软件定义光网络光码分多址编解码技术发展趋势

蒲涛　孟凡秋　赵继勇

摘要：认为光码分多址技术的发展趋势应当是高频谱效率动态可重构的，以适应软定义光网络（SDON）对端到端长距离跨节点的安全光通道应用服务需求。针对现有基于全光信号处理的光码分多址（OCDMA）技术存在频谱效率低、色散补偿困难和多址干扰严重3大问题，分析了全球研究现状，预测OCMDA技术发展趋势应采用电编码和数字相干接收机。提出了光编解码技术应用于SDON所面临的关键问题，并给出了解决这些关键问题的技术路线。

关键词： 光码分多址；软定义光网络；数字相干接收机

Abstract： In order to fit the application needs of secure， long-haul optical channel across relay nodes in soft defined optical networks （SDON）， the next-generation optical code division multiple access （OCDMA） system should pursue the goal of high frequency efficiency and dynamic reconfiguration. Recent researching reports are reviewed to reveal the main problems of traditional OCDMA with all optical signal process， which are low frequency efficiency， dispersion and multiple access interference. It is predicted that electronic domain encoding/decoding and digital coherent receiver will be the trends of OCDMA technology. The pivotal problem and solution path are provided for the application of the next-generation OCDMA in SDON network.

Key words： optical code division multiple access； softwave-defined optical networks； digital coherent receiver

作为一种基本的通信复用方式，码分多址（CDMA）技术具有软容量、支持多业务和内在安全性的特点，它同数字信号处理技术相结合在第3代移动通信中得到广泛的应用，3G标准无论是北美的CDMA2000、欧洲的宽带码分多址（WCDMA）还是中国的时分同步码分多址（TD-SCDMA）标准都以CDMA作为主要的多址/复用方式。作为一种抗干扰与抗截获通信手段，CDMA在军事卫星通信和野战地域网中得到应用。光纤通信具有长距离大容量的优势，20世纪90年代以来，凭借波分复用（WDM）和掺铒光纤放大器（EDFA）技术，数百个波长信道的大容量光传送网（OTN）为以互联网为主要业务的信息网络提供底层传送服务。借助数字信号处理与相干接收技术，目前已经能够实现了单波长100 Gb/s和单根光纤100 Tb/s信号的数千公里传输。

光码分多址（OCDMA）系统中总用户数（码字容量）可以远大于实时通信的用户数（通信容量），通信用户可以按需占用信道资源而不受通信容量的限制，这种弹性容量（软容量）的特点使得OCDMA比固定资源分配的波分多址（WDMA）和时分多址（TDMA）方式更适应动态的光层组网需求。

随着2013年9月“棱镜门”事件爆发，越来越多的证据表明原本被认为安全的光缆通信也存在被窃听的安全隐患。其实从2003年起，美国就在美国国防高级研究计划（DARPA）项目的支持下开展了OCDMA抗截获通信的研究，推动了OCDMA全光编解码器技术的发展，后又发展为可以把保密信道隐藏在公共信道中的光隐藏通信技术。这是因为OCDMA编解码技术可以将数字信号转换为高速、宽频谱、类噪声信号，从而成为一种物理光层抗截获通信方式。

软件定义网络（SDN）是面向未来的新一代网络创新架构，通过将网络设备控制面与数据面分离，从而实现网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供良好的平台。SDN的引入扩大了光网络智能管控的功能和范畴，并带来了丰富的应用层，成为目前的发展趋势。

虚拟化的增值业务应用是基于软定义光网络（SDON）的一种重要应用，目前包括多租户的光虚拟专网（OVPN）、动态带宽按需分配（BOD）、差异化服务等级（SLA）等。随着网络安全事件的频繁曝光，用户对光网络通道安全抗截获性能的日益重视，端到端长距离跨节点的安全光通道服务必将成为SDON网络的一种新型应用。

1 全球研究现状分析

1.1 全光编解码技术的OCDMA研究

现状

随着光纤布拉格光栅（FBG）、平面光波电路（PLC）和空间液晶调制器（SLCM）等全光信号处理技术的发展，基于全光信号处理技术的OCDMA研究迅速发展，能够实现吉比特多用户传输的有二维编码、时域相位编码和频谱相位编码等3种全光编码方案：

实现较多用户数通信的实验记录是加拿大Laval大学在OFC2001会议上报道的[1]，实现了16个速率为1.25 Gb/s的用户传输80 km的系统，它采用了30个间隔50 GHz的波长通道，光纤光栅阵列（FBGA）中子光栅长度14 mm、子光栅间隔1 mm，编解码器总长119 mm，对应于150 ps的编码周期，限制了系统用户速率的进一步提高。

时域相位编解码是一种重要的编码方案，可以采用超结构光纤光栅（SSFBG）和PLC技术实现。研究SSFBG实现超长码片数时域相位编解码的主要有英国和日本。英国南安普顿大学首先发表了采用SSFBG、码长为255的实验报道[2]。日本的国家信息通信技术研究所（NICT）、大阪（Osaka）大学和OKI公司创造了码长为511，码片速率640 Gchip/s的编解码器世界纪录[3]。2004年，意大利Rome Tre大学提出波导光栅路由器（AWG）可以用于设计产生高相关性能的正交光码[4]。

除了上述两种方案之外，频谱相位编解码也是代表OCDMA技术最新进展的重要技术方案。美国在频域相位编码技术方面处于领先地位，南加州大学最早于1985年提出利用对超短脉冲的频谱进行相位编码[5]，采用体光栅、透镜系统和掩模板构成4倍焦距（4-f）空间光学系统实现光谱相位编码。

加州大学Davis分校在DARPA O-CDMA微系统项目的支持下进行一系列的频谱相位编码研究工作。UCDavis同时采用液晶-空间光相位调制器（LC-SLPM）这两种不同的器件分别进行频谱相位编解码实验。在OFC上报道了采用LC-SLPM实现32个10 Gb/s用户速率的传输实验[6]。

上述基于SSFBG、SLM、AWG等全光编解码器的实验系统研究报道中，编码方式虽然从非相干的幅度编码发展为相位/相干编码方式，但是存在如下问题：

（1）采用4～20 nm的宽谱光源，无法与基于密集波分复用（DWDM）波长颗粒的软件定义光传送网络（SDON）相兼容。

（2）均使用直接检测方式的接收机，多址干扰和差拍噪声严重影响多用户性能，必须采用光阈值、时间门等复杂全光处理手段。

（3）由于占有频谱较宽，需要针对不同链路长度配置特定的色散补偿模块。

1.2 采用电域编解码和相干接收技术

的OCDMA研究进展

采用数字相干接收技术是OCDMA走向软件定义光网络的关键。针对全光信号处理OCDMA编解码系统存在频谱利用率低、多址干扰严重的问题，国际上已有研究机构开展电域编解码和采用数字相干接收的OCDMA技术研究。

日本NTT接入网业务系统实验室（ANSSL）针对下一代宽带接入网技术与标准，研究非全光信号处理方式的OCDMA系统方案。在2008年ECOC会议上[7]，他们提出相位匹配编码的光码分复用（OCDM）与传输，接收机采用多频自零差检测方案，研制了平面光波电路-铌酸锂（PLC-LN）模块用以实现OCDM编码和数据调制，并进行了如图1所示的验证性实验，用户数据速率可以达到1.5 Gb/s。

2008年为了减缓差拍噪声，他们理论研究了采用外差检测接收频谱幅度编码OCDMA系统性能，并且通过实验验证了相干接收对差拍噪声的抵消作用[8]。在2009年OFC会议上，他们又提出采用高速数字电路和激光器/调制器阵列的OCDM编码方案，该方案属于频谱多级幅移键控（M-ASK）编码方案，进行了3个用户接收功率1.5 Gb/s速率的码分复用传输验证实验，-17 dBm时误码率达到10-9（Q值15.6 dB），表明有效抑制了多址干扰（MAI）和差拍噪声[9]。实验方案如图2所示。在OFC2009工作基础上，NTT在ECOC2010会议上提出了采用多电平幅移键控与二进制相移键控相级联的M-ASKxBPSK调制方式，保留了自零拍接收方式，实验验证了如图3所示3用户1.5 Gb/s OCDM系统传输[10]。

2007年，约翰霍普金斯大学提出采用相位偏振分集（PPD）的方法[11]，理论仿真验证了这种方法在比特同步条件下可以使得MAI最小化，该方案的频谱效率高达1 bps/Hz。2012年，他们提出采用2组光谱线外差接收的编码方法[12]，一组编码光频梳同另一组参考光频梳同时传输，它们的频率间隔正好是比特速率。通过相干接收处理可以抵消差拍噪声与多址干扰，无需锁相环（PLL）和光阈值器件；还指出运用傅立叶综合技术可以有效色散管理。2013年，该课题组报道了如图4所示的实验系统[13]，验证了4用户4.5 Gb/s速率的系统，误码率为10-7时，信号与MAI的最佳对比度达到648。

清华大学2006年研制出基于等效相移（EPS）方法的SSFBG时域相位编解码器[14]；华中科技大学基于7码片SSFBG相位编解码器进行了40 Gb/s的传输试验[15]；解放军理工大学提出了灵活控制编码带宽的子采样技术[16-17]，并基于低成本增益开关光源，实现了2.5 GHz双用户100 km无误码传输[18]。在中国国家“863”项目支持下，解放军理工大学和南京大学进行了10 Gb/s速率多用户的OCDMA系统的相关实验[19]，对高频谱利用率的时频域编解码器进行了一系列的实验探索[20-21]。

2 软定义光网络下OCDMA

技术发展趋势预测

由上述研究现状分析可知，基于全光信号处理的OCDMA系统研究已进入技术“瓶颈”，存在多址干扰与噪声严重、需要精确色散补偿、频谱利用率低的问题。采用数字相干光接收技术的光码分多址技术研究才刚刚起步，相对于全光信号处理方式尚未实现速率和用户数的提升，只有国际上个别的研究机构进行此类实验研究。

OCDMA与相干光接收和数字信号处理技术相结合是未来发展趋势，基于传统DWDM、OFDM等固定资源分配的全光接入技术已经达到很高的频谱利用率（1～8 bps/Hz），可以和灵活颗粒（Flexible grid）的WDM骨干网无缝衔接。

作为具有内在软容量和动态接入能力的OCDMA技术目前在容量、频谱利用率和变址灵活性方面与WDMA技术还有很多差距，必须借助数字相干接收技术提升能力，才能为下一代软定义光网提供新型安全抗截获、多址接入的解决方案。

因此要想成为下一代软定光网络的重要应用技术，光码分多址就必须向数字相干OCDMA系统的方向逐渐发展。

3 软定义光网络中OCDMA

系统所面临的关键问题

OCDMA技术要迈向下一代软定义光网络必须解决跨WDM传送网应用的频谱兼容、长距离传输动态可调谐色散补偿和多址干扰对系统误码率性能的影响3个方面的问题。

3.1 跨WDM传送网应用的频谱兼容

问题

典型例子就是OCDMA抗截获通信系统的跨中继段应用问题。跨中继段应用是OCDMA防窃听通信系统能否在软定义光网络中端到端配置的关键，是面向国防信息安全的高速率（大于等于2.5 Gb/s）、长距离（大约1 000 km）光纤通信的关键。可以通过奈奎斯特间隔子载波时频域数字编解码方式，在30 GHz带宽内实现高性能OCDMA编解码。

3.2 长距离传输动态可调谐色散补偿

问题

OCDMA通信系统由于占有相对较宽的光谱，因此具有较小的接收机色散容限，具有动态可调谐色散补偿能力的OCDMA数字接收机，是适应不同传输距离、不同色散管理链路应用的关键。本课题拟借助数字域实时信号处理的强大能力，从信道的精确噪声模型出发，探索适合OCDMA系统的最大似然序列估计（MLSE）均衡算法，最终解决OCDMA通信系统的色散补偿问题，并为复杂噪声干扰光纤通信系统中的信道均衡这一类问题提供可借鉴的方法。

3.3 多址干扰对系统误码率性能的

影响问题

光纤通信中的时钟数据恢复（CDR）方法无法适应OCDMA信号接收，光阈值和时间门等光学非线性信号处理的方法不具备设备应用的条件，因此具有抑制干扰能力的接收机是OCDMA系统能否走向应用的关键。必须通过15～40 GHz带宽的商业成熟的光电检测器+模数转换器（PD+ADC）无损采样，然后借助实时数字信号处理工具与方法，在数字域实现干扰抵消和数据恢复。

4 解决关键问题的技术路线

要解决OCDMA应用于SDON网络所面临的频谱效率、色散补偿和多址干扰问题，必须将业已成熟的数字通信理论用于OCDMA传输系统，借鉴其中的载波相位恢复、时钟恢复、信道估计与均衡等算法，所用的理论研究方法还包括OCDMA码字构造与正交性、光纤光栅编解码、OCDMA噪声干扰理论。如图5所示。

如图5所示，OCDMA技术向SDON网络应用发展必须开展如下3方面的研究：

（1）针对于WDM传送网频谱兼容问题，从OCDMA码字构造出发，借鉴接入网中奈奎斯特超密复用方案，探索具有高频谱效率的动态可重构电域编码方案。

（2）针对OCDM信号长距离跨中继传输的动态色散补偿要求问题，基于数字通信理论中MLSE信道均衡算法，采用OCDMA精确信道模型，为MLSE均衡算法中的信道估计提供精确模型。

（3）针对OCDM系统中严重的多址干扰问题，从码字正交性能入手，针对OCDMA信道模型，探索数字域干扰抵消方法，为时钟提取和阈值判决提供算法支持。

5 结束语

本文认为OCDMA编解码技术的研究现状可分为全光编解码现状和电编码相结合的研究2类，其中全光编解码研究报道较为深入全面，但是存在频谱效率低、色散补偿困难和多址干扰严重等问题。本文提出了应用于SDON网络软件定义光编解码技术应当采用电域编解码和数字相干接收机技术，必须能够解决与OTN频谱兼容问题、长距离跨中继传输的可调谐色散补偿问题和自身多址干扰问题。

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