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摘要：局域网信道共享时，有限的信道只能允许有限的用户接入，而且由于存在多用户间的干扰，不能实现真正的随机接入，因此存在扩容限制。光码分多址(OCDMA)技术可提供宽带宽和实现多址。OCDMA采用单极性扩频正交编码对输入信息进行编码，使得低速率的数据信息复用为高速率的光脉冲序列进行传输或解复用，实现多用户的信道共享和随机异步接入以及高速透明的数据通信，有效消除多用户信道间的干扰。基于OCDMA技术组建局域网络，采用智能多级网关对系统进行扩容，能实现多用户真正的随机接入。
关键词：光码分多址；光正交码；局域网
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 demulplexi 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 employing the intelligent multi-level gateway to expand the system capacity.
Key words: optical code division multiple access; optical orthogonal code; local area network
高速计算机局域网支持并行和多址连接的实时宽带多媒体通信。目前高速局域网实现信道共享主要采用时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)方式[1]。
光码分多址(OCDMA)技术是光域内的一种扩频通信技术，把码分多址(CDMA)技术和光纤通信技术有机结合起来，利用光纤传输的宽带宽和CDMA技术的多址能力实现超高速连接和实时通信。鉴于此，本文提出一种基于OCDMA技术实现局域网随机接入的可行方法：利用OCDMA技术的优点，采用单极性的扩频正交码分序列进行编码，复用成高速率的光脉冲序列进行传输，实现多用户共享信道、局域网的随机异步接入。
1 OCDMA系统的优点
1.1 高安全
通信系统设计的关键内容之一就是信息传输的保密性和安全性。OCDMA通信技术采用单极性正交扩频码序列，经扩频编码过程给所传输的信号加上了伪装，再加上输出的光序列的频率范围宽、功率低，窃听者必须靠近网络才能收到信号。所以OCDMA通信的保密性和安全性比其他的多址技术优越很多[2]。
1.2 低时延
OCDMA技术主要是通过编码来获得多址接入的容量，因此它不需要在用户间保持同步，任何一个用户都可以随机地接入，接入控制简单，没有时分复用(TDM)协议所带来的接入延时，同时不存在复杂的测距问题，减少了电器件处理的时延。
传统的局域网接技术为了确保复用信道上各信道信号间具有正确的时隙，必须具有一定的时延。为了避免由于光脉冲在传输过程中被展宽而引起的码间串扰，通常要使每个信道的脉冲宽度比复合后一个比特周期更加窄些，因为窄脉冲的光频谱较宽，即使激光器的波长在光纤零色散附近，脉冲宽度的减少也将以增加色散为代价。于是通常需要在系统串话和光纤色散引起的脉冲展宽的矛盾之间进行协调，以便获得最佳的脉冲宽度。而OCDMA通信网络的特点是：光纤传输信道几乎总是空闲的。所以OCDMA系统和CSMA、CSMA/CD系统相比，具有理论上的最小等待时延。这样的组网方式可以最大限度地缩短网络延迟时间。
1.3 异步随机接入
传统局域网接入技术的共同特点是将某一频谱、时隙或者波长固定地分配给某一接入用户，如果某一用户空闲，带宽资源就被浪费了。基于ALOHA技术的CSMA/CD随机接入技术在任意时刻，只允许一个用户在信道上传递信息，不能动态地分配带宽，随着用户端站的增加，共享的可用带宽不断降低，用户的冲突不可避免[3]。 而OCDMA系统是异步传输方式，利用单极性扩频码序列对输入信息进行编码，使得低速率的数据信息复用为高速率的光脉冲序列传输或解复用，从而实现多用户的信道共享和随机异步接入以及高速透明的通信方式。输入的光序列被编码后在光纤信道中共享传输，只要有多余的地址码，就可以不断地增加新用户，实现多用户的随机异步接入。OCDMA系统不需要中央网络集中管理，它为每个用户分配一个固定的地址码，光脉冲被地址码调制后在发送端发送信息，在共享光纤信道中传输；接收端用户进行相应的解调，恢复有效信息。光纤具有潜在的极大带宽，单模光纤可提供30 THz以上的带宽，只要光纤系统有足够的信道带宽，理论上就可以允许无限多的用户同时接入。
2 OCDMA的单极性光正交码
OCDMA中，不同的用户信号采用不同的互成正交的码序列来填充，这样经过填充的用户信号可以调制在同一光载波上在光纤信道中传输，接收时只要用与发方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复用户信息。由于各用户采用的是正交码，因此相关接收时不会构成干扰。解决的关键技术是选择适合于光纤信道的不同扩频码序列对码元进行填充，形成不同的码分信道，即以不同的互成正交的码序列来区分用户，实现多址。OCDMA系统中每个用户预先被分配一个特定的地址码即一个字长的“0”、“1”序列，这些码字必须具有很大的自相关峰值和很小的互相关峰值，即满足以下2个条件：
其中n为码字长度；x和y是码组中任意的两个码字；xi 和yi分别是x、y时移为i 时的码字；yi +j是y在时移为i+j 时的码字。这里应用在局域网的随机接入中采用单极性的光正交码(OOC)，它只在二值域(0，1)上取值，具有尖锐的自相关峰值和弱的互相关性，满足以上两个条件，是用于非相干OCDMA通信系统的最佳地址码。当λa＝0时满足以上条件的OCC即为严格的正交码。但是由于光纤通信系统是正系统，所以λa和λb最小只能取值“1”。然而，如果把OCDMA技术和跳频技术结合在一起，理论上，当码字和编/解码器满足一定条件时，λa可以取值为“0”。当码长n给定时，所能提供的码字数目就相应越小，也就是可以容纳的用户数目相应减少。这是一对不可调和的矛盾，所以在选择设计λc时，就要均衡考虑两者之间的关系。
3 OCDMA系统信道间干扰的消除
OCDMA系统中的噪声主要来源于信道间的干扰。如上所述，光纤通信系统是正系统，λa和λb最小只能取值“1”，即扩频码之间是不完全正交，解码时就不能完全消除由此引起的信道间干扰。一般情况下，信道干扰远远大于OCDMA系统中的其他干扰源(包括光电转换器的热噪声、暗电流和雪崩光电二极管噪声等)，它的存在严重影响了OCDMA系统的链路性能，是目前限制局域网接入用户数目提高的最主要因素。随着多用户随机接入数目的增加，信道干扰也越来越严重。
消除信道间干扰的方法有两大类：一类是只取一个用户的信号作为有效信号处理，其他用户的信号作为干扰信号来进行处理；另一类是把所有用户的信号都当作是有效信号来处理，即多用户检测法。第一类方法有：双硬限幅器法、改进的素数码消除法和时分参考信号法等。其中，双硬限幅器法用于直接序列CDMA系统中，它在接收端的相关器前后分别加入一个硬限幅器来消除干扰。相关器前面的硬限幅器把解码前幅度大于阈值的光信号进行幅度限制，所限制的幅度由被编码的信号的幅度来决定，这样就可以消除或减小其他信道用户的信号引起的脉冲干扰。硬限幅器把幅度小于阈值的光信号限制为“0”，这样就保证了当用户信号为“0”时，有效信号也为“0”，完全消除了其他信道用户引起的脉冲干扰。当用户数目不太大时，双硬限幅器应用在直接序列的同步CDMA系统中效果很好，可以大大降低用户间的相互干扰，提高系统的性能。对于直接序列的异步CDMA系统，不论用户数目多少，应用双硬限幅器来消除多用户信道间的干扰的效果都很好。
改进的素数码消除法与时分参考信号法适用于采用改进的素数码序列的同步CDMA系统中。改进的素数码具有分组特性：同组的用户间没有相互干扰，同组中的各个用户受到其他组用户带来的相同干扰。改进的素数码消除多用户干扰的方法：用户把同组中其他用户的输出经过适当的换算，当作是来自其他组的干扰，并在自己的输出中予以消除。时分参考信号法中，任何时刻每组禁止该组中的一个用户发送信息，其地址码对应的接收端解码器的输出作为该组其他用户收到的噪声和干扰，从本组其他用户的输出中予以消除。
多用户检测技术是指利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息作为对本用户所带来干扰的先验知识来联合检测单个用户的信号，以提高接收机信号检测性能，达到较好的接收效果[4]。多用户检测法的基本思想是把所有的用户信号都当作是有效信号来进行处理，以减少用户间的相互干扰。它认为多用户信道间干扰与噪声具有互不相同的统计特性，是可估计、可再生、可去除的。与光硬限幅器相比，多用户检测法充分地利用了所有用户信号的相关信息和能量来进行检测，从而使信号恢复的误码率降低，尽可能准确地恢复原始信号。
4 局域网接入的拓扑结构
4.1 OCDMA网络结构
局域网光接入的基本结构包括光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和光网络单元(ONU)。采用OCDMA非相干异步方式的双星型网络拓扑结构如图1所示。
在数据源输入端，通过开关键控(OOK)方法实现逻辑信号(0，1)到光信号的转换：当数据为逻辑“1”时，发送超短激光脉冲；当数据为逻辑“0”时，不发送激光脉冲。在接受极端数据恢复时，进行与数据源相反的处理。在OCDMA编码器中，将用户的光信号用扩频正交码序列进行扩频编码处理：提供扩频增益，增强抗干扰能力，提高信噪比。扩频序列的采用使得OCDMA网络允许多用户的异步传输信息，而不需要复杂的网络协议控制，从而增强系统的可塑性。而在OCDMA解码器中，采用非相干的异步结构进行解码处理。如果已知光星形耦合器输入端光信号的功率为P1、P2……PN，输出端功率为P1′、P2′……PN′。其中，输出功率可以平均分配到各个用户，也可以根据光星形耦合器到用户距离的长短进行分配。距离长则分配的光功率大，距离短则分配的光功率小。这样可以使OCDMA网络接收机端用户ｉ和用户ｊ(ｉ≠ｊ)收到的光信号功率相差不大，以保证接收端不同接收用户的质量基本相同。
4.2 提高系统容量的方法
光域内只存在单极性的“0”、“1”码，因此在OCDMA局域网中只能采用单极性的扩频正交码编码方式。而正交的单极性码中码字的数目比双极性码字数目要少得多，这将影响到整个系统的容量。目前提高OCDMA网络用户数目的方法主要是采取多种传输复用技术和多址技术结合的混合方案来提高系统容量，但受本身技术的限制，只能有限提升系统的性能[5]。在局域网的随机接入中可以使用智能多级网关来对系统进行扩容。
5 结束语
OCDMA技术用于高速计算机局域网接入，充分利用了光纤的带宽优势，保证了多个用户及时随机地接入。OCDMA采用不同的光正交码字作为用户的地址，通过直接光编码和光解码，使光纤可以提供极大的带宽资源。尽管光CDMA用于接入网具有很好的优点，但实际应用中，在扩频技术、正交码元、多用户干扰等方面仍存在许多问题需进一步地解决。
6 参考文献
[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] 吴玺, 丁筱春. 两种宽带接入方式HFC与ADSL的比较 [J]. 微计算机信息, 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] 张永军, 顾婉仪. 一种在接入网中实现OCDMA/DWDMA的新方法 [J]. 通信学报, 2005(1):23-26.
收稿日期：2007-01-17
关键词：光码分多址；光正交码；局域网
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 demulplexi 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 employing the intelligent multi-level gateway to expand the system capacity.
Key words: optical code division multiple access; optical orthogonal code; local area network
高速计算机局域网支持并行和多址连接的实时宽带多媒体通信。目前高速局域网实现信道共享主要采用时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)方式[1]。
光码分多址(OCDMA)技术是光域内的一种扩频通信技术，把码分多址(CDMA)技术和光纤通信技术有机结合起来，利用光纤传输的宽带宽和CDMA技术的多址能力实现超高速连接和实时通信。鉴于此，本文提出一种基于OCDMA技术实现局域网随机接入的可行方法：利用OCDMA技术的优点，采用单极性的扩频正交码分序列进行编码，复用成高速率的光脉冲序列进行传输，实现多用户共享信道、局域网的随机异步接入。
1 OCDMA系统的优点
1.1 高安全
通信系统设计的关键内容之一就是信息传输的保密性和安全性。OCDMA通信技术采用单极性正交扩频码序列，经扩频编码过程给所传输的信号加上了伪装，再加上输出的光序列的频率范围宽、功率低，窃听者必须靠近网络才能收到信号。所以OCDMA通信的保密性和安全性比其他的多址技术优越很多[2]。
1.2 低时延
OCDMA技术主要是通过编码来获得多址接入的容量，因此它不需要在用户间保持同步，任何一个用户都可以随机地接入，接入控制简单，没有时分复用(TDM)协议所带来的接入延时，同时不存在复杂的测距问题，减少了电器件处理的时延。
传统的局域网接技术为了确保复用信道上各信道信号间具有正确的时隙，必须具有一定的时延。为了避免由于光脉冲在传输过程中被展宽而引起的码间串扰，通常要使每个信道的脉冲宽度比复合后一个比特周期更加窄些，因为窄脉冲的光频谱较宽，即使激光器的波长在光纤零色散附近，脉冲宽度的减少也将以增加色散为代价。于是通常需要在系统串话和光纤色散引起的脉冲展宽的矛盾之间进行协调，以便获得最佳的脉冲宽度。而OCDMA通信网络的特点是：光纤传输信道几乎总是空闲的。所以OCDMA系统和CSMA、CSMA/CD系统相比，具有理论上的最小等待时延。这样的组网方式可以最大限度地缩短网络延迟时间。
1.3 异步随机接入
传统局域网接入技术的共同特点是将某一频谱、时隙或者波长固定地分配给某一接入用户，如果某一用户空闲，带宽资源就被浪费了。基于ALOHA技术的CSMA/CD随机接入技术在任意时刻，只允许一个用户在信道上传递信息，不能动态地分配带宽，随着用户端站的增加，共享的可用带宽不断降低，用户的冲突不可避免[3]。 而OCDMA系统是异步传输方式，利用单极性扩频码序列对输入信息进行编码，使得低速率的数据信息复用为高速率的光脉冲序列传输或解复用，从而实现多用户的信道共享和随机异步接入以及高速透明的通信方式。输入的光序列被编码后在光纤信道中共享传输，只要有多余的地址码，就可以不断地增加新用户，实现多用户的随机异步接入。OCDMA系统不需要中央网络集中管理，它为每个用户分配一个固定的地址码，光脉冲被地址码调制后在发送端发送信息，在共享光纤信道中传输；接收端用户进行相应的解调，恢复有效信息。光纤具有潜在的极大带宽，单模光纤可提供30 THz以上的带宽，只要光纤系统有足够的信道带宽，理论上就可以允许无限多的用户同时接入。
2 OCDMA的单极性光正交码
OCDMA中，不同的用户信号采用不同的互成正交的码序列来填充，这样经过填充的用户信号可以调制在同一光载波上在光纤信道中传输，接收时只要用与发方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复用户信息。由于各用户采用的是正交码，因此相关接收时不会构成干扰。解决的关键技术是选择适合于光纤信道的不同扩频码序列对码元进行填充，形成不同的码分信道，即以不同的互成正交的码序列来区分用户，实现多址。OCDMA系统中每个用户预先被分配一个特定的地址码即一个字长的“0”、“1”序列，这些码字必须具有很大的自相关峰值和很小的互相关峰值，即满足以下2个条件：
其中n为码字长度；x和y是码组中任意的两个码字；xi 和yi分别是x、y时移为i 时的码字；yi +j是y在时移为i+j 时的码字。这里应用在局域网的随机接入中采用单极性的光正交码(OOC)，它只在二值域(0，1)上取值，具有尖锐的自相关峰值和弱的互相关性，满足以上两个条件，是用于非相干OCDMA通信系统的最佳地址码。当λa＝0时满足以上条件的OCC即为严格的正交码。但是由于光纤通信系统是正系统，所以λa和λb最小只能取值“1”。然而，如果把OCDMA技术和跳频技术结合在一起，理论上，当码字和编/解码器满足一定条件时，λa可以取值为“0”。当码长n给定时，所能提供的码字数目就相应越小，也就是可以容纳的用户数目相应减少。这是一对不可调和的矛盾，所以在选择设计λc时，就要均衡考虑两者之间的关系。
3 OCDMA系统信道间干扰的消除
OCDMA系统中的噪声主要来源于信道间的干扰。如上所述，光纤通信系统是正系统，λa和λb最小只能取值“1”，即扩频码之间是不完全正交，解码时就不能完全消除由此引起的信道间干扰。一般情况下，信道干扰远远大于OCDMA系统中的其他干扰源(包括光电转换器的热噪声、暗电流和雪崩光电二极管噪声等)，它的存在严重影响了OCDMA系统的链路性能，是目前限制局域网接入用户数目提高的最主要因素。随着多用户随机接入数目的增加，信道干扰也越来越严重。
消除信道间干扰的方法有两大类：一类是只取一个用户的信号作为有效信号处理，其他用户的信号作为干扰信号来进行处理；另一类是把所有用户的信号都当作是有效信号来处理，即多用户检测法。第一类方法有：双硬限幅器法、改进的素数码消除法和时分参考信号法等。其中，双硬限幅器法用于直接序列CDMA系统中，它在接收端的相关器前后分别加入一个硬限幅器来消除干扰。相关器前面的硬限幅器把解码前幅度大于阈值的光信号进行幅度限制，所限制的幅度由被编码的信号的幅度来决定，这样就可以消除或减小其他信道用户的信号引起的脉冲干扰。硬限幅器把幅度小于阈值的光信号限制为“0”，这样就保证了当用户信号为“0”时，有效信号也为“0”，完全消除了其他信道用户引起的脉冲干扰。当用户数目不太大时，双硬限幅器应用在直接序列的同步CDMA系统中效果很好，可以大大降低用户间的相互干扰，提高系统的性能。对于直接序列的异步CDMA系统，不论用户数目多少，应用双硬限幅器来消除多用户信道间的干扰的效果都很好。
改进的素数码消除法与时分参考信号法适用于采用改进的素数码序列的同步CDMA系统中。改进的素数码具有分组特性：同组的用户间没有相互干扰，同组中的各个用户受到其他组用户带来的相同干扰。改进的素数码消除多用户干扰的方法：用户把同组中其他用户的输出经过适当的换算，当作是来自其他组的干扰，并在自己的输出中予以消除。时分参考信号法中，任何时刻每组禁止该组中的一个用户发送信息，其地址码对应的接收端解码器的输出作为该组其他用户收到的噪声和干扰，从本组其他用户的输出中予以消除。
多用户检测技术是指利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息作为对本用户所带来干扰的先验知识来联合检测单个用户的信号，以提高接收机信号检测性能，达到较好的接收效果[4]。多用户检测法的基本思想是把所有的用户信号都当作是有效信号来进行处理，以减少用户间的相互干扰。它认为多用户信道间干扰与噪声具有互不相同的统计特性，是可估计、可再生、可去除的。与光硬限幅器相比，多用户检测法充分地利用了所有用户信号的相关信息和能量来进行检测，从而使信号恢复的误码率降低，尽可能准确地恢复原始信号。
4 局域网接入的拓扑结构
4.1 OCDMA网络结构
局域网光接入的基本结构包括光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和光网络单元(ONU)。采用OCDMA非相干异步方式的双星型网络拓扑结构如图1所示。
在数据源输入端，通过开关键控(OOK)方法实现逻辑信号(0，1)到光信号的转换：当数据为逻辑“1”时，发送超短激光脉冲；当数据为逻辑“0”时，不发送激光脉冲。在接受极端数据恢复时，进行与数据源相反的处理。在OCDMA编码器中，将用户的光信号用扩频正交码序列进行扩频编码处理：提供扩频增益，增强抗干扰能力，提高信噪比。扩频序列的采用使得OCDMA网络允许多用户的异步传输信息，而不需要复杂的网络协议控制，从而增强系统的可塑性。而在OCDMA解码器中，采用非相干的异步结构进行解码处理。如果已知光星形耦合器输入端光信号的功率为P1、P2……PN，输出端功率为P1′、P2′……PN′。其中，输出功率可以平均分配到各个用户，也可以根据光星形耦合器到用户距离的长短进行分配。距离长则分配的光功率大，距离短则分配的光功率小。这样可以使OCDMA网络接收机端用户ｉ和用户ｊ(ｉ≠ｊ)收到的光信号功率相差不大，以保证接收端不同接收用户的质量基本相同。
4.2 提高系统容量的方法
光域内只存在单极性的“0”、“1”码，因此在OCDMA局域网中只能采用单极性的扩频正交码编码方式。而正交的单极性码中码字的数目比双极性码字数目要少得多，这将影响到整个系统的容量。目前提高OCDMA网络用户数目的方法主要是采取多种传输复用技术和多址技术结合的混合方案来提高系统容量，但受本身技术的限制，只能有限提升系统的性能[5]。在局域网的随机接入中可以使用智能多级网关来对系统进行扩容。
5 结束语
OCDMA技术用于高速计算机局域网接入，充分利用了光纤的带宽优势，保证了多个用户及时随机地接入。OCDMA采用不同的光正交码字作为用户的地址，通过直接光编码和光解码，使光纤可以提供极大的带宽资源。尽管光CDMA用于接入网具有很好的优点，但实际应用中，在扩频技术、正交码元、多用户干扰等方面仍存在许多问题需进一步地解决。
6 参考文献
[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] 吴玺, 丁筱春. 两种宽带接入方式HFC与ADSL的比较 [J]. 微计算机信息, 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] 张永军, 顾婉仪. 一种在接入网中实现OCDMA/DWDMA的新方法 [J]. 通信学报, 2005(1):23-26.
收稿日期：2007-01-17