過適當的換算，當作是來自其他組的干擾，并在自己的輸出中予以消除。時分參考信號法中，任何時刻每組禁止該組中的一個用戶發送信息，其地址碼對應的接收端解碼器的輸出作為該組其他用戶收到的噪聲和干擾，從本組其他用戶的輸出中予以消除。

多用戶檢測技術是指利用多個用戶的碼元、時間、信號幅度以及相位等信息作為對本用戶所帶來干擾的先驗知識來聯合檢測單個用戶的信號，以提高接收機信號檢測性能，達到較好的接收效果[4]。多用戶檢測法的基本思想是把所有的用戶信號都當作是有效信號來進行處理，以減少用戶間的相互干擾。它認為多用戶信道間干擾與噪聲具有互不相同的統計特性，是可估計、可再生、可去除的。與光硬限幅器相比，多用戶檢測法充分地利用了所有用戶信號的相關信息和能量來進行檢測，從而使信號恢復的誤碼率降低，盡可能準確地恢復原始信號。

4 局域網接入的拓撲結構

4.1 OCDMA網絡結構

局域網光接入的基本結構包括光線路終端(OLT)、光分配網絡(ODN)和光網絡單元(ONU)。采用OCDMA非相干異步方式的雙星型網絡拓撲結構如圖1所示。

在數據源輸入端，通過開關鍵控(OOK)方法實現邏輯信號(0，1)到光信號的轉換：當數據為邏輯“1”時，發送超短激光脈沖；當數據為邏輯“0”時，不發送激光脈沖。在接受極端數據恢復時，進行與數據源相反的處理。在OCDMA編碼器中，將用戶的光信號用擴頻正交碼序列進行擴頻編碼處理：提供擴頻增益，增強抗干擾能力，提高信噪比。擴頻序列的采用使得OCDMA網絡允許多用戶的異步傳輸信息，而不需要復雜的網絡協議控制，從而增強系統的可塑性。而在OCDMA解碼器中，采用非相干的異步結構進行解碼處理。如果已知光星形耦合器輸入端光信號的功率為P1、P2……PN，輸出端功率為P1′、P2′……PN′。其中，輸出功率可以平均分配到各個用戶，也可以根據光星形耦合器到用戶距離的長短進行分配。距離長則分配的光功率大，距離短則分配的光功率小。這樣可以使OCDMA網絡接收機端用戶ｉ和用戶ｊ(ｉ≠ｊ)收到的光信號功率相差不大，以保證接收端不同接收用戶的質量基本相同。

4.2 提高系統容量的方法

光域內只存在單極性的“0”、“1”碼，因此在OCDMA局域網中只能采用單極性的擴頻正交碼編碼方式。而正交的單極性碼中碼字的數目比雙極性碼字數目要少得多，這將影響到整個系統的容量。目前提高OCDMA網絡用戶數目的方法主要是采取多種傳輸復用技術和多址技術結合的混合方案來提高系統容量，但受本身技術的限制，只能有限提升系統的性能[5]。在局域網的隨機接入中可以使用智能多級網關來對系統進行擴容。

5 結束語

OCDMA技術用于高速計算機局域網接入，充分利用了光纖的帶寬優勢，保證了多個用戶及時隨機地接入。OCDMA采用不同的光正交碼字作為用戶的地址，通過直接光編碼和光解碼，使光纖可以提供極大的帶寬資源。盡管光CDMA用于接入網具有很好的優點，但實際應用中，在擴頻技術、正交碼元、多用戶干擾等方面仍存在許多問題需進一步地解決。

6 參考文獻

[1] Huang W．Coherent optical CDMA (OCDMA) systems used for high - capacity optical fiber networks - system description， OTDMA comparison， and OCDMA/WDMA networking [J]. Lightwave Technology， 2000，18(6):765-778.

[2] 吳璽， 丁筱春. 兩種寬帶接入方式HFC與ADSL的比較 [J]. 微計算機信息， 2003(4):80-81.

[3] Saleh A A and Simmons J M. Architectural principles of optical regional and metropolitan access networks [J]. Lightwave Technology， 1999，17(12):31-48.

[4] Azmi P， Nasiri K M， Salehi J A. Low-rate super-orthogonal channel coding for fiber-optic CDMA communication systems [J]. Lightwave Technology， 2001，19(6):847-855.

[5] 張永軍， 顧婉儀. 一種在接入網中實現OCDMA/DWDMA的新方法 [J]. 通信學報， 2005(1):23-26.

收稿日期：2007-01-17