基于二维双重载波跳频码的 OCDMA 系统设计及其保密性研究

1. 基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统设计及其保密性研究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

2. 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

3. 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

4. 光码分多址（OCDMA）研究概述 • 典型的OCDMA模型描述如下： • 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。

5. 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：

6. 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

7. 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

8. 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）

9. 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。

10. 硬限幅器对于系统性能的提升 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

11. 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

12. 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：

13. 基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案 • 保密性方案的提出 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）

14. 基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案 • 保密性系统示意图

15. 基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案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。

16. 基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案 误码率随变化图 选定起始点后系统选取高低重码变化情况示意图

17. 基于二维双重载波跳频码的OCDMA系统保密性方案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

18. 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

19. 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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26. 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

27. 读研期间参与的科研项目和发表的论文 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

28. 请各位老师批评指导！