JP3790923B2 - 光通信送信機及び光通信受信機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光符号分割多元接続方式を用いた光CDMA通信方式において用いられる変調方法、及び変調方法を用いた符号化方法に関するものであり、詳しくは、光符号分割多元接続方式で問題となる多元接続干渉に対して耐干渉除去能力を向上させるとともに、拡散符号系列長当たりの送信信号の多値化により情報伝送速度を高める変調方法、及び変調方法に対するさらなる耐干渉除去能力を向上させる符号化方法、及び変調方法及び符号化方法を用いた光CDMA通信方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光符号分割多元接続（Code Division Multiple Access: 以下、「光CDMA」と呼ぶ）通信方式は、各ユ−ザの光信号を拡散符号を用いて符号化することで、一つの光伝送路を共有して多元接続を行う光CDMA通信方式である。
【０００３】
図９は、従来の光CDMA通信方式の一例を示す図である。この光CDMA通信方式は、N個の送信機１０と１つの受信機１２とで構成される。
この光CDMA通信方式では、各送信機１０は、情報変調された光信号を割り当てられた拡散符号系列によって拡散された形態で、スターカプラ１１とされたネットワークへ送信される。受信側では、受信機１２において、各送信機１０から拡散された光信号を受信する。この受信機１２においては、各送信機１０から拡散されて送信された光信号から、目的のユーザの拡散符号系列内の所定の重み位置で変調された光信号を検出する。このとき、拡散符号系列間の相関に起因して、他のユーザが送信した光信号により多元接続干渉を受ける。光CDMA通信方式に同時多元接続するユーザ数の増加につれて、この多元接続干渉の量も増大する。この多元接続干渉の影響により、目的のユーザの信号判定に誤りが起こりやすくなり、結果として、通信品質としてのビット誤り率が劣化するという問題が生じる。
【０００４】
光CDMA通信方式では、まず送信側において、送信したい情報によって光信号が一次変調される。一次変調された光信号は、各ユーザへ固有に割り当てられた拡散符号系列に従って二次変調（以下、「拡散」という）される。このように、光CDMA通信方式では、一次変調された光信号はユーザ固有の拡散符号系列によって拡散された形態で伝送路へ送信される。
【０００５】
一方、受信側では、拡散された光信号を、目的のユーザの拡散符号系列に相関する相関器によって二次復調（以下、「相関検出」という）する。受信光信号には複数のユーザから送信される光信号が含まれるが、この相関検出によって、目的のユーザの拡散符号系列によって拡散された光信号を光受信することができる。相関検出された光信号は、つづく光検出部において一次復調され、送信された情報を判定する。このように、光CDMA通信方式では、送信側において拡散符号を用いて送信する光信号を符号化し、かつ、受信側において受信した光信号を拡散符号に対応する相関器によって相関検出することで光通信を行うっている。よって、固有の時間又は波長を各ユーザへ割り当てることにより多元接続をはかる他の光多元接続方式と比較して、
(1)拡散符号を用いているためシステム同期をとる必要がない
(2) (1)と同様の理由で正確な波長（光周波数）を制御する必要がない
(3)各ユーザを符号によって識別しているため、符号を知らなければ復調することができず原理的に秘特性に優れている
(4)交換機を介さない直接通信が可能であるため、拡散符号による自己ルーティング機能を有する
などの利点を有する。
【０００６】
しかしながら、従来の光CDMA通信方式においては、光受信信号から相関器によって目的のユーザの光信号を識別しているので、他のユーザに割り当てられる拡散符号系列間の相互相関に起因して多元接続干渉を生じてしまうという問題があった。この問題は、同時に通信を行うユーザ数の増加につれて顕著となり、その結果、一定の通信品質を確保するために同時に通信可能なユ−ザ数を制限せざるを得なくなってしまい、その通信容量が制限されてしまう。
【０００７】
従来、光CDMA通信方式における変復調方式として、以下の文献情報[1],[2],[3],[4]に示すように、情報シンボル「１」又は「０」をそれぞれ光の「オン」又は「オフ」に対応させるオンオフキーイング（以下、「OOK」とよぶ）変調が用いられてきた。
【０００８】
[1] P.P.prucnal,M.A.Santoro,and S.K.Sehgal,“Ulrafast all-optical synchronous multiple access fiber networks,"IEEE J.Select.Areas Commun.,Vol.SAC-4,no.9,pp.1484-1493,Dec.1986.
[2] H.M.Kwon,"Optical orthogonal code-division multiple-access system-part I:APD noise and thermal noise,"IEEE Trans. Commun.,vol.42,no.7,pp.2470-2479,July 1994.
[3] J.A.Salehi,"Code division multiple-access techniques in optical fiber networks-part I: fundamental principles," IEEE Trans. Commun.,Vol.37,no.8,pp.824-833,Aug 1989.
[4] H.M.H.Shalaby, "Chip-level detection in optical code division multiple access,”J.Lightwave Technol., vol.16,no.6,pp.1077-1087,June 1998.
【０００９】
このOOK変調を光CDMA通信方式で用いた場合、送信する情報ビットが「１」のとき、2次変調によって各ユーザの拡散符号系列の重み位置に光信号が拡散され送信されるのに対して、送信する情報ビットが「0」のとき、各ユーザの拡散符号の重み位置に光信号は送信されない。したがって、受信側で目的のユーザの重み位置にある光信号と相関する相関受信機は、その相関出力が設定されたしきい値以上の大きな信号を得たとき、送信された情報シンボルは「１」であると判定するのに対して、相関出力がしきい値より小さい信号であったとき、情報シンボルは「０」であると判定する。光CDMA通信方式で用いる拡散符号の符号系列の重み位置が、他の符号系列の重み位置と重ならなければ、理想的には、目的のユーザが送信する光信号と他のユーザが送信する光信号とは相関しない。拡散符号系列間の多元接続干渉の多寡を評価する量として、目的のユーザの拡散符号系列と任意の時間シフトを与えたユーザの拡散符号系列との相互相関が考えられる。
【００１０】
ある拡散符号系列長に対して、拡散符号系列内の重み位置が重ならないように拡散符号系列を設計することは不可能である。拡散符号として、たとえば、拡散符号系列間の相互相関が最大で「１」となるような拡散符号系列の集合として、以下の文献[5],[6]に示すように光直交符号(以下、Optical Orthogonal Code「OOC」とよぶ)が知られている。
【００１１】
[5] F.R.K. Chung,J.A.Salehi,and V.K. Wei,“Optical orthogonal codes: design,analysis,and applications,”IEEE Trans,Inform.Theory,vol.IT-35,pp.595-604,May 1989.
[6] M.Azizoglu,J.A.Salehi,and Y.Li,“Optical CDMA via temporal codes,” IEEE Trans,Commun.,vol.40,no.7,pp.1162-1170,July 1992.
【００１２】
このOOCは、自己相関（自系列間の相互相関）のピークが重み数(系列内の「１」の数）に等しく、相互相関値が最大で「１」となる符号系列の集合である。この符号によって、他のユーザからの多元接続干渉の影響を除去し、通信品質のよい光多元接続方式を実現することができる。このとき、拡散符号の重みを大きくすることで、目的のユーザからの信号を大きくすることができるという利点が得られる一方、与えれた符号系列長において、拡散符号間の相互相関の最大値を「１」とする拡散符号の設計指針を満たす符号系列数が減ってしまうという欠点を有する。したがって、光CDMA通信方式では、１ビットの情報を伝送するために、一般に、長い符号系列長を必要とするシンボル構成となってしまう。このような問題は、光強度を扱った変調方式を用いた光CDMA通信方式では共通して見られる問題である。
【００１３】
その他に、目的のユーザの拡散符号と相関する相関受信器のみを用いて復号するシングルユーザ受信が広く研究されてきた。この種の受信方法の場合、同時多元接続ユーザ数が増大するにつれて、多元接続干渉の影響により、通信品質は劣化する。また、この通信品質の劣化を軽減するために光ハードリミッタを相関器とともに用いることが知られているが、この方法においても、スレッショルド検出を行うので、通信品質を良好に保つ最適なスレッショルドを受信側で維持できなかった。すなわち、光CDMA通信方式は、干渉依存型方式であるので、常に最適なスレッショルドで信号判定を行うことができず良好な通信品質を保つことができなかった。
【００１４】
一方、光CDMA通信方式の受信方法として、以下の文献[7]に示すように受信した光信号について、他のユーザの信号に関する情報、たとえば、拡散符号、信号遅延量、又は信号強度などを利用して復号することで、目的のユ−ザの通信品質を改善するマルチユ−ザ受信が注目を集めている。
【００１５】
[7] S.Verdu,“Multiple-access channels with point-process observations: optimum demodulation,”IEEE Trans,Inform.Theory,vol.IT-32,pp.642-651,Sep.1986.
マルチユ−ザ受信においては、シングルユ−ザ受信に比べて他のユ−ザの信号情報を利用して目的のユ−ザの信号判定を行うので、受信側において多元接続干渉の影響を小さくできるという利点がある。
【００１６】
しかしながら、マルチユーザ受信において、優れた通信品質が得られるのに対して、その信号判定にともなう複雑性が問題となっていた。ユ−ザ数が増加するにつれて、その受信方法又は受信機の構成は複雑になり、信号判定に要する計算量は指数関数的に増大してしまう。この複雑性を緩和するために、以下の文献 [8],[9],[10],[11],[12],[13]に示すように他のマルチユーザ受信が研究されてきた。
【００１７】
[8] M.Brandt-Pearce,and B.Aazhang,“Multiuser detection for optical code division multiple access systems,"IEEE Trans.Commun.,vol.42,no.2./3./4,pp.1801-1810,Apr.1994.
[9] M.Brandt-Pearce,and B.Aazhang,"Performance analysis of single-user and multiuser detectors for optical code division multiple access communication systems,"IEEE Trans.Commun.,vol,43,no.2/3/4,pp.435-444,Feb/Mar/Apr.1995.
[10] L.B.Nelson,and H.V.Poor, "Performance of multiuser detection for optical CDMA-part I: error probabilities,"IEEE Trans.Commun.,vol.43,no.11.pp.2803-2811,Nov.1995.
[11] L.B.Nelson,and H.V.Poor, "Performance of multiuser detection for optical CDMA-part II: asymptotic analysis,"IEEE Trans.Commun.,vol.43,no.12,pp.3015-3024,Dec.1995.
[12] J.T.K.Tang,and K.B.Letaief,"A new multiuser detector for optical code division multiple access communications systems,"Proc.IEEE ICC '97,vol.1/3.pp.126-130,Montreal,Quebec Canada,June 1997.
[13] D.Brady,S.Verdu,"A semiclassical analysis of optical code division multiple access,"IEEE Trans.Commun,vol.39,no.1,pp.85-93,Jan,1991.
【００１８】
たとえば、文献[8]においては、多段ステージで信号判定を行う。前ステージにおいて他のユーザの信号に関する情報を用いて受信することにより干渉量を推定し、この推定された干渉量を用いて次ステージでの信号判定を行う。これを繰り返すことで、通信品質を向上させている。
【００１９】
また、文献[10][11] では、他のユーザの拡散符号とその遅延量が予め既知であることを利用して、その干渉を受けている光信号を信号判定に用いないことで、多元接続干渉を除去している。
文献[12]では、両受信方法を組み合わせることで、その通信品質を向上させている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いずれの受信方法においても、信号判定を行う際に受信機において、他のユーザの拡散符号、信号遅延量、又は信号強度に関する情報を予め知っている必要がある。すなわち、良好な通信品質を維持するために、信号判定の複雑さを犠牲にしていた。
また、これらの信号判定は、電気段において信号処理を行うので、通信速度は広帯域な光伝送を用いたとしても電気信号の帯域に制限されてしまうといった欠点もあった。
【００２１】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、多元接続干渉に対する干渉除去能力の向上と、拡散符号系列長当たりの伝送速度を向上することができ、さらに多元接続干渉に対する干渉除去能力を向上させることができる光通信送信機及び光通信受信機を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願発明の光通信送信機は、１つの拡散符号系列の重み位置で送信される複数のビットが複数の送信ビットに応じて別々の状態となる光信号を送信する。
【００２３】
また、送信する情報ビットに応じた誤り訂正符号語を生成して前記送信ビットとすることで、光通信路において加わった多元接続干渉により、光検出器で重み位置の光信号に対するビット判定を誤ったとしても、正しい符号語へ訂正し、符号語から情報ビットを受信することができるので、多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２４】
また、前記誤り訂正符号語は、受信光が存在しないビット０から受信光が存在するビット１へ誤る場合のみに誤り訂正が可能であることで、非対称誤りを訂正するために符号語に付加される冗長ビット数は、対称誤りを訂正するために付加される冗長ビット数よりも一般に少ないので、光通信路で加わる多元接続干渉により、拡散符号系列の重み位置で生じるビット誤りをより短い符号語長で訂正可能となる。
【００２５】
また、前記光信号は、受信側でビットに消失状態が存在する変調をされていることで、あらたに冗長ビットを付加することなく、多元接続干渉に対する耐性を高めることができるので、情報伝送速度を維持しながら、より多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２６】
また、符号語を元とするガロア体上で、情報元に対して受信側で誤り元を訂正可能な冗長元を付加した符号ブロックを生成して前記送信ビットとして出力する符号語ブロック生成器を備えることで、符号語判定器が訂正可能なビット数を超えた多元接続干渉が光通信路で加わる場合に符号語誤りが生じても、符号語ブロック判定器が訂正可能な符号語数の範囲であれば、符号語誤りを正しい符号語へ訂正することができるので、各重み位置で送信した誤り訂正符号の訂正能力以上に多元接続干渉を受けた場合においても、さらに多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２７】
また、本発明の光通信受信機は、受信される光信号を電気信号に変換する光検出器と、該光検出器の出力をしきい値と比較してビットの状態を判定するビット判定器と、該ビット判定器の出力の内の１つの拡散符号系列内の重み位置にあるビットに基づいて複数ビット情報を復号する拡散復号器とを備える。
【００２８】
また、前記拡散復号器で復号された符号語の誤りを訂正する符号語判定器をさらに備えることで、光通信路において加わった多元接続干渉により、光検出器で重み位置の光信号に対するビット判定を誤ったとしても、正しい符号語へ訂正し、符号語から情報ビットを受信することができるので、多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２９】
また、前記符号語判定器は、受信光が存在しないビット０から受信光が存在するビット１へ誤っている場合のみに誤りを訂正できる誤り訂正をすることで、非対称誤りを訂正するために符号語に付加される冗長ビット数は、対称誤りを訂正するために付加される冗長ビット数よりも一般に少ないので、光通信路で加わる多元接続干渉により、拡散符号系列の重み位置で生じるビット誤りをより短い符号語長で訂正可能となる。
【００３０】
また、前記符号語判定器は、消失状態のビットを訂正することで、あらたに冗長ビットを付加することなく、多元接続干渉に対する耐性を高めることができるので、情報伝送速度を維持しながら、より多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００３１】
また、前記符号語判定器で誤り訂正された符号語の誤り元を訂正する符号語ブロック判定器をさらに備えることで、符号語判定器が訂正可能なビット数を超えた多元接続干渉が光通信路で加わる場合に符号語誤りが生じても、符号語ブロック判定器が訂正可能な符号語数の範囲であれば、符号語誤りを正しい符号語へ訂正することができるので、各重み位置で送信した誤り訂正符号の訂正能力以上に多元接続干渉を受けた場合においても、さらに多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態として、添付図面を参照しながら直接変調直接検出光符号分割多元接続多元接続(CDMA)に用いた光通信方式について説明する。
ここで、直接変調直接検出とは、送信側で、光信号として光の強度を送信ビット「１」又は「０」に従って、それぞれ「オン」又は「オフ」に変調し、受信側で、その強度を直接検出して光電流へ変換する方式をいう。
【００３３】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
本実施の形態は、符号分割多元接続（CDMA）通信技術を用いた分野において、拡散符号系列時間当たり１シンボルしか伝送できなかったのに対して、多シンボルを伝送することができる多値変調方式に関するものであり、さらに光CDMA通信方式において問題となる多元接続干渉に対する耐性を向上させるために誤り訂正符号を多値化したシンボル内へ埋め込んでいく新しい変調方式に関するものである。
【００３４】
図１に示すように、本実施の形態は送信機と受信機とから構成されている。
送信機は、強度変調するための光を発生するレーザ発生器１と、冗長ビットを付加した非対称誤り訂正符号（AEC符号）を生成するAEC符号語生成器３と、AEC符号語生成器３において生成された符号語によって、重み位置ごとに拡散された光信号を送信するビットに従って強度変調するOOC符号語生成器４とから構成され、OOC符号語生成器４の中心をなすのがマーク/スペース変調器４１である。
【００３５】
一方、受信機は、重み位置で変調された光信号を検出する光検出器７１と、光検出器７１の出力を所定のしきい値と比較してビットを判定するビット判定器７２と、ビット判定器７２から出力されたビットからなる符号語を判定するAEC符号語判定器６とから構成され、光検出器７１とビット判定器７２は、OOC符号語判定器７に含まれる。
【００３６】
図２は、図１に示したOOC符号語生成器４の内部構成を示すブロック図である。
図２に示すように、OOC符号語生成器４は、レーザ発生器１から出力された光を分割するl×Wスプリッタ４２と、分割された光を遅延させる複数の光学遅延線４３と、複数の光学遅延線４３で遅延された光を符号語の各ビットの状態に応じて変調する複数のマーク/スペース変調器４１と、複数のマーク/スペース変調器４１の出力を１つに結合するl×Wコンバイナ４４とから構成される。
【００３７】
それでは、拡散符号系列の集合としての光直交符号（OOC）によって、光信号としての光パルスを拡散する場合を説明する。
このOOCは、系列長L，重みW（拡散符号系列内の「１」の数）であり、オフピーク自己相関及び相互相関の最大値はともに１である拡散符号系列の集合であり、このような拡散符号系列数は、次の式で与えられる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
次に、符号語としての、ビット０からビット１へ誤る場合のみを訂正可能なように冗長ビットを付加した非対称誤り訂正符号（AEC符号）からなる符号語について説明する。
【００４０】
このAEC符号が符号語内のビット列に生じた非対称誤りを訂正可能なビット数を示す量として、非対称距離がある。今、符号語長８の任意の２つの符号語をそれぞれx=(01001101)とy=(01010110)すると、この2つの符号語間の非対称距離は次のように定義される。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ただし、N(x,y)はxi=1かつyi=0であるようなビット位置iの数を表す。すべての符号語間に対して、【数２】で定義される非対称距離をはかったとき、その最小非対称距離がt+1であるとき、それら符号語の集合である符号Ｃは、ｔビット以下の非対称誤りを訂正可能な非対称誤り訂正符号となる。すなわち、次の必要十分条件を満たす符号語の集合Ｃは、ｔ以下の非対称誤りを訂正可能な非対称誤り訂正符号である。
【００４３】
【数３】
【００４４】
図３(a)は、(8,5,1)-非対称誤り訂正符号例を示す図である。
図３(a)から分かるように、符号語長８をもち、１つ以下の非対称誤りを訂正可能な符号語の集合は、32個存在する。したがって、これら32=25個の符号語によって、5ビットの情報ビットの入力に対して、各入力情報ビット列を32個のいずれかの符号語に対応させて送信する。今、符号語長をn、入力情報ビット数をk、訂正可能な非対称誤り訂正ビット数をｔとして、(n,k,t)-非対称誤り訂正符号と表すとすると、ここで示した例は、(8,5,1)-非対称誤り訂正符号となる。
図３(b)は、(10, 4, 2)-，(11, 3, 3)-，(14, 3, 4)-非対称誤り訂正符号例を示す図である。図３(b)は、図３(a)とは異なる他のAEC符号を示すものである。
【００４５】
図４は、(8, 5, 1)-AEC符号の送信側からの光信号のようすを示す図である。
i番目のフレーム時間に送信する情報ビットをk(i)とすると、符号語生成器としてのAEC符号化器は、k(i)ビットの入力を受けて、符号語a(i)=(a1(i),...,aω(i),...,aW(i))を出力する。ただし、1≦ω≦Wであり、各符号語内のビットaω(i)∈(1,0)であり、「１」又は「０」はそれぞれ光信号としての「オン」又は「オフ」に対応する。この符号語は、OOCに属する所望ユーザの拡散符号系列内の重み位置にある光信号としての光強度を、符号語内のビットに従って、光変調する。図4からわかるように、拡散符号系列による拡散によって、拡散符号系列内の８個の重み位置へパルスが拡散される。この８個のパルスは、符号語内のビットに従って、「オン」又は「オフ」に強度変調される。その結果、拡散符号系列内の重み位置において、８ビットが送信されることになる。この８個の重みからなる符号語は、５ビットに相当する情報ビットを担っており、受信側で１ビットのビット誤りを訂正可能なように付加された冗長ビット数は３ビットである。
【００４６】
図５(a)は、干渉がない場合の２値光チャネルを示す図であり、図５(b)は、干渉がある場合の２値光チャネルを示す図である。
光通信チャネルは非対称チャネルであると考えられ、光子の検出は失敗することがあり、光子の発生は不可能であるので、マークからスペースへ遷移する確率は、スペースからマークへ遷移する可能よりも著しく大きい。信号光と比較すると背景光は無視できる程度に小さいことは事実である。しかしながら、光CDMAチャネルにおいては、これらの確率の関係は、図５(ｂ)において点線で示す干渉確率ρに起因して逆になる。ρは干渉のマークが目的とするユーザの１つのシーケンスの重み位置の１つと重なる確率を示す。干渉ユーザ１人あたりの干渉確率が低くても、相関受信機（従来の受信機）では、信号判定にすべての重み位置で得られる光子数を用いるので、目的とするユーザの重み位置全体としては、干渉の影響を大きく受ける。したがって、このような受信機は多元接続干渉の影響を受けやすく、ビット誤り率（BER）は、大きく劣化する。システムに多くのユーザがアクセスするにつれて、この問題は顕著となる。すなわち、ユーザが多いときのビット誤り率は悪い（高い）。
【００４７】
次に、受信側を説明する。受信された光信号は、拡散符号系列の各チップ時間に渡って積分され、所望ユーザの拡散符号系列内の重み位置のチップ時間ごとに積分出力を得るサンプラとしての光検出器７１によりサンプリングされ、光検出される。光検出信号はビット判定器７２によってしきい値と比較判定される。このとき、光検出信号がしきい値以上であるならば、ビット判定器７２は重み位置において「１」を出力するのに対して、しきい値未満であるならば、「０」を出力する。このようにして、拡散符号系列内のすべての重み位置Wにおいて判定されたビットは、フレーム時間に送信された符号語として、符号語判定器としてのAEC符号語判定器へ入力される。AEC符号語判定器では、符号語内のビットにt以下の非対称誤りが起こっているときは、もっとも非対称距離が近い符号語を送信された符号語として復号する。したがって、t以下の非対称誤りを訂正することができ、符号語に対応する情報ビットが受信されたとして出力する。
【００４８】
本実施の形態によれば、各重み位置でビットが送受信されるので、拡散符号系列時間当たりに重み位置に等しいビット数が送信できる。また、送信ビット列は、光伝送路で加わる多元接続干渉によって、受信した符号語内にビット誤りが生じたとしても、訂正可能な範囲内であれば、訂正することができるので、多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、受信側で誤り訂正可能な符号語として、非対称誤り訂正符号による符号語を用いた例を示したが、非対称誤り訂正符号を用いることで、対称誤り訂正符号による符号語を用いたものよりも、一定の訂正可能なビット数に対して、符号語長対情報ビット数の比率（以下、「符号化率」という）を高めることができる。
たとえば、１ビット誤り訂正可能な符号について、対称誤り訂正符号では、７ビットの符号語長に対して、４ビットの情報ビットとなる（(7,4)ハミング符号）がある。この(7,4)ハミング符号の符号化率は、0.571である。一方、第１の実施の形態における(8,5,1)AEC符号では、0.625となり、符号化率の点で優れる。
【００５０】
なお、(7,4)BCH符号は、同時に非対称誤り訂正符号としても用いることもできる。OOCを用いた光CDMA通信方式では、【数１】で示したように、拡散符号系列内の重み数を大きくするにつれて、システムで用いることができる拡散符号系列数が大きく減少してしまうという問題があるので、一定の訂正可能なビット誤り数を、より少ない重み数で実現できるという効果は非常に大きい。また、対称誤り訂正符号を用いる場合、BCH符号では、１，２，３ビット誤りを訂正可能とするためには、(15,11)，(15,7)，(15,5)BCH符号となる。他にも、同様の目的を達成するためのBCH符号は存在するが、符号語長が，31=25-1，63=26-1，127=27-1，．．．と大きくなってしまう。このとき、一定の拡散符号系列数を確保するためには、非常に大きな拡散符号系列長を要することになり、結果として、系列時間あたりの情報ビット数が減少してしまう。
【００５１】
一方、図３(a)及び図３(b)で示した非対称誤り訂正符号によれば、１，２，３，及び４ビット以下の誤りを訂正するために必要となる重み数は、それぞれ８，10，11，及び14と小さい。その結果、一定の拡散符号系列数を確保するために、大きな拡散符号系列長を要することがなくなり、系列時間あたりの情報ビット数を高めることができるという効果がある。よって、効果的に多元接続干渉に対する耐干渉性を高めることができる。
【００５２】
第１の実施の形態では、非対称誤り訂正符号を用いた例を示したが、対称誤り訂正符号を用いても、多元接続干渉に対する耐干渉性を高めることができる。また、さらに、誤り訂正符号を用いる実施の形態を示したが、誤り訂正符号によって冗長ビットを付加することなく、すべての重み位置で情報ビットを送信してもよい。そのような実施の形態においては、符号系列長当たりの情報ビットの伝送速度を高められるという効果がある。
次に、本発明に係わる光CDMA通信方式の第２の実施の形態を説明する。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、「１」又は「０」を、光変調方式として「オン」又は「オフ」に対応させたが、消失状態を構成する光変調方式として、以下のように構成した実施の形態を説明する。本実施の形態では、図６に示すように、マーク/スペース変調器４１に代えて、マンチェスタ符号生成器４１’を、AEC符号語生成器３に代えて、BCH符号語生成器３’を、AEC符号語判定器６に代えて、BCH符号語判定器６’を用いている。
【００５４】
図７は、本実施の形態に係わる消失状態を構成する光変調方式の例を示す図である。
受信側では、２つスロットに対して、しきい値よりも大きな光信号を検出したスロットに対応するビットを出力する。したがって、他のユーザも同様の変調方式をとるので、他のユーザからの光信号によって、いずれかのスロットが干渉され得る。このような多元接続干渉によって、所望するユーザが光信号を送信しないスロットへ干渉することによって、しきい値を超えたとき、両スロットがしきい値を超えてしまうことになりうる。この状態を消失状態とする。他に、両スロットともに、しきい値以上の光信号を受信しないときも、送信光信号ではないので、消失状態とする。強度変調に基づいた光CDMA方式では、光伝送路では、他のユーザからの多元接続干渉の影響は加法的であるので、受信したときに両スロットがともにしきい値以上の光信号を検出することが多くなる。受信した光信号に対して、消失判定を行うビット判定器の後段で、符号語内に消失ビットを含む符号語を判定することができる符号語判定器では、符号語内の誤りビット数をe，ハミング距離をdとすると、
【００５５】
【数４】
で与えられる消失ビット数hまで訂正可能となる。
【００５６】
このような光変調方式を用いることにより、多元接続干渉により符号語内のビットに誤りを生じることはなくなり、多元接続干渉の影響は消失状態となる。したがって、【数４】で、e=0とすると、復元可能な消失ビット数は、d-1で与えられることになり、多元接続干渉の影響を誤りビットとして訂正するよりも、多元接続干渉の影響を消失ビットとして復元する方が、より多元接続干渉の影響を除去することができる。なお、各重み位置において、２つのスロットを設け、「１」に対しては始めのスロットに光を配置し、「０」に対しては後ろのスロットへ光パルスを配置するようにしてもよい。
本実施の形態によれば、冗長ビットをあらたに付加することなく、多元接続干渉に対する耐性をより高めることができるという効果がある。
続いて、本発明に係わる光CDMA通信方式の第３の実施の形態を説明する。
【００５７】
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
本実施の形態は、送信側のAEC符号語生成器３の前段に本発明の実施の形態に係る符号語ブロック生成器としてのリードソロモン符号語生成器２を設け、受信側のAEC符号語判定器５の後段に符号語ブロック判定器としてのリードソロモン符号語判定器５を設けたものである。
【００５８】
本実施の形態では、拡散符号系列としての重みW、系列長LのOOC、符号語としての(W,k,t)AEC符号，及び(J, K)リードソロモン符号を用いている。
この(J, K)リードソロモン符号は、K語の符号語を送信するごとに、J-K語の符号語を付加することで、受信側でJ語からなる符号語ブロック内に、
語以下の符号語を訂正することができる誤り訂正符号である。
【００５９】
本実施の形態によれば、符号語が属する誤り訂正符号の訂正能力を超えて多元接続干渉の影響によって、符号語内にビット誤りが生じる場合においても、符号語ブロック内の誤り符号語がリードソロモン符号の訂正可能な符号語数以下であれば、訂正することができる。
したがって、さらに、多元接続干渉に対する耐性を高めることができるという効果がある。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６０】
上記実施の形態では、マーク/スペース変調器が埋め込まれたOOC符号語生成器によってレーザ光を外部変調しているが、レーザ発生器の共振器の外部におかれた光変調器によって送信符号系列（送信ビットで変調された拡散符号系列）に従ってレーザ光を外部変調するようにしても良い（いずれも外部変調型）。また、レーザ発生器から出たレーザ光を変調するのではなく、レーザ発生器の共振器の内部におかれた光変調器によって送信符号系列に従ってレーザ光を内部変調するようにしても良い（内部変調型）。さらに、レーザ発生器への注入電流を送信符号系列に従って変調することでレーザ発生器から出るレーザ光を直接変調するようにしても良い（直接変調型）。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、拡散符号系列内の重み位置の数だけビットを送信することができるので、拡散符号系列が送信される時間当たりに多くのビットを送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光CDMA通信方式の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示したOOC符号語生成器の内部構成を示すブロック図である。
【図３】 (a)は、(8,5,1)-非対称誤り訂正符号例を示す図であり、(b)は、(10, 4, 2)-，(11, 3, 3)-，(14, 3, 4)-非対称誤り訂正符号例を示す図である。
【図４】 (8, 5, 1)-AEC符号の送信側からの光信号のようすを示す図である。
【図５】 (a)は、干渉がない場合の２値光チャネルを示す図であり、 (b)は、干渉がある場合の２値光チャネルを示す図である。
【図６】本発明に係る光CDMA通信方式の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図７】本実施の形態に係わる消失状態を構成する光変調方式の例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
【図９】従来の光CDMA通信方式の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ発生器
２ リードソロモン符号語生成器
３ AEC符号語生成器
４，４’OOC符号語生成器
４１’マンチェスタ符号生成器
５ リードソロモン符号語判定器
６ AEC符号語判定器
６’BCH符号語判定器
７ OOC符号語判定器
１０ 送信機
１１ スターカプラ
１２ 受信機
４１ マーク/スペース変調器
４２ l×Wスプリッタ
４３ 光学遅延線
４４ l×Wコンバイナ
７１ 光検出器
７２ ビット判定器
【発明の属する技術分野】
本発明は、光符号分割多元接続方式を用いた光CDMA通信方式において用いられる変調方法、及び変調方法を用いた符号化方法に関するものであり、詳しくは、光符号分割多元接続方式で問題となる多元接続干渉に対して耐干渉除去能力を向上させるとともに、拡散符号系列長当たりの送信信号の多値化により情報伝送速度を高める変調方法、及び変調方法に対するさらなる耐干渉除去能力を向上させる符号化方法、及び変調方法及び符号化方法を用いた光CDMA通信方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光符号分割多元接続（Code Division Multiple Access: 以下、「光CDMA」と呼ぶ）通信方式は、各ユ−ザの光信号を拡散符号を用いて符号化することで、一つの光伝送路を共有して多元接続を行う光CDMA通信方式である。
【０００３】
図９は、従来の光CDMA通信方式の一例を示す図である。この光CDMA通信方式は、N個の送信機１０と１つの受信機１２とで構成される。
この光CDMA通信方式では、各送信機１０は、情報変調された光信号を割り当てられた拡散符号系列によって拡散された形態で、スターカプラ１１とされたネットワークへ送信される。受信側では、受信機１２において、各送信機１０から拡散された光信号を受信する。この受信機１２においては、各送信機１０から拡散されて送信された光信号から、目的のユーザの拡散符号系列内の所定の重み位置で変調された光信号を検出する。このとき、拡散符号系列間の相関に起因して、他のユーザが送信した光信号により多元接続干渉を受ける。光CDMA通信方式に同時多元接続するユーザ数の増加につれて、この多元接続干渉の量も増大する。この多元接続干渉の影響により、目的のユーザの信号判定に誤りが起こりやすくなり、結果として、通信品質としてのビット誤り率が劣化するという問題が生じる。
【０００４】
光CDMA通信方式では、まず送信側において、送信したい情報によって光信号が一次変調される。一次変調された光信号は、各ユーザへ固有に割り当てられた拡散符号系列に従って二次変調（以下、「拡散」という）される。このように、光CDMA通信方式では、一次変調された光信号はユーザ固有の拡散符号系列によって拡散された形態で伝送路へ送信される。
【０００５】
一方、受信側では、拡散された光信号を、目的のユーザの拡散符号系列に相関する相関器によって二次復調（以下、「相関検出」という）する。受信光信号には複数のユーザから送信される光信号が含まれるが、この相関検出によって、目的のユーザの拡散符号系列によって拡散された光信号を光受信することができる。相関検出された光信号は、つづく光検出部において一次復調され、送信された情報を判定する。このように、光CDMA通信方式では、送信側において拡散符号を用いて送信する光信号を符号化し、かつ、受信側において受信した光信号を拡散符号に対応する相関器によって相関検出することで光通信を行うっている。よって、固有の時間又は波長を各ユーザへ割り当てることにより多元接続をはかる他の光多元接続方式と比較して、
(1)拡散符号を用いているためシステム同期をとる必要がない
(2) (1)と同様の理由で正確な波長（光周波数）を制御する必要がない
(3)各ユーザを符号によって識別しているため、符号を知らなければ復調することができず原理的に秘特性に優れている
(4)交換機を介さない直接通信が可能であるため、拡散符号による自己ルーティング機能を有する
などの利点を有する。
【０００６】
しかしながら、従来の光CDMA通信方式においては、光受信信号から相関器によって目的のユーザの光信号を識別しているので、他のユーザに割り当てられる拡散符号系列間の相互相関に起因して多元接続干渉を生じてしまうという問題があった。この問題は、同時に通信を行うユーザ数の増加につれて顕著となり、その結果、一定の通信品質を確保するために同時に通信可能なユ−ザ数を制限せざるを得なくなってしまい、その通信容量が制限されてしまう。
【０００７】
従来、光CDMA通信方式における変復調方式として、以下の文献情報[1],[2],[3],[4]に示すように、情報シンボル「１」又は「０」をそれぞれ光の「オン」又は「オフ」に対応させるオンオフキーイング（以下、「OOK」とよぶ）変調が用いられてきた。
【０００８】
[1] P.P.prucnal,M.A.Santoro,and S.K.Sehgal,“Ulrafast all-optical synchronous multiple access fiber networks,"IEEE J.Select.Areas Commun.,Vol.SAC-4,no.9,pp.1484-1493,Dec.1986.
[2] H.M.Kwon,"Optical orthogonal code-division multiple-access system-part I:APD noise and thermal noise,"IEEE Trans. Commun.,vol.42,no.7,pp.2470-2479,July 1994.
[3] J.A.Salehi,"Code division multiple-access techniques in optical fiber networks-part I: fundamental principles," IEEE Trans. Commun.,Vol.37,no.8,pp.824-833,Aug 1989.
[4] H.M.H.Shalaby, "Chip-level detection in optical code division multiple access,”J.Lightwave Technol., vol.16,no.6,pp.1077-1087,June 1998.
【０００９】
このOOK変調を光CDMA通信方式で用いた場合、送信する情報ビットが「１」のとき、2次変調によって各ユーザの拡散符号系列の重み位置に光信号が拡散され送信されるのに対して、送信する情報ビットが「0」のとき、各ユーザの拡散符号の重み位置に光信号は送信されない。したがって、受信側で目的のユーザの重み位置にある光信号と相関する相関受信機は、その相関出力が設定されたしきい値以上の大きな信号を得たとき、送信された情報シンボルは「１」であると判定するのに対して、相関出力がしきい値より小さい信号であったとき、情報シンボルは「０」であると判定する。光CDMA通信方式で用いる拡散符号の符号系列の重み位置が、他の符号系列の重み位置と重ならなければ、理想的には、目的のユーザが送信する光信号と他のユーザが送信する光信号とは相関しない。拡散符号系列間の多元接続干渉の多寡を評価する量として、目的のユーザの拡散符号系列と任意の時間シフトを与えたユーザの拡散符号系列との相互相関が考えられる。
【００１０】
ある拡散符号系列長に対して、拡散符号系列内の重み位置が重ならないように拡散符号系列を設計することは不可能である。拡散符号として、たとえば、拡散符号系列間の相互相関が最大で「１」となるような拡散符号系列の集合として、以下の文献[5],[6]に示すように光直交符号(以下、Optical Orthogonal Code「OOC」とよぶ)が知られている。
【００１１】
[5] F.R.K. Chung,J.A.Salehi,and V.K. Wei,“Optical orthogonal codes: design,analysis,and applications,”IEEE Trans,Inform.Theory,vol.IT-35,pp.595-604,May 1989.
[6] M.Azizoglu,J.A.Salehi,and Y.Li,“Optical CDMA via temporal codes,” IEEE Trans,Commun.,vol.40,no.7,pp.1162-1170,July 1992.
【００１２】
このOOCは、自己相関（自系列間の相互相関）のピークが重み数(系列内の「１」の数）に等しく、相互相関値が最大で「１」となる符号系列の集合である。この符号によって、他のユーザからの多元接続干渉の影響を除去し、通信品質のよい光多元接続方式を実現することができる。このとき、拡散符号の重みを大きくすることで、目的のユーザからの信号を大きくすることができるという利点が得られる一方、与えれた符号系列長において、拡散符号間の相互相関の最大値を「１」とする拡散符号の設計指針を満たす符号系列数が減ってしまうという欠点を有する。したがって、光CDMA通信方式では、１ビットの情報を伝送するために、一般に、長い符号系列長を必要とするシンボル構成となってしまう。このような問題は、光強度を扱った変調方式を用いた光CDMA通信方式では共通して見られる問題である。
【００１３】
その他に、目的のユーザの拡散符号と相関する相関受信器のみを用いて復号するシングルユーザ受信が広く研究されてきた。この種の受信方法の場合、同時多元接続ユーザ数が増大するにつれて、多元接続干渉の影響により、通信品質は劣化する。また、この通信品質の劣化を軽減するために光ハードリミッタを相関器とともに用いることが知られているが、この方法においても、スレッショルド検出を行うので、通信品質を良好に保つ最適なスレッショルドを受信側で維持できなかった。すなわち、光CDMA通信方式は、干渉依存型方式であるので、常に最適なスレッショルドで信号判定を行うことができず良好な通信品質を保つことができなかった。
【００１４】
一方、光CDMA通信方式の受信方法として、以下の文献[7]に示すように受信した光信号について、他のユーザの信号に関する情報、たとえば、拡散符号、信号遅延量、又は信号強度などを利用して復号することで、目的のユ−ザの通信品質を改善するマルチユ−ザ受信が注目を集めている。
【００１５】
[7] S.Verdu,“Multiple-access channels with point-process observations: optimum demodulation,”IEEE Trans,Inform.Theory,vol.IT-32,pp.642-651,Sep.1986.
マルチユ−ザ受信においては、シングルユ−ザ受信に比べて他のユ−ザの信号情報を利用して目的のユ−ザの信号判定を行うので、受信側において多元接続干渉の影響を小さくできるという利点がある。
【００１６】
しかしながら、マルチユーザ受信において、優れた通信品質が得られるのに対して、その信号判定にともなう複雑性が問題となっていた。ユ−ザ数が増加するにつれて、その受信方法又は受信機の構成は複雑になり、信号判定に要する計算量は指数関数的に増大してしまう。この複雑性を緩和するために、以下の文献 [8],[9],[10],[11],[12],[13]に示すように他のマルチユーザ受信が研究されてきた。
【００１７】
[8] M.Brandt-Pearce,and B.Aazhang,“Multiuser detection for optical code division multiple access systems,"IEEE Trans.Commun.,vol.42,no.2./3./4,pp.1801-1810,Apr.1994.
[9] M.Brandt-Pearce,and B.Aazhang,"Performance analysis of single-user and multiuser detectors for optical code division multiple access communication systems,"IEEE Trans.Commun.,vol,43,no.2/3/4,pp.435-444,Feb/Mar/Apr.1995.
[10] L.B.Nelson,and H.V.Poor, "Performance of multiuser detection for optical CDMA-part I: error probabilities,"IEEE Trans.Commun.,vol.43,no.11.pp.2803-2811,Nov.1995.
[11] L.B.Nelson,and H.V.Poor, "Performance of multiuser detection for optical CDMA-part II: asymptotic analysis,"IEEE Trans.Commun.,vol.43,no.12,pp.3015-3024,Dec.1995.
[12] J.T.K.Tang,and K.B.Letaief,"A new multiuser detector for optical code division multiple access communications systems,"Proc.IEEE ICC '97,vol.1/3.pp.126-130,Montreal,Quebec Canada,June 1997.
[13] D.Brady,S.Verdu,"A semiclassical analysis of optical code division multiple access,"IEEE Trans.Commun,vol.39,no.1,pp.85-93,Jan,1991.
【００１８】
たとえば、文献[8]においては、多段ステージで信号判定を行う。前ステージにおいて他のユーザの信号に関する情報を用いて受信することにより干渉量を推定し、この推定された干渉量を用いて次ステージでの信号判定を行う。これを繰り返すことで、通信品質を向上させている。
【００１９】
また、文献[10][11] では、他のユーザの拡散符号とその遅延量が予め既知であることを利用して、その干渉を受けている光信号を信号判定に用いないことで、多元接続干渉を除去している。
文献[12]では、両受信方法を組み合わせることで、その通信品質を向上させている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いずれの受信方法においても、信号判定を行う際に受信機において、他のユーザの拡散符号、信号遅延量、又は信号強度に関する情報を予め知っている必要がある。すなわち、良好な通信品質を維持するために、信号判定の複雑さを犠牲にしていた。
また、これらの信号判定は、電気段において信号処理を行うので、通信速度は広帯域な光伝送を用いたとしても電気信号の帯域に制限されてしまうといった欠点もあった。
【００２１】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、多元接続干渉に対する干渉除去能力の向上と、拡散符号系列長当たりの伝送速度を向上することができ、さらに多元接続干渉に対する干渉除去能力を向上させることができる光通信送信機及び光通信受信機を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願発明の光通信送信機は、１つの拡散符号系列の重み位置で送信される複数のビットが複数の送信ビットに応じて別々の状態となる光信号を送信する。
【００２３】
また、送信する情報ビットに応じた誤り訂正符号語を生成して前記送信ビットとすることで、光通信路において加わった多元接続干渉により、光検出器で重み位置の光信号に対するビット判定を誤ったとしても、正しい符号語へ訂正し、符号語から情報ビットを受信することができるので、多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２４】
また、前記誤り訂正符号語は、受信光が存在しないビット０から受信光が存在するビット１へ誤る場合のみに誤り訂正が可能であることで、非対称誤りを訂正するために符号語に付加される冗長ビット数は、対称誤りを訂正するために付加される冗長ビット数よりも一般に少ないので、光通信路で加わる多元接続干渉により、拡散符号系列の重み位置で生じるビット誤りをより短い符号語長で訂正可能となる。
【００２５】
また、前記光信号は、受信側でビットに消失状態が存在する変調をされていることで、あらたに冗長ビットを付加することなく、多元接続干渉に対する耐性を高めることができるので、情報伝送速度を維持しながら、より多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２６】
また、符号語を元とするガロア体上で、情報元に対して受信側で誤り元を訂正可能な冗長元を付加した符号ブロックを生成して前記送信ビットとして出力する符号語ブロック生成器を備えることで、符号語判定器が訂正可能なビット数を超えた多元接続干渉が光通信路で加わる場合に符号語誤りが生じても、符号語ブロック判定器が訂正可能な符号語数の範囲であれば、符号語誤りを正しい符号語へ訂正することができるので、各重み位置で送信した誤り訂正符号の訂正能力以上に多元接続干渉を受けた場合においても、さらに多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２７】
また、本発明の光通信受信機は、受信される光信号を電気信号に変換する光検出器と、該光検出器の出力をしきい値と比較してビットの状態を判定するビット判定器と、該ビット判定器の出力の内の１つの拡散符号系列内の重み位置にあるビットに基づいて複数ビット情報を復号する拡散復号器とを備える。
【００２８】
また、前記拡散復号器で復号された符号語の誤りを訂正する符号語判定器をさらに備えることで、光通信路において加わった多元接続干渉により、光検出器で重み位置の光信号に対するビット判定を誤ったとしても、正しい符号語へ訂正し、符号語から情報ビットを受信することができるので、多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００２９】
また、前記符号語判定器は、受信光が存在しないビット０から受信光が存在するビット１へ誤っている場合のみに誤りを訂正できる誤り訂正をすることで、非対称誤りを訂正するために符号語に付加される冗長ビット数は、対称誤りを訂正するために付加される冗長ビット数よりも一般に少ないので、光通信路で加わる多元接続干渉により、拡散符号系列の重み位置で生じるビット誤りをより短い符号語長で訂正可能となる。
【００３０】
また、前記符号語判定器は、消失状態のビットを訂正することで、あらたに冗長ビットを付加することなく、多元接続干渉に対する耐性を高めることができるので、情報伝送速度を維持しながら、より多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００３１】
また、前記符号語判定器で誤り訂正された符号語の誤り元を訂正する符号語ブロック判定器をさらに備えることで、符号語判定器が訂正可能なビット数を超えた多元接続干渉が光通信路で加わる場合に符号語誤りが生じても、符号語ブロック判定器が訂正可能な符号語数の範囲であれば、符号語誤りを正しい符号語へ訂正することができるので、各重み位置で送信した誤り訂正符号の訂正能力以上に多元接続干渉を受けた場合においても、さらに多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態として、添付図面を参照しながら直接変調直接検出光符号分割多元接続多元接続(CDMA)に用いた光通信方式について説明する。
ここで、直接変調直接検出とは、送信側で、光信号として光の強度を送信ビット「１」又は「０」に従って、それぞれ「オン」又は「オフ」に変調し、受信側で、その強度を直接検出して光電流へ変換する方式をいう。
【００３３】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
本実施の形態は、符号分割多元接続（CDMA）通信技術を用いた分野において、拡散符号系列時間当たり１シンボルしか伝送できなかったのに対して、多シンボルを伝送することができる多値変調方式に関するものであり、さらに光CDMA通信方式において問題となる多元接続干渉に対する耐性を向上させるために誤り訂正符号を多値化したシンボル内へ埋め込んでいく新しい変調方式に関するものである。
【００３４】
図１に示すように、本実施の形態は送信機と受信機とから構成されている。
送信機は、強度変調するための光を発生するレーザ発生器１と、冗長ビットを付加した非対称誤り訂正符号（AEC符号）を生成するAEC符号語生成器３と、AEC符号語生成器３において生成された符号語によって、重み位置ごとに拡散された光信号を送信するビットに従って強度変調するOOC符号語生成器４とから構成され、OOC符号語生成器４の中心をなすのがマーク/スペース変調器４１である。
【００３５】
一方、受信機は、重み位置で変調された光信号を検出する光検出器７１と、光検出器７１の出力を所定のしきい値と比較してビットを判定するビット判定器７２と、ビット判定器７２から出力されたビットからなる符号語を判定するAEC符号語判定器６とから構成され、光検出器７１とビット判定器７２は、OOC符号語判定器７に含まれる。
【００３６】
図２は、図１に示したOOC符号語生成器４の内部構成を示すブロック図である。
図２に示すように、OOC符号語生成器４は、レーザ発生器１から出力された光を分割するl×Wスプリッタ４２と、分割された光を遅延させる複数の光学遅延線４３と、複数の光学遅延線４３で遅延された光を符号語の各ビットの状態に応じて変調する複数のマーク/スペース変調器４１と、複数のマーク/スペース変調器４１の出力を１つに結合するl×Wコンバイナ４４とから構成される。
【００３７】
それでは、拡散符号系列の集合としての光直交符号（OOC）によって、光信号としての光パルスを拡散する場合を説明する。
このOOCは、系列長L，重みW（拡散符号系列内の「１」の数）であり、オフピーク自己相関及び相互相関の最大値はともに１である拡散符号系列の集合であり、このような拡散符号系列数は、次の式で与えられる。
【００３８】
【数１】
次に、符号語としての、ビット０からビット１へ誤る場合のみを訂正可能なように冗長ビットを付加した非対称誤り訂正符号（AEC符号）からなる符号語について説明する。
【００４０】
このAEC符号が符号語内のビット列に生じた非対称誤りを訂正可能なビット数を示す量として、非対称距離がある。今、符号語長８の任意の２つの符号語をそれぞれx=(01001101)とy=(01010110)すると、この2つの符号語間の非対称距離は次のように定義される。
【００４１】
【数２】
ただし、N(x,y)はxi=1かつyi=0であるようなビット位置iの数を表す。すべての符号語間に対して、【数２】で定義される非対称距離をはかったとき、その最小非対称距離がt+1であるとき、それら符号語の集合である符号Ｃは、ｔビット以下の非対称誤りを訂正可能な非対称誤り訂正符号となる。すなわち、次の必要十分条件を満たす符号語の集合Ｃは、ｔ以下の非対称誤りを訂正可能な非対称誤り訂正符号である。
【００４３】
【数３】
図３(a)は、(8,5,1)-非対称誤り訂正符号例を示す図である。
図３(a)から分かるように、符号語長８をもち、１つ以下の非対称誤りを訂正可能な符号語の集合は、32個存在する。したがって、これら32=25個の符号語によって、5ビットの情報ビットの入力に対して、各入力情報ビット列を32個のいずれかの符号語に対応させて送信する。今、符号語長をn、入力情報ビット数をk、訂正可能な非対称誤り訂正ビット数をｔとして、(n,k,t)-非対称誤り訂正符号と表すとすると、ここで示した例は、(8,5,1)-非対称誤り訂正符号となる。
図３(b)は、(10, 4, 2)-，(11, 3, 3)-，(14, 3, 4)-非対称誤り訂正符号例を示す図である。図３(b)は、図３(a)とは異なる他のAEC符号を示すものである。
【００４５】
図４は、(8, 5, 1)-AEC符号の送信側からの光信号のようすを示す図である。
i番目のフレーム時間に送信する情報ビットをk(i)とすると、符号語生成器としてのAEC符号化器は、k(i)ビットの入力を受けて、符号語a(i)=(a1(i),...,aω(i),...,aW(i))を出力する。ただし、1≦ω≦Wであり、各符号語内のビットaω(i)∈(1,0)であり、「１」又は「０」はそれぞれ光信号としての「オン」又は「オフ」に対応する。この符号語は、OOCに属する所望ユーザの拡散符号系列内の重み位置にある光信号としての光強度を、符号語内のビットに従って、光変調する。図4からわかるように、拡散符号系列による拡散によって、拡散符号系列内の８個の重み位置へパルスが拡散される。この８個のパルスは、符号語内のビットに従って、「オン」又は「オフ」に強度変調される。その結果、拡散符号系列内の重み位置において、８ビットが送信されることになる。この８個の重みからなる符号語は、５ビットに相当する情報ビットを担っており、受信側で１ビットのビット誤りを訂正可能なように付加された冗長ビット数は３ビットである。
【００４６】
図５(a)は、干渉がない場合の２値光チャネルを示す図であり、図５(b)は、干渉がある場合の２値光チャネルを示す図である。
光通信チャネルは非対称チャネルであると考えられ、光子の検出は失敗することがあり、光子の発生は不可能であるので、マークからスペースへ遷移する確率は、スペースからマークへ遷移する可能よりも著しく大きい。信号光と比較すると背景光は無視できる程度に小さいことは事実である。しかしながら、光CDMAチャネルにおいては、これらの確率の関係は、図５(ｂ)において点線で示す干渉確率ρに起因して逆になる。ρは干渉のマークが目的とするユーザの１つのシーケンスの重み位置の１つと重なる確率を示す。干渉ユーザ１人あたりの干渉確率が低くても、相関受信機（従来の受信機）では、信号判定にすべての重み位置で得られる光子数を用いるので、目的とするユーザの重み位置全体としては、干渉の影響を大きく受ける。したがって、このような受信機は多元接続干渉の影響を受けやすく、ビット誤り率（BER）は、大きく劣化する。システムに多くのユーザがアクセスするにつれて、この問題は顕著となる。すなわち、ユーザが多いときのビット誤り率は悪い（高い）。
【００４７】
次に、受信側を説明する。受信された光信号は、拡散符号系列の各チップ時間に渡って積分され、所望ユーザの拡散符号系列内の重み位置のチップ時間ごとに積分出力を得るサンプラとしての光検出器７１によりサンプリングされ、光検出される。光検出信号はビット判定器７２によってしきい値と比較判定される。このとき、光検出信号がしきい値以上であるならば、ビット判定器７２は重み位置において「１」を出力するのに対して、しきい値未満であるならば、「０」を出力する。このようにして、拡散符号系列内のすべての重み位置Wにおいて判定されたビットは、フレーム時間に送信された符号語として、符号語判定器としてのAEC符号語判定器へ入力される。AEC符号語判定器では、符号語内のビットにt以下の非対称誤りが起こっているときは、もっとも非対称距離が近い符号語を送信された符号語として復号する。したがって、t以下の非対称誤りを訂正することができ、符号語に対応する情報ビットが受信されたとして出力する。
【００４８】
本実施の形態によれば、各重み位置でビットが送受信されるので、拡散符号系列時間当たりに重み位置に等しいビット数が送信できる。また、送信ビット列は、光伝送路で加わる多元接続干渉によって、受信した符号語内にビット誤りが生じたとしても、訂正可能な範囲内であれば、訂正することができるので、多元接続干渉に対する耐性を高めることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、受信側で誤り訂正可能な符号語として、非対称誤り訂正符号による符号語を用いた例を示したが、非対称誤り訂正符号を用いることで、対称誤り訂正符号による符号語を用いたものよりも、一定の訂正可能なビット数に対して、符号語長対情報ビット数の比率（以下、「符号化率」という）を高めることができる。
たとえば、１ビット誤り訂正可能な符号について、対称誤り訂正符号では、７ビットの符号語長に対して、４ビットの情報ビットとなる（(7,4)ハミング符号）がある。この(7,4)ハミング符号の符号化率は、0.571である。一方、第１の実施の形態における(8,5,1)AEC符号では、0.625となり、符号化率の点で優れる。
【００５０】
なお、(7,4)BCH符号は、同時に非対称誤り訂正符号としても用いることもできる。OOCを用いた光CDMA通信方式では、【数１】で示したように、拡散符号系列内の重み数を大きくするにつれて、システムで用いることができる拡散符号系列数が大きく減少してしまうという問題があるので、一定の訂正可能なビット誤り数を、より少ない重み数で実現できるという効果は非常に大きい。また、対称誤り訂正符号を用いる場合、BCH符号では、１，２，３ビット誤りを訂正可能とするためには、(15,11)，(15,7)，(15,5)BCH符号となる。他にも、同様の目的を達成するためのBCH符号は存在するが、符号語長が，31=25-1，63=26-1，127=27-1，．．．と大きくなってしまう。このとき、一定の拡散符号系列数を確保するためには、非常に大きな拡散符号系列長を要することになり、結果として、系列時間あたりの情報ビット数が減少してしまう。
【００５１】
一方、図３(a)及び図３(b)で示した非対称誤り訂正符号によれば、１，２，３，及び４ビット以下の誤りを訂正するために必要となる重み数は、それぞれ８，10，11，及び14と小さい。その結果、一定の拡散符号系列数を確保するために、大きな拡散符号系列長を要することがなくなり、系列時間あたりの情報ビット数を高めることができるという効果がある。よって、効果的に多元接続干渉に対する耐干渉性を高めることができる。
【００５２】
第１の実施の形態では、非対称誤り訂正符号を用いた例を示したが、対称誤り訂正符号を用いても、多元接続干渉に対する耐干渉性を高めることができる。また、さらに、誤り訂正符号を用いる実施の形態を示したが、誤り訂正符号によって冗長ビットを付加することなく、すべての重み位置で情報ビットを送信してもよい。そのような実施の形態においては、符号系列長当たりの情報ビットの伝送速度を高められるという効果がある。
次に、本発明に係わる光CDMA通信方式の第２の実施の形態を説明する。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、「１」又は「０」を、光変調方式として「オン」又は「オフ」に対応させたが、消失状態を構成する光変調方式として、以下のように構成した実施の形態を説明する。本実施の形態では、図６に示すように、マーク/スペース変調器４１に代えて、マンチェスタ符号生成器４１’を、AEC符号語生成器３に代えて、BCH符号語生成器３’を、AEC符号語判定器６に代えて、BCH符号語判定器６’を用いている。
【００５４】
図７は、本実施の形態に係わる消失状態を構成する光変調方式の例を示す図である。
受信側では、２つスロットに対して、しきい値よりも大きな光信号を検出したスロットに対応するビットを出力する。したがって、他のユーザも同様の変調方式をとるので、他のユーザからの光信号によって、いずれかのスロットが干渉され得る。このような多元接続干渉によって、所望するユーザが光信号を送信しないスロットへ干渉することによって、しきい値を超えたとき、両スロットがしきい値を超えてしまうことになりうる。この状態を消失状態とする。他に、両スロットともに、しきい値以上の光信号を受信しないときも、送信光信号ではないので、消失状態とする。強度変調に基づいた光CDMA方式では、光伝送路では、他のユーザからの多元接続干渉の影響は加法的であるので、受信したときに両スロットがともにしきい値以上の光信号を検出することが多くなる。受信した光信号に対して、消失判定を行うビット判定器の後段で、符号語内に消失ビットを含む符号語を判定することができる符号語判定器では、符号語内の誤りビット数をe，ハミング距離をdとすると、
【００５５】
【数４】
【００５６】
このような光変調方式を用いることにより、多元接続干渉により符号語内のビットに誤りを生じることはなくなり、多元接続干渉の影響は消失状態となる。したがって、【数４】で、e=0とすると、復元可能な消失ビット数は、d-1で与えられることになり、多元接続干渉の影響を誤りビットとして訂正するよりも、多元接続干渉の影響を消失ビットとして復元する方が、より多元接続干渉の影響を除去することができる。なお、各重み位置において、２つのスロットを設け、「１」に対しては始めのスロットに光を配置し、「０」に対しては後ろのスロットへ光パルスを配置するようにしてもよい。
本実施の形態によれば、冗長ビットをあらたに付加することなく、多元接続干渉に対する耐性をより高めることができるという効果がある。
続いて、本発明に係わる光CDMA通信方式の第３の実施の形態を説明する。
【００５７】
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
本実施の形態は、送信側のAEC符号語生成器３の前段に本発明の実施の形態に係る符号語ブロック生成器としてのリードソロモン符号語生成器２を設け、受信側のAEC符号語判定器５の後段に符号語ブロック判定器としてのリードソロモン符号語判定器５を設けたものである。
【００５８】
本実施の形態では、拡散符号系列としての重みW、系列長LのOOC、符号語としての(W,k,t)AEC符号，及び(J, K)リードソロモン符号を用いている。
この(J, K)リードソロモン符号は、K語の符号語を送信するごとに、J-K語の符号語を付加することで、受信側でJ語からなる符号語ブロック内に、
【００５９】
本実施の形態によれば、符号語が属する誤り訂正符号の訂正能力を超えて多元接続干渉の影響によって、符号語内にビット誤りが生じる場合においても、符号語ブロック内の誤り符号語がリードソロモン符号の訂正可能な符号語数以下であれば、訂正することができる。
したがって、さらに、多元接続干渉に対する耐性を高めることができるという効果がある。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６０】
上記実施の形態では、マーク/スペース変調器が埋め込まれたOOC符号語生成器によってレーザ光を外部変調しているが、レーザ発生器の共振器の外部におかれた光変調器によって送信符号系列（送信ビットで変調された拡散符号系列）に従ってレーザ光を外部変調するようにしても良い（いずれも外部変調型）。また、レーザ発生器から出たレーザ光を変調するのではなく、レーザ発生器の共振器の内部におかれた光変調器によって送信符号系列に従ってレーザ光を内部変調するようにしても良い（内部変調型）。さらに、レーザ発生器への注入電流を送信符号系列に従って変調することでレーザ発生器から出るレーザ光を直接変調するようにしても良い（直接変調型）。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、拡散符号系列内の重み位置の数だけビットを送信することができるので、拡散符号系列が送信される時間当たりに多くのビットを送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光CDMA通信方式の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示したOOC符号語生成器の内部構成を示すブロック図である。
【図３】 (a)は、(8,5,1)-非対称誤り訂正符号例を示す図であり、(b)は、(10, 4, 2)-，(11, 3, 3)-，(14, 3, 4)-非対称誤り訂正符号例を示す図である。
【図４】 (8, 5, 1)-AEC符号の送信側からの光信号のようすを示す図である。
【図５】 (a)は、干渉がない場合の２値光チャネルを示す図であり、 (b)は、干渉がある場合の２値光チャネルを示す図である。
【図６】本発明に係る光CDMA通信方式の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図７】本実施の形態に係わる消失状態を構成する光変調方式の例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光通信送信機及び光通信受信機を示すブロック図である。
【図９】従来の光CDMA通信方式の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ発生器
２ リードソロモン符号語生成器
３ AEC符号語生成器
４，４’OOC符号語生成器
４１’マンチェスタ符号生成器
５ リードソロモン符号語判定器
６ AEC符号語判定器
６’BCH符号語判定器
７ OOC符号語判定器
１０ 送信機
１１ スターカプラ
１２ 受信機
４１ マーク/スペース変調器
４２ l×Wスプリッタ
４３ 光学遅延線
４４ l×Wコンバイナ
７１ 光検出器
７２ ビット判定器
Claims (9)
- 光符号分割多元接続方式を用いた光信号の送信機であって、
情報ビットを符号化して送信ビット列である誤りを訂正可能な符号語を生成する符号語生成器と、
拡散符号系列内の重み位置数に対応するビット数を有する前記送信ビット列に基づいて光の発生器からの光信号としての光強度を送信ビットの“１”又は“０”に従って重み位置ごとにそれぞれオン又はオフに強度変調する変調手段と
を有することを特徴とする送信機。 - 前記符号語生成器が、誤り訂正符号化器であることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
- 前記誤り訂正符号化器が非対称誤り訂正符号化器であることを特徴とする請求項２に記載の送信機。
- 前記変調手段が、入力光を拡散符号の重み位置数に分割するスプリッタと、分割された光をそれぞれ異なる時間だけ遅延させる重み位置数に等しい数の光学遅延線と、該光学遅延線上にあり、送信される前記符号語に応じて光を変調する強度変調器と、該変調器の出力を統合するコンバイナとを有し、統合した出力を送信することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の送信機。
- 前記重み位置において２つのスロットを設け、
前記変調手段は、前記符号語に対応して、受信側においていずれか一方のスロットのみに光信号が存在する場合以外は前記符号語が消失したとの判定を行う手段を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の送信機。 - 請求項１から５までのいずれか１項に記載の送信機とともに用いるのに適した光信号の受信機であって、
拡散符号系列内の重み位置における光信号の出力を得る光検出器と、
該光信号の出力と所定のしきい値とを比較し、該しきい値以上であれば｛１｝としきい値未満であれば｛０｝と判定し、重み位置ごとに復調する復調手段と
を有することを特徴とする受信機。 - 復調された前記符号語が、誤り訂正符号又は誤り訂正復号器により復号されることを特徴とする請求項６に記載の受信機。
- 前記誤り訂正復号器が、非対称誤り訂正復号器であることを特徴とする請求項７に記載の受信機。
- 光受信信号が、前記符号語へ一意的に復調できない場合に消失と判定する復調手段を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の受信機。
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