JP5796885B2 - 光伝送方式における偏波多重信号分離方法および該方法による受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野に関するものである。より詳細には、光伝送方式における偏波多重信号分離方法および該方法による受信装置に関する。

光信号の光ファイバ伝送において、偏波多重することで伝送容量を２倍にすることができる。しかし、光ファイバ伝送路中で偏波が変動することにより、受信器においては偏波間の信号が混ざった状態で到達するため、偏波多重信号を偏波分離する仕組みが必要である。そのため計算処理により偏波分離する偏波多重信号伝送方式が提案されている。その方式の一つとして、送受信器間で既知のパターンであるトレーニングシンボル（ＴＳ）を周期的に挿入することで、伝送路の伝達関数を算出し偏波推定を行うことで、偏波分離を行う方法がある。

従来例は、非特許文献１のように、光直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号変調方式において用いられている。図１は、光ＯＦＤＭ信号を用いた伝送前後における信号と時間の関係概念図であり、それを各偏波について示す。伝送前後において、受信した偏波多重信号を単純に２偏波に分けると、偏波多重信号が混合されて受信されるが、Multi-Input-Multi-output（ＭＩＭＯ）技術を用いて偏波分離することにより、送信時の偏波多重信号の通りに偏波分離することが可能となる。

具体的には、２つのＴＳ（ＴＳ＿ａ、ＴＳ＿ｂ）の後に、ｋ個のデータシンボル（ＤＳ）が続く。これらのＴＳのパターンは受信器も把握している。さらに、ＴＳは片方の偏波のみ情報が搭載され、もう片方の偏波の信号パワーは０にする。つまり、偏波１でＴＳ＿ａを送信する際、偏波２は何も送信せず、偏波２でＴＳ＿ｂを送信する際、偏波１は何も送信しない。

受信側では、伝送前のトレーニングシンボルＴＳ＿ａ、ＴＳ＿ｂと伝送後のトレーニングシンボルＴＳ＿ａ１、ＴＳ＿ｂ１、ＴＳ＿ａ２、ＴＳ＿ｂ２から、

により、ＴＳにより得られた偏波の混合比率とファイバ中で受けた分散を把握し、伝達関数Ｈ（上記式で行列ｈ_ｉｊ）を得る。そして、ＴＳ以後のＤＳ’は、伝送前信号に対し伝達関数Ｈを与えた結果であるとして、

を逆算することによりＤＳ’からＤＳを得ることができる。この際、伝達関数Ｈは次のＴＳまでの期間（ＴＳ間隔）において一定である。

Sander L.Jansen, Itsuro Morita, Tim C. W. Schenk, and Hideaki Tanaka, "Long-haultransmission of 16Ã52.5 Gbits/s polarization-divisionmultiplexedOFDM enabled by MIMO processing," Vol. 7, No. 2 / February 2008 / JOURNAL OFOPTICAL NETWORKING 173-182．

しかしながら、通常の光ファイバ伝送路は温度や圧力によって屈折率が変化するため、偏波状態は時間に応じて変化し偏波が回転する。即ち、ＴＳ間隔時間内において、偏波状態が変化するにも関わらず、一定値のＨを用いて偏波分離してしまうため、結果として偏波推定誤差が大きくなってしまうことになる。この概念図を図２上部に示す。時間に対し実線で示される偏波状態が変化しているが、丸で示された時刻においてＴＳにより得られた伝達関数Ｈである偏波推定値（点線）は、ＴＳ間隔内で一定のため、偏波推定誤差が大きくなる。

図２下部に、シンボル列（時間、シンボル番号）と生じたエラーの関係を示す。ここでは、ＴＳ間隔に含まれるＤＳの数を２００個とし、１シンボル当たりの時間は１０４．４ｎｓであり、その時間内に発生した偏波の回転角の最大値は０．２２［ｒａｄ］である。信号生成条件の、ＦＦＴサイズは１０２４、サブキャリア数は５２０であり、サブキャリア変調は８ＱＡＭであり、偏波多重含めたビットレートは３０．５Ｇｂｉｔ／ｓである。ＴＳ直後はエラーは少ないものの、時間とともにエラーが増加する傾向がみられ、エラー増加を低減するために、ＴＳの間隔を短くしなければならず、ＴＳの増加により、帯域を浪費してしまう問題があった。

したがって、本発明は、ＴＳの間隔を短くすることなく、偏波推定誤差を低減し、エラーの発生を低減させることが可能な、光伝送方式における偏波多重信号分離方法および該方法による受信装置を提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明による偏波分離方法は、各偏波に対して周期的に挿入されたトレーニングシンボルの送受信に基づいて推定される伝送路の伝達関数をデータシンボルに適用して偏波分離を行う光伝送方式の偏波多重信号分離方法において、複数の異なる時点で送受信されたトレーニングシンボルから、それぞれの時点での伝達関数を推定する第１の推定ステップと、あるトレーニングシンボルが送受信された時点を含む前記複数の異なる時点での複数の伝達関数間での伝達関数の変化を関数で表して、前記あるトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数を推定する第２の推定ステップと、
前記第２の推定ステップで推定された伝達関数を、前記ｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行う偏波分離ステップとを有する。

また、前記第２の推定ステップは、ｚ＋１個の伝達関数が前記第１の推定ステップで推定された場合、前記複数の伝達関数間での伝達関数の変化をｚ次関数で表し、該ｚ次関数を用いて前記ｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数を推定することも好ましい。

また、前記第１の推定ステップは、ｎ番目のトレーニングシンボルから、ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）を推定し、該トレーニングシンボルからｎ＋１番目のトレーニングシンボルまでに受信したデータシンボルを保存し、ｎ＋１番目のトレーニングシンボルから、ｎ＋１番目の伝達関数Ｈ（ｎ＋１）を推定し、前記第２の推定ステップは、前記ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）と前記ｎ＋１番目の伝達関数Ｈ（ｎ＋１）間での伝達関数の変化を表す関数から、ｎ番目のトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定し、前記偏波分離ステップは、前記伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を、前記保存されたｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行うことも好ましい。

また、前記第１の推定ステップは、ｎ−１番目のトレーニングシンボルから、ｎ−１番目の伝達関数Ｈ（ｎ−１）を推定し、ｎ番目のトレーニングシンボルから、ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）を推定し、前記第２の推定ステップは、前記ｎ−１番目の伝達関数Ｈ（ｎ−１）と前記ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）間での伝達関数の変化を関数で表して、ｎ番目のトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定し、前記偏波分離ステップは、前記伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を、前記ｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行うことも好ましい。

上記目的を実現するため本発明による受信装置は、各偏波に対して周期的に挿入されたトレーニングシンボルの送受信に基づいて推定される伝送路の伝達関数をデータシンボルに適用して偏波分離を行う光伝送方式の受信装置において、複数の異なる時点で送受信されたトレーニングシンボルから、それぞれの時点での伝達関数を推定する第１の推定手段と、あるトレーニングシンボルが送受信された時点を含む前記複数の異なる時点での複数の伝達関数間での伝達関数変化を関数で表して、前記あるトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数を推定する第２の推定手段と、前記第２の推定手段で推定された伝達関数を、前記ｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行う偏波分離手段とを備える。

本発明の偏波分離方法によれば、ＤＳに適用するＨの値を２つ以上のＴＳの値に基づいて変化させることにより、偏波推定誤差を低減し、エラーの発生を低減させることができる。

光ＯＦＤＭ信号を用いた伝送前後における信号と時間の関係概念図。 偏波変動が生じる際に光ＯＦＤＭ信号を用いた従来の偏波分離方式の問題点を示す。 本発明による送受信システムの構成を示す。 本発明の実施例１による、偏波変動が生じる際に光ＯＦＤＭ信号を用いた偏波分離時の効果を示す。 本発明の実施例２による動作の概念を示す。 本発明の実施例３による動作の概念を示す。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図３は、本発明による送受信システムの構成を示す。本送受信システムは、送信装置１と受信装置２を備える。送信装置１は、２つの送信器１１、２つの変調器１２、および合波器１３を備える。受信装置２は、２つのコヒーレント光検出器（ＣＯＤ）２１、ＭＩＭＯ処理器２２、２つの受信器２３、分波器２４、および記憶部２５を備える。

送信装置１では、２つの送信器１１で生成された２つの信号が、２つの変調器１２で光ＯＦＤＭ信号の偏波１と偏波２に変調され、合波器１３によって多重化され、伝送路に送信される。なお、偏波１と偏波２は、従来の偏波分離方式例と同じで図１で示される。受信装置２では、分波器２４で受信した光ＯＦＤＭ信号を分波する。ここで分波された信号は、送信時の偏波１と偏波２が混ざったものになっている。光信号の位相情報を保持するため、２つのコヒーレント光検出器２１が光から電気への変換のため用いられる。ＭＩＭＯ処理器２２によって、受信された信号が偏波分離され、２つの受信器２３に送られる。なお、ＭＩＭＯ処理器２２による処理の詳細は、以下に示される。記憶部２５は、受信したＤＳを一時的に保存する。

本発明の実施例１による偏波分離を示す。実施例１の受信装置２は、偏波１および偏波２のＴＳ間隔のＫ個のＤＳ’を一時保存するための記憶部２５を備えている。受信装置２は、図１の白四角で示された伝送後のトレーニングシンボルＴＳ＿ａ１、ＴＳ＿ｂ１、ＴＳ＿ａ２、ＴＳ＿ｂ２から、従来技術と同様に伝達関数Ｈ（ｎ）

を求める。この後、受信装置２は、偏波１および偏波２のＤＳ’をそれぞれＫ個受信する。ＭＩＭＯ処理器２２は、ＤＳ’の偏波分離をすぐに行わずに、一時的に記憶部２５に保存する。その後、図１の黒四角で示された伝送後のトレーニングシンボルＴＳ＿ａ１、ＴＳ＿ｂ１、ＴＳ＿ａ２、ＴＳ＿ｂ２から、同様にして伝達関数Ｈ（ｎ＋１）

を求める。

この２つの伝達関数Ｈ（ｎ）とＨ（ｎ＋１）から、図１の白四角で示されたＴＳ後に受信されたｍ（１≦ｍ≦Ｋ）番目のＤＳ’に適用する伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を、Ｈ（ｎ）とＨ（ｎ＋１）間を一次関数で補間した値として、

と求める。

ここで求めたＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を用いて、記憶部２５に保存されたＤＳ’に偏波分離を行い、ＤＳを得ることができる。この際、図１の白四角で示されたＴＳ直後のＤＳ’には、Ｈ＿ｉｎ（ｎ，１）を、その次のＤＳ’には、Ｈ＿ｉｎ（ｎ，２）を順次適用する。これにより、Ｈ（ｎ）からＨ（ｎ＋１）にかけて変化する偏波変動に対し、追随するようにＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）が変化するため、偏波推定誤差を小さくすることができる。

図４に、実施例１を適用した場合を示す。図４上は、図２上と同様に、時間に対し偏波状態の変化を示している。丸で示された時刻においてＴＳのＨ（ｎ）とＨ（ｎ＋１）間を数式５で補間して得られた伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）による偏波推定値（点線）は、図２上と比べ、偏波推定誤差が小さくなることが分かる。図４下に、シンボル列（時間、シンボル番号）と生じたエラーの関係を示す。実験条件は図２下と同じである。図２下と比較し、エラー数が大幅に減少していることが分かる。これにより良好な通信を行うことが可能となる。

次に、本発明の実施例２による偏波分離を示す。図５は、本発明の実施例２による動作の概念を示す。実施例１では、Ｈ（ｎ）とＨ（ｎ＋１）間のＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定するため、精度よく推定できるものの、Ｈ（ｎ＋１）が得られるまで、記憶部２５が全てのＤＳを記憶保持している必要がある。それに対し、図５に示す実施例２は、全てのＤＳを記憶保持する機能を必要としないものである。

実施例２では、まず適用するＤＳより２つ前に現れるＴＳからＨ（ｎ−１）を得る。次に、１つ前に現れるＴＳからＨ（ｎ）を得る。Ｈ（ｎ）を得たＴＳに続くＤＳの偏波変動は、Ｈ（ｎ−１）とＨ（ｎ）の間に発生した傾向から線形近似できるとみなし、以下の式より、

Ｈ（ｎ）に続くＤＳに適用するＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を求める。

この方法では、実施例１よりも誤差が増える可能性はあるものの、従来例の一定値のＨよりも偏波推定誤差が小さくなる上、Ｈ（ｎ）とＨ（ｎ＋１）間のＤＳを記憶しておく必要がなくなり、より実装が容易になる。

次に、本発明の実施例３による偏波分離を示す。図６は、本発明の実施例３による動作の概念を示す。実施例１および２がＨ（ｎ）を含め２点からＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定したのに対し、実施例３は、Ｈ（ｎ−２）、Ｈ（ｎ−１）、及びＨ（ｎ）の３点と、二次曲線を用いてＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定する。

実施例２と同様に、Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を適用するＤＳより３つ前に現れるＴＳから順に、Ｈ（ｎ−２）、Ｈ（ｎ−１）、及びＨ（ｎ）を得る。次に、Ｈ（ｎ）を得たＴＳに続くＤＳの偏波変動は、Ｈ（ｎ−２）、Ｈ（ｎ−１）、及びＨ（ｎ）の間に発生した２次関数に従うとみなし、２次関数で以下の式より、

Ｈ（ｎ）に続くＤＳに適用するＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を求める。

なお、Ｈ（ｎ−２）、Ｈ（ｎ−１）、Ｈ（ｎ）を代入することで、上式の係数ａ、ｂを得る。これによりＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を得ることができる。実施例３では、ＤＳを記憶する機能が不要であることのほか、２次関数を用いることで、より精度の高い偏波推定が可能となる。

また、実施例３では、Ｈ（ｎ）、およびこれより前の２つの伝達関数Ｈ（ｎ−１）、Ｈ（ｎ−２）から、Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定した。実施例３の変形として、Ｈ（ｎ）、これより１つ前の伝達関数Ｈ（ｎ−１）、およびこれより１つ後ろの伝達関数Ｈ（ｎ＋１）から、Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定することもできる。この場合、Ｈ（ｎ＋１）が得られるまで、記憶部が全てのＤＳを記憶保持している必要があるが、実施例１よりもより精度の高い偏波推定が可能となる。

さらなる実施例３の変形として、Ｈ（ｎ）、およびこれより後ろの２つの伝達関数Ｈ（ｎ＋１）、Ｈ（ｎ＋２）から、Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定することもできる。

なお、実施例３では、Ｈ（ｎ）より前の２つの伝達関数Ｈ（ｎ−１）、Ｈ（ｎ−２）からＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定したが、同様に、Ｈ（ｎ）より前のｚ個（ｚは１以上の整数）、即ちＨ（ｎ）からＨ（ｎ−ｚ）を用い、ｚ次関数を用いてＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定することで、より精度の高い偏波推定が可能となる。実施例３の変形も同様に、Ｈ（ｎ）より前と後ろのｚ個、即ちＨ（ｎ−（ｚ−ｊ））、Ｈ（ｎ）、およびＨ（ｎ＋ｊ）（１≦ｊ≦ｚ−１）を用い、ｚ次関数を用いてＨ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定することも可能である。

また、上記実施形態は、光ＯＦＤＭ伝送方式を用いて説明したが、ＴＳを用いて偏波分離を行う光伝送方式全てに適用可能である。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１ 送信装置
１１ 送信器
１２ 変調器
１３ 合波器
２ 受信装置
２１ コヒーレント光検出器
２２ ＭＩＭＯ処理器
２３ 受信器
２４ 分波器
２５ 記憶部

Claims (5)

1. 各偏波に対して周期的に挿入されたトレーニングシンボルの送受信に基づいて推定される伝送路の伝達関数をデータシンボルに適用して偏波分離を行う光伝送方式の偏波多重信号分離方法において、
   複数の異なる時点で送受信されたトレーニングシンボルから、それぞれの時点での伝達関数を推定する第１の推定ステップと、
   あるトレーニングシンボルが送受信された時点を含む前記複数の異なる時点での複数の伝達関数間での伝達関数の変化を関数で表して、前記あるトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数を推定する第２の推定ステップと、
   前記第２の推定ステップで推定された伝達関数を、前記ｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行う偏波分離ステップと、
   を有することを特徴とする光伝送方式の偏波多重信号分離方法。
2. 前記第２の推定ステップは、ｚ＋１個の伝達関数が前記第１の推定ステップで推定された場合、前記複数の伝達関数間での伝達関数の変化をｚ次関数で表し、該ｚ次関数を用いて前記ｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数を推定することを特徴とする請求項１に記載の光伝送方式の偏波多重信号分離方法。
3. 前記第１の推定ステップは、ｎ番目のトレーニングシンボルから、ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）を推定し、該トレーニングシンボルからｎ＋１番目のトレーニングシンボルまでに受信したデータシンボルを保存し、ｎ＋１番目のトレーニングシンボルから、ｎ＋１番目の伝達関数Ｈ（ｎ＋１）を推定し、
   前記第２の推定ステップは、前記ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）と前記ｎ＋１番目の伝達関数Ｈ（ｎ＋１）間での伝達関数の変化を表す関数から、ｎ番目のトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定し、
   前記偏波分離ステップは、前記伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を、前記保存されたｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の偏波多重信号分離方法。
4. 前記第１の推定ステップは、ｎ−１番目のトレーニングシンボルから、ｎ−１番目の伝達関数Ｈ（ｎ−１）を推定し、ｎ番目のトレーニングシンボルから、ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）を推定し、
   前記第２の推定ステップは、前記ｎ−１番目の伝達関数Ｈ（ｎ−１）と前記ｎ番目の伝達関数Ｈ（ｎ）間での伝達関数変化を関数で表して、ｎ番目のトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を推定し、
   前記偏波分離ステップは、前記伝達関数Ｈ＿ｉｎ（ｎ，ｍ）を、前記ｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の偏波多重信号分離方法。
5. 各偏波に対して周期的に挿入されたトレーニングシンボルの送受信に基づいて推定される伝送路の伝達関数をデータシンボルに適用して偏波分離を行う光伝送方式の受信装置において、
   複数の異なる時点で送受信されたトレーニングシンボルから、それぞれの時点での伝達関数を推定する第１の推定手段と、
   あるトレーニングシンボルが送受信された時点を含む前記複数の異なる時点での複数の伝達関数間での伝達関数変化を関数で表して、前記あるトレーニングシンボルに続くｍ番目のデータシンボルに適用する伝達関数を推定する第２の推定手段と、
   前記第２の推定手段で推定された伝達関数を、前記ｍ番目のデータシンボルに適用し偏波分離を行う偏波分離手段と、
   を備えることを特徴とする光伝送方式の光伝送方式の受信装置。

Images