JP2006014226A - 光通信システムにおける受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】親局と複数の子局との間を、光分岐器を介して光ファイバで接続した光通信システムにおいて、子局からの光受信強度が予測できるときは、予めそれに応じた受光感度を設定し、子局からの光受信強度が予測できないときは、受光感度を複数段階に設定して受信を行う。
【解決手段】特定の子局と通信するときは、LLIDテーブルに書き込まれた当該子局からの光信号の強度データに応じて受光素子の受光感度を設定する（Ｔ４〜Ｔ８）。不特定の子局と通信するときは、各子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記受光素子の受光感度を低いレベルに設定しておく（Ｔ１）ので、上り光信号の強い子局（例えば近くの子局）からの上り光信号は正常に受信できる。感度不足で正常に受信できなかった上り光信号があったときには、誤りチェックや光レベル検出等でそれが分かるので、前記受光素子の受光感度を低いレベルに変更して、その子局からの次の光送信を待つ（Ｔ９〜Ｔ１１）。
【選択図】 図７

Description

本発明は、親局と複数の子局との間を、受動型光分岐器を介して光ファイバで接続した光通信システムに関するものである。

親局と複数の子局との間を、光データ通信ネットワークを使って双方向通信するシステムにおいて、親局と各子局との間を、それぞれ１本の光ファイバで放射状に結ぶネットワーク構成が実用化されている(Single Star)。このネットワーク構成では、システム、機器構成は簡単になるが、１つの子局が１本の光ファイバを占有するので（子局数Ｎあれば、通しの光ファイバがＮ本必要）、システムの低価格化を図るのが困難である。

そこで、１本の光ファイバを、複数の子局で共有するＰＯＮ(Passive Optical Network)システム（ＰＤＳ(Passive Double Star)ともいう）が提案されている。このＰＯＮシステムは、親局と受動型光分岐器との間を光ファイバで接続し、さらに光分岐器と複数の子局との間をそれぞれ複数の光ファイバで接続したものである。また、光分岐器と複数の子局との間に、さらに他の光分岐器を挿入する構成も採用されている。

ＰＯＮシステムでは、親局から特定の子局に送信される下り光信号は、全子局に配信されるが、送り先アドレスの子局のみが光信号を取り込む。また、マルチキャスト又はブロードキャストといって、送り先アドレスを特定せずに、不特定の子局に下り光信号を送信することも行われる。
またＰＯＮシステムでは、親局に近い場所に設置された子局あるいは分岐の少ない子局からの光信号と、親局から遠い場所に設置された子局あるいは複数の分岐を経た子局からの光信号とでは、親局における光受信強度が大きく異なる。これは、光が光ファイバを伝搬するときに減衰を受けるとともに、光分岐器を通過するごとに、さらに大きな減衰を受けるからである。
特開平11-355218号公報

親局の光受信器においては、受光感度をいつも最大にしておくと、弱い光信号では高感度で受信できるが、強い光信号が入力されると容易に飽和してしまい、正確な光信号受信ができなくなる。
そこでこの受光感度を、弱い入力光信号に対しては大きく、強い入力光信号に対しては小さく可変することが行われている。

前記受光感度の可変方法では、各子局からの光信号の強度を測定して、受光素子のバイアス電圧をフィードバック制御することも考えられるが（前記特許文献１）、各子局からの光信号の立ち上がり時間が非常に短いことに加えて（１ナノ秒程度）、フィードバックループが時定数を持っているため、受信光信号の立ち上がりに十分に追従できないという問題がある。

そこで、本発明は、親局と複数の子局との間を、光分岐器を介して光ファイバで接続した光通信システムにおいて、子局からの光受信強度が予測できるときは、予めそれに応じた受光感度が設定でき、子局からの光受信強度が予測できないときは、受光感度を複数段階に設定することができる光通信システムにおける受信装置を提供することを目的とする。

本発明の光通信システムにおける受信装置は、子局からの上り光信号を受信する受光素子と、前記受光素子の受光感度を設定する感度制御部と、子局の識別番号及び子局からの光信号の受光強度を記憶する記憶部と、特定の子局と通信するときは、その特定の子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記記憶部に書き込まれた当該子局からの光信号の強度データに応じて前記受光素子の受光感度を設定し、不特定の子局と通信するときは、各子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記受光素子の受光感度を低いレベルに設定しておき、いずれかの子局からの上り光信号が受信できなかったときには、前記受光素子の受光感度を高いレベルに変更する受信制御部とを備えるものである。

前記の構成によれば、特定の子局と通信するときは、その特定の子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記記憶部に書き込まれた当該子局からの光信号の強度データに応じて前記受光素子の受光感度を設定するので、常に最適な感度で上り光信号を受信することができる。不特定の子局と通信するときは、各子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記受光素子の受光感度を低いレベルに設定しておくので、上り光信号の強い子局（例えば近くの子局）からの上り光信号は正常に受信できる。始めから前記受光素子の受光感度を高いレベルに設定しておくと、強い光信号が入力すると受光素子が損傷するので、これを防止できる。そして、感度不足で正常に受信できなかった上り光信号があったときには、誤りチェックや光レベル検出等でそれが分かるので、前記受光素子の受光感度を低いレベルに変更して、その子局からの次の光送信を待つ。これにより、子局からの光受信強度が予測できないときであっても、親局の受光感度を常に最適な値に設定でき、すべての子局からの上り光信号を受信できる。

また、本発明の光通信システムにおける受信装置は、子局からの上り光信号を受信する受光素子と、前記受光素子の受光感度を設定する感度制御部と、子局からの上り光信号の強度を検出する光レベル検出部と、子局の識別番号及び子局からの光信号の受光強度を記憶する記憶部と、未知の子局と通信するときは、子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記受光素子の受光感度を低いレベルに設定して子局からの上り信号を受信して、その光信号の受光強度を子局ごとに記憶部に記憶し、いずれかの子局からの上り光信号が受信できなかったときには、前記受光素子の受光感度を高いレベルに変更する受信制御部とを備えるものである。

この受信装置は、未知の子局と通信するときに、子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記受光素子の受光感度を低いレベルに設定して子局からの上り信号を受信して、その光信号の受光強度を当該子局ごとに記憶部に記憶する。感度不足で正常に受信できなかった上り光信号があったときには、誤りチェックや光レベル検出等でそれが分かるので、前記受光素子の受光感度を低いレベルに変更して、その子局からの次の送信を待つ。これにより、すべての子局からの上り光信号を受信することができ、各子局からの光信号の受光強度を記憶部に記憶することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、ＰＯＮシステムを示すブロック図である。局舎内のＰＯＮシステム構成部分を親局又は局側装置といい、加入者宅内のＰＯＮシステム構成部分を子局又は加入者側装置という。ＰＯＮシステムは、親局１、複数の子局５、及び光分岐器３ａ，３ｂを備え、親局１と光分岐器３ａとの間を光ファイバ２で接続し、光分岐器３ａと光分岐器３ｂとの間、光分岐器３ａと子局５との間、及び光分岐器３ｂと子局５との間をそれぞれ光ファイバ４で接続している。光ファイバはシングルモードファイバを用いている。光分岐器３ａ，３ｂは、それぞれスターカップラーで構成される。

親局１から子局５への下り光信号及び子局５から親局１への上り光信号は、それぞれパケットで構成される。
親局１は、上位のネットワーク（インターネットなど）から送られてくるパケットを受けて、光ファイバを通して子局５に送り出し、子局５から送られてきたパケットを受信し、上位のネットワークに送り出す機能を持っている。

親局１は、光ファイバ２との接続端となる光伝送路終端装置ＯＬＴ(Optical Line Terminals)、レイヤ２スイッチ等を備えている。
子局５は、宅内に設置されるパーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータのブロードバンド光信号を光ネットワークに送受する光加入者線終端装置ＯＮＵ(Optical Network Unit)等を備えている。

前記ＰＯＮシステムの動作を簡単に説明すると、上位のネットワークから親局１に入ってくる下りパケットは、親局１においてレイヤ２スイッチで所定の処理が行われる。そして、光伝送路終端装置ＯＬＴを通して光ファイバに送信される。光ファイバに送信された光信号は、光分岐器３ａ，３ｂで分岐され、光分岐器３ａ，３ｂにつながる子局５に送信されるが、送信先アドレスの合致した子局５がその光信号を取り込み、パケットを復号解読する。

一方、子局５から送信される上りパケットは、光分岐器３ａ，３ｂを経由して親局１に送信される。親局１では、レイヤ２スイッチで所定の処理が行われた後、上位のネットワークに送信される。
ＰＯＮシステム立ち上げ時などには、どのような子局がＰＯＮシステムにつながっているか不明であるため、親局１は、ディスカバリ動作を行う。

親局１は、親局１から全ての子局５にブロードキャストをする。各子局５からランダムなタイミングでパケットが帰ってくることになる。この場合は、正常に受けたパケットがあれば、そのパケットを送信した子局の受信光レベルやその子局の識別番号（ＩＤ）を記憶する。このようにしてＰＯＮシステムにつながっている子局を特定する。
子局の特定後は、各子局と１対１で通信を行う。これをブロードキャストに対して「ユニキャスト」という。

ユニキャスト時、子局５から送信される上りパケットは、互いに時間的に競合しないようにする必要がある。そのために、親局１から子局５にパケットを送信するときに、各子局５に対して上り光信号時間スロット（以下単に「スロット」という）を割り当てる。スロットを割り当てられた子局５は、その割り当てられたスロットに上りパケットを送出する。したがって、子局５間の上りパケットの競合は回避される。なお、親局１と子局５との間で時計を共有している必要があるが、この時計の時刻合わせは、パケットの通信を行うときに、時刻情報をパケットの中に含ませることによって行うことができる。

ブロードキャスト時であってもユニキャスト時であっても、親局１は、各子局５からそれぞれ上りパケットを受けることになるが、その光信号強度は、子局５によって異なる。例えば、光ファイバの経路の長さが子局５ごとに違うし、光分岐器３ｂを通るか通らないかでも異なる。
図２は、各子局５からの上りパケットの強度の違いを説明するための受信波形図であり、横軸に時間、縦軸に受信強度をとっている。異なる子局５から受け取るパケット１〜４で、受信強度が様々に異なっている。

図３は、親局１における光伝送路終端装置ＯＬＴの構成を示すブロック図である。光伝送路終端装置ＯＬＴには、光ファイバを通して各子局から受信する光信号を波長分離して取り出すＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing；波長分割多重方式)フィルタが設けられている。ＷＤＭフィルタを通して受信された上り光信号は、光増倍作用を持つアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Avalanche Photo Diode）により検出され、ＡＰＤの受光信号は、電流信号を電圧信号に変換するためのトランスインピーダンスアンプ１１を通して、ポストアンプ１６に入力されている。また、ＡＰＤの受光信号の強度を監視するための光レベル検出部１７が設けられている。

さらに、ＡＰＤにバイアス電圧を与える電圧可変型のバイアス電源１２が設けられている。電圧可変型のバイアス電源１２は、原理的には、電圧可変型のＤＣ−ＡＣコンバータのフィードバック電圧を可変にした回路を採用することができる。具体的には、ＡＰＤ用に開発された電圧可変型のＤＣ−ＤＣコンバータ電源回路（例えばLinear Technology LT1930/LT1930A）を採用することができる。

さらに、ＡＰＤのバイアス電圧を制御するための光受信制御回路１３が設けられている。光受信制御回路１３は、各子局５からの受信強度を記憶する受信強度記憶部（「LLIDテーブル１４」という）１４と、記憶された受信強度に基づいて最適なバイアス電圧を決定する受信制御部１５とを備えている。
なお、前記受信制御部１５の以下に説明する機能は、光伝送路終端装置ＯＬＴに設けられたコンピュータが所定のプログラムを用いて実行するものである。

受信制御部１５は、各子局５から受ける光の強度を測定し、その強度情報を受信強度記憶部１４に記憶する。測定時点は、子局からの上り信号を受信した際に毎回行ってもよく、前回の測定から一定時間経過するごとに測定を行ってもよい。一日一回ないし数回決められた時刻に測定してもよい。測定方法は、ＡＰＤに流れる電流を測定してもよく、ポストアンプにおいて受光強度レベルを判定してもよい。

また、受信制御部１５は、子局５に対して割り当てたスロットのタイムスケジュールを管理している。このタイムスケジュールに基づいて、どの時刻にどの子局５から上りパケットが受信されるかが予め分かっている。
図４は、ＡＰＤの増倍率Ｍと逆バイアス電圧との関係を示すグラフである。受信制御部１５は、小さな受信強度に対しては大きな増倍率Ｍを設定し、強い入力光信号に対しては小さな増倍率Ｍを設定する。そのために、光受信制御回路１３は、このグラフに基づいて、受信強度とＡＰＤの最適バイアス電圧との関係を規定したLLIDテーブル１４に持っている。光受信制御回路１３は、このLLIDテーブル１４を用いてＡＰＤのバイアス電圧を調整する。

以下、親局のディスカバリ動作時における受信制御部１５の動作をフローチャート（図５）を用いて説明する。
まず、光受信制御回路１３は、バイアス電源１２への制御信号ＣＮＴを０に設定する（ステップＳ１）。ＣＮＴ＝０は、ＡＰＤの逆バイアス電圧を低い値に設定してＡＰＤの感度を低く設定するための制御状態をいう。

受信制御部１５は、このＣＮＴ＝０の状態でブロードキャスト送信を行う（ステップＳ２）。
各子局は、親局からのブロードキャスト光信号を受けて、上り光信号を送信して返信を行う。この上り光信号を送信する時間は、子局ごとにまちまちであることが衝突防止のためには好ましいので、子局ごとに異なった時間を割り当てるのがよい。例えば、各子局が乱数発生器でランダムに作った時間としてもよい。

親局は、子局からの上り光信号を受信すると（ステップＳ３）、正常な信号を受けたかどうかのチェックを行う（ステップＳ４）。正常に信号を受ければ、その子局からの受信光レベルや識別番号（ＩＤ）を記憶し、LLIDテーブル１４に書き込む（ステップＳ５）。そして、当該子局に対して、識別した旨の返信を行い（ステップＳ６）、ＣＮＴ＝０に設定する（ステップＳ７）。

図６に、LLIDテーブル１４の構造の一例を示す。LLIDテーブル１４の上欄は、子局の識別番号を記入する欄である。中欄は、子局からの受信光レベルを記入する。下欄には制御信号ＣＮＴの内容を記入する。ＣＮＴ＝０は、ＡＰＤの逆バイアス電圧を低い値に設定してＡＰＤの感度を低く設定するための制御状態であり、ＣＮＴ＝１は、ＡＰＤの逆バイアス電圧を高い値に設定してＡＰＤの感度を高く設定するための制御状態である。

前記ステップＳ５，Ｓ６の処理を行った後、まだ受信できていない子局が存在することが推定される。それは、前述したように、光ファイバの経路の長さが子局５ごとに違うし、光分岐器３ｂを通るか通らないかでも違うので、子局からの上り光信号強度が微弱な場合があるからである。また、信号同士の衝突もある。そこで、これらの未知の子局に対してはエラー発生とみなし（ステップＳ４のNO）、制御信号ＣＮＴを１に設定して（ステップＳ８）、ある所定の時間にわたって、次の受信を待つ。

一方、子局にとっては、親局で正常な信号が受信されなかったときは、当該子局には返信（ステップＳ６）が行われないため、当該子局は、親局で正常に識別してもらえなかったことを知る。この場合、当該子局は、ある時間待って上り光信号を再送信する。この「時間」は、子局ごとに異なる所定時間でもよく、乱数発生器でランダムに作られた時間でもよい。ただし上限時間を越えないようにする。前記「上限時間」とは、前記ステップＳ８で、親局が当該子局からの受信を待つ所定の時間とする。

このように受信制御部１５は、ブロードキャスト後、ＡＰＤの感度を低く設定した状態では正常な信号が受信できなかった子局からの上り光信号を、制御信号ＣＮＴを１に設定することにより、ＡＰＤの感度を高く設定した状態で再度受信することができる。
次にディスカバリ動作終了後の、通常の通信時における光受信制御回路１３の動作をフローチャート（図７）を用いて説明する。

まず、光受信制御回路１３は、バイアス電源１２への制御信号ＣＮＴを０に設定して、ＡＰＤの逆バイアス電圧を低い値に設定してＡＰＤの感度を低く設定する（ステップＴ１）。
そして、上位レイヤー回路から取得した送信フレームの送信モードを確認し（ステップＴ２）、所定の子局に向けて送信を開始する（ステップＴ３）。

図８に、送信フレームの一例を示す。送信フレームのヘッダには、送信モード（ブロードキャスト又はユニキャスト）、送信先である子局識別番号ＩＤと、送信すべきデータへのアドレスが記載されている。
送信モードがユニキャストの場合（ステップＴ４のYES）、送信先の子局の識別番号に基づいて、当該子局に登録された上り受信光レベルを、LLIDテーブル１４を参照して確認する（ステップＴ５）。

LLIDテーブル１４に登録された当該子局の上り受信光レベルが「強」である場合（ステップＴ６）、ＡＰＤの感度は低い状態のままで、当該子局からの上り光信号を受信し、受信後、その受信した光レベルを確認してLLIDテーブル１４に上書きする（ステップＴ７）。
LLIDテーブル１４に登録された当該子局の上り受信光レベルが「弱」である場合は、ＡＰＤの感度を上げるために、ＣＮＴ＝１に設定して（ステップＴ８）、当該子局からの上り光信号を受信する。そして受信後、その受信した光レベルを確認して、LLIDテーブル１４に上書きする（ステップＴ７）。

ステップＴ４において、送信モードがブロードキャストである場合、図５と同様、全子局に対してブロードキャスト送信を行う。各子局は、親局からのブロードキャスト光信号を受けて、上り光信号を送信して返信を行い、親局は、子局からの上り光信号を受信する（ステップＴ９）。親局は、子局からの上り光信号を受信後、受信確認のため、その子局に確認信号を送信する。

ステップＴ９において、子局からの上り光信号が微弱であるなどの理由で、受信できない子局が存在することがある。そこで、これらの子局に対してはエラーと判断し（ステップＴ１０のYES）、制御信号ＣＮＴを１に、すなわちＡＰＤの逆バイアス電圧を高い値に設定してＡＰＤの感度を高く設定する（ステップＴ１１）。
当該子局は、前記親局からのブロードキャスト光信号を受けて、上り光信号を送信して返信を行っても、親局から確認信号を受信できないので、再度上り光信号を送信する。このとき、親局では、ＡＰＤの感度を高く設定しているので（ステップＴ１１）、当該子局からの上り光信号を正常に受信できる。親局は、当該子局からの上り光信号を受信し、その受信した光レベルを確認して、LLIDテーブル１４に上書きする（ステップＴ７）。

以上のように、光受信制御回路１３は、ユニキャスト時は、LLIDテーブル１４に書き込まれた受信光レベルを参照して、受信光レベルが低ければＡＰＤの感度を高く設定するので、当該子局からの上り光信号を正常に受信できる。
ブロードキャスト時は、ブロードキャスト後、ＡＰＤの感度を低く設定した状態では、正常な信号が受信できなかった子局からの上り光信号を、ＡＰＤの感度を高く設定した状態で再度受信することができる。

こうして、いずれの場合も、光通信システムに接続されている子局と、漏れなく通信を行うことができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

ＰＯＮシステムの全体を示すブロック図である。 各子局５からの上り光信号の強度の違いを説明するための受信波形図である。 親局１における光伝送路終端装置ＯＬＴの構成を示すブロック図である。 ＡＰＤの増倍率Ｍと逆バイアス電圧との関係を示すグラフである。 親局のディスカバリ動作時における光受信制御回路１３の動作をフローチャートである。 LLIDテーブル１４の構造図である。 ディスカバリ動作終了後の、通常の受信時における光受信制御回路１３の動作をフローチャートである。 送信フレームの構造図である。

符号の説明

１ 親局
２ 光ファイバ
３ａ，３ｂ 光分岐器
４ 光ファイバ
５ 子局
１１ トランスインピーダンスアンプ
１２ バイアス電源
１３ 光受信制御回路
１４ LLIDテーブル
１５ 受信制御部
１６ ポストアンプ
１７ 光レベル検出部
ＡＰＤ アバランシェフォトダイオード
ＯＬＴ 親局の光伝送路終端装置
ＯＮＵ 子局の光加入者線終端装置
ＬＤ レーザダイオード
ＬＤＤ レーザダイオード駆動回路
ＷＤＭ 波長分離フィルタ

Claims (2)

1. 親局と複数の子局との間を光分岐器を介して光ファイバで接続した光通信システムにおける前記親局に設けられた受信装置であって、
   子局からの上り光信号を受信する受光素子と、
   前記受光素子の受光感度を設定する感度制御部と、
   子局の識別番号及び子局からの光信号の受光強度を記憶する記憶部と、
   特定の子局と通信するときは、その特定の子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記記憶部に書き込まれた当該子局からの光信号の強度データに応じて前記受光素子の受光感度を設定し、不特定の子局と通信するときは、各子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記受光素子の受光感度を低いレベルに設定しておき、いずれかの子局からの上り光信号が受信できなかったときには、前記受光素子の受光感度を高いレベルに変更して、当該子局からの光信号の再送信を待つ受信制御部とを備えることを特徴とする光通信システムにおける受信装置。
2. 親局と複数の子局との間を光分岐器を介して光ファイバで接続した光通信システムにおける前記親局に設けられた受信装置であって、
   子局からの上り光信号を受信する受光素子と、
   前記受光素子の受光感度を設定する感度制御部と、
   子局からの上り光信号の強度を検出する光レベル検出部と、
   子局の識別番号及び子局からの光信号の受光強度を記憶する記憶部と、
   未知の子局と通信するときは、子局からの上り光信号を受信する前の時点において、前記受光素子の受光感度を低いレベルに設定して子局からの上り信号を受信して、その光信号の受光強度を子局ごとに記憶部に記憶し、いずれかの子局からの上り光信号が受信できなかったときには、前記受光素子の受光感度を高いレベルに変更して、当該子局からの光信号の再送信を待つ受信制御部とを備えることを特徴とする光通信システムにおける受信装置。

Images