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

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_ｘ(ｔ)及びｙ偏光信号Ｓ_ｙ(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_ｘ(ｔ)及びＳ_ｙ(ｔ)は、電気フィルターを通り抜けた後に、Ｓ_ｘ(ｔ)及びＳ_ｙ(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_ｘ(ｔ)及びｙ偏光受信信号Ｒ_ｙ(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_ｘ(ｔ)及びＲ_ｙ(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。

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_ｘ(ｔ)，Ｎ_ｙ(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_ｘ(ｔ)，Ｒ_ｙ(ｔ)］は、チャネル行列Ｈ(ｔ)、及び送信信号ベクトルＳ(ｔ)＝［Ｓ_ｘ(ｔ)，Ｓ_ｙ(ｔ)］＋雑音ベクトルＮ(ｔ)＝［Ｎ_ｘ(ｔ)，Ｎ_ｙ(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。

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、

及びＴ_S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Ｑ_ｒｓ(ｔ)及び自己相関行列Ｑ_ｓｓ(ｔ)によって表される。

ただし、

及び［・］^Ｈ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。

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。

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。

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。

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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