基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统设计

及其保密性研究学 号： 2010112830答 辩 人：张 迪 指导老师：刘玉华 教授

目录

光码分多址（ OCDMA ）研究概述 基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统 硬限幅器对于系统性能的提升 基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统保密

性方案 结论与展望

光码分多址（ OCDMA ）研究概述

上世纪七八十年代被提出并在实验室中应用

随着序列编码器及光纤阈值设备制造技术的成熟，逐渐成为研究的热点

进入二十一世纪之后，光码分多址技术由一维码向多维码拓展，并着重解决其现实应用问题

光码分多址（ OCDMA ）研究概述

终端的 OLT 和位于用户端的 ONU 通过一个星型耦合器相连组成基本框架，其中发送方和接收方位于 ONU 中；

光编码在发送端实现，经过编码后的用户信息星形耦合器相互叠加形成联合的信号矢量，并在光纤中进行传输；

接收端通过解码器进行解码，经由特定的门限判决等技术恢复出原始源信号，并将之传送给接收器实现原始发送数据的恢复。

典型的 OCDMA 模型描述如下：

光码分多址（ OCDMA ）研究概述

基本 OCDMA 技术的无源光纤网络系统示意图如下：

发送端1

发送端2

发送端N

编码器1

编码器2

编码器N

光线路终端 光网络单元

解码器1 接收端1

解码器2 接收端2

解码器N 接收端3

光码分多址星型结构

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

光码分多址（ OCDMA ）研究概述 OCDMA 系统保密性研究概述

(1) 根据香农理论观点，数据的安全性可分为理论安全性和实际安全性两种，实际安全又可分为计算安全和可证明安全

(2) 光码分多址技术是相对安全的，仅仅是在现有条件下满足计算安全而已

(3) 光码分多址技术安全性受到其选用的码型和码字容量的影响，攻击者主要采用码字探测技术

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统 二维双重载波跳频码 即为结合了多

长载波跳频码和二维多重光正交码下的一种编码方案。

采用二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统性能表现公式（错误率）：假定系统为理想系统，网络中存在

个用户，其中 代表采用码重为 的用户所采用的码字，对于 来说，其可能受到来自于 个用户对之造成的干扰，这样该用户因为多用户干扰造成的错误率可以表示为：

（ 1）

其中 为码重为 的码字造成的干扰数目且

1 2, , , ,a cm n

',1hq

0 1 ... ...i PM M M M M iMi iM

0 1 1 1... ... 1i i PM M M M M M

0 1

0 0 0 0

|

= ... ... |M | Mpi

j p

e

MM M

i i i

P P

P i P i

C总用户数

干扰数 用户数 错误率 干扰数， 用户数

ii i 0 1 ... ... , 0i pi i i i i i

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统

因为从 个用户中取出 个干扰总共有 种方法，其中每一个干扰造成一个重叠的可能性为 ，这样就 有：

（ 2）

由于错误只可能发生在 0 处，也即多用户干扰造成接收端接收到的数据位比特超过了门限值 ，因此有：

（ 3）

iM iii

i

M

i

iq

1

0

M 1|M = 1 1

j j k ki k

pM i M ij ki i

j j k kj k k

k j

MP i q q q q

i i

个干扰数 用户数

1, 0

0

xx

其他

1|i M =

2P i 错误率 个干扰， 个用户

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统

将式（ 2）、（ 3）带入（ 1）式，经过推导后可得采用二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统性能表现公式（错误率）：

其中 是传送码数量， 则代表被撞击的概率。

0

1 1

0

111 1

2j j k kj k

p

ii

pM M i M ij i k ie j j k k

kj ki

k j

M MP q q q q

i i

M q

硬限幅器的作用就是用来降低多用户干扰可能带来的错误率，它可以被看做一个带有光回馈回路的门限器。如果信号大于或等于 1 ，通过硬限幅器之后其被还原为 1 ，如果信号小于 1 ，通过硬限幅器之后的输出为 0 。

一个理想状态下的硬限幅器可以定义为：

硬限幅器的引入

1 1

0 0 1

xf x

x

硬限幅器对于系统性能的提升

采用硬限幅器后的系统模型硬限幅器对于系统性能的提升

采用硬限幅器情况下，错误只会发生在在 0 数据比特由于多用户干扰造成接收端接收到的数据超出了门限值 按照上述推理步骤，同理可得系统的性能表现公式为：

采用硬限幅器后的系统性能表现：

1

11

0 0 0

11 1 1 1 1 1

2

j ij

jj i

M Mi ip pMi Mj jj

e j ii i ij j

i j i j

q qP q q

i

硬限幅器对于系统性能的提升

保密性方案的提出

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA系统保密性方案

选取高低重码网络性能表现相同的点作为起始点，对于接下来的系统接入用户，选取网络性能表现起伏较小的码作为其编码方案，如果整个过程中系统性能对于外界来说可认为没有变化，则此种方案下的系统对于攻击者来说，无法通过现有的码字探测等手段来获取所传输的用户信息。

系统关于高低重码性能表现的判决和选取可以采用 FPGA

编程实现，为了减少系统的传输损耗，本文在光纤信道中使用了掺铒光纤放大器（ EDFA ）

保密性系统示意图

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA系统保密性方案

以 为例按照上述方案，高低重码性能表现相同点为（ 10， ,10），选此点作为起始点，对系统接下来的高低重码选取情况进行模拟模拟。

具体的系统选取高低重码情况和性能表现如下图所示。

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA系统保密性方案

1 2, , , , 11 121, 8,6 ,0,1a cm n

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA系统保密性方案

选定起始点后系统选取高低重码变化情况示意图

误码率随 变化图hM

基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统保密性方案

系统选取高低重码变化情况示意图 误码率随 变化图hM

结论与展望本文从二维光码分多址的编码技术出发：

（ 1 ）提出了一种基于二维多重载波跳频素数码的光码分多址系统，并引入了硬限幅器来进一步降低接收端误码率

（ 2 ）提出了一种在此种编码方案下的系统增强保密性方法，增强了光码分多址系统的安全性

结论与展望

对于本文还有部分问题有待进一步研究：

（ 1 ）基于别的编码方案的条件下，此种选择机制是否仍然具有保密性，也即此种算法是否具有普适性

（ 2 ）除了误码率之外，系统时延和能量消耗如何，时延一定程度上决定了接入速率。系统能量消耗也是方案能否应用于实际的一个很重要环节，在未来的深入探讨中，还需要注意到能耗方面的研究

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读研期间参与的科研项目和发表的论文

参与的科研项目：

1． 地质形变监测、预警与应急处理平台

2． 基于多维多重码的光码分多址系统研究 (台湾“国 科会”： 99-2221-E-005-052-MY3 ，美国 DARP：MDA972-03-1-0006)

3． 基于 DMPLS 的混合 WDM/OCDMA 网络研究

发表的论文：1. Di Zhang, Yuhua Liu, Cui Xu and Yongqiang Qi, One OCDMA PON

System with 2D Multi-Length Two-Weight CHPCs 2nd International Symposium on Computer, Communication, Control and Automation(ISCCCA-13), IEEE, Taiyuan, China, April 6-7, 2013.

2. Kai-hua Xu, Di Zhang, Yu-hua Liu, Ke Xu and Yuan-hao Xi, Design of Deformation Monitoring Terminal System based on STM32 2nd International Symposium on Computer, Communication, Control and Automation(ISCCCA-13), IEEE, Taiyuan, China, April 6-7, 2013.

3. 郗远浩，金鑫，张迪，一种多信道混合方式的无线传感器网络 MAC协议，《物联网技术》， 2013 年第 7期

读研期间参与的科研项目和发表的论文

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