JP2013207592A - 光送信器、光受信器、及び光伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高セキュリティと低レイテンシーの両立を図ることのできる光送受信の技術を提供する。
【解決手段】 光送信器は、送信信号のデータフレームを所定の長さに分断して複数の信号レーンに展開する逆多重部と、前記複数の信号レーンの並び順を示すインデックスを発生するインデックス発生器と、前記インデックスに応じて前記複数の信号レーンの並び順を入れ替えるレーン並べ替え部と、前記インデックスを搬送波の周波数オフセットとして指定する搬送波周波数制御部と、前記並べ替えがされた送信信号を前記周波数オフセットに対応する位相にマッピングするマッピング部と、前記マッピングされた送信信号を光変調して送信する送信部と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光送信器、光受信器、及び光伝送方法に関する。

ＬＡＮ（Local Area Network）やＳＡＮ（Storage Area Network）を介したエンドツーエンド（End to End）のアプリケーションにおいては、高いセキュリティと低レイテンシーであることが要求されている。エンドツーエンドの通信で信頼性を保証するために、同期のビットパターンを適宜変更して暗号化を行う方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。受信側は、送信側からビットパターンの通知を受けるので、フレームの同期をとってデータを読むことができる。逆にいうと、ビットパターンを知らない場合はフレーム同期をとることができないので、データを読むことができない。

あらかじめ複数のビットパターンを通知しておくことで、複数のビットパッターンによるフレーム同期を用いた暗号化ができる。しかし、ビットパターンの変更が規則的だと、ある程度モニタすることで、どのような規則で同期のビットパターンが変更されているのかがわかってしまい、暗号化の信頼度が低くなる。

データセンター間で光ファイバを利用して情報資産を送受信する場合、セキュリティを高めることが困難であるという問題もある。光カプラ等の受動光モニタデバイスは安価に入手できるので、ファイバにアクセスできる箇所によっては不正なファイバの分岐を検出することすら難しい。従って、不正なファイバ分岐等を防止、発見する以外に、セキュリティを高める方法が必要となる。

たとえば、上位レイヤを利用する方法がある。レイヤ３のInternet Protocol Security Virtual Private Network（ＩＰＳｅｃ−ＶＰＮ）では、ＶＰＮ通信におけるパケットのカプセル化においてデータを暗号化し、盗聴されてもデータの内容や送り先を判別できないようにする。また、レイヤ５を使用したSecure Socket Layer Virtual Private Network（ＳＳＬ−ＶＡＮ）の手法も存在する。

特開平０９−５５７１３号公報

上位レイヤを使用するデータ秘匿化方法は、データのカプセル化と暗号化、暗号解除とデカプセル化に処理時間がかかり、低レイテンシーが要求されるＬＡＮやＳＡＮのサービスには適していない。また、データを大量にバッファリングして処理時間を稼いでいるので、消費電力も増大する。

そこで、低レイヤ（レイヤ０、レイヤ１など）を利用した信号処理によりセキュリティと低レイテンシーの両立を図ることのできる光送信器と光受信器、及び信号送受信方法の提供を課題とする。

第１の観点では、光送信器は、
送信信号のデータフレームを所定の長さに分断して複数の信号レーンに展開する逆多重部と、
前記複数の信号レーンの並び順を示すインデックスを発生するインデックス発生器と、
前記インデックスに応じて、前記複数の信号レーンの並び順を入れ替えるレーン並べ替え部と、
前記インデックスを搬送波の周波数オフセットとして指定する搬送波周波数制御部と、
前記並べ替えがされた送信信号を前記周波数オフセットに対応する位相にマッピングするマッピング部と、
前記マッピングされた送信信号を光変調して送信する送信部と、
を有する。

第２の観点では、光受信器は、
送信側で指定された複数の信号レーンの並び順を示すレーン並べ替えインデックスを周波数オフセットとして含む信号を受信する受信部と、
前記受信した信号から前記周波数オフセットを検出し、前記周波数オフセットから前記レーン並べ替えインデックスを算出する周波数オフセット推定部と、
前記受信された信号を前記複数の信号レーンに展開する信号列変換部と、
前記複数の信号レーンの並び順を、前記レーン並べ替えインデックスに従って入れ替えて本来の並び順を復元するレーン並べ替え復元部と、
前記復元された複数の信号レーンに配置されるフレームをシリアル変換して送信されたデータフレームを再生する多重部と、
を有する。

高いセキュリティと低レイテンシーの双方を備えた光信号の送受信が実現する。

実施形態の光送信器の概略構成図である。 実施形態の光受信器の概略構成図である。 図１の光送信器のフレーム展開部の概略構成図である。 図３のフレーム展開部のストライピング・デマルチプレクサに入力される信号のフレーム構成例である。 ストライピング・デマルチプレクサによりマルチレーンに展開された信号の構成例である。 図３のフレーム展開部で行われるレーンＩＤ挿入の例を示す図である。 図３のフレーム展開部で行われるレーン並べ替えの例を示す図である。 図３のフレーム展開部で行われるレーン・ローテーションの例を示す図である。 図３のフレーム展開部からの出力の例を示す図である。 図１の信号処理回路で生成されるレーン展開インデックス信号、差動符号、及び周波数オフセット信号の構成例を示す図である。 周波数オフセットに従った位相・強度マッピングの例を示す図である。 図１の送信信号処理回路が実行する信号処理を示すフローチャートである。 図２の光受信器の受信信号処理回路におけるフレーム再生部の概略構成図である。 図２の受信信号処理回路で取り出される周波数オフセット信号、差動化、及びレーン展開インデックス信号を示す図である。 図２の受信信号処理回路で行われる周波数オフセットの除去とマッピング判定の例を示す図である。 図２のフレーム再生部に入力される信号の例を示す図である。 レーンＩＤによるスキュー補正の例を示す図である。 レーンＩＤによるレーン並べ替えの例を示す図である。 レーン・デローテーションの例を示す図である。 レーン展開インデックスが示すレーン並べ替えの例を示す図である。 図２の受信信号処理回路が実行する信号処理を示すフローチャートである。

図１は、実施形態の光送信器１０の概略構成図である。光送信器１０は、送信信号処理回路２０と、ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１１−１〜１１−４と、ドライバ１２−１〜１２−４と、光電界変調器１３−１〜１３−２と、信号光源１５と、偏波分離器１６と、偏波合波器１７を含む。ＤＡＣ１１−１〜１１−４、ドライバ１２−１〜１２−４、光電界変調器１３−１〜１３−２、信号光源１５、偏波分離器１６、偏波合波器１７は、光信号送信部を構成する。

送信信号処理回路２０は、入力されるクライアント信号に対し、データの秘匿化を含むディジタル信号処理を行なう。ＤＡＣ１１−１〜１１−４は、送信信号処理回路２０から出力されるディジタル信号をアナログ信号に変換する。ドライバ１２−１〜１２−４は入力されるアナログ信号に応じた電気駆動信号を生成して光電界変調器１３−１、１３−２を駆動する。偏波分離器１６は、信号光源１５からの光を２つの直交する偏波成分に分離して、光電界変調器１３−１、１３−２の各々に入力する。光電界変調器１３−１、１３−２は駆動信号で各偏波成分の電界を変調して、２つの光信号を生成する。偏波合波器１７は、２つの光信号を合波して光伝送路へ出力する。

送信信号処理回路２０は、ＯＴＵフレーム生成部２１と、フレーム展開部２２と、位相・強度マッピング部２３−１〜２３−２と、乱数発生部２５と、搬送波周波数制御回路２６を含む。ＯＴＵフレーム生成部２１は、クライアント信号からＯＴＮ（Optical Transport Network）伝送規格に適合したＯＴＵフレーム(Optical Channel Transport unit)を生成する。

フレーム展開部２２は、たとえばG.709標準機能に従って１６byteごとのストライピング・デマルチプレックスにより、ＯＴＵフレームからＮ列のマルチレーンを生成し、フレーム同期用バイトの一部をレーンＩＤで置き換える。ディジタルコヒーレント等の１００Ｇｂｐｓ級の転送速度においては、ＯＴＵフレームbit分配信号列ではなく、16byte毎にレーン分配したマルチレーン転送が用いられる。

実施形態におけるフレーム展開部２２の特徴的な動作として、マルチレーンの並び順をＮ×Ｍフレームごとにランダムに入れ替えて、データ伝送に秘匿性を与える。マルチレーンの並び方はＮ！通り存在するため、フレーム展開部２２はその並び方を示すインデックス（レーン並べ替えインデックス）に基づいてレーンの並べ替えを行う。この動作の詳細については後述する。

フレーム展開部２２は、並び替え後のレーンについて、フレームごとにレーンをローテーションして、フレーム同期用バイトとレーンＩＤをすべてのレーンに分配する。さらにＮ列のレーンを４つのディジル信号列に多重化して、ディジタル信号列を位相・強度マッピング部２３−１、２３−２に供給する。

乱数発生部２５はレーン並べ替えインデックスを生成し、生成したインデックスをフレーム展開部２２と、搬送波周波数制御回路２６に供給する。フレーム展開部２２は、上述のとおり、レーン並べ替えインデックスにしたがってＮ列のレーンの並び順をランダムに入れ替える。搬送波周波数制御回路２６は、レーン並べ替えインデックスに相当する周波数オフセットΔｆを生成して位相・強度マッピング部２３−１、２３−２に供給する。

位相・強度マッピング部２３−１、２３−２は、フレーム展開部２２から出力されるデータを、周波数オフセットΔｆに相当する位相にマッピングする。これにより、最終的に光送信器１０から送信される光信号は、レーン並べ替えインデックスを周波数オフセット（送信光波長の位相回転量）として含むことになる。すなわち、データ信号に、レーン並べ替えインデックスを示す信号が重畳されて送信される。

図２は、実施形態の光受信器３０の概略構成図である。光受信器３０は、偏波分離器３１と、光９０°ハイブリッド回路３２−１〜３２−２と、光検出器（ＰＤ）３３−１〜３３−４と、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）３４−１〜３４−４と、信号光源３５と偏波分離器３６と、受信信号処理回路４０を含む。偏波分離器３１、光９０°ハイブリッド回路３２−１〜３２−２、光検出器（ＰＤ）３３−１〜３３−４、ＡＤＣ３４−１〜３４−４、信号光源３５、偏波分離器３６は、光信号受信部を構成する。

偏波分離器３１は、受信した光信号を直交する２つの光信号に分離して、それぞれ光９０°ハイブリッド回路３２−１、３２−２に入力する。偏波分離器３６は、信号光源（局発信）３５からの光を分岐して参照光として光９０°ハイブリッド回路３２−１、３２−２に入力する。光９０°ハイブリッド回路３２−１、３２−２は、受信光の偏波成分と参照光とを合波して、直交する偏波成分（Ｘ／Ｙ偏波）と、直交する位相成分（Ｉ／Ｑチャネル）に分離する。ＰＤ３３−１〜３３−４は、光信号をアナログ電気信号に変換する。ＡＤＣ３４−１〜３４−４は、アナログ信号をディジタル信号に変換して、受信信号処理回路４０に供給する。

受信信号処理回路４０は、周波数オフセット推定部４３と、周波数オフセット補償部４１−１、４１−２と、フレーム再生部４２と、ＯＴＵフレーム受信部４４とを含む。周波数オフセット推定部４３は、入力ディジタル信号に基づいて受信光の周波数オフセットを計算する。周波数オフセットの推定方法は任意の公知手法を採用することができる。たとえば、遅延素子（不図示）を用いて入力信号を１シンボル時間だけ遅延させ、遅延させた信号の複素共役を次の入力信号に乗算する。これによりｎ番目のシンボルの光位相とｎ＋１番目のシンボルの光位相の差分が計算され、１シンボル時間当たりの位相変化量を求めることができる。複数シンボル分にわたる位相変化量の平均をとって雑音成分を除去してもよい。周波数オフセットは周波数オフセット補償部４１−１、４１−２に供給され、受信信号のオフセットが除去される。また、周波数オフセットには、送信側で与えられたレーン並べ替えインデックスを表すオフセット量（位相回転量）が含まれているため、周波数オフセット推定部４３は、位相回転量を算出してレーン並べ替えインデックス信号を取り出す。レーン並べ替えインデックス信号は、フレーム再生部４２に供給される。

周波数オフセット補償部４１−１、４１−２は、入力ディジタル信号に対して周波数オフセットに基づく補償値を乗算して、周波数オフセットを補償する。補償値は、たとえば周波数オフセットすなわち位相回転量をθ_OFFとしたときに、ｅｘｐ（−θ_OFF）で表される。フレーム再生部４２は、フレーム同期をとってレーンＩＤ順にＮ列のレーンに並べ、レーンをデローテーションする。さらに、入力されたレーン並べ替えインデックスに従って、レーンの並び順をもとの順序に復元し、Ｎ列のパラレルデータをシリアルデータにして、ＯＴＵフレーム受信部４４に供給する。

このような光送信機１０と光受信機３０の構成により、レイヤ０、１を利用した秘匿化が実現し、データの秘匿性と低レイテンシーの両立を図ることができる。
＜送信側の信号処理＞
次に、図３〜図１２を参照して、図１の光送信器１０の送信信号処理回路２０の動作を説明する。図３は、フレーム展開部２２の構成を示すブロック図である。フレーム展開部２２は、ＯＴＵフレーム受信部５１、ストライピング・デマルチプレクサ５２、レーンＩＤ挿入部５３、レーン並べ替え部５４、レーン・ローテーション部５５、及びギアボックス５６を含む。

ＯＴＵフレーム受信部５１は、ＯＴＵフレーム生成部２１からＯＴＵ（Optical-channel Transport Unit）フレームを受け取り、ＯＴＵフレームをストライピング・デマルチプレクサ５２に入力する。ストライピング・デマルチプレクサ５２に入力されるＯＴＵフレームの構成例を図４に示す。クライアントデータはＯＴＵペイロード部に収容され、ペイロード部は、オーバヘッド部と誤り訂正バイト（FEC）で挟まれている。オーバヘッド部には制御信号が収容される。

ストライピング・デマルチプレクサ５２は、ＯＴＵフレームを１６バイトごとにストライピング／デマルチプレックス（逆多重）して、Ｎ列のマルチレーンへ展開する。ここでＮは、「総バイト数／１６」を割り切れる値である。マルチレーンをたとえば４つのグループに分けてグループ処理する場合は、Ｎは４の倍数であることが望ましい。総バイト数を16320とすると、（16320/16）がNで割り切れ、かつＮが４の倍数となるようにする。この場合、Ｎは４、１２、２０などである。実施例ではＮ＝２０として、２０列のマルチレーンに展開する例を説明する。

図５は、ＯＴＵフレームの一例としてＯＴＵ4フレームを分断する例を示す。１６バイトごとにＯＴＵ4フレームを分断し、矢印の順序で各レーン（レーン＃００〜レーン＃１９）に分配する。１６バイトずつレーン＃００からレーン＃１９まで割り振ったならば、レーン＃００に戻って分配を繰り返す。

図３に戻って、レーンＩＤ挿入部５３は、ＯＴＵフレームの先頭領域ＦＡＳ（Frame Alignment Signal）の６バイト目にレーンアライメント用のＬＬＭ（Logical Lane Marker）を挿入する。ＦＡＳはフレーム同期用のビット列である。レーンＩＤの挿入を図６に示す。同期用のパターンＯＡ１、ＯＡ１、ＯＡ１、ＯＡ２、ＯＡ２、ＯＡ２の６バイト目のＯＡ２にＬＬＭを挿入する。このＬＬＭをレーンＩＤとして利用する。たとえば、ＬＬＭの挿入時に０〜２３９までを１ずつインクリメントし、２３９になったらまた０に戻ってインクリメントを繰り返す。

レーン並べ替え部５４は、レーンＩＤが挿入されたＮ列のマルチレーンの並び順をランダムに入れ替える。レーンの並べ替えは、乱数発生部２５（図１参照）が生成するレーン並べ替えインデックスに従って行う。乱数発生部２５は、任意のハードウエア乱数発生器である。たとえば、奇数個のＮＯＴゲート（インバータ）をリング状につないだ発振器を複数配置し、各発信器の出力をＸＯＲゲートに接続する。発信器の大きなジッターを複数ＸＯＲした出力を一定のクロック周期でサンプリングすることで乱数を生成する。

図７は、レーン並べ替えの一例を示す。この例では、２０レーンを４つのグループに分けて、グループ単位でランダムな並べ替えを行う。レーン＃００〜＃０４を含むグループ１は、並べ替え前と同じ１列目から５列目の位置にある。レーン＃０５〜＃０９を含むグループ２は、並べ替え処理の結果１６列目から２０列目に配置される。レーン＃１０〜＃１４を含むグループ３は、並べ替え処理の結果６列目から１０列目に配置される。レーン＃１５〜＃１９を含むグループ４は、並べ替え処理の結果１１列目から１５列目に配置される。

この例では、４つのグループに分けたため、全部で４！＝４×３×２×１＝２４通りのパターンが存在する。２４パターンのそれぞれにレーン並べ替えインデックスを割り当てる。すなわち、図１の乱数発生部２５は、所定の間隔で２４通りのパターンのいずれかを示す値をランダムに発生する。レーン並べ替えインデックスのパターンはＮ×Ｍ回に一度更新される。この例では、Ｎ＝２０レーン、Ｍ＝６の場合、２０×６＝１２０フレームに一度、レーン並べ替えインデックスが更新される。なお、受信側はあらかじめ２４通りの並べ替えパターンとレーン並べ替えインデックスとの対応関係を知っているものとする。

このように、クライアントデータを構成する各部分の位置が定期的に入れ替えられるので、盗聴されたとしても、元のレーン並びに復元するための情報とそのタイミングを入手しない限り、データの内容を復元することができない。なお、レーン並べ替えにおいて、Ｎ列のレーンを必ずしもグループに分ける必要はなく、Ｎ列のまま並べ替えを行なってもよい。この場合は、乱数発生部２５はＮ！通りのパターンを示す値をランダムに発生することになる。

図３に戻って、レーン・ローテーション部５５は、ＯＴＵフレームごとにレーン位置をローテーションさせる。この処理により、同期用のビット列であるＦＡＳをすべてのレーンに出現させる。図８に、レーン・ローテーションの例を示す。図８の最も左側のレーン＃１９は、前回のＯＴＵフレームの末尾のデータである。今回のＯＴＵフレームでレーン＃００の先頭にＦＡＳを配置する。なお、このレーン並びは上述のようにレーン並べ替えがされた後のレーン配置である。次のＯＴＵフレームでは、レーン＃０１にＦＡＳを配置する。さらに次のＯＴＵフレームでは、レーン＃０２にＦＡＳを配置する。このローテーションにより、フレーム同期用のバイトとレーンＩＤが、すべてのレーンに分配される。

図３に戻って、Ｎ：４ギアボックス５６は、レーン並べ替えとレーン・ローテーションを経たＮ列のレーンを、４列に変換する。この変換を図９に示す。５：１ビットＭＵＸ＃１〜＃４により、２０列のレーンが４列に変換される。Ｎが４の倍数でないときは、４とＮの最小公倍数Ｋにパラレル変換してから、（K/4）：１マルチプレクサによって４列に変換する。たとえば、Ｎ＝１０のときは２列にパラレル転換し、Ｋ＝２０として５：１マルチプレクサで４列にする。Ｎ：４ギアボックス５６の出力が、フレーム展開部２２の出力となる。

図１０は、図１の送信信号処理回路２０の乱数発生部２５で生成されるレーン並べ替えインデックス信号と、搬送波周波数制御回路２６で生成される周波数オフセット信号の関係を示す図である。図１０（ａ）のレーン並べ替え信号は、乱数発生部２５から搬送波周波数制御回路２６に供給される信号である。上述のように、レーン並べ替えパターンはＮ×Ｍフレームごと（たとえば２０×６＝１２０フレームごと）に更新される。Ｎ−１１９からＮまではフレーム１〜１２０の並べ替えインデックスである。Ｎ＋１からＮ＋１２０までがフレーム１２１〜２４０の並べ替えインデックスである。Ｎ＋１２１からＮ＋２４０までがフレーム２４１から３６０の並べ替えインデックスである。

図１０（ｂ）は、１シンボル時間前との差分をとった差動符号である。たとえば変化したビットを１、変化していないビットを０で示す。図１０（ｃ）の周波数オフセット信号は、差動符号の値「１」を＋Δｆ／２、差動符号の値「０」を−Δｆ／２の周波数オフセット量で表している。

図１１は、位相・強度マッピング部による位相・強度マッピング処理を示す。フレーム展開部２２でランダムなレーン入れ替えを受けたデータは、４列（Ｘｉ成分、Ｘｑ成分、Ｙｉ成分、Ｙｑ成分）で位相・強度マッピング部２３−１、２３−２に入力される。位相・強度マッピング部２３−１、２３−２は、１２０フレーム前のデータに対して、レーン並べ替えインデックスに応じた光位相（＋Δｆ／２又は−Δｆ／２）にマッピングする。各フレームの横長の長方形のブロックが１６バイトすなわち１２８ビットのストライプである。

１６バイト（１２８ビット）中の１つのビットに着目すると、インデックス信号のビットが前回の値から変化している場合、信号点５０ａに対して＋Δｆ／２だけ位相回転（オフセット）された信号点５０ｂにマッピングされる。偏角はＡｒｇ｛ｅｘｐ（ｊπΔｆＴ）｝で表される。ここで、Ｔはシンボル時間である。位相・強度マッピングする際に、１ビット分を６ビットのアナログ値に変換する。

レーン並べ替えインデックスが周波数オフセット（送信光波長の位相回転量）としてマッピングされたディジタル信号は、ＤＡＣ１１−１〜１１−４（図１参照）へ供給され、アナログ信号に変換される。ドライバ１２−１〜１２−４はクライアント信号に応じた電気駆動信号を生成して光電界変調器１３−１、１３−２を駆動する。光電界変調器１３−１、１３−２は、信号光源１５からの搬送波を駆動信号でそれぞれ変調し、合波された光信号が光伝送路に出力される。

図１２は、光送信器１０の送信信号処理回路２０が行う信号処理フローである。ステップＳ１０１で、ＯＴＵフレーム生成部２１はクライアント信号からＯＴＵフレームを生成する。ステップＳ１０３で、フレーム展開部２２は１６バイトごとのストライピング・デマルチプレックスにより、Ｎ列のマルチレーンを生成し、フレーム同期用バイトの一部をレーンＩＤで置き換える。図６を参照して説明したとおり、実施例ではＦＡＳの６バイト目にＬＬＭ（論理レーンマーカー）を挿入する。

ステップＳ１０５で、レーン展開部２２は、Ｎ×Ｍフレームごとにレーン並べ替えインデックス信号を発生し、Ｎ列のマルチレーンの並び順をランダムに入れ替える。ステップＳ１０７で、フレーム同期用バイトとレーンＩＤが全てのレーンに分配されるように、ＯＴＵフレームごとにレーンをローテーションさせる。ステップＳ１０９で、搬送波周波数制御回路２６は、周波数レーン並べ替えインデックスに対応する周波数オフセット信号を生成し、位相・強度マッピング部２３−１、２３−２で、送信データをΔｆに相当する分（±Δｆ／２）だけ位相回転した光位相にマッピングする。このディジタル信号はアナログ信号に変換され、光電界変調されて送信される。

このような送信信号処理方法によると、レイヤ０、１を利用したデータの秘匿化が可能になり、低レイテンシーと両立を図ることができる。
＜受信側の信号処理＞
次に、図１３〜図２１を参照して、図２の光受信器３０の動作を説明する。図１３は、受信信号処理回路４０のフレーム再生部４２の構成例を示す。フレーム再生部４２は、４：Ｎギアボックス６１、フレーム同期部６２−１〜６２−Ｎ、レーンＩＤ取得部６３−１〜６３−Ｎ、スキュー補正部６４、レーンリオーダー部６５、レーン・デローテーション部６６、レーン並べ替え復元部６７、ストライピング・マルチプレクサ６８、及びＯＴＵ受信部６９を含む。

４：Ｎギアボックス６１には、周波数オフセットが除去されたディジタル受信データが入力される。図２を参照して説明したように、偏波／位相分離、光電変換及びアナログ−ディジタル変換を経た受信信号から、周波数オフセットが推定され、受信信号の周波数オフセットが補償される。これとともに、周波数オフセットからからレーン並べ替えインデックスを示す信号が取り出され、レーン並べ替え復元部６７に供給される。

図１４は、周波数オフセット推定部４３で検出される周波数オフセットと差動化、及びこれに基づいて復元されるレーン並べ替えインデックス信号を示す。レーン並べ替えインデックス情報は、周波数オフセットとして１２０フレーム前のデータに重畳されて光受信器３０に届く。図１４（ａ）は周波数オフセット推定部４３で検出されるオフセット信号である。一般に、周波数オフセットは光送信器１０の信号光源１５の周波数と、光受信器３０の信号光源３５の周波数の差分であるが、実施例では、送信される光周波数にレーン並べ替えインデックスを示すオフセット量が含まれている。したがって、周波数オフセット推定部４３で検出される周波数オフセットにも、レーン並べ替えインデックスに対応するオフセット量±Δｆ／２が含まれている。周波数オフセット推定部４３は、図１４（ｂ）に示すように周波数オフセットの差分をとって差動化する。さらに、図１４（ｃ）に示すように、差分オフセットからレーン並べ替えインデックス信号を復元する。差分オフセットが＋Δｆ／２の場合はレーン並べ替えインデックスの値を「１」、差分オフセットが−Δｆ／２の場合はレーン並べ替えインデックスの値を「０」とする。

このように、通常の受信信号処理で行う周波数オフセットの補償と同時に、周波数オフセット成分に含まれているレーン並べ替えインデックスを取り出すことができる。周波数変動の補償はディジタル信号処理の初期段階で実施されるので、データの復元に先立ってフレーム再生部４２でマルチレーンの並べ替えが取得できる。

図１５は、周波数オフセット除去後の受信データと、判定後のデータを示す。図１５（ａ）は６ビットのアナログ値を含み、図１５（ｂ）はデマップによる信号成分の判定により１ビットのデータに変換されている。

図１６は、図１３の４：Ｎギアボックス６１の構成例である。４：Ｎギアボックス６１は、周波数オフセット補償部４１−１、４１−２から入力される４つのディジタルデータ列をＮ列に変換する。図１６の例では、１：５ビットデマルチプレクサ＃１〜＃４を用いて、２０レーン（レーン＃０〜＃１９）にパラレル展開している。Ｎが４の倍数でない場合は、４：Ｎギアボックス６１は、４とＮの最小公倍数Ｋ列にパラレル展開し（この場合１：(K/4)デマルチプレクサを用いる）、その後(K/N)：１マルチプレクサでＮ列にする。たとえば、Ｎ＝１０のときは、１：５デマルチプレクサで２０列にパラレル展開し、２：１マルチプレクサで１０列にする。

図１３に戻って、フレーム同期部６２−１〜６２−Ｎは、対応するレーン（レーン＃０〜＃１９）に現れるＯＴＵフレームの先頭領域ＦＡＳの５バイト目を利用して、フレーム同期を実施する。レーンＩＤ取得部６３−１〜６３−Ｎは、ＦＡＳの６バイト目にあるＬＬＭ（論理レーンマーカー）を取得する。スキュー補正部６４はレーンＩＤによって各レーンのスキューを補正する。

図１７は、レーンごとにフレーム同期をとり、レーンＩＤを取得してスキュー補正を行った状態を示す。各レーンで同期がとられ、到達時間による遅延が補正されて２０レーンがアラインしている。しかし、伝送路の状態によっては送信時と異なる順序でレーンＩＤが現れる。そこで、図１３のレーンリオーダー部６５は、図１８に示すように、レーンをレーンＩＤの順に並べ替える。

図１３に戻って、レーン・デローテーション部６６は、図１９に示すように、ＯＴＵフレームごとに１レーンずつローテーションを戻していく。これにより、各レーンにレーンＩＤが割り振られる前の状態に戻る。

レーン並べ替え復元部６７は、周波数オフセット推定部４３から通知されたレーン並べ替えインデックスに応じて、Ｎ×Ｍフレーム（この例では２０×６＝１２０フレーム）ごとにレーン位置を並べ替えて、元の状態に復元する。並べ替えインデックスと１対１対応の関係にあるレーン並べ替えのパターンを、図示しないテーブルにあらかじめ格納しておいてもよい。この場合、レーン並べ替え復元部６７は、レーン並べ替えインデックスに対応する並べ替えパターンをテーブルから読み出して、レーン並びの復元を行う。

実施例では、送信側で２０レーンを４つのグループに分けてグループ単位で並べ替え（シャッフル）を行なっているので、受信側でもグループ単位でレーンの並び替えを行う。この処理を図２０に示す。図２０では、グループ１に含まれるレーンはレーン＃００〜＃０４に維持されている。グループ２に含まれるレーンは、レーン＃１０〜＃１４に再配置される。グループ３に含まれるレーンはレーン＃１５〜＃１９に再配置され、グループ４に含まれるレーンはレーン＃０５〜＃０９に再配置される。これにより、図７の並べ替え前の状態に復帰する。なお、必ずしもグループ分けをする必要がないことは上述のとおりである。

ストライピング・マルチプレクサ６８は、１６バイトごとのストライピング・マルチプレックスを実施して、Ｎ列（２０レーン）のデータから図４に示したＯＴＵフレームを再生する。ストライピング・マルチプレクサ６８は、シリアル変換部の役割を果たす。ＯＴＵ受信部６９は、ＯＴＵフレームをＯＴＵフレーム受信部４４（図２）に供給する。

図２１は、光受信器３０の受信信号処理回路４０が行う信号処理フローである。ステップＳ２０１で、周波数オフセット推定部４３で周波数オフセット（位相回転）を推定し、周波数オフセット補償部４１−１、４１−２で受信データの位相回転を除去しデータを取り出す。ステップＳ２０３で、周波数オフセット推定部４３は、補償量からΔｆの変化を取り出すことでマルチレーンの並び順を示すインデックス信号を抽出し、フレーム再生部４２に通知する。ステップＳ２０１とＳ２０３は同時に行なわれてもよい。ステップＳ２０５において、フレーム同期部６２−１〜６２−Ｎで各レーンのフレーム同期をとった後、レーンＩＤ取得部６３−１〜６３−ＮでレーンＩＤを取得する。ステップＳ２０７で、スキュー補正部６４はレーンＩＤに基づいてスキュー補正を行い、レーンリオーダー部５は、レーンをレーンＩＤ順に並べ替える。さらに、レーン・デローテーション部６６により、１レーンずつローテーションを戻していく。ステップＳ２０９で、レーン並べ替え復元部６７は、周波数オフセット推定部４３から通知されたレーン並べ替えインデックスに従ってマルチレーンの並びを復元する。

実施例の光送信器１０と光受信器３０を用いた光通信は、以下の効果を有する。
（ａ）OTUフレームのマルチレーン転送を利用して、シリアル信号列をマルチレーンへ展開する際に、レーンの並び順を定期的に変更するので、回路の基本構成を維持したまま低レイヤでの秘匿化が実現する。
（ｂ）変更後のレーン並び順を示すインデックスを、送信信号の周波数オフセットとして通知するため、送信データとともに並べ替え情報を通知することができる。
（ｃ）受信側では、送信データとこれに重畳されたレーン並べ替えインデックス情報を同時に受け取るので、送信データとレーン並べ替えインデックスが同一回路内で処理され、同期が容易である。（これに対し、レーン並べ替えインデックスを別波長のモニタ信号に載せて光受信器３０に通知する場合は、ファイバ長によるレイテンシー処理と同期処理が別途必要になる。）
（ｄ）受信側では、周波数オフセットの補償と同時にレーン並べ替えインデックスを取り出すことができるので、このレーン並べ替えインデックスを用いてデータを復元することができる。
（ｅ）受信側は、レーン並べ替えインデックスと並べ替えパターンの対応関係を予め知っておく必要があるが、マルチレーンの並び順が定期的に更新されるため信号の秘匿化が維持される。
（ｆ）送信側、受信側ともに、一般的なマルチレーンのローテーション／デローテーションと、リオーダー回路を利用することができるので、回路規模の大幅な変更、増大は生じない。

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
送信信号のデータフレームを所定の長さに分断して複数の信号レーンに展開する逆多重部と、
前記複数の信号レーンの並び順を示すインデックスを発生するインデックス発生器と、
前記インデックスに応じて、前記複数の信号レーンの並び順を入れ替えるレーン並べ替え部と、
前記インデックスを搬送波の周波数オフセットとして指定する搬送波周波数制御部と、
前記並べ替えがされた送信信号を前記周波数オフセットに対応する位相にマッピングするマッピング部と、
前記マッピングされた送信信号を光変調して送信する送信部と、
を含む光送信器。
（付記２）
前記複数の信号レーンの数をＮとすると、前記インデックスは、Ｎ×Ｍフレーム（Ｍは整数）ごとに更新されることを特徴とする付記１に記載の光送信器。
（付記３）
前記インデックスは、前記周波数オフセットとして前記Ｎ×Ｍフレーム前のデータに重畳されて送信されることを特徴とする付記２に記載の光送信器。
（付記４）
前記分断されたデータフレームの同期フレームにレーンＩＤを挿入するレーンＩＤ挿入部と、
前記レーン並び替えの後に、前記複数の信号レーンをローテーションさせて前記レーンＩＤが出現する信号レーンを変更するレーン・ローテーション部と
をさらに有する付記１〜３のいずれか１に記載の光送信器。
（付記５）
前記レーン並べ替え部は、前記複数の信号レーンを複数のグループに分けて、前記グループ単位で並べ替えを行うことを特徴とする付記１に記載の光送信器。
（付記６）
送信側で指定された複数の信号レーンの並び順を示すレーン並べ替えインデックスを周波数オフセットとして含む信号を受信する受信部と、
前記受信した信号から前記周波数オフセットを検出し、前記周波数オフセットから前記レーン並べ替えインデックスを算出する周波数オフセット推定部と、
前記受信された信号を前記複数の信号レーンに展開する信号列変換部と、
前記複数の信号レーンの並び順を、前記レーン並べ替えインデックスに従って入れ替えて本来の並び順を復元するレーン並べ替え復元部と、
前記復元された複数の信号レーンに配置されるフレームをシリアル変換して送信されたデータフレームを再生する多重部と、
を含む光受信器。
（付記７）
前記検出された周波数オフセットに基づいて前記受信した信号の周波数オフセットを補償する周波数オフセット補償部、
をさらに有し、
前記信号列変換部は、前記周波数オフセット補償がされた受信信号を前記複数の信号レーンに展開することを特徴とする付記６に記載の光受信器。
（付記８）
前記複数の信号レーンの各々からレーンＩＤを取得するレーンＩＤ取得部と、
前記取得されたレーンＩＤに基づいて、前記複数の信号レーンのローテーションを元に戻すデローテーション部と、
をさらに有し、前記レーン並べ替え復元は、前記レーンのデローテーションの後に行われることを特徴とする付記６又は７に記載の光受信器。
（付記９）
前記複数の信号レーンの数をＮとすると、前記レーン並び替えインデックスは、Ｎ×Ｍフレーム（Ｍは整数）前のデータに重畳されて受信されることを特徴とする付記６〜８のいずれか１項に記載の光受信器。
（付記１０）
前記レーン並べ替え復元部は、前記複数の信号レーンを複数のグループに分けて、前記グループ単位で並べ替えを行うことを特徴とする付記６に記載の光受信器。
（付記１１）
送信側において、送信信号のデータフレームを所定の長さに分断して複数の信号レーンに展開し、
前記複数の信号レーンの並び順を示すインデックスに基づいて、前記複数の信号レーンを並べ替え、
前記インデックスを前記送信信号の搬送波の周波数オフセットとして前記送信信号に重畳して送信する
ことを特徴とする光伝送方法。
（付記１２）
受信側において、前記周波数オフセットを含む信号を受信し、
前記受信した信号から前記周波数オフセットを検出し、
前記周波数オフセットから前記インデックスを算出し、
前記受信した信号を前記複数の信号レーンに展開し、
前記複数の信号レーンの並び順を、前記インデックスに従って入れ替えて本来の並び順を復元し、前記データフレームを再生する、
工程をさらに含む請求項９に記載の光伝送方法。
（付記１３）
前記複数の信号レーンの数をＮとして、前記インデックスをＮ×Ｍフレーム（Ｍは整数）ごとに更新する工程をさらに含むことを特徴とする付記１１に記載の光伝送方法。
（付記１４）
前記インデックスを、前記周波数オフセットとして前記Ｎ×Ｍフレーム前のデータに重畳して送信することを特徴とする付記１３に記載の光伝送方法。
（付記１５）
前記分断されたデータフレームの同期フレームにレーンＩＤを挿入し、
前記レーン並び替えの後に、前記複数の信号レーンをローテーションさせて前記レーンＩＤが出現する信号レーンを変更する
工程をさらに含む請求項１１に記載の光伝送方法。
（付記１６）
前記検出された周波数オフセットに基づいて前記受信した信号の周波数オフセットを補償する工程、
をさらに含み、
前記周波数オフセット補償がされた受信信号を前記複数の信号レーンに展開することを特徴とする付記１２に記載の光伝送方法。
（付記１７）
前記複数の信号レーンの各々からレーンＩＤを取得し、前記取得したレーンＩＤに基づいて、前記複数の信号レーンのローテーションを元に戻す工程、
をさらに含み、
前記レーンのデローテーションの後に前記レーンの並べ替え復元が行われることを特徴とする付記１２に記載の光伝送方法。
（付記１８）
前記複数の信号レーンの数をＮとすると、前記レーン並び替えインデックスを、Ｎ×Ｍフレーム（Ｍは整数）前のデータとともに受信することを特徴とする付記１２に記載の光伝送方法。

光信号の送受信に利用可能である。

１０ 光送信器
２０ 送信信号処理回路
２１ ＯＴＵフレーム生成部
２２ フレーム展開部
２３−１、２３−２ 位相・強度マッピング部
３０ 光受信器
４０ 受信信号処理回路
４１−１、４１−２ 周波数オフセット補償部
４２ フレーム再生部
４３ 周波数オフセット推定部
４４ ＯＴＵフレーム受信部
５２ ストライピング・デマルチプレクサ
５３ レーンＩＤ挿入部
５４ レーン並べ替え部
５５ レーン・ローテーション部
６２−１〜６２−Ｎ フレーム同期部
６３−１〜６３−Ｎ レーンＩＤ取得部
６６ レーン・デローテーション部
６７ レーン並べ替え復元部
６８ ストライピング・マルチプレクサ

Claims (10)

1. 送信信号のデータフレームを所定の長さに分断して複数の信号レーンに展開する逆多重部と、
   前記複数の信号レーンの並び順を示すインデックスを発生するインデックス発生器と、
   前記インデックスに応じて、前記複数の信号レーンの並び順を入れ替えるレーン並べ替え部と、
   前記インデックスを搬送波の周波数オフセットとして指定する搬送波周波数制御部と、
   前記並べ替えがされた送信信号を前記周波数オフセットに対応する位相にマッピングするマッピング部と、
   前記マッピングされた送信信号を光変調して送信する送信部と、
   を含む光送信器。
2. 前記複数の信号レーンの数をＮとすると、前記インデックスは、Ｎ×Ｍフレーム（Ｍは整数）ごとに更新されることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記インデックスは、前記周波数オフセットとして前記Ｎ×Ｍフレーム前のデータに重畳されて送信されることを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
4. 前記分断されたデータフレームの同期フレームにレーンＩＤを挿入するレーンＩＤ挿入部と、
   前記レーン並び替えの後に、前記複数の信号レーンをローテーションさせて前記レーンＩＤが出現する信号レーンを変更するレーン・ローテーション部と
   をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光送信器。
5. 送信側で指定された複数の信号レーンの並び順を示すレーン並べ替えインデックスを周波数オフセットとして含む信号を受信する受信部と、
   前記受信した信号から前記周波数オフセットを検出し、前記周波数オフセットから前記レーン並べ替えインデックスを算出する周波数オフセット推定部と、
   前記受信された信号を前記複数の信号レーンに展開する信号列変換部と、
   前記複数の信号レーンの並び順を、前記レーン並べ替えインデックスに従って入れ替えて本来の並び順を復元するレーン並べ替え復元部と、
   前記復元された複数の信号レーンに配置されるフレームをシリアル変換して送信されたデータフレームを再生する多重部と、
   を含む光受信器。
6. 前記検出された周波数オフセットに基づいて前記受信した信号の周波数オフセットを補償する周波数オフセット補償部、
   をさらに有し、
   前記信号列変換部は、前記周波数オフセット補償がされた受信信号を前記複数の信号レーンに展開することを特徴とする請求項５に記載の光受信器。
7. 前記複数の信号レーンの各々からレーンＩＤを取得するレーンＩＤ取得部と、
   前記取得されたレーンＩＤに基づいて、前記複数の信号レーンのローテーションを元に戻すデローテーション部と、
   をさらに有し、前記レーン並べ替え復元は、前記レーンのデローテーションの後に行われることを特徴とする請求項５又は６に記載の光受信器。
8. 前記複数の信号レーンの数をＮとすると、前記レーン並び替えインデックスは、Ｎ×Ｍフレーム（Ｍは整数）前のデータに重畳されて受信されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の光受信器。
9. 送信側において、送信信号のデータフレームを所定の長さに分断して複数の信号レーンに展開し、
   前記複数の信号レーンの並び順を示すインデックスに基づいて、前記複数の信号レーンを並べ替え、
   前記インデックスを前記送信信号の搬送波の周波数オフセットとして前記送信信号に重畳して送信する
   ことを特徴とする光伝送方法。
10. 受信側において、前記周波数オフセットを含む信号を受信し、
    前記受信した信号から前記周波数オフセットを検出し、
    前記周波数オフセットから前記インデックスを算出し、
    前記受信した信号を前記複数の信号レーンに展開し、
    前記複数の信号レーンの並び順を、前記インデックスに従って入れ替えて本来の並び順を復元し、前記データフレームを再生する、
    工程をさらに含む請求項９に記載の光伝送方法。

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