JP2006332920A

JP2006332920A - 省電力光伝送通信システム

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Publication number: JP2006332920A
Application number: JP2005151755A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nishimura; 信治西村; Katsuyoshi Harasawa; 克嘉原澤
Original assignee: Hitachi Hybrid Network Co Ltd
Current assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】等化回路や誤り訂正回路を使用することで消費電力や遅延時間が増大する。
【解決手段】伝送線路の特性を、データ通信開始前の定型パターン信号の受信誤り率と受信信号レベルで測定し、測定結果を送信側にフィードバックすると共に、受信側の信号処理も設定しなおすことで、最適な信号伝送処理を提供する。この際、伝送線路特性の測定には、受信端で測定する受信信号の受信信号の誤り率を参照データに使用する。受信した信号伝送線路のデータに基づいて、所用の受信信号誤り率を実現するには不要（オーバスペック）な等化回路処理および誤り訂正処理用の回路を停止・バイパス処理することにより、消費電力や遅延時間などの低減が可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、光信号伝送を低電力に実現するための光信号伝送方式に関する発明である。
高速・長距離の光伝送を実現するにあたって、光送受信回路に信号波形を制御する等化回路や、ビット誤りを訂正する誤り訂正符号回路などの回路を搭載する動きが進んでいる。本回路は、高速変調時に劣化する傾向にある光信号波形のノイズ成分を除去し、伝送の信頼性を向上し、伝送の長距離化を実現するのに有効な手段である。本発明は、これら光信号伝送に用いられる等化回路および誤り訂正回路等の低電力化制御方式に属する発明である。

10ギガビット毎秒を超える高速光信号を、長距離伝送するには、等化回路や誤り訂正符号などの信号処理方式が、従来から用いられている。
「非特許文献１」においては、マルチモードファイバと呼ばれる、シングルモードファイバと比較して信号伝送特性の劣るファイバを用いて、長距離伝送を実現している。その際、受信回路にディシジョンフィードバックイコライザと言われる方式の等化回路を用い、信号特性を確保している。

「非特許文献２」においては、信号伝送時に発生する受信誤りを、あらかじめ設定した信号の規則性に基づき再生することで、受信誤りを訂正し、信号伝送特性を実効的に向上することを実現している。
「特許文献３」においては、信号伝送の受信端において信号誤り率を測定し、誤り率が劣化した場合に通信自体を中断する構成を用いている。
「特許文献４」においては、信号伝送系に対して、通信中常時、誤り訂正符号リードソロモン符号ＲＳ（２５５，２３９）による誤り訂正処理を実施し、通信誤りの補正が実現されている。
「特許文献５」においては、信号伝送中に発生した符号誤りを受信側回路にて測定し、誤り率に応じて光信号の光学特性を可変の補償量に応じて変化させて波形劣化を補償する方法が実現されている。

特開２００４−１６５８３３号公報

特開２００３−２７３８４１号公報特開２００２−２０８８９２号公報イーサネット（登録商標）技術標準IEEE８０２．３aqTechnologies in the Internet and their Applications,巻E86-D、pp. 2317-2324 IEICE Transaction on Information and Systems,Special Issue on New

従来の発明における課題は、等化回路や誤り訂正回路を使用することで、消費電力や遅延時間が増大する点にある。
まず、消費電力に関しては、等化回路や誤り訂正回路を用いることにより、同回路不使用時の10倍程度の消費電力を必要とする傾向にある。この電力消費の増大は、装置全体の性能を大きく制限する要因となっている。一方、この等化回路などの構成は、その装置が想定する中で最も品質の劣る伝送路でも、要求される信号品質を確保することを前提に設計されている。このため、信号線路が規格上限より特性が良い場合（線路長が短い場合など）、必要以上の性能を有する回路を用いて、必要以上の電力を消費する回路構成になっていると言える。

また等化回路や誤り訂正回路を用いる場合の遅延時間の増大も問題になる。リアルタイム通信やネットワークコンピューティングの動きが進む中で、ネットワークの低遅延化に対する要求は強まっている。これにたいして、等化回路や誤り訂正回路は、信号を蓄積の上で信号波形制御する動作を実現するために、信号伝送の前段と後段の回路における信号処理の遅延が増大する。この遅延時間は、消費電力と同様に想定する範囲内での最も信号伝送特性の劣る環境で、要求される高信頼化を実現する構成となっているため、信号伝送特性がより良い媒体を用いる場合には、冗長な遅延時間が発生することになる。
本発明においては、この等化回路および誤り訂正回路の消費電力および遅延時間を、必要十分な通信品質を維持しつつ、伝送路の特性におうじて節約する手段を実現する。

本発明においては、信号伝送媒体の特性におうじて必要十分な等化処理および誤り訂正処理を提供することで、ネットワークに求められる省電力化と低遅延処理を伝送系に最適な形で提供する。
具体的には、伝送線路の特性を、データ通信開始前の定型パターン信号の受信誤り率と受信信号レベルで測定し、測定結果を送信側にフィードバックすると共に、受信側の信号処理も設定しなおすことで、最適な信号伝送処理を提供する。

この際、伝送線路特性の測定には、受信端で測定する受信信号の受信信号の誤り率を参照データに使用する。これらの参照データは、アナログデジタル変換器などの複雑な受信回路を用いることなく実現可能であり、高速信号伝送回路において実現することが比較的容易である。

光信号伝送回路は、電気信号伝送回路などと比較して、クロストークなどによる波形劣化が生じづらいため、デジタルフーリエ変換などの複雑な工程での波形観測を用いずとも、伝送線路の特性を類推することが可能である。
受信した信号伝送線路のデータに基づいて、不要な等化回路処理および誤り訂正処理用の回路を停止・バイパス処理することにより、消費電力や遅延時間などの低減が可能になる。

信号伝送速度が１０ギガビット付近に高速化する場合、信号伝送に使用するファイバ分散値が非常に大きくなることが一般に言われており、本発明が前提とする最大１０ｋｍの伝送を前提とする場合、非常に波形劣化が大きくなる。一方で、信号伝送距離が数ｍ程度と短い場合は、１０ｋｍの伝送の場合と比較すると劣化の小さい信号が受信側に到達することになる。その結果、伝送媒体である伝送媒体の長さおよび特性の変化によって、受信側の信号品質が大きく変動することになる。一般に、信号品質が劣る環境での伝送は、様々な誤り訂正符号技術や等化回路技術を用いて受信信号の品質を確保する必要がある。この符号や波形整形の使用は、信号伝送時に送受信端で多くの電力と時間を消費する。一方、信号伝送距離が短い場合、これら符号や波形整形技術の使用は必ずしも必要でなく、むしろ電力消費や伝送遅延を節約するために符号処理などを実施する必要はない。つまり、伝送媒体に応じ、複数の選択枝から、信号伝送に用いる方式を自動選択する方が、ユーザからみて適した信号伝送環境を提供できる。本発明は、この伝送媒体の特性に応じた信号伝送方式の自動的選択を実現する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の例では、理解を容易にするために具体的数値を用いて説明するが、これらの数値はあくまでも例示であり、本発明がこれらの数値に限定することを意味するものではない。

本発明においては、データ通信の開始前に伝送線路の品質を観測し、送受信端において該観測結果を用いて通信することにより、通信路の特性の許容する範囲内において、小さい消費電力と小さい遅延時間をもって、所要の通信品質（誤り率）を実現する。

図面１に送信回路と受信回路および伝送媒体として用いる光ファイバからなる本発明の装置構成の一例を示す。本装置は、装置1と装置２の二つから構成され、各々が送信回路と受信回路をひとつずつ持つ、双方向通信器の構成を有する。図２に示す送信器は、パターン生成器、エンコーダ(Encoder)、多重化回路(MUX)および送信バッファ(TX-Driver)とレーザ送信器(Laser Diode)から構成される。一方各受信回路は、フォトダイオード (Photo Diode)、受信バッファ(RX-Driver)および分離回路(DEMUX)、受信側等化回路(DFE)とデコーダ(Decoder)から構成される。

後段回路との入出力インタフェース(XAUI)から入力された、送信信号(１６ビット構成速度622メガビット毎秒)はエンコーダに入力され、符号化処理を経て、信号パターンの整形を受けたのち、１６対１の多重化回路により速度10ギガビット毎秒のシリアル信号に変換の後、送信バッファ回路にてレーザ送信器の要求する信号レベルに変換の後、レーザ送信器にて１０ギガビット毎秒の光信号に変換される。レーザ信号から出力された光信号は、光ファイバにて伝送の後、受信端のフォトダイオードにて光信号から速度１０ギガビット毎秒の電気信号に変換され、１６対１の分離回路にて16ビット幅で速度６２２メガビット毎秒のパラレル信号に変換される。その後、受信側等化回路にて波形ノイズ除去の後、デコーダにて誤り訂正処理を受け、受信側の信号処理回路に渡される。

図３には、受信側等化回路の内部構造を示す。受信側回路は、エラー検出回路と、検出回路の制御信号１，制御信号２により設定変更可能なフィルタ１とフィルタ２から構成される。フィルタ１およびフィルタ２は、「ディジタルコミュニケーション」(John G. Proakis著、pp.719-721)等に記載の下記の式１で示される等化回路動作を実現する。

ここで、

はk番目の信号の推定値、ｃ_ｊはフィルタタップの係数、そして

は、以前の検出信号を示す。

図４には、フィルタ１およびフィルタ２の内部構造を示す。エラー検出回路からの制御信号(a_-2, a_-1,a₁,a₂)およびbは、各々セレクタ回路とタップ(TAP)調整回路に接続される。制御信号(a_-2, a_-1,a₁,a₂)は、各セレクタを制御する。各セレクタは、「１」の信号入力時はタップ(Z^-1で記載)に信号入力し、「０」の信号入力時はタップをバイパスする。タップバイパス時は、タップ内部のメモリおよび乗算回路(xで記載)は、動作しないため、消費電力および遅延時間の観点でみると節約される。具体的には、タップ1段のバイパスにより100ミリワット程度、遅延時間は160ナノ秒の節約になる。

図５に本発明が特徴とする送受信回路間の、初期化工程を示す。本発明においては、データ信号の送信開始前に、予め設定した線路の品質観測用のデータパターン（PRBS２の13乗−１で定義される）を送信側から受信側に送出し、受信側のエンコーダにて誤り率の測定を実施する。その際、最初の状態では、送受信回路双方の等化回路は使用しない設定としている。そして受信側で誤り率を測定の後、得られた誤り率に応じて、等化回路の設定(タップ数)を切り替える。

図６に、誤り率を測定してから、等化回路の設定を切り替えるまでのフローチャートを示す。データ信号送出前に、線路の品質観測用データパターンを送信側より送出し、受信側にて誤り率を測定する。この際、測定した誤り率Bと、誤り率の設定閾値Br,Btとの大小関係で、受信側等化回路のタップ数を変化させる（タップ数が増すほど、受信信号からのノイズ除去能力は向上するが、遅延と消費電力は大きくなる）。図６に構成においては、測定誤り率Bが、システムが要求する誤り率（Br：10の-12乗）を下回る場合、既に十分な受信品質が確保されているとみなして、等化回路を使用せず、等化回路の動作を停止し、データ信号はバイパスする（a₀信号のみ１、その他は０）。図６に構成においては、測定誤り率Bが、システムが要求する誤り率（Br：10の-12乗）を上回り、かつ設定値Bt（10の-7乗）を下回る場合、等化回路のタップ数は2タップで十分と判断し、3タップ以降等化回路の動作を停止し、データ信号はバイパスする（a_-1,a₁を1とし、a_-2,a₂を0とする）。図６に構成においては、測定誤り率Bが、設定値Bt（10の-7乗）を下回る場合、等化回路のタップ数は４タップ以上が必要と判断し、データ信号はバイパスせず、全ての等化回路を動作させる（a_-2, a_-1,a₁,a₂を1とする）。

図７には、等化回路の動作を誤り率（BER）とシグナルノイズ比（SNR）の関係式のグラフを用いて解説する。受信側等化回路を用いない場合（No-DFE）、2段のタップを用いる場合（DFE1）、４段のタップを用いる場合（DFE２）の３つのケースにおいて、受信信号のシグナルノイズ比に対して、得られる誤り率の関係を示している。より多くのタップ数を用いることで、より劣るシグナルノイズ比(受信環境が劣る場合)において、良好な低い誤り率が得られる。図７のケースにおいては、受信信号のシグナルノイズ比がSN1で、等化回路不使用時に得られた誤り率がB1の場合、2段のタップの回路を用いる事で、誤り率はB1eまで改善され、所要の誤り率Br以下の良好な受信品質が得られる。また、受信信号のシグナルノイズ比がSN2で、等化回路不使用時に得られた誤り率がB2の場合、4段のタップの回路を用いる事で、誤り率はB2eまで改善され、所要の誤り率Br以下の良好な受信品質が得られる（この場合、2段の等化回路の信号品質改善では、誤り率はBr以下には改善できない）。

信号伝送速度が１０ギガビット付近に高速化する場合、信号伝送に使用するファイバ分散値が非常に大きくなることが一般に言われており、本発明が前提とする最大１０ｋｍの伝送を前提とする場合、非常に波形劣化が大きくなる。一方で信号伝送距離が数ｍ程度と短い場合は、１０ｋｍの伝送の場合と比較すると劣化の小さい信号が受信側に到達することになる。つまり、信号伝送距離が短い場合、これら符号や波形整形技術の使用は必ずしも必要でなく、むしろ電力消費や伝送遅延を節約するために符号処理などを実施する必要はない。つまり、伝送媒体に応じ、複数の選択枝から、信号伝送に用いる方式を自動選択する方が、ユーザからみて適した信号伝送環境を提供できる。本発明は、この伝送媒体の特性に応じた信号伝送方式の自動的選択を実現する。

本発明においては、データ通信の開始前に伝送線路の品質を観測し、送受信端において該観測結果を用いて通信することにより、通信路の特性の許容する範囲内において、小さい消費電力と小さい遅延時間をもって、所要の通信品質（誤り率）を実現する。本発明は実施例１と同様に、装置1と装置２の二つから構成され、各々が送信回路と受信回路をひとつずつ持つ、双方向通信器の構成を有する。図８に示す送信器は、パターン生成器、エンコーダ(Encoder)、多重化回路(MUX)および送信バッファ(TX-Driver)とレーザ送信器(Laser Diode)から構成される。一方各受信回路は、フォトダイオード(Photo Diode)、受信バッファ(RX-Driver)および分離回路(DEMUX)とデコーダ(Decoder)から構成される。

後段回路との入出力インタフェース(XAUI)から入力された、送信信号(１６ビット構成速度622メガビット毎秒)はエンコーダに入力され、符号化処理を経て、信号パターンの整形を受けたのち、１６対１の多重化回路により速度10ギガビット毎秒のシリアル信号に変換の後、送信バッファ回路にてレーザ送信器の要求する信号レベルに変換の後、レーザ送信器にて１０ギガビット毎秒の光信号に変換される。レーザ信号から出力された光信号は、光ファイバにて伝送の後、受信端のフォトダイオードにて光信号から速度１０ギガビット毎秒の電気信号に変換され、１６対１の分離回路にて16ビット幅で速度６２２メガビット毎秒のパラレル信号に変換される。その後、デコーダにて誤り訂正処理を受け、受信側の信号処理回路に渡される。

図９に本発明が特徴とする送受信回路間の、初期化工程を示す。本発明においては、データ信号の送信開始前に、予め設定した線路の品質観測用のデータパターン（PRBS２の13乗−１で定義される）を送信側から受信側に送出し、受信側のエンコーダにて誤り率の測定を実施する。その際、最初の状態では、送受信回路双方の誤り訂正回路は使用しない設定としている。そして受信側で誤り率を測定の後、得られた誤り率に応じて、誤り訂正回路の構成を切り替える。エンコーダおよびデコーダの前段にセレクタを用意し、誤り検出器からの信号を基に、エンコーダ/およびデコーダをバイパスするか、エンコーダとデコーダを使用するかの切替動作が可能である。

図１０には、誤り訂正符号の動作を誤り率（BER）とシグナルノイズ比（SNR）の関係式のグラフを用いて解説する。図７のケースにおいては、誤り訂正回路不使用時に得られた誤り率がB1の場合、誤り訂正回路FECを用いることで、誤り率はB1‘まで改善され、所要の誤り率Br以下の良好な受信品質が得られる。一方、受信信号品質が良好で、誤り訂正が不要なB2の誤り率が得られた場合、所要の誤り率を上回る良好な受信状態であるため、誤り訂正回路は、送信受信間で用いず、送受信回路双方での処理を各々バイパスして、消費電力と遅延時間を節約する。

図１１に今回の発明において使用する誤り訂正符号（ハミング符号）の7ビットのデータを用いる場合、データ長120ビットに、冗長ビットを7ビット付加した合計127ビットのデータを更新することにより、この誤り訂正符号は1ビットの誤り訂正機能を実現する。誤り訂正符号（ハミング符号）の8ビットのデータを用いる場合、データ長502ビットに、冗長ビットを9ビット付加した合計511ビットのデータを更新することにより、更に誤り訂正符号（ハミング符号）の9ビットのデータを用いる場合、データ長2036ビットに、冗長ビットを11ビット付加した合計2047ビットのデータを更新することにより、それぞれ1ビットの誤り訂正機能を実現する。

誤り訂正符号を使用時に、冗長ビットを付加する事により実効的なデータ転送率が劣化するのを回避するため、冗長ビットを付加する際には、冗長ビット付加分に相当するだけデータ周期を短縮して、データ転送効率を誤り訂正不使用時と等しい値とするように調整する。図１２には、データ長120ビットに冗長ビット７ビットを付加した場合の、データ周期の例を示す。

：実施例１における２つの送受信系から構成される通信装置の概観。：実施例１における送受信系内部のブロック図。：実施例１における受信側等化回路の内部ブロック図。：実施例１における受信側等化回路のフィルタの内部構造図。：実施例１における受信開始時の手続きの流れ。：実施例１における受信開始時のフローチャート。：実施例１における受信側等化回路の特性図。：実施例２における送受信系内部のブロック図。：実施例２における受信開始時の手続きの流れ。：実施例２における受信側等化回路の特性図。：実施例２における使用する誤り訂正符号の例。：実施例２におけるデータ転送レート調整の仕組み。

Claims

データ通信に用いる光信号伝送方式として、一または複数の受信信号等価方式を切り替えて使用する手段を有する通信装置を少なくとも２つ備えた通信システムであって、
上記通信装置間のデータ通信に用いる光信号伝送方式として、一または複数の受信信号透過方式を切り替えて使用する手段と、
上記通信装置間の信号通信開始時または信号通信を中断後の再開時のうちすくなくともいずれか一つにおいて、伝送環境の光信号伝達特性を観測する専用信号を上記通信装置間で送受信する手段と、
受信した上記専用信号の等価処理後の誤り率を解析し、該解析された誤り率が所定値よりも小さく、かつ消費電力または遅延時間が最も小さい等価方式を選択して使用する手段を有する通信システム。
データ通信に用いる光信号伝送方式として、一または複数の誤り訂正符号を切り替えて使用する手段を有する通信装置を少なくとも２つ備えた通信システムであって、
上記通信装置間のデータ通信に用いる光信号伝送方式として、一または複数の誤り訂正符号を切り替えて使用する手段と、
上記通信装置間の信号通信開始時または信号通信を中断後の再開時のうちすくなくともいずれか一つにおいて、伝送環境の光信号伝達特性を観測する専用信号を上記通信装置間で送受信する手段と、
受信した上記専用信号の誤り訂正処理後の誤り率を解析し、該解析された誤り率が所定値よりも小さく、かつ消費電力または遅延時間が最も小さい誤り訂正符号を選択して使用する手段を有する通信システム。