基于码分复用技术的光分插复用器OADM的设计李扬1.docx
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基于码分复用技术的光分插复用器OADM的设计李扬1
燕山大学
毕业设计（论文）
基于码分复用技术的光分插复用器（OADM）的设计
学院：
里仁学院
年级专业：
03级电信工程2班
学生姓名：
李扬
指导教师：
王玉宝
专业负责人：
练秋生
答辩日期：
07年6月24日
燕山大学信息与工程学院毕业设计（论文）任务书
学生姓名
李扬
学生学号
030201070039
专业（班级）
电信工程2班
系别
电子工程系
指导教师
王玉宝
职称
副教授
设计题目
基于码分复用技术的光分差复用器（OADM）的设计
题目来源
自选
题目类型
模拟
题目性质
理论
设计内容和目标
内容：
掌握光码分复用技术原理；理解OADM在网络节点的重要性；对OADM的设计进行分析讨论，基于码分复用技术设计OADM。
目标：
使学生掌握信息在通信网络中上下路的关键技术；培养学生理论应用和研究能力
设计要求
1学会搜集整理资料；
2掌握环网设计原理；
3能够应用数学、软件工具进行模拟分析；
4论文书写规范。
参考资料
1蔡临宁，光纤通信系统及其应用.2004，156－160.
2龚倩等，光网络的组网与优化设计.2002，141-157.
3刘春红.全光网络中的自动保护倒换的设计及硬件实现.哈尔滨工程大学硕士学位论文
周次
1～4
5～8
9～12
13～16
17～19
应完成的内容
查阅文献资料、掌握软件使用。
建立模型、设计考察方法
考察分析
编制设计文件。
使用说明
完成论文
基层教学单位审核
院（系）
审核
说明：
内容五号字，本任务书一式三份，系、学生和院教务科各一份。
摘要
随着各种高速通信业务的出现和接入用户数目的增加，对现有的通信网带来了不少的压力，由于WDM（波分复用）以及DWDM（密集波分复用）的出现，缓解了网络的带宽问题。
传统的WDM中的分插复用设备（ADM）采用O-E-O的处理方式，对每个通道的信号都要单独的处理，当WDM的通道数达到一定程度后，它需要的设备变得非常冗杂且成本也十分昂贵，除此之外，由于电子处理速率的瓶颈，当通道的速率达到一定值后，电子处理就变得束手无策了。
这就产生了在光域层来管理网络容量的强烈要求，而全光交换的OADM正适应了这种需求。
全光交换无需光电转换，因此不受电子处理速率瓶颈限制，且可透明传输各种接入方式的数据，能提高网络的灵活性和可控性，使其成为现代全光网的一个关键的器件。
论文详细介绍了光码分多址的发展现状及其面临的问题。
光码分多址技术（OCDMA）是一种极具发展潜力的扩容技术，特别是在光纤光栅技术逐渐完善的条件下，光码分多址技术势必成为未来光通信系统中重要的工具。
本文首先对OCDMA系统原理进行了分析；结合光纤光栅阵列的滤波特性和空间延时特性，对OCDMA网络中关键器件OADM进行了设计。
并分析了它的特点与应用。
关键词波分复用光码分多址技术；光分插复用器；光纤光栅
Abstract
Alongwithvariousappearancesofhigh-speedserviceandthenumberofaccessuserincrease,therearemanypressuresontheexistingcommunicationsnetwork.
Atthebeginning,theappearanceofWDM（wavelengthdivisionmultiplying）,aswellasDWDM（crowdedwavelengthdivisionmultiplying）,alleviatedthenetworkbandwidthquestion.Themultiplyingequipment（ADM）ofthetraditionalWDMadoptedO-E-Omode,andprocessedindependentlytoeachchannelsignal.AstheWDMchannelnumberreachedacertaindegree,itneededamorecomplexequipmentincludingmoreADM.Meanwhilethecostwouldbeveryexpensive.Inaddition,duetothelimitationontheelectronicprocessingspeed,theelectricityprocessingwouldnotrunwell,oncethechannelspeedreachedsomecertainlevel.
Thus,anintensedemandthatpeopleneededmanagethenetworkcapacityinthelightterritorylevelarose.Fortunately,theentirelightexchangeOADMhasbeenmeetingthedemand.
Itisnotnecessaryfortheentirelightexchangetotransformbetweenlightandelectricity,sothereisnoeffectonitfromtheelectronicprocessingspeedlimitation.Besides,itcantransmittransparentlyanykindofdatainputtedindifferentway,andenhancetheflexibilityandthecontrollabilityonnetwork.Theseadvantagesmakeitbecomeanessentialcomponentofthemodernentirelightnet.
ThisarticleintroducesthefunctionandtheuseaboutOCDMA,andthequestionitismeeting.Itisanextendedtechnology.Anditisobviousthatitmustbeoneoftheimportanttoolsofopticalfibercommunicationsysteminthefuturewiththetechnologydevelopment.
ThisarticlefirsthascarriedonananalysistoOCDMAsystemprinciple,andthedesigntotheessentialcomponentOADMinOCDMAnetworkunitingopticalfiberdiffractiongratingarrayfiltercharacteristicandthespatialtimedelaycharacteristic,andhasanalyzeditscharacteristicandtheapplication.
KeywordsWDMOCDMAOADMOpticalfiberdiffractiongrating
第1章绪论
1.1 课题背景
随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。
IP业务在全球范围爆炸式的增长，在给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网的发展提供了新的机遇。
从当前信息技术发展的潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业务网已成为现代信息技术发展的必然趋势。
为了适应这种需求，通信的两大组成部分传输与交换，都在不断地发展与变革。
波分复用技术的实用化，使光纤的传输容量极大提高，为高速大容量的宽带综合业务网的传输提供了有效途径。
而传输容量的飞速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。
基于波长路由概念而发展起来的全光通信网正是适应这种需要而诞生的，被认为是网络升级的优选方案。
近几年来，密集波分复用技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径，使点到点的光纤大容量传输技术取得了突出进展。
由于电子器件本身的物理极限，传统的电子设备在交换容量上难以再有质的提高，因此交换过程中的电子“瓶颈”问题成为限制通信网络吞吐能力的主要因素。
在这种情况下，光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备成为建设大容量通信干线网络的主要设备。
全光网络的兴起和发展，使得以往点对点的传输机制逐步向环形网络和格形网络过渡，这就要求提供满足需要的网元，OXC和OADM正好满足全光网组网的需求。
宽带城域网的兴起和发展，使波分复用（WDM）技术有了用武之地，WDM城域环形网和格形网的研究和应用，使OXC和OADM派上了用场。
此外，目前正在提出和研究的智能光网络，自动交换光网络（ASON）对传输平面的路由选择、保护恢复提出了较高的要求，因此传输平面必然是较为复杂的格形网络，这就为OXC和OADM的应用提供了非常广阔的舞台[1]。
1.2 OCDMA/WDM全光网络分析
随着通信容量的迅猛增长和各种各样的新型宽带信息业务的不断出现，通信网络全光化将是未来通信网发展的必然趋势。
信息量指数增长、传输光纤内可用的巨大传输带宽与“电子瓶颈”的矛盾决定了这一点。
为了适应网络的全光化，最大程度地利用网络资源，WDM、OTDM和OCDM等网络复用技术应运而生。
其中WDM已经成为主干网的主导技术，WDM全光网被认为是通信网向宽带、大容量发展的首选方案，目前骨干网已经基本实现了光纤化、数字化和宽带化。
但随着用户驻地网的业务多样化（如对视频点播、视频电话和视频远程会议等互动多媒体业务的需求等），多媒体局域网，超高速并行处理互联等小型的高速通信领域的网络已开始面临接入网发展滞后的问题，并开始成为制约高速全光网络发展的障碍。
尽管电信运营商采用了XDSL、HFC、无线接入等技术，在一定程度上解决或缓解了这种制约，但它们毕竟不是最终的解决方式。
要想应付接入网业务的数字化、宽带化和综合化趋势，无源全光接入是发展的大势所向。
无源光网络充分利用了光纤的传输带宽和优良的物理性能，具有运营和维护成本低、对业务透明以及易于升级和重构等特点，具有广阔的发展前景。
WDM、OTDM和OCDM等网络复用技术在未来的超高速接入网中扮演什么样的角色还在进一步讨论中。
由于长途干线网络都已采用或者即将采用WDM技术来实现扩容，可以说在广域网范围内，WDM已成为主流技术。
但在小型（城域网或局域网）高速通信网中，各种复用技术方案仍处于竞争阶段。
总的来说，WDM技术相对比较成熟，用于WDM的光器件也具有无源，价格较低的特点，因此，对基于WDM的全光网络的拓朴结构，接入协议以及物理层的研究较多，但可用波长数从根本上限制了基于WDM复用技术的全光局域网和城域网实用化的进程。
对于OTDM，由于物理层各种光器件，MAC层接入协议及其实现，全光信号处理、全光再生等技术还正处于发展阶段，目前被看作是一项长期的网络解决方案。
但其组网灵活、单波长传输可以克服WDM系统中存在的非线性影响，能够产生较高的线路速率，与现有的SDH等技术兼容，因此OTDM技术虽然在大容量，长距离传输上不足以与WDM技术抗衡，但在高速本地网上却具有独到优势，在容量超过100Gb/s，距离小于100公里的全光城域网和局域网中，OTDM仍被看作是关键复用技术之一[2]。
在本章中，从OCDMA实用化的角度出发，结合WDM技术和OCDMA技术的优势，提出了一种混合OCDMA/WDM全光网络模型，探讨该网络模型在全光接入和局域网上通讯协议，并对网络的时延性能和信道误码率进行了分析。
1.2.1 基于OCDMA/WDM技术的全光网络
1.2.1.1 未来通信网络——混合全光网络
尽管WDM技术已成功地用于干线网络来实现扩容，但随着用户需求的业务永不停止的增长，只利用WDM技术形成的单纯WDM网络终将不能满足用户容量和网络性能的要求，尽管实验报道的可用波长数记录不断刷新[16,17]，但所要求的器件和维持波长稳定技术成本都非常高，离实用化很远。
OTDM和OCDMA技术虽然都已取得很大进展，但单独由任何单一技术构建一个全光网络的难度都很大。
事实上，WDM、OTDM和OCDMA技术并不是互相对立的，各自的优缺点甚至可以相互补充。
最近的组网技术研究已主要集中在不同复用技术相互搭配组建混合网上，并且已呈现出
明显发展趋势。
图1-1一种OTDM和WDM组网的结合方式
例如可以采用WDM技术构成子网，然后由OTDM技术将各个WDM子网互连，形成WDMA/OTDM混合网络，如图1-1所示。
也可以将多路OTDM高速信号经波分复用以达到更高的传输速率。
值得一提的是OTDM与WDM是完全不同的两种复用方式，对光信号的要求也完全不同，因此OTDM网络与WDM网络的接口节点必须具有两种复用信号相互转换的功能。
对于OTDM信号到WDM的转换，可以利用光纤的非线性效应等来实现[30]，而WDM信号向OTDM信道的映射可以利用不同波长延时不同，以及波长转换等技术实现[23]。
采用OCDMA技术构成子网，然后由WDM技术将各个OCDMA子网互连，形成OCDMA/WDM混合网络，如图6-2所示。
这种混合网络最大的特点就是：
1）不同拓扑结构的子网可以方便的互联；2）网络首先进行“粗”的波分复用，因此基于WDM的全光网的拓扑结构和MAC层协议，以及对网络的分类方法仍旧适用；3）从每一个用户的角度看这种混合网是码分复用系统，保留了OCDMA系统拓扑结构灵活和用户接入简单的特点，适用于广播发送信息。
图1-2混合OCDMA/WDM网络可以方便的实现不同拓扑结构的全光网互联
1.2.1.2 OCDMA在未来网络中的角色
OCDMA技术的最大特点就是通过预先分配给每个用户一个特定的地址码来实现复用，利用地址码的正交性来实现彼此的区分；多用户可共享同一信道，在时间和频率上重叠。
实际上这是一种广播式信息传输技术，所有用户信息会达到网络中的任何一个部分。
这使得单独利用OCDMA技术组建大型光网络难度非常大，网络设计者们已经基本上不考虑单独利用OCDMA技术组建大型光网络，而把OCDMA技术的角色定位于组建小型高速通信网络（局域网和城域网）。
目前最流行的是扮演接入网的角色[31]，与WDM干线网结合形成混合OCDMA/WDM全光网络。
由于接入网直接和用户驻地网相连，负责业务的传递和收集，所以网络必须具备公平性、灵活性、内在的安全性等特点，OCDMA技术恰好满足这些条件：
1、OCDMA的公平性在于将光纤分成若干平行传输信道，在同一信道内的用户共享同一带宽资源，用户间靠地址码的正交性来区分，信道的任何一个用户不会阻碍其他用户的接入。
2、OCDMA的灵活性表现在：
网络拓扑容易（如OCDMA/WDM系统可以提供多种传输速率和业务服务质量，适应各种各样的综合业务，适于实时、高突发、高速率的通信业务；网管简单，无需全网时钟同步，可以异步接入，对多速率、多的业务支持是在物理层实现的，无需复杂的网控，另外，还可以采用动态编码技术，即通过监视网络的多用户干扰情况，自适应地调整网络地址码序列以达到预期的服务质量；接入灵活，用户数目属于“软限制”，增加一个用户只需分配一个地址码字，系统能否再接入更多的用户主要取决于当前服务用户的通信质量，如果当前服务用户的通信质量良好，就可以接入更多的用户，其最终判决标准应是接入新的用户后，整个网络的通信质量应保持在可接受的范围内；
3、通信业务内在的高保密性在于用户采用的是匹配编解码，要窃取信息必须先破解码字，入侵者在没有获得编码方案和相应码组序列的条件下，得到的只是伪随机光信号，破解各路信号的概率低。
例如在采用41个波长、961个时隙的跳频扩时OCDMA中，假设每秒分析107个码字，要分析所有的码字需要1350年。
1.2.1.3 OCDMA/WDM混合全光网络
尽管OCDMA接入网的优点很多，但同WDM技术和OTDM技术相比，OCDMA技术实际应用还很不成熟，目前对OCDMA全光网的研究仍处于主要解决物理层上的实际问题，而对于数据链路层和网络层，特别是MAC层协议的研究相对还较少，往往是将无线领域的接入协议套用到OCDMA上，有一定的局限性[33]。
但OCDMA接入网技术的优点已经开始吸引专家学者们的注意力，人们开始探讨OCDMA技术的各种应用，如OCDMA/WDM混合网络，利用用户的地址码实现全光自路由和光交换；在光分组交换网络中，可以直接利用地址码进行IP选路；在光节点实现基于码字的全光信号的上下路等。
本节主要讨论OCDMA/WDM混合网络的特性。
然后每一个波分信道再进行码分，同一波分信道内的每一个用户被分配一个特定的地址码而共享该信道，形成用户群组；这种混合网的最大优点就在于保留了OCDMA接入网和WDM干线网的各自优点，基于WDM的全光网的拓扑结构和MAC层协议，以及对网络的分类方法仍旧适用；在OCDMA接入网部分，保留了OCDMA系统拓扑结构灵活和用户接入简单的特点，适用于广播发送信息；光波长和码字的结合可以降低对光波长资源的限制，充分利用光纤带宽。
图1-3混合OCDMA/WDM网络中波长和地址码码字分配图
虽然WDM、OTDM和OCDM技术是实现高速、大容量光纤通信系统的不同技术方案，有各自的优缺点，但它们之间并不相互排斥。
在建设下一代全光网上，每一种技术都可以构筑大容量的光纤通信系统，但都存在不足，因此近年来这三种技术互补共同构筑大容量的光纤通信系统成为一种趋势。
然而，光网络中所谓的“电子瓶颈”困饶了无数学者，而具有通道级上下话路的光波长分插复用器（OADM）恰恰能解决这个问题，因此OADM引起了人们不小的兴趣。
光码分多址技术（OCDMA）以其对异步突发通信的支持能力引起了当今光通信界的广泛兴趣。
OCDMA技术尤其适合于实时、高突发、高速率和高保密性的军事通信。
基于WDM的OADM在近些年内出现了不少，然而,基于OCDMA技术的分插复用器（ADM）直到最近都鲜有报道。
本文即将应用OCDMA原理并结合光纤光栅设计一种OADM。
1.3 本章小结
本文只要介绍了光网络的走向，以及OCDMA/WDM这种混合网的原理与关键技术，引出了OADM在光网络的中的重要作用，为下文做了铺垫。
第2章OCDMA的分类、系统模型及关键技术
2.1OCDMA的基本技术原理
OCDMA技术在原理上与电码分复用技术相似。
大致的过程是首先给每个用户分配一个地址码，用来标记这个用户的身份。
不同的用户有不同的地址码，并且它们互相正交〔或准正交〕。
在发射端，要传输的数据信号首先经过适当的调制方式，转换成相应的光域上的信号，然后再经过一个编码器进行扩频处理，标记上这个用户的地址信息，成为伪随机信号。
编码器是在光域上进行工作的，它是OCDMA技术中的核心内容之一。
扩频信号（伪随机信号）通过光纤网络到达接收端之后，通过解码器进行解码（它是编码的逆过程）处理，恢复出期望的光信号，再经过光电转换设备，得到电域上的数据信号（图2-1）.
图2-1光码分多址系统框图
从OCDMA的概念出现以来，专家学者们提出了各种各样的系统方案，包括相干的和非相干的系统，同步的和异步的系统以及时域编码和频域编码系统等等。
但是，比较起来，非相干的时域编码（也称为单极性时域编码）系统方案最为直观，它采用强度调制和功率检测.光信号只能在非负值域（0,1）内取值，没有利用到相位信息，这与无线领域扩频通信中地址码可以采用双极性码字（+1，-1）是有本质区别的。
在无线CDMA中得到广泛应用的扩频码，如Gold序列，m序列等，虽然在（＋1，-1）域内具有良好的自相关、互相关特性，但在（0,1）域内并不能保持这一特点，所以就不能应用于这种系统。
因此设计出合适的扩频码和相应的调制、解调器就成为OCDMA的关键技术之一[4]。
在OCDMA技术中习惯将扩频调制器和解调器称为编码器（Encoder）和解码器（Decoder）.
光正交码（OpticalOrthogonalCodeOOC）是一组取值于（0,1）域并且具有良好的自、互相关特性的准正交序列。
它具有尖锐的自相关峰值、较低的自相关旁瓣和互相关值。
光正交码尖锐的自相关峰值使有用信号的检测更为方便，提高了抑制其它干扰信号的能力。
较低的自相关旁瓣值使系统可以按异步方式进行工作，所有的用户可以随时接入网络，发送数据信息而不必进行同步，这样就简化了网络的结构和设备，降低了网络的造价。
较低的互相关值使用户尽可能地降低对其它用户的干扰。
这三点是设计码字时所要考虑的基本要素。
图2-2是两个正交码的例子，其中码长为32，码重（码重为其中"1”的个数）为4,
为码字的时间宽度，
为码片〔Chip〕时间宽度。
图2-2两个光正交码的例子（码长为32，码重为4）
图2-3a）中表示图3.1.2中第一个光正交码的自相关曲线，b）表示图2-2中两个光正交码的互相关曲线。
从图2-3中可以看出，本例中自相关旁瓣值和互相关值都不超过“11%采用这样的码字的系统多址干扰比较小。
另外，在图2-3中，自相关峰和互相关峰都呈三角形，原因是在作自相关和互相关运算时，把码片视为理想的矩形脉冲。
图2-4是采用光纤延迟线作为编解码器的单极性扩时OCDMA系统。
此系统采用光正交码作为地址码。
在发射端，当数据是“0"时，光源不发光，编码器也没有任何输出:
当发送数据“1”时，光源发射一个短脉冲，进入编码器后，根据码重的大小被分成若干个小脉冲，每个小脉冲经历长短不同的光纤延时线，每个小脉冲所经历时延的大小完全由地址码决定。
图2-3a）自相关曲线b）互相关曲线
图2-4采用光纤延迟线作为编解码器的OCDMA系统
编码器的输出是一个小脉冲串，这就是所谓的直接扩时信号。
直接扩时信号通过光纤网络（在图1.5中为星型网络）到达接收端。
在接收端，解码器对该扩时信号进行解扩处理后，输入到判决设备进行判决。
在期望用户发“1”的情况下，如果解码器与编码器完全匹配[6]，那么输出一个尖锐的自相关峰值，判决器判定为“1":
否则输出一系列低功率的伪随机噪声信号，判决器判定为“0”。
这样，所传输的信息比特就被恢复出来了。
通常，判决器的阐值需要精心设置，它会明显地影响系统的性能。
当然，由于其它用户的信号对期望用户的信号有干扰作用以及接收机中的散弹噪声和热噪声的作用，不可避免地会出现错误判决现象。
以上就是单极性时域编码光码分多址系统的简要原理介绍。
实际的系统可能会比上述的系统更为复杂。
为了使系统更好的工作，往往会多一些必要的设备，比如为了抑制多址干扰而采用的双限幅器方案等。
2.2OCDMA的分类
按照不同的标准，OCDMA可划分为不同的类型。
（1）根据实现方式的不同，OCDMA可分为相干OCDMA和非相OCDMA。
在相干的OCDMA系统中，不同发送端所发送的脉冲信号到达同一接受端的时间延迟之差远大于脉冲的相干时间，这样在接受端形成期望接受信号的相干叠加与不期望信号的非相干叠加，并通过使用平衡接收的方法将后者予以消除，从而大大地减少了多用户干扰。
.这种OCDMA系统可以采用双极性码
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