JP6814121B2 - モード多重光通信システムの光受信装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、モード多重光通信システムの光受信装置及びプログラムに関する。

伝送容量の拡大のため、非特許文献１に記載されている様に、モード多重技術を使用するモード多重光通信システムが提案されている。モード多重光通信システムの光送信装置は、データを搬送する各光信号をモード多重し、このモード多重光信号をマルチモード光ファイバ（以下、単に光ファイバと呼ぶ。）に出力する。モード多重光通信システムの光受信装置は、モード多重光信号のモード分離後、各光信号を光電変換して各光信号に対応する電気信号を生成し、これら電気信号に基づき各光信号が搬送しているデータを判定する。

ここで、モード多重光通信システムでは、モード間クロストークが生じる。したがって、光受信装置が光電変換して得る各電気信号には、光送信装置における複数の光信号それぞれの成分が含まれる。このため、光受信装置は、光電変換して得た複数の電気信号のＭＩＭＯ（多入力多出力）処理を行って、各光信号が搬送しているデータを判定する。

このＭＩＭＯ処理のため、光送信装置は、光受信装置において既知のデータ列（以下、ＴＳ：Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｓｙｍｂｏｌ）を繰り返し各光信号に含める。そして、光受信装置は、繰り返し受信するＴＳに基づき、モード多重光通信システムのチャネル行列の逆行列を繰り返し求め、求めた逆行列に基づきモード間クロストークを補償して各光信号が搬送しているデータを判定する。

Ｄ．Ｓｏｍａ ｅｔ．ａｌ．，"２．０５ Ｐｅｔａ−ｂｉｔ／ｓ ｓｕｐｅｒ−ｎｙｑｕｉｓｔ−ＷＤＭ ＳＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ９．８−km ６−ｍｏｄｅ １９−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ ｉｎ ｆｕｌｌ Ｃ ｂａｎｄ，ＥＣＯＣ２０１５，ＰＤＰ３．２

モード多重光通信システムにおける最大多重数Ｎは、例えば、その光ファイバの特性により規定されるが、実際に使用する伝搬モードの数はトラフィック需要に応じて設定される。つまり、例えば、最大多重数Ｎが４であるモード多重光通信システムであっても、当初は２つの伝搬モードのみを使用し、トラフィック需要に応じて後に使用する伝搬モードの数を３、４と増設することが行われる。

ここで、最大多重数Ｎのモード多重光通信システムの光受信装置が求めるチャネル行列の逆行列はＮ×Ｎ行列であり、その要素数はＮ^２である。つまり、光受信装置は、Ｎ^２の要素を繰り返し判定することになる。モード多重光通信システムの光受信装置における処理負荷は、この逆行列の判定が多くの部分を占めており、この処理負荷を軽くすることで、消費電力を抑えることができる。

本発明は、光受信装置での処理負荷を低減できる技術を提供するものである。

本発明の一態様によると、モード多重光通信システムの光受信装置は、前記モード多重光通信システムのチャネル行列の逆行列を求める処理手段と、対向する光送信装置が送信しているモード多重光信号のモード数を検出する検出手段と、を備えており、前記処理手段は、前記検出手段が検出したモード数に応じて前記逆行列のサイズを変更することを特徴とする。

本発明によると、光受信装置での処理負荷を低減することができる。

一実施形態によるモード多重光通信システムの構成図。 一実施形態による処理部の構成図。 一実施形態によるＴＳの送信方法の説明図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

図１は、モード多重光通信システムの構成図である。なお、本実施形態では、最大多重数Ｎを４とする。光送信装置の変換部１０〜１３は、基本モードの光信号＃１〜＃４をそれぞれ所定の伝搬モード（以下、単にモードと呼ぶ。）に変換する。なお、基本モードのまま伝送する光信号が入力される変換部は、実質的にはモード変換を行わない。つまり、例えば、光信号＃１を基本モードのまま伝送する場合、変換部１０は、受信する光信号＃１をそのまま出力する。なお、以下の説明において、変換部１０〜１３が出力する光信号のモードをモード＃１〜モード＃４と呼ぶものとする。多重部２０は、変換部１０〜１３が出力する各モードの光信号をモード多重して、マルチモード光ファイバを含む光伝送路７０に送信する。

光受信装置の分離部３０は、光伝送路７０から受信するモード多重光信号のモード分離を行い、変換部４０〜４３に出力する。なお、変換部４０〜４３に出力される光信号のモードは、それぞれ、変換部１０〜１３が出力する光信号のモードに対応する。つまり、変換部４０〜４３には、それぞれ、モード＃１〜モード＃４の光信号が入力される。変換部４０〜４３は、入力される光信号のモードを基本モードに変換する。なお、基本モードのまま伝送された光信号が入力される変換部は、実質的にはモード変換を行わない。つまり、例えば、光信号＃１を基本モードのまま伝送している場合、変換部４０は、受信する光信号をそのまま出力する。光受信部５０〜５３は、それぞれ、対応する変換部４０〜４３が出力する光信号の光電変換を行い、処理部６０に出力する。なお、光受信部５０〜５３が出力する電気信号を、それぞれ、信号Ｙ_１〜Ｙ_４と表記する。

図１に示すモード多重光通信システムの最大多重数Ｎは４であるが、図１においては２つの光信号＃１及び光信号＃２のみが使用されている。つまり、図１の点線で示す変換部１２及び１３は、光送信装置に実装されておらず、光送信装置には光信号＃３及び光信号＃４が入力されていない。なお、光受信装置には、変換部１２に対応する変換部４２及び光受信部５２と、変換部１３に対応する変換部４３及び光受信部５３が実装されている。これは、使用しているモード＃１及びモード＃２の光信号からモード＃３及びモード＃４の光信号へのモード間クロストークが生じるためである。つまり、例えば、光信号＃１の成分は、モード間クロストークにより、光受信装置においては、信号Ｙ_１〜信号Ｙ_４それぞれに分散している。処理部６０は、光信号＃１が搬送しているデータを精度よく判定するために、信号Ｙ_１〜信号Ｙ_４を使用する。このため、モード多重光通信システムにおいて、光受信装置には、使用しているモード数に拘らず、最大多重数の光信号を受信するためのハードウェアが実装される。一方、光送信装置には、使用するモード数に応じたハードウェアが実装される。

図２は、処理部６０の構成図である。光受信部５０〜５３が出力する信号Ｙ_１〜Ｙ_４は、逆行列判定部６１に入力される。逆行列判定部６１は、光送信装置が各光信号に含めたＴＳを検出して逆行列Ｈを判定し、ＭＩＭＯ処理部６２に出力する。また、逆行列判定部６１は、受信する信号Ｙ_１〜Ｙ_４もＭＩＭＯ処理部６２に出力する。従来の光受信装置においては、使用しているモード数に拘らず、以下に示す行列Ｈが判定されている。

従来の光受信装置のＭＩＭＯ処理部６２は、上記逆行列Ｈと信号Ｙ_１〜Ｙ_４より、光信号＃１〜＃４に対応する信号Ｘ_１〜Ｘ_４を以下の式（１）により求める。

なお、ＭＩＭＯ処理部６２が出力する信号Ｘ_１〜信号Ｘ_４は、後段にある図示しない判定部においてデータが判定される。なお、図１に示す様に、光信号＃３及び光信号＃４が使用されていないので、信号Ｘ_３及び信号Ｘ_４は実質的に使用されない。

なお、逆行列判定部６１は、ＴＳを検出すると、以下の式により逆行列Ｈの要素Ｗ_ｋ１からＷ_ｋ４（ｋは１〜４の整数）を更新する。
Ｗ_ｋ１＝Ｗ_ｋ１＋μＥ_ｋＹ_１
Ｗ_ｋ２＝Ｗ_ｋ２＋μＥ_ｋＹ_２
Ｗ_ｋ３＝Ｗ_ｋ３＋μＥ_ｋＹ_３
Ｗ_ｋ４＝Ｗ_ｋ４＋μＥ_ｋＹ_４
ここで、Ｅ_ｋは、更新前の逆行列Ｈで求めたＸ_ｋと、光受信装置において既知であるＴＳとの誤差である。また、μは、係数の更新量を調整するためのパラメータである。

本実施形態の光受信装置において、逆行列判定部６１は、ＴＳにより使用されている光信号を検出する。図３に示す様に、光送信装置は、ある光信号でＴＳを送信している間、他の光信号の送信は行わない。本例において、光信号＃３及び光信号＃４は送信されないので、光信号＃３及び光信号＃４でのＴＳの受信タイミングにおいて逆行列判定部６１は信号を受信しない。したがって、逆行列判定部６１は、光信号＃３及び光信号＃４が使用されていないことを検出できる。この場合、本実施形態による光受信装置の逆行列判定部６１は、以下の逆行列Ｈを計算する。

本実施形態のＭＩＭＯ処理部６２は、上記逆行列Ｈと信号Ｙ_１〜Ｙ_４より、光信号＃１及び光信号＃２に対応する信号Ｘ_１及び信号Ｘ_２を以下の式（２）により求める。

さらに、逆行列判定部６１は、ＴＳを検出すると、以下の式によりＷ_ｋ１からＷ_ｋ４（ｋは１〜２の整数）を更新する。
Ｗ_ｋ１＝Ｗ_ｋ１＋μＥ_ｋＹ_１
Ｗ_ｋ２＝Ｗ_ｋ２＋μＥ_ｋＹ_２ （３）
Ｗ_ｋ３＝Ｗ_ｋ３＋μＥ_ｋＹ_３
Ｗ_ｋ４＝Ｗ_ｋ４＋μＥ_ｋＹ_４
ここで、Ｅ_ｋは、更新前の逆行列Ｈで求めたＸ_ｋと、光受信装置において既知であるＴＳとの誤差である。また、μは、係数の更新量を調整するためのパラメータである。

この様に、従来の光受信装置において、逆行列判定部６１は、最大多重数がＮである場合、使用している光信号の数Ｍに拘らず、逆行列ＨとしてＮ^２の要素を常に更新していたが、本実施形態の逆行列判定部６１は、逆行列ＨとしてＮ×Ｍの要素を更新するのみであり、処理負荷を低減させることができる。

なお、逆行列判定部６１は、例えば、ＴＳにより光信号＃３の使用が開始されたことを検出すると、求める逆行列を以下の様に変更する。

なお、各要素の更新式は、式（３）のｋを１〜３とするのみである。同様に、逆行列判定部６１は、例えば、ＴＳにより光信号＃２の使用が停止されたことを検出すると、求める逆行列を以下の様に変更する。

なお、各要素の更新式は、式（３）のｋを１とするのみである。

以上、本実施形態の逆行列判定部６１は、モード多重光通信システムで使用されている光信号の数に応じて求める逆行列のサイズを変更する。この構成により、逆行列の要素の更新のための処理負荷を軽くすることができる。なお、上記説明において、逆行列判定部６１は、ＴＳの検出により逆行列の要素を更新していたが、さらに、データ受信時にも逆行列の要素を更新することができる。この場合、式（３）のＥ_ｋを、更新前の逆行列Ｈで求めたＸ_ｋと、光受信装置において判定したデータ値との誤差とすれば良い。また、光信号の使用の停止については、ＭＩＭＯ処理部６２が出力する信号のビットエラー率により判定することもできる。

さらに、逆行列判定部６１が使用されている光信号を判定するのではなく、例えば、光受信装置に対向する光送信装置が、ハードウェアの実装に応じて、送信している光信号を通知信号により光受信装置に通知する構成とすることもできる。この通知信号は、光送信装置と光受信装置との間に設定された制御回線を介して送信される。なお、この制御回線は、図１の光伝送路７０内に設けることも、光送信装置と光受信装置とを接続する他の光伝送路内に設けることもできる。さらに、モード多重光通信システムの制御及び監視を行う監視制御装置（管理装置）が、使用している光信号を通知信号により光受信装置に通知する構成とすることもできる。

なお、上記式（２）は、所謂タップ数が１のときのものである。当然ではあるが、タップ数が２以上、つまり、過去所定期間に渡る信号Ｙ_１〜Ｙ_４に基づき信号Ｘ_１及びＸ_２を生成する場合、タップ数に等しい数の逆行列がそれぞれ求められる。

なお、本発明による光受信装置は、光受信装置の１つ以上のプロセッサが実行することで、光受信装置に上述した処理を行わせるプログラムにより実現することができる。これらプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されて、又は、ネットワーク経由で配布が可能なものである。

６１：逆行列判定部、６２：ＭＩＭＯ処理部

Claims (7)

1. モード多重光通信システムの光受信装置であって、
   前記モード多重光通信システムのチャネル行列の逆行列を求める処理手段と、
   対向する光送信装置が送信しているモード多重光信号のモード数を検出する検出手段と、
   を備えており、
   前記処理手段は、前記検出手段が検出したモード数に応じて前記逆行列のサイズを変更することを特徴とする光受信装置。
2. 前記光送信装置より受信した前記モード多重光信号のモード分離を行って、前記モード多重光通信システムの最大多重数に等しい数の光信号を出力する分離手段と、
   前記モード多重光通信システムの最大多重数に等しい数の光信号それぞれの光電変換を行って、前記モード多重光通信システムの最大多重数に等しい数の電気信号を出力する変換手段と、
   をさらに備えており、
   前記処理手段は、前記逆行列を使用して、前記モード多重光通信システムの最大多重数に等しい数の電気信号から前記検出手段が検出したモード数に等しい数の電気信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
3. 前記処理手段が求める逆行列の要素数は、前記検出手段が検出したモード数と、前記モード多重光通信システムの最大多重数との積に基づく数であることを特徴とする請求項２に記載の光受信装置。
4. 前記検出手段は、前記モード多重光信号に含まれる各光信号に含まれる、前記光受信装置において既知のデータ列を監視することで、前記モード多重光信号のモード数を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光受信装置。
5. 前記検出手段は、前記対向する光送信装置又は前記モード多重光通信システムの管理装置から受信する通知信号に基づき、前記モード多重光信号のモード数を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光受信装置。
6. 前記検出手段は、前記処理手段が出力する電気信号のビットエラーに関する値を監視することで、前記モード多重光信号のモード数の減少を検出することを特徴とする請求項２に記載の光受信装置。
7. 光受信装置の１つ以上のプロセッサで実行され、前記光受信装置を請求項１から６のいずれか１項に記載の光受信装置として機能させることを特徴とするプログラム。