星间激光通信中OCDMA的应用
星间激光通信中OCDMA的应用
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作者：闻传花张宝富李玉权摘要:本文对星间激光通信中的光码分多址(OCDMA)的系统进行了分析。星间激光通信的强背景噪声等特点的分析，介绍了光码分技术在该通信系统中的必要性、原理和关键技术。从而指出光码分技术在星间激光通信系统中有绝对的优势。关键词:星间激光通信光码分多址光正交码1、引言码分多址（CDMA）是以扩频通信为基础的多址技术。在发送端将不同的用户信息采用相互正交的扩频码序列进行调制后再发送，在接收端采用
作者：闻传花&& 张宝富&& 李玉权&& 摘要:本文对星间激光通信中的光码分多址(OCDMA)的系统进行了分析。星间激光通信的强背景噪声等特点的分析，介绍了光码分技术在该通信系统中的必要性、原理和关键技术。从而指出光码分技术在星间激光通信系统中有绝对的优势。&& 关键词: 星间激光通信 光码分多址 光正交码 && 1、引言&& 码分多址（CDMA）是以扩频通信为基础的多址技术。在发送端将不同的用户信息采用相互正交的扩频码序列进行调制后再发送，在接收端采用相关解调来恢 复原始数据。CDMA(Code Division Multiple Access )技术作为一种多址方案已经成功地应用于卫星通信和蜂窝***领域，并且显示出许多优于其他技术的特点，比如它能够较好地解决移动通信中抗干扰、抗多径衰落 的问题，在提高系统容量方面有着显著优势等等。但是，由于卫星通信和移动通信中带宽的限制，所以CDMA技术尚未充分发挥优点。目前，在光纤领域已广泛开 展了OCDMA(Optical CDMA)的技术的研究，在理论上得出了满意的结论。但是，光纤通信系统不适宜于移动用户和人烟稀少的地区，而且光纤不适合于地面和空间以及空间卫星链路 的通信。近年来，随着元器件技术的成熟和发展，卫星激光通信技术的发展也趋于成熟。因为星间激光通信具有丰富的带宽，能够很好地弥补这个缺陷，所以把 OCDMA技术应用到星间激光通信中，必将成为一项备受瞩目的热点技术。2、星间激光通信中采用OCDMA的必要性&& 在星间激光多址通信系统中，接收机探测器上的信号光包括要接收的信号光、其他用户发射的光以及背景光，背景光比地面上的信号光要强的多，因此产生的噪 声极大。在理论上可以通过增加光学滤波器来解决，但这种先进的滤波器的生产还很困难，而且滤波器的带宽也不是越窄越好，带宽越窄对激光器的要求也越高（激 光的谱线要窄），线宽极窄、高稳定性的激光器很难生产。在光码分复用时，每一发射光源被分配一个单独的光脉冲序列作为自己的地址，数字信号在各自的地址码 上进行编码，在接收机上通过相对应的序列进行解码。因为采用地址码的相关接收，系统的抗噪声特别好，不需采用窄带光学滤波器，激光器无需波长控制以及光源 无需同步等。由于相对地面通信来说距离较长，要求光发射功率必须提高。为了减少光发射功率必须对光束进行压缩准直，这使得对系统的ATP技术要求大大提 高，复杂度大大增加。在星间激光通信中，通信往往都是突发的。OCDMA充分利用了扩频通信的优点如抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、隐蔽性和保密性好、 对其他系统的干扰小、系统容量大以及传输速率高等。在这些优点中，最突出的是它的抗干扰性和系统容量，这也是星间通信所需要的。 3、星间激光通信中的OCDMA系统原理&& 星间激光通信中，采用OCDMA的系统，其系统原理示意图可以如图1。图(a)是光发送部分，图(b)是光接收部分。该系统中是光脉冲序列直接调制激光光源，这种编码器属于有源编码器。&& OCDMA技术在原理上与电码分复用技术相似。OCDMA通信系统给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的 数据该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光正交解码。OCDMA技术的优点是：提高了网络的容量；提高信噪 比，改善了系统性能；增强了保密性；增加了网络灵活性；降低了系统对同步的要求；随机接入，信道共享等。OCDMA通过直接光编码和光解码，实现光信道的 复用和信号交换，在星间激光通信中具有极大的应用前景。 4、OCDMA系统的特点&& 光码分多址（OCDMA）是一种全新的频率资源利用思路，它的信道占据的是同一个宽 频带，从而原则上不需要光滤波器件，不同信道之间相互独立地发送与接收信号，从而不需要网际规模的时钟同步。这些特点能提供一个接入灵活、多址功能的通信 网络，OCDMA的异步操作模式能文持突发性业务，码分多址本身的特性同时也提高了一定的安全性，从其潜在的优势及应用前景来看，OCDMA能满足目前及 将来通信发展的要求：异步、高速、宽带，可靠。&& 光码分多址技术（OCDMA）是无线传输技术（RTT）中的关键技术。星际链路的多址方式十分重要，直接影响到系统的性能。目前，星际激光通信中一般 采用TDMA方式。但是由于传输距离很长，因而时延较大，难以达到TDMA系统要求的严格时钟同步。如果采用国际上最近提出的WDM方式，由于连续可调光 源的生产存在较大的难度，所以难以满足WDM要求发射光源的频率在较大范围内连续可调的要求。因此，在卫星激光通信系统中采用光码分多址技术就被提到议程 上来。光码分多址技术用相互独立的光脉冲序列作为每个发射光源的地址码，地址码之间相互正交，各信号源用各自的地址码调制，在接收端用相应的地址码进行解 调。光码分多址技术有如下优点：&& (1)光码分多址特有的抗背景噪音的能力对星际通信特别有用，即抗干扰能力强。星间激光通信系统中，接收机接收到的不仅有信号光，还有其它用户发射的 光以及背景光，背景光较地面要强得多，因此对系统性能的影响极大。理论上可以采用光学滤光器滤除背景光噪声，但要得到带宽极窄、稳定性高的滤光器（比如原 子滤光器）很困难。因此，利用地址码的相关特性进行相关接收，系统具有很强的抗噪声能力。&& (2)光码分多址无需整个通信系统网都同步，就能良好地支持异步通信和突发业务。而且因为在该技术中，无需波长控制和波长转换，只用一个波长的光源，就无需可调频率的光源。&& (3)光码分多址通信有较好的保密通信能力。由于采用发扩频调制，在信道中传输所需的载波与噪声和干扰的功率比很低，信号完全隐蔽在噪声和干扰中，不易被发现。&& (4)实现多址连接较灵活方便，用户可以随机接入。当然，光码分多址技术也有缺点，就是通信有效性相对较低，占用的频带较宽，但对于有很宽的频带资源的星间激光通信来说可以忽略。 5、OCDMA的关键技术及实现方案5.1关键技术&& 目前，对空间OCDMA技术的研究主要集中在如下几个方面：扩频码的选择、调制方式、信号检测方法（包括多径接收和多用户接收）、功率控制以及同步技术等。空间OCDMA是今后星际链路采用的最重要的方式之一。&& 扩频码的选取直接影响到抗干扰、变址能力、系统容量以及同步的快慢等。在光纤通信系统中一般采用光正交码，对这种码的理论研究也很成熟了。我们可以把 这种编码技术应用到星间激光通信系统中。光正交码（OOC）是OCDMA系统最直接的正交码型。光正交码有两层含义，“光”表示非负性，“正交”表示其弱 的互相关性，它是具有良好的自互相关特性的一族（0,1）序列。OCDMA系统在本质上同电领域的CDMA系统是一样的，需要为每个用户选择不同的高速扩 频地址码，用以传输相对低速的用户信息。设计OOC(Optical Orthogonal Code)时主要考虑的是与地址序列码密切相关的两个特性：自相关特性和互相关特性。前者使每个序列能容易地从它本身时间偏移序列中区分出来;后者能使每 个序列容易地从其他用户的地址序列码中区分出来。&& 光码分多址系统有直接序列调相码分多址方式、跳频码分多址方式。其中，光码分多址系统中的跳频地址方式中又分为单跳频方式和多跳频方式。在星间激光通 信系统中，可以采用光码分多址中的多跳频方式。星间激光通信系统中，一般采用光外差检测。在多用户环境下的功率控制中，可以使用自适应发射功率的方法，对 路径衰落小的移动台分配较小的前向链路功率，对离基站远且误码率高的移动台分配较大的功率。OCMDA扩频系统的同步不仅需要一般的数字通信的同步过程 （位同步、帧同步等），还需要扩频码的同频（码时钟同步、码相位同步），码同步技术包括捕捉和跟踪。通过检测扩频序列与本地序列的相关函数值，可判断捕捉 是否成功。5.2 实现方案&& OCDMA提供一种全光的接入方式。采用超短脉冲激光器、需TBP（时间带宽乘积）大、地址分配灵活、有利于实现无源全光编解码、有保密机制的网络。 在相干方式的OCDMA系统里，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 作为背景噪声在解码器的接收端可以通过使用平衡接收光电管消去，大大减少了多用户引起的干扰。并且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，使得它可利用现有的外部光相位调制器来达到改变接收者地址的目的，这种办法最接近于实际应用的网络。&& 目前主要有两种OCDMA实现方案。第一种是利用副载波复用（SCM）将通信的带宽分割，然后在每个副载波上直接应用原来电CDMA的理论与器件。每 一个接收用户被发端机所用的声表面波（SAW）匹配滤波器的中心频率和其中预置的有限长伪随机码序列所选定。一组数据端口可共享同一副载波频率，若干副载 波频率共享同一光源。同一光源上的副载波数目取决于光源的线性范围以及副载波的频率。这种方案需要高速声表面波相关器以及能精确调谐的振荡器，其实现的网 络组网灵活，频带利用率高，要求的技术较容易实现，但提供给每个用户的最大带宽不超过数兆比特每秒，所以只适用于中低速网络，不能解决高速下的多址问题。 因此在星间激光通信系统中，基本上不使用这种OCDMA的实现方案。&& 第二，短激光脉冲（皮秒量级）的获得使人们意识到了由此实现高速光通信的前景。这种系统利用光学无源器件将信息数据以超短脉冲的特定序列来发送，不同 的序列代表着不同的接收用户。在接收端，利用光学无源器件将脉冲序列进行相关处理，从而恢复出信息数据，这就是全光码分多址技术（OCDMA）。全部网络 寻址功能均由光无源器件完成，速度主要受限于激光器的响应带宽，实现了高速状态下的路由多址，引起了人们浓厚的兴趣。这种OCDMA的实现方案必将在星间 激光通信系统中起着重要的作用。 6、总结&&& 在星间激光通信系统中，因为星间链路距离长，自由空间衰耗大，中间又不可能加进光放大器，所以一般采用高接收灵敏度的相干光通信系统。但是，在相干 OCDMA方面激光源的频率稳定度差及光脉冲相位难以控制是主要问题。目前，在为OCDMA寻找最佳的编解码器结构和最优的光正交码方面，国内外专家已经 进行了大量的研究，但是尚未有突破性的进展。OCDMA在星间激光通信系统中的应用还有很长一段路要走，但在星间激光通信中应用光码分多址技术，必将成为 星际链路的最重要的方式之一。 && (编辑:xiaoyao)
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