JP5709786B2 - コヒーレント光通信システムのための適応型交差偏光変調キャンセラー - Google Patents

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Description

この発明は包括的には光通信システムに関し、より詳細には、交差偏光変調(cross-polarization modulation)のファイバー非線形性に起因する偏光解消効果を低減することに関する。
偏光多重化(POLMUX)を用いる光通信システムでは、或る特定の波長の光チャネルにおいて送信される前に、2つの光信号が互いに直交偏光される。これは、チャネルの帯域幅を2倍にする。100Gbpsを超える高速伝送を実現するために、POLMUX及び高密度波長分割多重化(DWDM)が要求される。
しかしながら、POLMUX信号の絶えず入れ替わるビット系列によって、結果として生成される偏光は、経時的に変化する。この偏光解消効果によって、交差偏光変調(XPolM)が生じ、これは基本的には雑音である。XPolM劣化は、DWDM光通信システムの場合に特に、チャネル間ファイバー非線形性によって引き起こされる。XPolMに起因して、当初に直交偏光された二重偏光(DP)信号は、もはやその状態ではなく、受信機において分離することができない。
XPolMは、DPコヒーレント光システムのためのビット誤り率又は品質係数に関して著しい性能劣化を引き起こす。この引き起こされた偏光クロストークは、波長分散のために低域通過応答を有し、結果として、数十シンボルの短いコヒーレンス時間が生じる。時間とともに高速に変化するそのような偏光クロストークは、現在の光通信システムの場合には追跡するのが難しい。
時間とともに変化するXPolM効果を補償する従来技術の技法は、図1に示されるような簡略化されたXPolMクロストークモデルを導入することによる、直接キャンセレーション及び後続の仮判定に基づく。従来技術の方式の場合、XPolMがないことを仮定して、最初に硬判定110を実行して、送信信号を推定する。その後、複数のシンボルにわたって平均する(130)ことによって、偏光クロストークファクターを推定し(120)、雑音の影響を低減する。これらの推定されたクロストークファクターが与えられると、干渉がキャンセルされる(140)。
このキャンセレーション方法は簡単であり、受信信号の硬判定を用いて送信信号を最初に推定する際に誤りが生成されることに起因して、低い信号対雑音比(SNR)において特に不正確である。さらに、簡略化されたXPolMクロストークモデルが有効でないため、交差位相変調(XPM)を含む別の非線形効果の存在時に、この技法は適用することができない。
この発明の実施の形態は、コヒーレント光ファイバー通信ネットワークにおける非線形XPolM並びにXPM及び偏光モード分散(PMD)劣化を補償するための方法を提供する。POLMUX信号を用いる複数波長光は高密度多重化される。
この方法は、パーサバイバー処理(PSP:per-survivor processing)とともに同時最尤(ML)復号を用いることによって、送信信号を復号すると同時に、XPolMクロストークを推定する。この方法は、高い精度で高速追跡能力を達成するために、マルチステージ推定構造を使用し、低複雑度再帰的最小二乗(RLS)によってサンプルチャネル共分散行列が得られ、最適重み付け最小二乗(OW−LS)を用いることによって、そのサンプルチャネル共分散行列を用いて推定値を精緻化する。
パーサバイバー処理を用いる同時ML復号の性能は、DP信号に対して個別のトレリス符号化変調(TCM)を導入することによって更に改善される。POLMUXのために異なるTCMを用いることによって、受信機はDP信号をより効果的に区別できるようになる。
この発明は、コヒーレント光ファイバー通信ネットワークにおける非線形XPolM並びにXPM及び偏光モード分散(PMD)劣化を補償するための方法を提供することができる。POLMUX信号を用いる複数波長光は高密度多重化される。
直接XPolMキャンセラーの従来技術の方法の概略図である。 この発明の実施の形態による、DWDM及びPOLMUXを用いるコヒーレント光ファイバー通信の概略図である。 この発明の実施の形態による、コヒーレント光通信システムのための3ステージ適応XPolMキャンセラーの概略図である。 この発明の実施の形態による、RLSチャネル追跡機構の概略的なブロック図である。
図2は、POLMUX及びWDMを用いるコヒーレント光ファイバー通信システム200の好ましい実施の形態を示す。対象となる或る特定のチャネルにおいて、x偏光信号S(t)及びy偏光信号S(t)が、それぞれDP4位相偏移変調(QPSK)211及び212のような電気変調器によって生成される。ただし、tは或る時点を表す。x/y偏光信号S(t)及びS(t)は、電気フィルターを通り抜けた後に、S(t)及びS(t)を直交偏光するPOLMUXを用いる電気/光(E/O)変調器220によって光波にアップコンバートされる。
アップコンバートされた光信号は、その後、アレイ導波路回折格子デバイス230のようなWDMマルチプレクサーによって、複数の異なる波長の光231を用いて多重化される。WDM光信号は光ファイバーチャネル240の中を伝搬し、光ファイバーチャネルは、多スパンの複数組のシングルモードファイバー(SMF)241、エルビウムドープファイバー増幅器のような光増幅器(OA)242、及び分散補償ファイバー(DCF)243からなる。
受信機端において、WDM信号は最初にDeWDMデバイス250によって逆多重化され、対応する受信機回路への異なる波長の光251に分離される。対象となるチャネルの場合に、光信号はDePOLMUXを用いる光/電気(O/E)変換器260によってダウンコンバートされ、x偏光受信信号R(t)及びy偏光受信信号R(t)が得られる。
分散マネージメントファイバー(dispersion-managed fiber)の場合、受信信号R(t)及びR(t)は、以下のように、線形クロストーク表現によって十分にモデル化される。
Figure 0005709786
ただし、Aは受信信号の大きさに対応し、Bは、自己位相変調(SPM)及び交差位相変調(XPM)によって引き起こされる共通位相回転であり、Cはx偏光とy偏光との間の位相差に対応し、W(t)はx偏光からy偏光へのクロストークファクターを表し、[N(t),N(t)]は、二重偏光のための相加性雑音である。ここで、jは虚数単位を表し、上付き文字[・]は複素共役である。したがって、受信信号ベクトルR(t)=[R(t),R(t)]は、チャネル行列H(t)、及び送信信号ベクトルS(t)=[S(t),S(t)]+雑音ベクトルN(t)=[N(t),N(t)]によって与えられる。クロストークW(t)は、交差偏光変調(XPolM)及び偏光モード分散(PMD)によって引き起こされる。クロストークW(t)の共分散は、特にXPolMに起因して、短いコヒーレント時間を有し、XPolMは、WDM干渉チャネル及びPOLMUX信号によって引き起こされる。
この発明は、クロストークチャネルH(t)の高速追跡プロセスとともに、DP信号の同時復号によって、時間とともに高速に変化するそのようなXPolMクロストークをキャンセルするデジタル信号処理方法300を提供する。
図3は、この発明の実施の形態によるXPolMクロストークキャンセラーを示す。その方法は3ステージ最尤系列推定(MLSE)を含み、それはパーサバイバー処理(PSP)として、再帰的最小二乗(RLS)チャネル追跡の適応型フィルタープロセスを利用する。第1のステージ310において、従来のRLS−PSPを用いる前方MLSEを実行して、推定チャネル行列及び最尤送信信号を得る。
MLSEの場合、ジョイントトレリス状態図311に沿ってビタビプロセスが用いられ、以下のように、最短パスメトリックを探索することによって、x偏光信号及びy偏光信号が一緒に復号される。
Figure 0005709786
ただし、H’(t)は時刻tにおける推定チャネル行列であり、S’(t)は送信されたDP信号の候補であり、
Figure 0005709786
及びTSはそれぞれ整数集合及びシンボル持続時間である。この発明の方法はDP信号を同時に一緒に復号するのに対して、いくつかの従来技術の方法は、復号のために、x偏光信号及びy偏光信号を別々に復号する。
ビタビプロセスは、モデル化されるシステムが常に何らかの状態にある状態機械モデルに対して機能する。状態の数は限られる。複数の状態系列、すなわち、パスが所与の状態に繋がることができるが、少なくとも1つのパスがその状態への最尤パスであり、「サバイバーパス」と呼ばれる。
各状態は、指数関数的重み付け(exponential weighting)312を用いる一般的に使用されるRLSプロセスとして、過去のサバイバーパスから与えられる個別チャネル推定H’(t)を有し、そのプロセスは、直接の逆行列演算を避けることによって計算の複雑さを大幅に軽減する。最小二乗チャネル推定は、以下のように、相互相関行列Qrs(t)及び自己相関行列Qss(t)によって表される。
Figure 0005709786
ただし、
Figure 0005709786
及び[・]はそれぞれ期待値及びエルミート転置を表す。RLSプロセスは指数関数的重み付けを用いて、期待値を以下のように近似する。
Figure 0005709786
ただし、g<1は忘却因子と呼ばれ、指数関数的重み付け窓を制御する。RLSプロセスは、以下のように、低複雑度のランク1更新によって、逆自己相関行列を再帰的に得る。
Figure 0005709786
チャネル行列H(t)は直交に近く、ユニタリー制約RLSプロセスを導入することによって、チャネル追跡の能力を改善するのにも役に立つ。
チャネルは急速に変化するので、RLSチャネル追跡のための指数関数的重み付けは、長いコヒーレンス窓を有することはできず、雑音に耐えられない場合がある。この発明は、第2ステージ320において、チャネル追跡能力を犠牲にすることなく重み付け窓を拡大することによって、性能を改善する方法を提供する。第2ステージでは、後方トレリス状態図321に沿って、逆の時間方向においてMLSEが実行される。RLSチャネル追跡は、両側指数関数的重み付け322を用いて行なわれ、その重み付けは、第2ステージ320における後方パーサバイバー処理及び第1ステージ310における前方パーサバイバー処理の両方によって得られる。相関行列は以下のように書き換えられる。
Figure 0005709786
ただし、それは過去データ及び将来データを含む。第2ステージでは、相関行列は直接の逆行列演算を必要とするが、行列サイズは僅か2×2であるので、計算の複雑さは従来のRLSと同程度である。
性能を更に高めるために、最後のステージ330において、最適重み付けRLSが用いられる。第2ステージにおける推定チャネル行列のサンプル共分散から最適重み付け関数332が得られる。
Figure 0005709786
計算の複雑さを軽減するために、周波数領域フィルタリングが行なわれる。最後に、3ステージMLSE−RLSにおいて復号された系列が、メトリックコンバイナー340によって合成又は選択される。
図4は、各ステージにおいて用いられる適応型RLSチャネル追跡機構の共通の概略図を示す。最初に、硬判定データS’(t)が推定チャネル行列H’(t)410を乗算される。受信信号R(t)からレプリカH’(t)S’(t)を減算して、誤差ベクトルE(t)=R(t)−H’(t)S’(t)420を得る。E(t)に基づいて平均二乗誤差(MSE)を最小にするために、チャネル行列H’(t)が適応的に更新される(430)。適応判定基準440は、ユニタリー制約を用いるか、又は用いない、片側指数関数的重み付けMSE、両側指数関数的重み付けMSE、又は最適重み付けMSEであり、非直交性及びMSEを最小にする。
DP−QPSK信号の場合、同時MLSEのジョイントトレリス状態図内の全状態数は16の累乗である。DP−QPSKは無記憶であるので、トレリス状態はチャネル状態遷移H(t)に由来する。その場合、トレリス状態の実効的な数は一般的に少なく、その結果として、MLSE復号ではなく、ML復号になる。MLSEをより実効的にするために、この発明の方法は、x偏光信号及びy偏光信号に対して異なるトレリス符号化変調(TCM)を用いることができ、それでも大きな変更はない。TCMに加えて、内部前方誤り訂正(FEC)チャネルコーディングが、ターボ原理における反復復号及びチャネル推定を用いて更なる性能利得を与える。
発明の効果
この発明の実施の形態によるMLSE−RLSキャンセラーは、高いSNRにおいて、従来技術の直接キャンセラーに比べて、3dBを超える改善を有する。XPolMキャンセレーションに加えて、この発明の方法は、SPM及びXPMの他の非線形劣化、並びにPMDの線形劣化をキャンセルできるのに対して、従来技術の方式はキャンセルすることはできない。
この発明の方法は、品質を改善することによって、ファイバー距離の範囲を広げる。それゆえ、この発明は、DWDM及びPOLMUXを用いる100Gbpsを超えるデータレートを達成する将来の長距離光通信に対して大きな影響を及ぼす。電気通信において、用語「長距離」は、州間通信及び国際通信のような長い距離に及ぶ交換回線網に関連する。
この発明は、急速に変化するクロストークチャネルのための、マルチステージの重み付けによって精緻化された高精度チャネル追跡を提供する。

Claims (8)

  1. コヒーレント光通信システムにおいて交差偏光変調(XPolM)を適応的にキャンセルするための方法であって、
    前方最尤系列推定(MLSE)復号するステップであって、
    ビタビプロセスを用いてジョイントトレリス状態図に沿ってx偏光信号及びy偏光信号を同時に一緒に復号するステップと、
    片側指数関数的重み付け再帰的最小二乗(RLS)プロセスを用いて前記ビタビプロセスのサバイバーパスに沿ってクロストークチャネルを推定するステップと、
    前記サバイバーパスに沿った状態ごとに、推定チャネル、相互相関、自己相関及び復号データを記憶するステップと、
    を含むものと、
    後方MLSE復号するステップであって、
    前記ビタビプロセスを用いて前記ジョイントトレリス状態図の逆の時間方向に沿ってx偏光信号及びy偏光信号を一緒に復号するステップと、
    両側指数関数的重み付けRLSを用いて前記ジョイントトレリス状態図において前記サバイバーパスの逆の時間方向に沿ってクロストークチャネルを推定するステップであって、新たに計算された相互相関行列、及び前記前方MLSE復号において記憶された相互相関行列を用いるものと、
    MLパスを求めるための前記推定されたクロストークチャネル行列に基づいてチャネル共分散行列を計算するステップと、
    を含むものと、
    MLSE−RLS復号するステップであって、
    前記ビタビプロセスを用いて前記ジョイントトレリス状態図に沿って前記x偏光信号及び前記y偏光信号を一緒に復号するステップと、
    最適重み付けRLSプロセスを用いて、前記サバイバーパスのための、時間とともに変化するクロストークチャネルを推定するステップであって、予め計算されたチャネル共分散行列を用いて、追跡能力を改善するものと、
    を含むものと、
    を含み、
    前記ステップはクロストークキャンセラーにおいて実行される、コヒーレント光通信システムにおいて交差偏光変調(XPolM)を適応的にキャンセルするための方法。
  2. 推定チャネル行列H’(t)を用いて送信データ候補S’(t)をフィルタリングするステップと、
    受信信号R(t)からレプリカH’(t)S’(t)を減算し、誤差ベクトルE(t)を得るステップと、
    適応型プロセスを用いて、判定基準により平均二乗誤差(MSE)を最小にすることによって、前記推定チャネル行列H’(t)を更新するステップであって、該判定基準は、ユニタリー制約を用いる、又は用いない、片側指数関数的重み付けRLS、両側指数関数的重み付けRLS又は最適重み付けRLSであるものと、
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記XPolM、及び偏光モード分散(PMD)によって引き起こされる任意の偏光クロストークが、パーサバイバー処理(PSP)−RLSチャネル追跡を用いる同時MLSE復号によってキャンセルされる、請求項1に記載の方法。
  4. 前記x偏光信号及び前記y偏光信号は、光POLMUX送信機において最初に直交しており、該送信機は、更に性能を改善するために、二重偏光4位相偏移変調(DP−QPSK)、又はトレリス符号化変調(TCM)を生成する、請求項1に記載の方法。
  5. 反復復号及び反復チャネル推定のターボ原理が、内部FECチャネルコーディングのための性能を改善する、請求項1に記載の方法。
  6. 波長分割多重化(WDM)によって、異なる波長の光にわたって複数のPOLMUX信号が多重化される、請求項1に記載の方法。
  7. 長距離通信のために、光ファイバーが、多スパンのシングルモードファイバー(SMF)と、光増幅器(OA)と、分散補償ファイバー(DCF)とを含む、請求項1に記載の方法。
  8. より高次のRLSチャネル追跡が追跡能力の改善に適用可能である、請求項2に記載の方法。
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