JP5815499B2 - 通信システム及び通信システムの制御方法 - Google Patents

Description

アクセスサービスの高速化に対するニーズの高まりにより、ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）の普及が世界的に進んでいる。ＦＴＴＨサービスの大部分は、１個の収容局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）が時分割多重（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）により複数の加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）を収容し、経済性に優れたＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）方式により提供されている。

ＰＯＮ方式では、ＯＬＴとの距離が相異なる全ＯＮＵが一定以上の品質で通信を行うことが求められる。光ファイバ伝送では伝送距離が延びるにつれて光信号の強度の減衰や波長分散等に起因する波形歪みにより信号品質が劣化するため、ＰＯＮ方式において全ＯＮＵが送受信する光信号の信号速度が等しい場合、ＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能であれば全ＯＮＵが通信可能となる。

そのため、関連するＴＤＭ−ＰＯＮにおける信号速度は、最も遠いＯＮＵが通信可能となる値に固定されており、各ＯＮＵが単位時間あたりに送受信できる情報ビット数は等しい。図１に関連するＴＤＭ−ＰＯＮの構成例を示す。単一のＯＬＴに、ＯＬＴとの距離が相異なるＯＮＵ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは２以上の整数）が接続している。各ＯＮＵが送受信する光信号の信号速度は、ＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能である信号速度Ｂ［ｂｉｔ／ｓ］に固定される。図中のＳ、ｍはそれぞれシンボル速度、変調多値数を表わし、

が成り立つが、ＧＥ−ＰＯＮ（非特許文献１参照。）、Ｇ−ＰＯＮ（非特許文献２参照。）等の関連するＴＤＭ−ＰＯＮではｍ＝２であり、信号速度とシンボル速度は等しい。

ＴＤＭ−ＰＯＮの上り方向通信では、ＯＬＴにおける動的帯域割当計算に基づいて各ＯＮＵに割り当てられた送信許容時間のみに、各ＯＮＵが間欠的に光信号を送信することにより、光信号同士の衝突を防いでいる。関連するＴＤＭ−ＰＯＮでは上述の様に各ＯＮＵが単位時間あたりに送受信できる情報ビット数が等しいため、一定期間内において光信号の送信を許容される総時間がＯＮＵ間で等しくなるように送信許容時間を割り当てることにより、当該期間内において各ＯＮＵが送信する情報量が等しくなり、ＯＮＵ間での帯域公平性が実現される。

ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ８０２．３ａｈ ＩＴＵ−Ｔ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｇ．９８４．２

関連技術においては、ＴＤＭ−ＰＯＮでは、ＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能となる値に信号速度が固定されているが、ＯＬＴからの距離が近いＯＮＵは、本来、より高速な信号速度での通信が可能である。一方、移動体通信では、時々刻々と変化する無線基地局との距離や無線伝搬環境等に応じて端末ごとに信号速度を可変とする適応変調技術を用いた３．５Ｇ方式（ＨＳＰＡ：Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｐａｃｋｅｔ Ａｃｃｅｓｓ）が実用化されている。この方式では、無線基地局との間の距離が近い端末や無線伝搬環境が良好である端末が送受信する信号の変調多値数やシンボル速度を向上させ、単位時間あたりに送受信できる情報ビット数を増大させることにより、システム全体のスループットを拡大している。

適応変調技術をＴＤＭ−ＰＯＮに適用し、ＯＬＴからの距離が近いＯＮＵが送受信する光信号を高速化することにより、移動体通信と同様にシステム全体のスループットを拡大できる。しかしながら、移動体通信では端末の移動により各端末と無線基地局との間の距離および無線伝搬環境が変化するために、適応変調による信号速度の高速化を全ての端末が享受できるのに対して、ＰＯＮでは各ＯＮＵとＯＬＴとの距離が固定であるために、適応変調による信号速度の高速化をＯＬＴからの距離が近い特定のＯＮＵのみが享受することとなる。

そのため、一定期間内において光信号の送信を許容される総時間がＯＮＵ間で等しくなるように送信許容時間を割り当てる関連する上り方向通信の帯域公平化手法では、ＯＬＴからの距離に応じて一定期間内に送れる情報量に不公平が生じるという課題がある。

本発明は、ＯＬＴと各ＯＮＵとの距離に合わせて有効情報ビット数を決定し、割り当てられた送信許容時間に光信号を送信することで各ＯＮＵの送信できる帯域の公平化をすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各ＯＮＵの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各ＯＮＵへの送信許容時間を割り当てる。これによりＯＮＵが、公平に情報量を送信することができる。

具体的には、本発明の通信システムは、親ノードと子ノードが接続されている通信システムであって、
親ノードは、子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て機能を備え、
子ノードは、割り当て機能の決定した有効情報ビット数の光信号を、割り当て機能の割り当てた送信許容時間に、親ノードへ送信する送信機能を備える。

具体的には、本発明の通信システムの制御方法は、
親ノードと複数の子ノードが接続されている通信システムの制御方法であって、
親ノードから子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て手順と、
割り当て手順の決定した有効情報ビット数の光信号を、割り当て手順の割り当てた送信許容時間に、子ノードから親ノードへ送信する送信手順と、を行う。

具体的には、通信システムの制御装置は、
親ノードと複数の子ノードが接続されている通信システムの制御装置であって、
親ノードは、子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て機能を備える。

具体的には、通信システムの制御プログラムは、
親ノードと複数の子ノードが接続されている通信システムの制御プログラムであって、
親ノードから子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て手順と、
前記割り当て手順の決定した有効情報ビット数の光信号を、前記割り当て手順の割り当てた送信許容時間に、子ノードから親ノードへ送信する送信手順と、をコンピュータに実行させる。

具体的には、コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
通信システムの制御プログラムを記録する。

また、本発明の通信システムでは、
光信号は、光変調信号であり、
前記割り当て機能は、各子ノードの光信号の変調多値数を決定することによって前記有効情報ビット数を決定し、
前記送信機能は、前記割り当て機能の決定した変調多値数で変調された光信号を、親ノードへ送信してもよい。

また、本発明の通信システムでは、
前記割り当て機能は、各子ノードの光信号のシンボル速度を決定することによって前記有効情報ビット数を決定し、
前記送信機能は、前記割り当て機能の決定したシンボル速度の光信号を、親ノードへ送信してもよい。

また、本発明の通信システムでは、
光信号は、光符号化信号であり、
前記割り当て機能は、各子ノードの光信号の符号化方式を決定することによって前記有効情報ビット数を決定し、
前記送信機能は、前記割り当て機能の決定した符号化方式の光信号を、親ノードへ送信してもよい。

また、本発明の通信システムでは、
前記光信号は、光ＯＦＤＭ信号であり、
前記割り当て機能は、各子ノードの光信号の副搬送波の数を決定することによって前記有効情報ビット数を決定し、
前記送信機能は、前記割り当て機能の決定した副搬送波の数の光信号を、親ノードへ送信してもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、ＯＬＴと各ＯＮＵとの距離に合わせて有効情報ビット数を決定し、割り当てられた送信許容時間に光信号を送信することで各ＯＮＵの送信できる帯域の公平化を実現をすることができる。

本発明に関連するＴＤＭ−ＰＯＮの構成を説明する図である。 実施形態１に係るＴＤＭＡシステムの構成を説明する図である。 実施形態１に係る動的帯域割当の概念を説明する図である。 実施形態２に係るＴＤＭＡシステムの構成を説明する図である。 実施形態２に係る動的帯域割当の概念を説明する図である。 実施形態５に係るＯＦＤＭＡシステムの構成を説明する図である。 実施形態６に係るＯＦＤＭＡシステムの構成を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

本実施形態に係る通信システムは、親ノードと複数の子ノードが接続されている１対多接続の通信システムであって、ＴＤＭＡ、ＯＦＤＭＡ光システム及び固定無線システムを含む。本実施形態に係る通信システムの動作方法は、割り当て手順と送信手順を順に有する。親ノードは割り当て手順を実行するための割り当て機能を備え、各子ノードは送信手順を実行するための送信機能を備える。割り当て機能及び送信機能はコンピュータにプログラムを実行させることによって実現してもよい。プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。

割り当て機能は、親ノードから子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる。また、送信機能は、割り当て機能の決定した有効情報ビット数の光信号を、割り当て機能の割り当てた送信許容時間に、親ノードへ送信する。光信号は、親ノードと子ノードが送受信する信号であり、光変調信号、光符号化信号及び光ＯＦＤＭ信号を含む。

（実施形態１）
本実施形態では、光信号は光変調信号であり、割り当て機能は各子ノードの光信号の変調多値数を決定することによって有効情報ビット数を決定し、送信機能は割り当て機能の決定した変調多値数で変調された光信号を親ノードへ送信する。
第１の実施形態における光通信システムである時分割多元接続（ＴＤＭＡ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）システムの構成例を図２に示す。光ファイバ伝送路および光合分波手段を介して、子ノードであるＯＮＵ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは２以上の整数）が親ノードである単一のＯＬＴと接続しているＴＤＭ−ＰＯＮである。

光合分波手段としては、光ファイバやＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により作成された光カプラなどがこれにあたる。図２では各ＯＮＵとＯＬＴとの間に１個の光合分波手段が接続されているが、２個以上の光合分波手段が縦続接続されていてもよい。

ＯＮＵ_ｋは、ＯＬＴにおける動的帯域割当計算に基づいて自らに割り当てられた送信許容時間のみに、シンボル速度Ｓ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］、変調多値数ｍ_ｋを間欠的に送信する。Ｓはｋの値によらず全ＯＮＵで等しい一方、ｍ_ｋはＯＮＵ_ｋが一定以上の品質でＯＬＴと通信できる最大の値に適応的に設定されている。この時、ＯＮＵ_ｋが単位時間あたりに送信できる情報ビット数Ｂ_ｋは、式（２）で表わされる。

変調多値数ｍ_ｋは、ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性に依存するため、ＯＬＴとＯＮＵとの間で監視信号を定期的に送受信してＯＬＴ−ＯＮＵ間の損失や波長分散量を測定し、変調多値数に対する受信特性を算出するなどして決定される。ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性が時間的に大きく変化しない場合は、ＯＮＵの初期登録時に決定した値を固定的に用いることも可能である。

光信号の強度を一定とした場合、変調多値数が大きいほど光電界平面上での隣接シンボル間の距離が狭くなる。そのため、変調多値数が大きい光信号を受信した際に一定以上の品質（＝隣接シンボル間距離）を得るためには、受信器へ入力される光信号の強度が大きいことが求められる。また、変調多値数が大きいほど波長分散等に起因する波形歪みへの耐性が弱いため、光信号を受信した際に一定以上の品質を得るためには、波形歪みが小さいことが要求される。

ここで、光ファイバ伝送では伝送距離が短いほど、光信号の強度の減衰量が小さく、波長分散等に起因する波形歪みが小さい。そのため、ＯＬＴとの距離が近いＯＮＵにおいて、変調多値数ｍ_ｋを大きい値に設定し、単位時間あたりに送信できる情報ビット数Ｂ_ｋを増大できる可能性がある。

そのため、例えば、２値位相変調（ＢＰＳＫ：Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ−Ｋｅｙｉｎｇ），４値位相変調（ＱＰＳＫ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ−Ｋｅｙｉｎｇ），８値位相変調（８ＰＳＫ），・・・の様に変調フォーマットが送信元であるＯＮＵごとに異なる光信号が時分割多重されてＯＬＴに入力される。

動的帯域割当計算では、一定期間内においてＯＮＵ_ｋが光信号の送信を許容される総時間をＴ_ｋとすると、式（３）を満たすように、ＯＮＵ間でのＴ_ｋの比が１シンボルで送信できる情報ビット数ｌｏｇ_２ｍ_ｋの逆数の比と等しくなるように送信許容時間を割り当てる。

ＯＮＵ_ｋが一定期間内に送信許容時間を割り当てられる回数をＮ_ｋ回（Ｎ_ｋは１以上の整数）、ｎ回目（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ_ｋ）の送信許容時間の長さをｔ_ｋ（ｎ）とした際の動的帯域割当の概念図を図３に示す。１シンボルで送信できる情報ビット数ｌｏｇ_２ｍ_ｋと送信許容時間の長さｔ_ｋ（ｎ）を縦横とする長方形の面積のＯＮＵごとの和は、ＯＮＵ間で等しくなる。

式（２），（３）より、Ｔ_ｋとＢ_ｋとの積で表わされる各ＯＮＵが当該期間内において送信する情報量が等しくなるため、上述の動的帯域割当によりＯＮＵ間の帯域公平性が実現されることが分かる。更に、一定以上の品質での通信が可能である範囲内で光信号の変調多値数がＯＮＵごとに最大化されているため、関連するＴＤＭ−ＰＯＮと同様にＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能となる値Ｂ_ｍｉｎに信号速度を固定した場合と比べて、システム全体のスループットが拡大でき、式（４）が成り立つ。

つまり、本実施形態により、各子ノードと親ノードとの距離が固定であるＴＤＭＡ方式において、適応変調の適用によるシステム全体のスループット拡大の効果を全ての子ノード間で公平に享受できる。波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の適用により１波長あたりの信号速度を高速化することなくシステム帯域の拡張が可能なＷＤＭ／ＴＤＭＡシステムにおいても、同様の変調多値数の適応的設定および動的帯域割当計算により、システム全体のスループット拡大の効果を、帯域を共有する全ての子ノード間で公平に享受できる。

（実施形態２）
本実施形態では、割り当て機能は、各子ノードの光信号のシンボル速度を決定することによって有効情報ビット数を決定し、送信機能は割り当て機能の決定したシンボル速度の光信号を親ノードへ送信する。

第２の実施形態における光通信システムであるＴＤＭＡシステムの構成例を図４に示す。第１の実施形態の構成例であるＴＤＭ−ＰＯＮ（図２）との違いは、子ノードであるＯＮＵ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは２以上の整数）が親ノードであるＯＬＴにおける動的帯域割当計算に基づいて自らに割り当てられた送信許容時間のみに間欠的に送信する光信号について、変調多値数ｍはｋの値によらず全ＯＮＵで等しい一方、シンボル速度Ｓ_ｋ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］はＯＮＵ_ｋが一定以上の品質で親ノードであるＯＬＴと通信できる最大の値に適応的に設定されている点である。ＯＮＵ_ｋが単位時間あたりに送信できる情報ビット数Ｂ_ｋは、式（５）で表わされる。

シンボル速度Ｓ_ｋは、ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性に依存するため、ＯＬＴとＯＮＵとの間で監視信号を定期的に送受信してＯＬＴ−ＯＮＵ間の損失や波長分散量を測定し、シンボル速度に対する受信特性を算出するなどして決定される。ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性が時間的に大きく変化しない場合は、ＯＮＵの初期登録時に決定した値を固定的に用いることも可能である。

光信号のシンボル速度が速いほど信号帯域が広くなり高周波雑音成分の影響を受けるため、光信号を受信した際に一定以上の品質（＝信号雑音比）を得るためには、受信器へ入力される光信号の強度が大きいことが求められる。また、シンボル速度が速いほど波長分散等に起因する波形歪みへの耐性が弱いため、光信号を受信した際に一定以上の品質を得るためには波形歪みが小さいことが要求される。ここで、光ファイバ伝送では伝送距離が短いほど、光信号の強度の減衰量が小さく、波長分散等に起因する波形歪みが小さい。

そのため、ＯＬＴとの距離が近いＯＮＵにおいて、シンボル速度Ｓ_ｋを速い値に設定し、単位時間あたりに送信できる情報ビット数Ｂ_ｋを増大できる可能性がある。そのため、例えば、１．２５ＧＳｙｍｂｏｌ／ｓ，２．５ＧＳｙｍｂｏｌ／ｓ，１０ＧＳｙｍｂｏｌ／ｓ，・・・の様にシンボル速度が送信元であるＯＮＵごとに異なる光信号が時分割多重されてＯＬＴに入力される。

動的帯域割当計算では、一定期間内においてＯＮＵ_ｋが光信号の送信を許容される総時間をＴ_ｋとすると、式（６）を満たすように、ＯＮＵ間でのＴ_ｋの比が単位時間あたりに送信できるシンボル数Ｓ_ｋの逆数の比と等しくなるように送信許容時間を割り当てる。

ＯＮＵ_ｋが一定期間内に送信許容時間を割り当てられる回数をＮ_ｋ回（Ｎ_ｋは１以上の整数）、ｎ回目（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ_ｋ）の送信許容時間の長さをｔ_ｋ（ｎ）とした際の動的帯域割当の概念図を図５に示す。単位時間あたりに送信できるシンボル数Ｓ_ｋと送信許容時間の長さｔ_ｋ（ｎ）を縦横とする長方形の面積のＯＮＵごとの和は、ＯＮＵ間で等しくなる。

式（５），（６）より、Ｔ_ｋとＢ_ｋとの積で表わされる各ＯＮＵが当該期間内において送信する情報量が等しくなるため、上述の動的帯域割当によりＯＮＵ間の帯域公平性が実現されることが分かる。更に、一定以上の品質での通信が可能である範囲内で光信号のシンボル速度がＯＮＵごとに最大化されているため、関連するＴＤＭ−ＰＯＮと同様にＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能となる値Ｂ_ｍｉｎに信号速度を固定した場合と比べて、システム全体のスループットが拡大でき、第１の実施形態中の式（４）が成り立つ。

つまり、本実施形態により、各子ノードと親ノードとの距離が固定であるＴＤＭＡシステムにおいて、適応変調の適用によるシステム全体のスループット拡大の効果を全ての子ノード間で公平に享受できる。ＷＤＭの適用により１波長あたりの信号速度を高速化することなくシステム帯域の拡張が可能なＷＤＭ／ＴＤＭＡシステムにおいても、同様のシンボル速度の適応的設定および動的帯域割当計算により、システム全体のスループット拡大の効果を、帯域を共有する全ての子ノード間で公平に享受できる。

（実施形態３）
本実施形態では、光信号は光符号化信号であり、割り当て機能は各子ノードの光信号の符号化方式を決定することによって有効情報ビット数を決定し、送信機能は前記割り当て機能の決定した符号化方式の光信号を親ノードへ送信する。

第３の実施形態における光通信システムであるＴＤＭＡシステムでは、子ノードであるＯＮＵ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは２以上の整数）が親ノードであるＯＬＴにおける動的帯域割当計算に基づいて自らに割り当てられた送信許容時間のみに間欠的に送信する光信号について、変調多値数ｍとシンボル速度Ｓ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］がｋの値によらず固定であり、単位時間あたりに送信できる情報ビット数Ｂ（＝Ｓ×ｌｏｇ_２ｍ）が全ＯＮＵで等しい一方、ＰＣＳ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｄｉｎｇ Ｓｕｂｌａｙｅｒ）における符号化方式をＯＮＵごとに適応的に選択可能である。符号化方式の違いにより、符号化の前後でのビット数の比Ｒ_ｋが異なる。

ＰＣＳにおける符号化として、イーサネット（登録商標）では、同一論理の連続を防ぐために８Ｂ／１０Ｂ，６４Ｂ／６６Ｂなどのデータ変換を行っている。８Ｂ／１０Ｂは、８ビットの情報を１０ビットに変換する方式であり、実際のデータと比べてビット数が２５％増加する（Ｒ_ｋ＝１．２５）。これに対し、６４Ｂ／６６Ｂは、６４ビットの情報を６６ビットに変換するため、増加するビット数は実際のデータの約３％である。

ＰＣＳでは、前方誤り訂正（ＦＥＣ：Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）も行われる。ＦＥＣは、送信側でデータに冗長性を付与することで、受信側で誤りを検出し訂正することを可能にする方式である。ＦＥＣの符号化利得により、ＦＥＣを用いない場合には一定以上の品質で通信することが不可能である信号速度においても、一定以上の品質で通信することが可能となる。

ＦＥＣには、リード・ソロモン符号やターボ符号などが用いられ、誤り訂正強度が大きく、大きな符号化利得が得られる符号ほど、符号化によるビット数の増加率が大きい。そのため、８Ｂ／１０Ｂ，６４Ｂ／６６Ｂなどのデータ変換方式、ＦＥＣ適用の有無、ＦＥＣ符号の種別などＰＣＳにおける符号化方式が送信元であるＯＮＵごとに異なる光信号が時分割多重されてＯＬＴに入力される。

動的帯域割当計算では、一定期間内においてＯＮＵ_ｋが光信号の送信を許容される総時間をＴ_ｋとすると、式（７）を満たすように、ＯＮＵ間でのＴ_ｋの比が符号化の前後でのビット数の比Ｒ_ｋの比と等しくなるように送信許容時間を割り当てる。

単位時間あたりに送信できる情報ビット数Ｂは全ＯＮＵで等しいため、当該期間内に送信する情報量Ｂ×Ｔ_ｋはＲ_ｋと比例し、式（８）が成り立つ。

ここで、式（８）の各項は、各ＯＮＵが当該期間内に送信する情報量から符号化による増分を除いた有効情報量を表わすため、上述の動的帯域割当によりＯＮＵ間の帯域公平性が実現されることが分かる。ＰＣＳにおける符号化方式をＯＮＵごとに選択できるため、８Ｂ／１０Ｂ，６４Ｂ／６６Ｂなどのデータ変換方式が統一されていない複数のＯＮＵを帯域公平性を保ちながら同一のシステムに収容できる。

また、一定以上の品質での通信が可能である範囲内でＯＮＵごとにＦＥＣ適用の有無、ＦＥＣ符号の種別を選択できるため、符号化の前後でのビット数の比Ｒ_ｋが必要最小限となる冗長度で信号速度の高速化を図れ、関連するＴＤＭＡシステムと同様にＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能となるような誤り訂正強度を有し符号化前後でのビット数の比がＲ_ｍａｘであるＦＥＣ符号を全ＯＮＵに適用した場合と比べて、システム全体のスループットが拡大でき、式（９）が成り立つ

つまり、本実施形態により、各子ノードと親ノードとの距離が固定であるＴＤＭＡシステムにおいて、ＰＣＳにおける符号化方式の適応的な選択によるシステム全体のスループット拡大の効果を、必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

ＷＤＭの適用により１波長あたりの信号速度を高速化することなくシステム帯域の拡張が可能なＷＤＭ／ＴＤＭＡシステムにおいても、同様の符号化方式の適応的選択および動的帯域割当計算により、システム全体のスループット拡大の効果を、帯域を共有する必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

（実施形態４）
第４の実施形態における光通信システムであるＴＤＭＡシステムは、子ノードであるＯＮＵ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは２以上の整数）が親ノードであるＯＬＴにおける動的帯域割当計算に基づいて自らに割り当てられた送信許容時間のみに間欠的に送信する光信号について、変調多値数ｍ_ｋとシンボル速度Ｓ_ｋ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］と符号化方式のうちの少なくとも２つがＯＮＵごとに適応的に設定／選択可能である。

ｍ_ｋとＳ_ｋの値の設定、ＦＥＣ適用の有無、ＦＥＣ符号の種別の選択の際には、ＯＮＵ_ｋが一定以上の品質で親ノードであるＯＬＴと通信できる組み合わせの中で、ＯＮＵ_ｋが単位時間あたりに送信できる情報ビット数から符号化による増分を除いた有効情報ビット数Ｂ’_ｋが最大となるように設定／選択されている。符号化の前後でのビット数の比をＲ_ｋとすると、Ｂ’_ｋは式（１０）で表わされる。

そのため、変調多値数ｍ_ｋとシンボル速度Ｓ_ｋ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］と符号化方式のうちの少なくとも２つが送信元であるＯＮＵごとに異なる光信号が時分割多重されてＯＬＴに入力される。

動的帯域割当計算では、一定期間内においてＯＮＵ_ｋが光信号の送信を許容される総時間をＴ_ｋとすると、式（１１）を満たすように、ＯＮＵ間でのＴ_ｋの比が単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数Ｂ’_ｋの逆数の比と等しくなるように送信許容時間を割り当てる。

ここで、式（１１）の各項は、各ＯＮＵが当該期間内に送信する情報量から符号化による増分を除いた有効情報量を表わすため、上述の動的帯域割当によりＯＮＵ間の帯域公平性が実現されることが分かる。更に、一定以上の品質での通信が可能である範囲内で各ＯＮＵが単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数がＯＮＵごとに最大化されているため、関連するＴＤＭＡシステムと同様にＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能となる値Ｂ’_ｍｉｎに単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数を固定した場合と比べて、システム全体のスループットが拡大でき、式（１２）が成り立つ。

つまり、本実施形態により、各子ノードと親ノードとの距離が固定であるＴＤＭＡシステムにおいて、適応変調の適用によるシステム全体のスループット拡大の効果を、必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

ＷＤＭの適用により１波長あたりの信号速度を高速化することなくシステム帯域の拡張が可能なＷＤＭ／ＴＤＭＡシステムにおいても、同様のシンボル速度、変調多値数の適応的設定、符号化方式の適応的選択および動的帯域割当計算により、システム全体のスループット拡大の効果を、帯域を共有する必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

（実施形態５）
本実施形態では、光信号は光ＯＦＤＭ信号であり、割り当て機能は各子ノードの光信号の副搬送波の数および変調多値数を決定することによって有効情報ビット数を決定し、送信機能は割り当て機能の決定した副搬送波の数および変調多値数の光信号を親ノードへ送信する。

第５の実施形態における光通信システムである直交周波数多元接続（ＯＦＤＭＡ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）システムの構成例を図６に示す。光ファイバ伝送路および光合分波手段を介して、子ノードであるＯＮＵ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは２以上の整数）が親ノードである単一のＯＬＴと接続しているＯＦＤＭ−ＰＯＮである。光合分波手段としては、光ファイバやＰＬＣにより作成された光カプラなどがこれにあたる。図６では各ＯＮＵとＯＬＴとの間に１個の光合分波手段が接続されているが、２個以上の光合分波手段が縦続接続されていてもよい。

ＯＦＤＭ伝送では、送信側では、シリアルパラレル変換、シンボルマッピング、高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、パラレルシリアル変換などから成るデジタル信号処理（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）およびデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換により生成したＯＦＤＭ信号により、光搬送波を強度変調または光Ｉ／Ｑ変調して得た光ＯＦＤＭ信号を出力する。

受信側では、光ＯＦＤＭ信号を直接検波または光Ｉ／Ｑ検波して得たＯＦＤＭ信号を、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換した後、シリアルパラレル変換、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、シンボルデマッピング、パラレルシリアル変換などから成るＤＳＰによりデータを復調する。複数の副搬送波を用いたマルチキャリア伝送でありシンボル速度が遅いため、波長分散や偏波モード分散等の伝送歪みに対する耐性が強く伝送距離の長延化が図れるという特徴がある。

ＯＮＵ_ｋは、ＯＬＴにおける動的帯域割当計算に基づいて自らに割り当てられた送信許容時間のみに、同時に割り当てられた副搬送波のみが変調されている光ＯＦＤＭ信号を間欠的に送信する。

副搬送波のシンボル速度Ｓ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］はｋの値によらず全ＯＮＵで等しい一方、変調多値数ｍ_ｋと符号化方式のうち少なくとも１つがＯＮＵごとに適応的に設定／選択可能である。ｍ_ｋの値の設定、ＦＥＣ適用の有無、ＦＥＣ符号の種別の選択の際には、ＯＮＵ_ｋからのデータが親ノードであるＯＬＴにおいて一定以上の品質で復調できる組み合わせの中で、ＯＮＵ_ｋが１本の副搬送波を用いて単位時間あたりに送信できる情報ビット数から符号化による増分を除いた有効情報ビット数ｂ’_ｋが最大となるように設定／選択されている。

各々の周波数がｆ_１〜ｆ_Ｊ（Ｊは２以上の整数）であるＪ個の副搬送波のうち時刻ｔにおいてＯＮＵ_ｋに割り当てられている副搬送波の数をＪ_ｋ（ｔ）、ＯＮＵ_ｋにおける符号化の前後でのビット数の比をＲ_ｋとすると、ＯＮＵ_ｋが各時刻において単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数Ｂ’_ｋ（ｔ）は、式（１３）で表わされる。

変調多値数ｍ_ｋおよびＦＥＣ適用の有無、ＦＥＣ符号の種別は、ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性に依存するため、ＯＬＴとＯＮＵとの間で監視信号を定期的に送受信してＯＬＴ−ＯＮＵ間の損失や波長分散量を測定し、変調多値数に対する受信特性を算出するなどして決定される。ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性が時間的に大きく変化しない場合は、ＯＮＵの初期登録時に決定した設定／選択を固定的に用いることも可能である。

光信号の強度を一定とした場合、ＦＦＴにより分離された各副搬送波について、変調多値数が大きいほど電界平面上での隣接シンボル間の距離が狭くなる。そのため、各副搬送波の変調多値数が大きい光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質（＝隣接シンボル間距離）を得るためには、受信器へ入力される光信号の強度が大きいことが求められる。

また、変調多値数が大きいほど波長分散等に起因する波形歪みへの耐性が弱いため、光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質を得るためには波形歪みが小さいことが要求される。ここで、光ファイバ伝送では伝送距離が短いほど、光信号の強度の減衰量が小さく、波長分散等に起因する波形歪みが小さい。そのため、ＯＬＴとの距離が近いＯＮＵにおいて、変調多値数ｍ_ｋを高い値に設定し、１本の副搬送波を用いて単位時間あたりに送信できる情報ビット数から符号化による増分を除いた有効情報ビット数ｂ’_ｋを増大できる可能性がある。

同一時刻に送信を許容された各ＯＮＵからの光ＯＦＤＭ信号が合波されてＯＬＴに入力されるため、ＯＬＴにおける直接検波または光Ｉ／Ｑ検波により、各副搬送波の変調フォーマットと符号化方式のうちの少なくとも１つが送信元であるＯＮＵごとに異なるＯＦＤＭ信号が得られる。

動的帯域割当計算では、式（１４）で表わされるように、一定期間内においてＯＮＵ_ｋに割り当てられる副搬送波の数と送信許容時間で構成される面積∫Ｊ_Ｋ（ｔ）ｄｔのＯＮＵ間での比が、ｌｏｇ_２ｍ_ｋ／Ｒ_Ｋの逆数の比と等しくなるように副搬送波および送信許容時間を割り当てる。

式（１３），（１４）より、式（１５）が導ける。

ここで、式（１５）の各項は、各ＯＮＵが当該期間内に送信する情報量から符号化による増分を除いた有効情報量を表わすため、上述の動的帯域割当によりＯＮＵ間の帯域公平性が実現されることが分かる。更に、一定以上の品質での通信が可能である範囲内で各ＯＮＵが１本の副搬送波を用いて単位時間あたりに送信できる情報ビット数から符号化による増分を除いた有効情報ビット数ｂ’_ｋがＯＮＵごとに最大化されているため、ＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能となる値ｂ’_ｍｉｎに固定した場合と比べて、システム全体のスループットが拡大でき、式（１６）が成り立つ。

つまり、本実施形態により、各子ノードと親ノードとの距離が固定であるＯＦＤＭＡシステムにおいて、適応変調の適用によるシステム全体のスループット拡大の効果を、必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

ＷＤＭの適用により１波長あたりの信号速度を高速化することなくシステム帯域を拡張するＷＤＭ／ＯＦＤＭＡシステムにおいても、同様の適応的な変調多値数の設定、符号化方式の適応的選択および動的帯域割当計算により、システム全体のスループット拡大の効果を、帯域を共有する必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

（実施形態６）
本実施形態では、光信号は光ＯＦＤＭ信号であり、割り当て機能は各子ノードの光信号の副搬送波の数およびシンボル速度を決定することによって有効情報ビット数を決定し、送信機能は割り当て機能の決定した副搬送波の数およびシンボル速度の光信号を親ノードへ送信する。

第６の実施形態における光通信システムであるＯＦＤＭＡシステムの構成例を図７に示す。第５の実施形態の構成例であるＯＦＤＭ−ＰＯＮ（図６）において、上り方向通信において同一時刻に単一のＯＮＵのみが送信を許容される構成である。子ノードであるＯＮＵ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ、Ｋは２以上の整数）が送信する光ＯＦＤＭ信号について、副搬送波の変調多値数ｍ_ｋと副搬送波のシンボル速度Ｓ_ｋ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］と副搬送波の数Ｊ_ｋと符号化方式のうち少なくとも１つがＯＮＵごとに適応的に設定／選択可能である。

ｍ_ｋ，Ｓ_ｋ，Ｊ_ｋの値の設定、ＦＥＣ適用の有無、ＦＥＣ符号の種別の選択の際には、ＯＮＵ_ｋが一定以上の品質で親ノードであるＯＬＴと通信できる組み合わせの中で、ＯＮＵ_ｋが単位時間あたりに送信できる情報ビット数から符号化による増分を除いた有効情報ビット数Ｂ’_ｋが最大となるように設定／選択されている。ＯＮＵ_ｋにおける符号化の前後でのビット数の比をＲ_ｋとすると、ＯＮＵ_ｋが単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数Ｂ’_ｋは、式（１７）で表わされる。

変調多値数ｍ_ｋ、シンボル速度Ｓ_ｋ［Ｓｙｍｂｏｌ／ｓ］、副搬送波の数Ｊ_ｋおよびＦＥＣ適用の有無、ＦＥＣ符号の種別は、ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性に依存するため、ＯＬＴとＯＮＵとの間で監視信号を定期的に送受信してＯＬＴ−ＯＮＵ間の損失や波長分散量を測定し、変調多値数に対する受信特性を算出するなどして決定される。ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離や光ファイバ伝送路の特性が時間的に大きく変化しない場合は、ＯＮＵの初期登録時に決定した設定／選択を固定的に用いることも可能である。

変調多値数に関して、光信号の強度を一定とした場合、ＦＦＴにより分離された各副搬送波について、変調多値数が大きいほど電界平面上での隣接シンボル間の距離が狭くなる。そのため、各副搬送波の変調多値数が大きい光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質（＝隣接シンボル間距離）を得るためには、受信器へ入力される光信号の強度が大きいことが求められる。

また、変調多値数が大きいほど波長分散等に起因する波形歪みへの耐性が弱いため、光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質を得るためには波形歪みが小さいことが要求される。ここで、光ファイバ伝送では伝送距離が短いほど、光信号の強度の減衰量が小さく、波長分散等に起因する波形歪みが小さい。そのため、ＯＬＴとの距離が近いＯＮＵにおいて、変調多値数ｍ_ｋを高い値に設定し、単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数Ｂ’_ｋを増大できる可能性がある。

シンボル速度に関して、シンボル速度が速いほど信号帯域が広くなり高周波雑音成分の影響を受けるため、光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質（＝信号雑音比）を得るためには、受信器へ入力される光信号の強度が大きいことが求められる。

また、シンボル速度が速いほど波長分散等に起因する波形歪みへの耐性が弱いため、光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質を得るためには波形歪みが小さいことが要求される。

ここで、光ファイバ伝送では伝送距離が短いほど、光信号の強度の減衰量が小さく、波長分散等に起因する波形歪みが小さい。そのため、ＯＬＴとの距離が近いＯＮＵにおいて、シンボル速度Ｓ_ｋを速い値に設定し、単位時間あたりに送受信できる情報ビット数Ｂ_ｋを増大できる可能性がある。

副搬送波の数に関して、副搬送波の数が多いほど信号帯域が広くなり高周波雑音成分の影響を受けるため、光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質（＝信号雑音比）を得るためには、受信器へ入力される光信号の強度が大きいことが求められる。

また、信号帯域が広いほど波長分散等の影響を強く受けるため、光ＯＦＤＭ信号を受信した際に一定以上の品質を得るためには光ファイバ伝送路の波長分散量が小さいことが要求される。ここで、光ファイバ伝送では伝送距離が短いほど、光信号の強度の減衰量が小さく、波長分散量が小さい。そのため、ＯＬＴとの距離が近いＯＮＵにおいて、副搬送波の数Ｊ_ｋを増大し、単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数Ｂ’_ｋを増大できる可能性がある。

そのため、各副搬送波の変調フォーマットとシンボル速度と副搬送波の数と符号化方式のうちの少なくとも１つが送信元であるＯＮＵごとに異なる光ＯＦＤＭ信号が時分割多重されてＯＬＴに入力される。

動的帯域割当計算では、一定期間内においてＯＮＵ_ｋが光ＯＦＤＭ信号の送信を許容される総時間をＴ_ｋとすると、第４の実施形態中の式（１１）を満たすように、ＯＮＵ間でのＴ_ｋの比が単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数Ｂ’_ｋの逆数の比と等しくなるように送信許容時間を割り当てる。

式（１１）の各項は、各ＯＮＵが当該期間内に送信する情報量から符号化による増分を除いた有効情報量を表わすため、上述の動的帯域割当によりＯＮＵ間の帯域公平性が実現されることが分かる。更に、一定以上の品質での通信が可能である範囲内で各ＯＮＵが単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数がＯＮＵごとに最大化されているため、ＯＬＴからの距離が最も遠いＯＮＵが通信可能となる値Ｂ’_ｍｉｎに単位時間あたりに送信できる有効情報ビット数を固定した場合と比べて、システム全体のスループットが拡大でき、第４の実施形態中の式（１２）が成り立つ。

つまり、本実施形態により、各子ノードと親ノードとの距離が固定であるＯＦＤＭＡシステムにおいて、適応変調の適用によるシステム全体のスループット拡大の効果を、必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

ＷＤＭの適用により１波長あたりの信号速度を高速化することなくシステム帯域を拡張するＷＤＭ／ＯＦＤＭＡシステムにおいても、同様の適応的な変調多値数、シンボル速度、副搬送波数の設定、符号化方式の適応的選択および動的帯域割当計算により、システム全体のスループット拡大の効果を、帯域を共有する必ずしもＰＣＳにおけるデータ変換方式が統一されていない全ての子ノード間で公平に享受できる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

Claims (6)

1. 親ノードと複数の子ノードが接続されている通信システムであって、
   親ノードは、子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各の有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て機能を備え、
   子ノードは、前記割り当て機能の決定した有効情報ビット数の光信号を、前記割り当て機能の割り当てた送信許容時間に、親ノードへ送信する送信機能を備える、
   通信システム。
2. 前記割り当て機能は、各子ノードの光信号の変調多値数を決定することによって前記有効情報ビット数を決定するか、あるいは、
   前記割り当て機能は、各子ノードの光信号のシンボル速度を決定することによって前記有効情報ビット数を決定するか、あるいは、
   前記割り当て機能は、各子ノードの光信号の符号化方式を決定することによって前記有効情報ビット数を決定するか、あるいは、
   前記割り当て機能は、各子ノードの光信号の副搬送波の数を決定することによって前記有効情報ビット数を決定する、
   請求項１に記載の通信システム。
3. 親ノードと複数の子ノードが接続されている通信システムの制御装置であって、
   親ノードは、子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て機能を備える、
   通信システムの制御装置。
4. 親ノードと複数の子ノードが接続されている通信システムの制御方法であって、
   親ノードから子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て手順と、
   前記割り当て手順の決定した有効情報ビット数の光信号を、前記割り当て手順の割り当てた送信許容時間に、子ノードから親ノードへ送信する送信手順と、
   を有する通信システムの制御方法。
5. 親ノードと複数の子ノードが接続されている通信システムの制御プログラムであって、
   親ノードから子ノードまでの距離に応じて、各子ノードが単位時間当たりに送信できる有効情報ビット数を決定し、各子ノードの有効情報ビット数の逆数の比と等しくなるように、各子ノードへの送信許容時間を割り当てる割り当て手順と、
   前記割り当て手順の決定した有効情報ビット数の光信号を、前記割り当て手順の割り当てた送信許容時間に、子ノードから親ノードへ送信する送信手順と、
   をコンピュータに実行させるための通信システムの制御プログラム。
6. 請求項５に記載の通信システムの制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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