JP5404819B2 - 電力管理可能な光ｏｆｄｍトランスポンダ - Google Patents

Description

本発明は、光伝送システムの分野に関する。より詳細には、本発明は、電力を最適化するように光ＯＦＤＭ伝送システムを調整するシステムおよび方法に関する。

短中期的な将来、４０Ｇｂ／ｓ、１００Ｇｂ／ｓ、および最高１Ｔｂ／ｓに対するトランスポンダは、コヒーレント検出とデジタル信号処理（ＤＳＰ）を組み合わせることに基づくと予期される。この技術は、リーチの点で非常に高い性能、すなわち高い歪み公差および高い感度を提示するが、この利点には、高い電力消費および電力損失が伴う。

一般に、ネットワーク資源は、伝送チャネル条件およびビットレート要件に関連して最悪のシナリオ向けに設計され、したがって「ハイエンド」のトランスポンダを使用する。コヒーレント伝送システムに対するこれらのトランスポンダの一般的な電子機器構成では、変調器としてＤＳＰ（デジタル信号処理装置）、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）、および駆動増幅器などの電力集約的なシステム要素が、最大の実現可能な帯域幅に対して設計される。しかし、この最大の帯域幅で、伝送システムの電力消費のレベルが決まる。典型的な光ＯＦＤＭトランスポンダでは、多くを求めない、すなわち「ローエンド」で使用する場合に、低減された電力消費へ切り換えることはできない。

提案される光ＯＦＤＭトランスポンダおよび対応するＯＦＤＭ受信器では、電力消費とリーチ／ビットレートのトレードオフを制御することができる。したがって、利用可能かつ必要なネットワーク資源に基づいて、電力も最適化するように、ネットワークを調整して自動的に再構成することが可能である。ＯＦＤＭトランスポンダおよび受信器の電力消費を低減させることによって、ネットワークのエネルギーに関連する動作コストが低減される。さらに、ネットワーク要素の信頼性が増大され、中央局内のキャビネット、ラック、および棚の平均的な冷房要件が緩和される。

本発明の第１の態様によれば、総ビットレートで動作する光ＯＦＤＭ送信器またはトランスポンダが提供される。ＯＦＤＭ送信器は、デジタル入力信号のＭ個のビットをコンステレーションポイント内へマッピングし、それによって対応するＯＦＤＭ副搬送波の副搬送波信号を発生するように動作可能な、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つに関連するマッピングユニットを備える。例として、ＯＦＤＭ送信器は、Ｍ個のビットからなるブロックをデジタル入力信号から分離する直列−並列ユニットをさらに備えることができる。次いで、マッピングユニットは、この副搬送波信号のシンボルに対するコンステレーションを用いて、Ｍ個のビットからなるこのブロックをマッピングする。コンステレーションは、変調方式、たとえばＰＳＫ（移相偏移変調）またはＱＡＭ（直交振幅変調）によって定義される。典型的なＯＦＤＭ送信器では、デジタル入力信号の連続するブロックが、シンボル内へマッピングされる。これらのシンボルは、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波に順次巡回的に割り当てられ、すなわち、第１のブロック、第（Ｎ＋１）のブロック、第（２Ｎ＋１）のブロックなどは、第１のＯＦＤＭ副搬送波に割り当てられる。第２のブロック、第（Ｎ＋２）のブロック、第（２Ｎ＋２）のブロックなどは、第２のＯＦＤＭ副搬送波に割り当てられ、以下同様である。このようにして、それぞれデジタル入力信号のＭ個のビットを表すシンボルを含む副搬送波信号が得られる。

ＯＦＤＭ送信器は、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つの副搬送波信号を変換して電気出力信号を発生するように動作可能な調整可能な変換ユニットをさらに備える。変換ユニットは通常、ＯＦＤＭ副搬送波信号を周波数領域から時間領域へ変換するために、逆高速フーリエ変換を実行する。変換ユニットは、変換の順序、すなわち逆高速フーリエ変換の順序をＮの任意の値に調整できるという点で、調整可能である。変換ユニットはまた、Ｎ個の時間領域信号を電気出力信号にマージする並列−直列ユニットを備えることができる。通常、電気出力信号は複合信号であり、２つの信号成分、すなわち実数部信号成分および虚数部信号成分を含むことに留意されたい。

さらに、ＯＦＤＭ送信器は、デジタルの電気出力信号をアナログの電気出力信号に変換するように動作可能なデジタル−アナログ変換器を備えることができる。このデジタル−アナログ変換は通常、電気出力信号の実数成分と虚数成分に対して別個に実行される。次いでアナログの電気出力信号は、電気出力信号を増幅させるように動作可能な電力増幅器を通過する。

光ＯＦＤＭ送信器は、電気出力信号、たとえばアナログの増幅された電気出力信号を光出力信号に変換するように動作可能な電気−光変換器さらに備える。通常、光領域への変換は、光変調器内の光信号を電気出力信号で変調することによって実行される。

さらに、ＯＦＤＭ送信器は、ＯＦＤＭ送信器の電力消費が総ビットレートに対して最小になるように、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍを設定するように動作可能な制御ユニットを備える。制御ユニットはまた、選択された数ＭおよびＮに従って、調整可能なマッピングユニットおよび調整可能な変換ユニットを調整するように動作可能である。言い換えれば、制御ユニットは、ＯＦＤＭ信号の総ビットレートを考慮することができ、また総ビットレート要件を満たしながらＯＦＤＭ送信器の電力消費を最小にする１対のパラメータＮおよびＭを選択することができる。次いで制御ユニットは、調整可能なマッピングユニットに、Ｍ個のビットをシンボル内へマッピングするコンステレーションを使用させ、また調整可能な変換ユニットに、順序Ｎの変換、たとえば逆フーリエ変換を適用させる。

制御ユニットはまた、最適の１対のパラメータＮおよびＭに関係する情報を外部ユニットから、たとえば制御もしくは管理プレーンから、または対応するＯＦＤＭ受信器から受信することができることに留意されたい。パラメータＮおよびＭに関係する情報を交換、すなわち伝送および受信する目的で、ＯＦＤＭ送信器は、対応するＯＦＤＭ受信器の関連で下記に概説するパラメータ伝送ユニットとして同様の方式で働くパラメータ伝送ユニットまたはパラメータ交換ユニットをさらに備えることができる。パラメータＮおよびＭに関係する情報は、対応するＯＦＤＭ受信器および／または制御もしくは管理プレーンと交換することができる。

パラメータＮおよびＭを選択するとき、総ビットレートに加えて、他の制約、特に光伝送チャネルの伝送条件を考慮することができる。これらの伝送条件は、伝送されるＯＦＤＭ信号のビット誤り率に影響を与える。伝送条件は通常、光伝送チャネルの長さおよび光伝送チャネルによって引き起こされる歪み（たとえば、色分散、偏光モード分散など）に依存する。通常、パラメータＮおよびＭは、伝送されるＯＦＤＭ信号のビット誤り率（ＢＥＲ）が特定の事前定義された閾値、たとえば１０^−３を下回るように選択する必要がある。次いでこのＢＥＲは、前方誤り訂正（ＦＥＣ）復号器と併用すると、たとえば１０^−１５という許容できる低いＦＥＣ後のＢＥＲをもたらすことができる。

本発明の別の態様によれば、光ＯＦＤＭ送信器は、電気出力信号の帯域幅に対して調整可能である調整可能な電力増幅器を備える。ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍは、調整可能な電力増幅器の電力消費が最小になるように選択される。電力増幅器は通常、ＯＦＤＭ送信器内の主要な電力消費源である。電力増幅器の電力消費は、増幅すべき信号の帯域幅に大いに依存する。したがって、電気出力信号の帯域幅を最小にしながら、それでもなお総ビットレートおよび場合によっては目標ビット誤り率に関連する要件を満たすパラメータ対ＮおよびＭを選択すると有益であろう。

通常、電力増幅器の帯域幅は、増幅器利得が動作利得に対して−３ｄＢ低下する周波数であるカットオフ周波数によって、または増幅器利得が０ｄｂまで低下した周波数である遷移周波数によって定義される。カットオフ周波数と遷移周波数はどちらも、電力増幅器のバイアス電流に依存しており、バイアス電流を増大させることによって増大させることができる。しかし、バイアス電流を増大させると、電力増幅器の電力消費も増大する。例として、調整可能な電力増幅器では、バイアス電流は、電力増幅器のカットオフ周波数を電気出力信号の帯域幅に適合させるために適合可能にすることができる。

調整可能な電力増幅器の電力消費が電気出力信号の帯域幅とともに増大するため、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍはまた、電気出力信号の帯域幅が最小になるように選択することもできる。

本発明のさらなる態様によれば、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つの決定された副搬送波伝送条件に対して、そして目標ビット誤り率に対して、最大の可能なビット数Ｍが選択されるという点で、電力消費が最小になる。言い換えれば、光伝送チャネルの伝送条件、具体的には所与のＯＦＤＭ副搬送波の伝送条件を考慮するとき、最大の可能なビット数Ｍを１つのＯＦＤＭ副搬送波シンボル内へマッピングしながら、それでもなお目標ビット誤り率を満たすことができるコンステレーションまたは変調方式が選択される。例として、ＯＦＤＭ副搬送波または完全な光伝送チャネルの伝送条件は、光伝送チャネルを介して伝送されるトレーニングシーケンスおよび／またはパイロット副搬送波を使用することによって決定することができる。ＯＦＤＭ受信器では、伝送されるトレーニングシーケンスのビット誤り率が、複数のコンステレーションに対して測定される。次いで、最大の可能な値Ｍを可能にしながら、それでもなお目標ビット誤り率を満たすコンステレーションが選択される。

電力消費はまた、総ビットレートに対してＯＦＤＭ送信器が動作され、目標ビット誤り率に対してＯＦＤＭ副搬送波数Ｎが最小になるという点で、最小にすることができる。通常、ＯＦＤＭ副搬送波間の副搬送波間隔は一定であり、すなわち２つの隣接するＯＦＤＭ副搬送波間の帯域幅間隔は一定であることに留意されたい。ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎが低減され、副搬送波間隔が変化しないまま保たれる場合、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波の総帯域幅は、それに応じて低減される。言い換えれば、ＯＦＤＭ副搬送波数を最小にする結果、ＯＦＤＭ信号の帯域幅を低減させることができる。上記で概説したように、そのように帯域幅を低減させると、ＯＦＤＭ送信器の構成要素、特に電力増幅器の電力消費を低減させることができる。通常、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎを最小にすると、ビット数Ｍは最大になることに留意されたい。

ＯＦＤＭ送信器は、調整可能なデジタル−アナログ変換器をさらに備えることができる。そのような調整可能なデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器の場合、処理または変換速度は、電気出力信号の帯域幅に対して調整可能とすることができる。帯域幅を低減させた信号の場合、Ｄ／Ａ変換器の処理速度、すなわちサンプリング速度を低減させることができ、それによってＤ／Ａ変換器の電力消費を低減させることもできる。

ＯＦＤＭ送信器は、巡回拡張ユニットをさらに備えることができる。そのような巡回拡張ユニットは通常、変換ユニットの下流でデジタル−アナログ変換器の上流に配置される。巡回拡張ユニットは、シンボル間干渉を回避するために、デジタル出力信号内へ巡回プレフィックスサンプルを挿入するように動作可能である。通常、そのような巡回拡張ユニットは、デジタル信号処理装置を使用して実施され、デジタル信号処理装置に対する電力消費は、処理速度に依存する。したがって、処理速度を低減させると、そのようなデジタル信号処理装置内の電力消費を低減させることができる。

上記で概説したように、パラメータ対ＭおよびＮの選択は、光伝送チャネルの伝送条件に応じて行うことができる。光伝送チャネルは、異なるＯＦＤＭ副搬送波に対して異なる伝送条件を有することがあることに留意されたい。そのような場合、各ＯＦＤＭ副搬送波の伝送条件に最もよく適したコンステレーションまたは変調方式を選択すると有益であろう。したがって、それぞれのＯＦＤＭ副搬送波のチャネル条件に応じて、特有のビット数Ｍを各ＯＦＤＭ副搬送波にマッピングすると有益であろう。言い換えれば、Ｍ_１個のビットが第１のＯＦＤＭ副搬送波にマッピングされ、Ｍ_２個のビットが第２のＯＦＤＭ副搬送波にマッピングされ、以下同様であり、そしてＭ_Ｎ個のビットが第ＮのＯＦＤＭ副搬送波にマッピングされる。したがって、そのようなＯＦＤＭ送信器は、複数のマッピングユニットを備えることができ、各マッピングユニットは、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つに関連する。さらに、コンステレーションポイント内へマッピングされるデジタル入力信号のビット数Ｍは、マッピングユニットごとに選択可能である。

本発明のさらなる態様によれば、光ＯＦＤＭ受信器が提供される。ＯＦＤＭ受信器は、光入力信号を受信し、この光入力信号を電気入力信号に変換するように動作可能なコヒーレント検出ユニットを備える。ＯＦＤＭ受信器はまた、アナログの電気入力信号をデジタルの電気入力信号に変換するように動作可能なアナログ−デジタル変換器を備えることができる。

ＯＦＤＭ受信器は、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍに関係する情報を交換、すなわち伝送および／または受信するように動作可能なパラメータ伝送ユニットをさらに備える。パラメータＮおよびＭに関係する情報は、対応するＯＦＤＭ送信器および／または制御もしくは管理プレーンと交換することができる。このパラメータ対ＭおよびＮは、光伝送媒体を介して伝送する前に、送信用の光入力信号、すなわち通常歪みのない光入力信号を生成するために、対応するＯＦＤＭ送信器で使用される。異なるＯＦＤＭ副搬送波に対して、対応するＯＦＤＭ送信器で個々のビット数Ｍ_ｉ、ｉ＝１，．．．，Ｎが選択される場合、これらのパラメータ値に関連する情報も、ＯＦＤＭ受信器で受信されることに留意されたい。

変調および帯域幅、したがってＯＦＤＭ送信器の電力消費を決定するパラメータ、すなわちＭおよびＮは、制御プレーンまたは管理プレーンによって外部から設定することができることに留意されたい。次いでＯＦＤＭ受信器は、そのような制御または管理プレーンからパラメータ伝送ユニットを介して、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍに関係する情報を受信することになる。

別の可能性は、そのような外部の制御または管理プレーンが、ＯＦＤＭ受信器で実現すべきビットレートおよび光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）などの１組の代替パラメータを提供することであろう。伝送および受信するＯＦＤＭトランスポンダは、帯域幅および／または電力消費が最小になるように、ＯＦＤＭ関連パラメータＭおよびＮに対して調整されることになる。そのような場合、パラメータ伝送ユニットは、制御または管理プレーンから、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍに関係するそのような代替情報を受信することになる。次いでパラメータ伝送ユニットは、最終的にＯＦＤＭ伝送に使用すべきパラメータＮおよびＭを固定するために、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍに関係する情報をＯＦＤＭ送信器と交換することになる。

さらなる代替手段は、ＯＦＤＭ受信器と送信器がチャネル品質に関する情報を交換し、次いで実際のチャネル条件および全体的な電力消費を最小にするのに適当なＯＦＤＭパラメータＭおよびＮを決定する最初の「ネゴシエーション」動作であろう。この場合も、パラメータ伝送ユニットは、最終的にパラメータＮおよびＭを固定するために、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍに関係する情報をＯＦＤＭ送信器と交換することになる。

ＯＦＤＭ受信器は、電気入力信号を、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波に対応するＮ個の副搬送波信号に変換するように動作可能な調整可能な変換ユニットをさらに備える。Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つに関連する適合可能な決定ユニットは、対応する副搬送波信号の一部をＭ個のビットによって表されるコンステレーションポイントにマッピングし、それによって出力副搬送波信号を発生するように動作可能である。通常、副搬送波信号からシンボルが抽出され、決定ユニットは、そのシンボルに最も近い基本コンステレーションからコンステレーションポイントを選択する。

最後に、ＯＦＤＭ受信器は、ＯＦＤＭ受信器の構成要素を設定および制御する制御ユニットを備え、したがってこれらの構成要素は、それぞれのパラメータとともに動作し、すなわち特に変換ユニットおよび決定ユニットは、パラメータＮおよびＭに従って調整される。

ＯＦＤＭ受信器はまた、アナログの電気入力信号をデジタルの電気入力信号に変換するように動作可能な調整可能なアナログ−デジタル変換器を備えることができる。調整可能なアナログ−デジタル変換器の変換速度は、電気入力信号の帯域幅に対して調整されることが好ましい。これは、典型的なコヒーレントＯＦＤＭ受信器内で電力集約的なアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）の数が多いため、特に有益であろう。そのようなコヒーレントＯＦＤＭ受信器は、４つのＡＤＣを備え、すなわち伝送される信号のＸならびに直交Ｙ偏光の複合信号成分ＩおよびＱに対するＡＤＣを備える。

本発明の別の態様によれば、総ビットレートで光ＯＦＤＭ信号を伝送する方法が提供される。この方法は、デジタル入力信号のＭ個のビットをコンステレーションポイントにマッピングし、それによってＮ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つの副搬送波信号を発生するステップを含む。この方法は、副搬送波信号を変換して電気出力信号を発生するステップと、電気出力信号を光出力信号に変換するステップとをさらに含む。最後に、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍは、ＯＦＤＭ信号を伝送するために使用される電力が最小になるように選択される。

選択するステップは、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つに対する伝送条件を決定するステップと、目標ビット誤り率に対してコンステレーションポイント内へマッピングできる最大の可能なビット数Ｍを決定するステップと、総ビットレートを実現するために、最大の可能なビット数Ｍを考えて、最小のＯＦＤＭ副搬送波数Ｎを決定するステップとを含むことができる。ＯＦＤＭ副搬送波の伝送条件を決定するために、伝送されるトレーニングシーケンスのビット誤り率を測定することができる。このビット誤り率が異なる変調方式またはコンステレーションに対して測定される場合、最大のビット数Ｍを１つのＯＦＤＭシンボル内へマッピングできる変調方式を選択することができる。

本発明のさらなる態様によれば、光ＯＦＤＭ送信器から光ＯＦＤＭ受信器へ送信される光ＯＦＤＭ制御信号が提供される。光ＯＦＤＭ制御信号は、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎ、および対応する光ＯＦＤＭ送信器で光ＯＦＤＭ信号を生成するために使用される変調方式に関連する情報を含む。変調方式に応じて、ＯＦＤＭ副搬送波信号のシンボル内へ特定のビット数Ｍがマッピングされる。

本発明の前述の態様を任意の形で互いに組み合わせることができ、または互いから抽出することができることに留意されたい。本発明の目的および特徴は、好ましい実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。本発明について、添付の図に概略的に示す例示的な実施形態を参照して以下に説明する。

異なるコンステレーションを使用するＯＦＤＭ信号を示す図である。 異なるコンステレーションを使用するＯＦＤＭ信号を示す図である。 異なるコンステレーション内の隣接する状態間のユークリッド距離を示す図である。 異なるコンステレーション内の隣接する状態間のユークリッド距離を示す図である。 異なるコンステレーション内の隣接する状態間のユークリッド距離を示す図である。 本発明によるＯＦＤＭ伝送システムを示す図である。

図１ａおよび１ｂは、異なる数のＯＦＤＭ副搬送波１０４、１２４を含み、異なるコンステレーション１０３、１２３を使用する２つのＯＦＤＭ信号１００および１２０を示す。ＯＦＤＭ副搬送波１０４、１２４は、振幅１０１、周波数１０２の図上に示されている。図１ａは、４つの副搬送波１０４を含み、ＱＰＳＫ（直交移相偏移変調）変調を使用し、すなわち１つの副搬送波につき２ビットのコンステレーションを使用するＯＦＤＭ信号１００を示す。一方、図１ｂは、２つの副搬送波１２４を含み、ＱＡＭ１６（直交振幅変調）変調を使用し、すなわち１つの副搬送波につき４ビットのコンステレーションを使用するＯＦＤＭ信号１２０を示す。図１ａおよび１ｂに示すように、副搬送波間隔、すなわち２つの隣接するＯＦＭＤ副搬送波間の周波数間隔は、一定に保たれる。

ＯＦＤＭ信号１００および１２０はどちらも、同じ量の情報を保有し、すなわち同じビットレートを有することが理解されるであろう。しかし、ＯＦＤＭ信号１００は、ＯＦＤＭ信号１２０より高い帯域幅を有する。図示の例では、ＯＦＤＭ信号１００の帯域幅は、ＯＦＤＭ信号１２０の帯域幅の２倍である。一方、ＯＦＤＭ信号１２０の感度は、ＯＦＤＭ信号１００の感度より低い。言い換えれば、ＯＦＤＭ信号１２０は、ＯＦＤＭ信号１００ほど、光伝送チャネルを介する伝送中に受ける歪みに耐えられない。

この理由を図２ａ、ｂ、およびｃに示す。図２ａは、ＱＰＳＫコンステレーション２００、すなわち１つの副搬送波シンボルに２つのビットをマッピングするコンステレーションを示す。図２ｂは、ＱＡＭ１６コンステレーション２１０、すなわち１つの副搬送波シンボルに４つのビットをマッピングするコンステレーションを示す。図２ｃは、ＱＡＭ６４コンステレーション２２０、すなわち１つの副搬送波シンボルに６つのビットをマッピングするコンステレーションを示す。コンステレーションポイント間の最小距離は、そのようなコンステレーションごとに異なることが理解されるであろう。ＱＰＳＫコンステレーションのコンステレーションポイント２０１は、互いから最小距離２０２を有し、ＱＡＭ１６コンステレーションのコンステレーションポイント２１１は、最小距離２１２を有し、ＱＡＭ６４コンステレーションのコンステレーションポイント２２１は、最小距離２２２を有する。最小距離は、使用されるコンステレーションの寸法とともに低減し、すなわち１つの副搬送波シンボル内へマッピングされるビットの数とともに低減することがわかる。

伝送中に受ける歪みのため、光ＯＦＤＭ受信器で受信されるＯＦＤＭ信号は、理想のコンステレーションポイントから多少外れた副搬送波シンボルを有する。これを、コンステレーション図２００、２１０、および２２０にも示す。コンステレーションポイント２０１、２１１、２２１の周りに、受信されたシンボルの分布が示されている。２つの隣接するコンステレーションポイント間の最小距離２０２、２１２、２２２が低減するにつれて、受信されたシンボルが誤ったコンステレーションポイント２０１、２２２、２２１にマッピングされるリスクが増大する。したがって、伝送システムのビット誤り率が増大し、または言い換えれば、ＯＦＤＭ伝送システムの感度が低減する。典型的な光伝送システムでは、変調方式またはコンステレーションは、ＦＥＣが組み込まれる場合、ビット誤り率が事前定義された目標値、たとえば１０^−１５または１０^−３を下回ったままになるように選択されることに留意されたい。

典型的なＯＦＤＭシステムでは、より高いレートの変調方式を使用することによって受けるＳＮＲ（信号対誤り比）の低減が、ＱＰＳＫからＱＡＭ１６へ進むときは−６．９ｄＢであり、ＱＰＳＫからＱＡＭ６４へ進むときは−１３．１ｄＢであることを観察することができる。同時に、典型的な光ＯＦＤＭシステムのビットレートは、ＱＰＳＫを使用するときの１０Ｇｂ／ｓからＱＡＭ１６を使用するときの２０Ｇｂ／ｓに、そしてＱＡＭ６４を使用するときの３０Ｇｂ／ｓに増大させることができる。

要約すると、光ＯＦＤＭ伝送システムの総ビットレートは、使用される副搬送波数Ｎおよび１つの副搬送波シンボル内へマッピングされるビット数Ｍという２つのパラメータの影響を受けることがあるということができる。副搬送波数Ｎは、ＯＦＤＭシステムの帯域幅に直接影響を与え、ビット数Ｍは、ＯＦＤＭシステムの感度に影響を与える。

図３は、ＯＦＤＭ送信器３１０、およびＯＦＤＭ受信器３３０、および光伝送チャネル３５０を備える典型的な光ＯＦＤＭ伝送システム３００を示す。ＯＦＤＭ送信器３１０では、デジタル入力信号３６０が受信され、直列−並列ユニット３１３内へ渡される。そのような直列−並列ユニット３１３は、デジタル入力信号３６０のＭ個のビットからなるブロックを集め、Ｍ個のビットからなるこれらのブロックをマッピングユニット３１４へ順次渡す。マッピングユニット３１４は、Ｍ個のビットからなる各ブロックをシンボルにマッピングする。マッピングは、基本変調方式、たとえばＱＰＳＫ、ＱＡＭ１６、またはＱＡＭ６４のコンステレーションを使用して実行される。シンボルは、Ｎ個の副搬送波のうちの１つに順次巡回的に割り当てられ、すなわち第１のシンボルが第１の副搬送波に割り当てられ、第２のシンボルが第２の副搬送波に割り当てられ、以下同様である。第Ｎのシンボルを第Ｎの副搬送波に割り当てた後、第（Ｎ＋１）のシンボルは再び第１の副搬送波に割り当てられ、以下同様である。デジタル入力信号３６０に加えて、Ｎ個の副搬送波にはパイロットシンボル３６１およびゼロ３６２も割り当てることができることに留意されたい。

Ｎ個の副搬送波は通常、逆高速フーリエ変換３１５を使用して変換され、次の並列−直列ユニット３１６内でマージされ、それによってデジタル出力信号、またはデジタルの電気出力信号を発生する。このデジタル出力信号は、伝送前に、複数のデジタル信号処理ステップでさらに処理することができる。例として、シンボル間干渉（ＩＳＩ）を回避するために、巡回拡張ユニット３１７でデジタル出力信号に巡回プレフィックスサンプルを挿入することができる。ＴＳ挿入ユニット３１８では、光伝送チャネル３５０の条件を決定するためのトレーニングシーケンスを挿入することができる。さらに、スケーリングおよび量子化ユニット３１９では、デジタル−アナログ変換器３２０の特性、特に分解能に対して、デジタル出力信号を調整することができる。

デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器３２０では、デジタル出力信号の実数および虚数部は、２つのアナログ出力信号、またはアナログの電気出力信号に変換される。これらの２つのアナログ出力信号は、電力増幅器３２１内で増幅される。その後、増幅されたアナログ出力信号は、電気−光変換器３２４、３２５内で光信号の実数および虚数部に変換される。電気−光変換器３２４、３２５は、増幅されたアナログ出力信号とともに変調ユニット３２５内で変調される光ダイオード３２４を備えることができる。ＯＦＤＭ送信器またはトランスポンダ３１０はまた、光増幅器３２６を備えることができる。

光伝送チャネル３５０を介して伝送された後、ＯＦＤＭ信号は光ＯＦＤＭ受信器３３０で受信される。光入力信号は、前置増幅３３２してから、フォトダイオード３３５を備えるコヒーレント検出器内で電気入力信号に変換することができる。ＯＦＤＭ受信器３３０への複合電気入力信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３３６を使用してデジタル入力信号に変換される。このデジタル入力信号は、高速フーリエ変換３４０を使用してＮ個の副搬送波に分割する前に、複数のデジタル信号処理ステップで処理することができる。そのような処理は、同期３３７、ベースバンドへの下方変換３３８、および巡回プレフィックスサンプルの除去３３９を含むことができる。高速フーリエ変換３４０を通過した後、受信されたＯＦＤＭ信号は、副搬送波シンボルを含むＮ個の副搬送波に分割される。これらのシンボルは、基本変調方式、たとえばＱＰＳＫ、ＱＡＭ１６、またはＱＡＭ６４のコンステレーションポイントにマッピングする必要がある。これは、決定ユニット３４２で行われる。受信された副搬送波シンボルは通常、光伝送チャネル３５０を介する伝送中に著しい歪みを受けているため、決定ユニット３４２で決定を行う前に、チャネル補償３４１を実行すると有益であろう。そのようなチャネル補償ユニット３４１は通常、ＯＦＤＭ信号内へ挿入されたトレーニングシーケンスを使用してトレーニングされたチャネル等化器を備える。次いで、決定ユニット３４２は、受信された副搬送波シンボルをＭ個のビットからなるブロック内へマッピングする。ＯＦＤＭ受信器のデジタル出力信号は、Ｍ個のビットからなるブロックを順次巡回的に連結することによって、すなわちＮ個の副搬送波のＭ個のビットからなるブロックを順次巡回的に連結することによって得ることができる。

典型的な光ＯＦＤＭシステム３００は、最大の性能のために設計され、すなわち光トランスポンダは、所与のチャネル条件に対して最大の伝送速度を実現するように設計される。そのような所与のチャネル条件は通常、最悪チャネル条件である。したがって、光ＯＦＤＭシステムは通常、最悪チャネル条件で低いビット誤り率を実現するために、やや高い感度の変調方式を使用する。そのような変調方式、たとえばＱＰＳＫは、１つの副搬送波シンボルにつき比較的少ないビット数Ｍだけを有する。したがって、光トランスポンダは、総伝送ビットレート要件を満たすために、大きい副搬送波数Ｎを用いる必要がある。

副搬送波数Ｎを大きくした結果、光ＯＦＤＭ信号は大きい帯域幅を有する。図３で概説したように、ＯＦＤＭ信号は、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器３２０および電力増幅器３２１を通過してから、光伝送チャネル３５０を介して伝送される。さらに、Ｄ／Ａ変換前に、デジタルＯＦＤＭ信号は通常、複数のデジタル信号処理ユニット、特に巡回拡張ユニット３１７、ＴＳ挿入ユニット３１８、およびスケーリングおよび量子化ユニット３１９内で処理される。これらのデジタル信号処理タスクは通常、ＤＳＰ（デジタル信号処理装置）によって実行される。

ＯＦＤＭ信号の帯域幅を大きくする結果、ＯＦＤＭ送信器３１０およびＯＦＤＭ受信器３２０の構成要素の電力消費も大きくなる。具体的には、電力増幅器３２１の電力消費は、増幅させる必要のある信号の帯域幅とともに著しく増大する。それだけでなく、ユニット３１７、３１８、３１９内で使用されるＤＳＰおよびＡ／Ｄ変換器３２０では、より大きい帯域幅のＯＦＤＭ信号を処理するとき、電力のレベルを増大させる必要がある。同じことが、ユニット３３７、３３８、３３９内で使用されるＤＳＰおよびＯＦＤＭ受信器３３０のＤ／Ａ変換器３３６にも当てはまる。

現在の通信ネットワークでは、ネットワーク構成要素の電力消費は、ますます重要な問題である。電力消費は、ネットワークオペレータにとって著しくコストのかかる構成要素であることとは別に、電気および電気光学機器のさらなる統合に関連して限定的な側面でもある。実際、電力消費が大きいと、電気、電子、および／または電気光学機器から熱放散を行うことが必要になる。したがって、通信機器の電力消費を現在のネットワークおよび伝送要件に適合させることができると有益である。具体的には、光ＯＦＤＭシステム３００を、必要な総ビットレートに関連する現在の条件および測定された光チャネル条件に適合させることができると有益である。

そのような電力が適合されたＯＦＤＭシステム３００を図３に示す。制御ユニット３１１および３１２は、ＯＦＤＭ送信器３１０のパラメータを現在の伝送要件および条件に設定するように設計される。現在の伝送要件は、所与の時点で実現すべき総ビットレートとすることができる。現在の伝送条件は、光伝送チャネル３５０の全長および光チャネル条件、たとえばＰＭＤ（偏光モード分散）、ＣＤ（色分散）、および他の線形または非線形光効果に依存する。そのような伝送要件および条件は、時間とともに変動することがあり、したがって、それに応じてＯＦＤＭ送信器３１０のパラメータを適合させると有益である。

制御ユニット３１１および３１２によって修正できるＯＦＤＭ送信器３１０のパラメータは、たとえば、用いられる変調方式およびＯＦＤＭ信号の帯域幅である。言い換えれば、制御ユニット３１１および３１２は、１つの副搬送波シンボル内へマッピングされる入力信号３６０のビット数Ｍを修正することができ、またＯＦＤＭ副搬送波数Ｎを修正することができる。パラメータＭは、選択された変調方式に関係し、パラメータＮは、ＯＦＤＭ信号の帯域幅に影響を与える。

ＯＦＤＭ送信器３１０の電力消費を低減させるために、ＯＦＤＭ信号の帯域幅が最小になるべきであり、すなわち副搬送波数Ｎが最小になるべきである。したがって、所与の伝送ビットレートおよび決定された伝送条件に対して、Ｍを最大にし、それによってＮを最小にするパラメータ対ＭおよびＮを選択するべきである。例として、ＯＦＤＭシステム３００がＱＰＳＫ変調を使用して１０Ｇｂ／ｓで動作されており、現在のチャネル条件が、ＱＡＭ１６変調の使用を可能にしながら、それでもなお許容可能な目標ビット誤り率を維持すると判断される場合、制御ユニット３１１、３１２は、ＯＦＤＭ送信器３１０、具体的にはＳ／Ｐユニット３１３、マッピングユニット３１４、およびＩＦＦＴユニット３１５に指示して、ＱＡＭ１６変調に切り換えさせ、また副搬送波数を２分の１低減させることになる。これを用いると、１０Ｇｂ／ｓという総伝送ビットレートを維持できるが、ＯＦＤＭ信号の帯域幅は２分の１低減される（副搬送波間隔は変化しないまま保たれるものとする）。その結果、制御ユニット３１２は、電力増幅器３２１を切り換えて帯域幅を低減させることができる。さらに、制御ユニット３１１は、低減された帯域幅に従って、ＤＳＰおよびＤ／Ａ変換器の処理速度（サンプリング速度）を低減させることができる。したがって、ＯＦＤＭ送信器の電力消費は低減される。

ＯＦＤＭ送信器３１０の修正されたパラメータは、ＯＦＤＭ受信器３３０に通信する必要がある。これは、光伝送チャネル３５０を介して帯域内で、または好ましくはＧＭＰＬＳなどのより高いレベルの制御プレーンプロトコルを使用して帯域外で行うことができる。修正されたパラメータは、ＯＦＤＭ受信器３３０の制御ユニット３３１内で受信および使用され、処理速度、変換の順序、およびマッピング／コンステレーションを、ＯＦＤＭ送信器３１０で使用されるものに適合させる。

現在のチャネル条件は、ＯＦＤＭ受信器３３０で決定できることに留意されたい。具体的には、チャネル補償ユニット３４１の等化パラメータは、光伝送チャネル３５０内でＯＦＤＭ信号が受ける歪みの程度の指標とすることができる。トレーニングシーケンスを使用することによって、実現されたビット誤り率および光チャネル条件を監視することができる。追加として、または別法として、現在のチャネル条件はまた、より高いレベルの制御プレーン内で決定することができる。

本発明は、本発明の構成要素のいくつかを追加および／または修正することによって、標準的な光ＯＦＤＭトランスポンダを使用して実施することができる。具体的には、電力増幅器３２１、すなわち変調器３２５の駆動増幅器は、可変または切換可能な帯域幅の増幅器とするべきである。さらに、ＤＳＰおよびＤ／Ａ変換器３２０の処理速度クロックも可変とするべきである。これらの構築ブロックは、制御ユニット３１１、３１２によって、光路３５０の要件に対して調整される。したがって、より低い帯域幅に切り替えると、電力損失および消費はより小さくなる。

本明細書では、現在のネットワーク要件および条件に応じてＯＦＤＭシステムの電力消費をどのように最適化できるかについて説明した。光伝送システムの全体的な電力消費を低減させることによって、ネットワークを作動するコストを低減させることができる。追加として、通信機器における熱管理を改善することができ、それによってシステムのより高い統合を可能にすることができる。全体的に、ＯＦＤＭシステムの電力消費と感度のトレードオフが行われ、このトレードオフは、感度公差が３ｄＢである場合、３ｄＢの電力節約にほぼ対応する。

Claims (14)

1. 総ビットレートで動作する光ＯＦＤＭ送信器（３１０）であって、
   − デジタル入力信号（３６０）のＭ個のビットをコンステレーションポイント内へマッピングし、それによって対応するＯＦＤＭ副搬送波の副搬送波信号を発生するように動作可能な、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つに関連する調整可能なマッピングユニット（３１４）と、
   − 副搬送波信号を変換して電気出力信号を発生するように動作可能な調整可能な変換ユニット（３１５、３１６）と、
   − 電気出力信号を光出力信号に変換するように動作可能な電気−光変換器（３２４、３２５）と、
   − 電気出力信号の帯域幅が総ビットレートに対して低減されるようにＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍを設定し、選択された数ＭおよびＮに従って、調整可能なマッピングユニット（３１４）および調整可能な変換ユニット（３１５、３１６）を調整するように動作可能な制御ユニット（３１１、３１２）とを備える、光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
2. − 電気出力信号の帯域幅に対して調整される調整可能な電力増幅器（３２１）
   をさらに備える、請求項１に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
3. − ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍが、調整可能な電力増幅器（３２１）の電力消費が最小になるように選択される、
   請求項２に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
4. − ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍが、電気出力信号の帯域幅が最小になるように選択される、
   請求項３に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
5. − Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つの決定された副搬送波伝送条件に対して、そして目標ビット誤り率に対して、最大の可能なビット数Ｍが選択される
   という点で、電気出力信号の帯域幅が低減される、請求項４に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
6. − 総ビットレートに対してＯＦＤＭ送信器（３１０）が動作され、目標ビット誤り率に対してＯＦＤＭ副搬送波数Ｎが最小になる
   という点で、電気出力信号の帯域幅が低減される、請求項４に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
7. デジタルの電気出力信号をアナログの電気出力信号に変換するように動作可能な調整可能なデジタル−アナログ変換器（３２０）をさらに備え、調整可能なデジタル−アナログ変換器（３２０）が、電気出力信号の帯域幅に対して調整される、請求項１に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
8. − 調整可能なデジタル−アナログ変換器（３２０）の変換速度が、デジタル出力信号の帯域幅に対して調整される、
   請求項７に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
9. Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波に１対１の関係で関連するＮ個のマッピングユニット（３１４）を備え、コンステレーションポイント内へマッピングされるデジタル入力信号のビット数Ｍが、マッピングユニット（３１４）ごとに選択可能である、請求項１に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
10. − ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍに関連する情報を交換するように動作可能なパラメータ伝送ユニット（３１１、３１２）
    をさらに備える、請求項１に記載の光ＯＦＤＭ送信器（３１０）。
11. − 光入力信号を受信し、この光入力信号を電気入力信号に変換するように動作可能なコヒーレント検出ユニット（３３５）と、
    − ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍに関連する情報を交換するように動作可能なパラメータ伝送ユニット（３３１）であり、数ＮおよびＭが、送信用の電気入力信号を低減するために、対応するＯＦＤＭ送信器（３１０）で使用された、パラメータ伝送ユニット（３３１）と、
    − 電気入力信号を、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波に対応するＮ個の副搬送波信号に変換するように動作可能な調整可能な変換ユニット（３４０）と、
    − 対応する副搬送波信号のシンボルを、ＯＦＤＭ受信器（３３０）のデジタル出力信号のＭ個のビットを表すコンステレーションポイントにマッピングするように動作可能な、Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つに関連する調整可能な決定ユニット（３４２）と、
    − 数ＮおよびＭに従って、変換ユニット（３４０）および決定ユニット（３４２）を調整するように動作可能な制御ユニット（３３１）と
    を備える、光ＯＦＤＭ受信器（３３０）。
12. − アナログの電気入力信号をデジタルの電気入力信号に変換するように動作可能な調整可能なアナログ−デジタル変換器（３３６）をさらに備え、調整可能なアナログ−デジタル変換器（３３６）の変換速度が、電気入力信号の帯域幅に対して調整される、
    請求項１１に記載の光ＯＦＤＭ受信器（３３０）。
13. 総ビットレートで光ＯＦＤＭ信号を伝送する方法であって、
    − デジタル入力信号のＭ個のビットをコンステレーションポイントにマッピングし、それによってＮ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つの副搬送波信号を発生するステップと、
    − 副搬送波信号を変換して電気出力信号を発生するステップと、
    − 電気出力信号を光ＯＦＤＭ信号に変換するステップと、
    − 総ビットレートで、電気出力信号の帯域幅が低減されるように、ＯＦＤＭ副搬送波数Ｎおよびビット数Ｍを選択するステップとを含む、方法。
14. 選択するステップが、
    − Ｎ個のＯＦＤＭ副搬送波のうちの１つに対する伝送条件を決定するステップと、
    − 目標ビット誤り率に対してコンステレーションポイント内へマッピングできる最大の可能なビット数Ｍを決定するステップと、
    − 総ビットレートを実現するために、最大の可能なビット数Ｍを考えて、最小のＯＦＤＭ副搬送波数Ｎを決定するステップとを含む、請求項１３に記載の方法。

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