JP7014262B2 - 光送信器および光通信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光送信器および光通信方法に関し、特に、デジタル信号を用いて光符号化変調を行う光送信器および光通信方法に関する。
光ファイバを用いた光通信システムにおいては、長距離かつ大容量の通信を行うため、受信感度の向上と光ファイバ１本当たりの周波数利用効率を高めることが重要である。光通信では、伝送距離の拡大と周波数利用効率の向上はトレードオフの関係にあるため、必要とされる伝送距離と通信容量に応じて、到達可能な伝送距離と周波数利用効率が異なる種々の変調方式を切り替えて使用することが提案されている。到達可能な伝送距離と周波数利用効率が異なる変調方式としては、例えば、ＢＰＳＫ（ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＰＳＫ（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、８ＱＡＭ（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、１６ＱＡＭなどがある。
このように変調方式を切り替えて使用する光送信器の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された関連する光送信器は、クライアント収容部、可変フレームマッピング部、可変符号化部、光変調部、および通信方式設定部を備える。
クライアント収容部は、クライアントから送信されるクライアント信号を終端する。可変フレームマッピング部は、クライアント収容部によって終端されたクライアント信号を所定の伝送フレームに収容する。このとき、可変フレームマッピング部は、通信方式設定部により選択された通信方式に応じてマッピングを行う。
可変符号化部は、可変フレームマッピング部により生成される伝送フレームを搬送するための変調信号を生成する。このとき、可変符号化部は、通信方式設定部により選択された通信方式に応じて変調信号を生成する。光変調部は、可変符号化部により生成される変調信号から変調光信号を生成して出力する。このとき、光変調部は通信方式設定部により選択された通信方式に応じて変調光信号を生成する。
通信方式設定部は、光送信器が提供する複数の通信方式の中からクライアント信号の速度に対応する通信方式を選択する。そして、通信方式設定部は選択した通信方式を表す通信方式情報を、可変フレームマッピング部、可変符号化部、光変調部に通知する。
このように、関連する光送信器はクライアント信号の速度に応じた通信方式でクライアント信号を送信する構成としている。そのため、クライアント速度が遅い場合であっても、無駄な信号の伝送量が少なく、伝送効率が改善するとしている。
また、関連技術としては、特許文献２～４に記載された技術がある。
特開２０１１－２５０２９１号公報（段落「００１６」～「００２５」） 特開２００３－０８７３４５号公報 特開２００９－１０５７４８号公報 特表２０１１－５１４７３６号公報
Ｌｅｏｎａｒｄｏ Ｄ. Ｃｏｅｌｈｏ ａｎｄ Ｎｏｒｂｅｒｔ Ｈａｎｉｋ，"Ｇｌｏｂａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ-Ｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ Ｆｏｕｒ-Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｆｏｒｍａｔｓ，" ｉｎ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＥＣＯＣ２０１１），Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐａｐｅｒ Ｍｏ．２．Ｂ．４． Ｊ．Ｒｅｎａｕｄｉｅｒ， Ａ． Ｖｏｉｃｉｌａ， Ｏ．Ｂｅｒｔｒａｎ－Ｐａｒｄｏ， Ｏ． Ｒｉｖａｌ， Ｍ． Ｋａｒｌｓｓｏｎ， Ｇ． Ｃｈａｒｌｅｔ， ａｎｄ Ｓ．Ｂｉｇｏ，"Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｓｅｔ－Ｐａｒｔｉｔｉｏｎｅｄ Ｔｗｏ－Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ １６ＱＡＭ Ｆｏｒｍａｔｓ ｗｉｔｈ ＰＤＭ－ＱＰＳＫ ａｎｄ ＰＤＭ－８ＱＡＭ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ Ｅｒｒｏｒ－Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｄｉｎｇ"，ｉｎ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＥＣＯＣ２０１２），Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐａｐｅｒ Ｗｅ．１．Ｃ．５．
上述した関連する光送信器のように、一個の光送信器でＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＱＡＭ、１６ＱＡＭ等の複数の変調方式を切り替えて使用する場合、複数の変調方式に対応した複数方式のアルゴリズムやビット精度を有する信号処理回路を実装する必要が生じる。そのため、光送信器および光受信器の消費電力が増大し、また制御が複雑になるという問題があった。
このように、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とすると、消費電力が増大し、制御が複雑になるという問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とすると、消費電力が増大し、制御が複雑になる、という課題を解決する光送信器および光通信方法を提供することにある。
本発明の光送信器は、入力されたデジタル信号を、複数の符号化方式のうちの一の符号化方式を使って符号化し、出力する符号化器と、光搬送波を使ったデジタル信号の光伝送に応じて、符号化方式の生成多項式、拘束長、および符号化率のうちの少なくとも一を設定することにより、一の符号化方式を特定する制御器と、入力された符号化信号を変調シンボルに対応付けて出力するマッピング器と、入力されたシンボル対応信号を使って光搬送波を変調する光変調器と、を有する。
本発明の光通信方法は、入力されたデジタル信号を、複数の符号化方式のうちの一の符号化方式を使って符号化して、出力し、光搬送波を使ったデジタル信号の光伝送に応じて、符号化方式の生成多項式、拘束長、および符号化率のうちの少なくとも一を設定することにより、一の符号化方式を特定し、入力された符号化信号を変調シンボルに対応付けて出力し、入力されたシンボル対応信号を使って光搬送波を変調する。
本発明の光送信器および光通信方法によれば、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とした場合であっても、低消費電力化および制御の容易化を図ることができる。
本発明の第１の実施形態に係る光送信器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光送信器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光送信器において、符号化方式として１６ＱＡＭ信号にセット分割法を用いた場合について説明するためのコンステレーション図であり、通常の１６ＱＡＭ変調によるコンステレーション図である。 本発明の第２の実施形態に係る光送信器において、符号化方式として１６ＱＡＭ信号にセット分割法を用いた場合について説明するためのコンステレーション図であり、ＳＰ８－１６ＱＡＭ変調によるコンステレーション図である。 本発明の第３の実施形態に係る光送信器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る光送信器が備える畳み込み符号化器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る光送信器の動作を説明するためのコンステレーション図である。 本発明の第４の実施形態に係る光通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器が備える符号化器の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器が備える第２の符号化器の動作を説明するための論理式である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器の動作を説明するための１６ＱＡＭのコンステレーション図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器の動作を説明するための１２ＱＡＭのコンステレーション図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器の動作を説明するための、Ｘ偏波およびＹ偏波における１２ＱＡＭのコンステレーション図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器の動作を説明するための、Ｘ偏波およびＹ偏波における１２ＱＡＭの別のコンステレーション図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器の動作を説明するための、Ｘ偏波およびＹ偏波における１２ＱＡＭのさらに別のコンステレーション図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信器の動作を説明するための、Ｘ偏波およびＹ偏波における１２ＱＡＭのさらに別のコンステレーション図である。
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、図面中の矢印の向きは一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光送信器１００の構成を示すブロック図である。光送信器１００は、符号化器１１０、符号化制御部１２０、マッピング部１３０、および光変調部１４０を有する。
符号化器１１０は、光搬送波により所定の伝送条件で伝送するデジタル信号を、複数の符号化方式のうちの一の符号化方式で符号化する。符号化制御部１２０は、複数の符号化方式の中から、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択し、符号化器１１０を所定の符号化方式で動作させる。マッピング部１３０は、符号化器１１０が出力する出力ビット信号を変調シンボルに対応付ける。そして光変調部１４０は、マッピング部１３０が出力するシンボル信号に基づいて光搬送波を変調する。
次に、本実施形態による光送信器１００の動作について説明する。
光送信器１００に入力されたｍビットのデジタル信号ａ１～ａｍは、符号化器１１０に入力される。符号化器１１０は、符号化制御部１２０によって設定された符号化方式に基づいて符号化し、出力ビット信号であるｎビットのビット列ｂ１～ｂｎを出力する。マッピング部１３０はビット列ｂ１～ｂｎをシンボルマッピングし、シンボル信号であるＳ１、Ｓ２、・・・、Ｓｐのｐ個（次元）のデータ列を光変調部１４０に出力する。
光変調部１４０は、Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｐの各データに基づいて光変調を行い、光符号化変調された送信光信号を出力する。ここで、光変調部１４０は図示していないＤ／Ａ変換器（ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、変調器ドライバ、光変調器、光源などを含んで構成される。
符号化器１１０は図１に示すように、符号化方式１から符号化方式ｋのｋ個の符号化方式から選択して所定の符号化方式を設定することが可能である。ここで符号化器１１０は、畳み込み符号化方式における生成多項式、拘束長、および符号化率のうち少なくとも一が異なる複数の畳み込み符号化方式のいずれかで符号化を行う構成とすることができる。このとき、符号化制御部１２０は、生成多項式、拘束長、および符号化率のうちの少なくとも一を設定することにより、所定の符号化方式を選択する。すなわち、符号化制御部１２０は個々の通信に必要とされる伝送距離、伝送容量などの所定の伝送条件に応じて、好適な符号化方式を符号化方式１から符号化方式ｋの中から選択して設定することが可能である。
上述した伝送条件として、伝送容量、伝送距離、誤り率、および光信号対雑音比のうちの少なくとも一個を用いることができる。
光変調部１４０を駆動するシンボル信号、すなわちＳ１、Ｓ２、・・・、Ｓｐのデータ列としては、光搬送波の光位相（Ｉ成分およびＱ成分）、偏波（Ｘ偏波成分およびＹ偏波成分）、波長、および時間の次元のうちの少なくとも一の次元による信号を用いることができる。また、これらの複数の次元を組み合せることによって、より高次元の光符号化変調を行うことが可能である。
光変調部１４０を構成する光変調器は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの強誘電体材料および半導体材料のいずれかを含んで構成される。このような光変調器を、単一で、または複数個組み合わせて用いることにより、デジタル信号を、偏波多重、波長多重、および時分割多重の少なくとも一により多重して伝送することが可能である。
次に、本実施形態による光通信方法について説明する。
本実施形態の光通信方法においては、まず、光搬送波により所定の伝送条件で伝送するデジタル信号を、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択して符号化する。そして、このとき符号化したビット信号を変調シンボルに対応付けてシンボル信号を生成する。最後に、このシンボル信号に基づいて光搬送波を変調した光変調信号を生成する。
上述したように、本実施形態の光送信器１００および光通信方法においては、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択して符号化する構成としている。このような構成としたことにより、符号化方式を変更することのみにより、所定の伝送条件に対応した好適な変調方式を選定することができる。そのため、デジタル信号処理の変更を最小限にすることが可能である。その結果、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とした場合であっても、低消費電力化および制御の容易化を図ることができる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係る光送信器２００の構成を示すブロック図である。
光送信器２００は、符号化器１１０、符号化制御部１２０、マッピング部２３０、および光変調部１４０を有する。本実施形態による光送信器２００が備えるマッピング部２３０は、セット分割部２３１とシンボル選択部２３２を備えた構成とした。その他の構成は、第１の実施形態による光送信器１００と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
セット分割部２３１は、変調シンボルを複数のサブセットに分割し、出力ビット信号に基づいて複数のサブセットのうちの一のサブセットを選択する。シンボル選択部２３２は、セット分割部２３１が選択した選択サブセットに含まれる変調シンボルから、出力ビット信号に基づいて一の変調シンボルを選択し、選択した変調シンボルに出力ビット信号を対応付ける。
次に、本実施形態に係る光送信器２００の動作について説明する。
符号化器１１０は、光送信器２００に入力されたｍビットのデジタル信号ａ１～ａｍを入力する。そして、符号化制御部１２０によって設定された符号化方式に基づいて符号化した後に、出力ビット信号であるｎビットのビット列ｂ１～ｂｎを出力する。
ビット列ｂ１～ｂｎはマッピング部２３０においてシンボルマッピングされた後、例えば、Ｘ偏波の光位相成分であるＸＩ－ｃｈ、ＸＱ－ｃｈ、およびＹ偏波の光位相成分であるＹＩ－ｃｈ、ＹＱ－ｃｈのデータ列として光変調部１４０に入力される。光変調部１４０はＸＩ－ｃｈ、ＸＱ－ｃｈ、ＹＩ－ｃｈ、およびＹＱ－ｃｈの各データに基づいて光変調を行い、光符号化変調された送信光信号を出力する。
ここで、セット分割部２３１は、２次元またはさらに高次のＱＡＭ変調のコンステレーションを、セット分割法に基づいてＬ個の部分コンステレーション（状態）に分割する。そして、ビット列ｂ１～ｂｎのうち符号化されたαビットを用いて、上述のＬ個の部分コンステレーション（状態）のうち１つを選択する。そして、シンボル選択部２３２はビット列ｂ１～ｂｎのうち符号化されていないβビットを用いて選択された部分コンステレーションの中から好適な一つのシンボルを選択し、ＸＩ－ｃｈ、ＸＱ－ｃｈ、ＹＩ－ｃｈ、ＹＱ－ｃｈに対応するデータを出力する。
なお、上述したセット分割（ＳＰ：ｓｅｔ－ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ）法とは、シンボル点から最隣接点を間引くことにより最小符号間距離を拡大する手法である。例えば、非特許文献１には、位相情報と偏波情報の４次元信号空間にマッピングしたシンボルに対して、セット分割によるシンボル分割を行ったＳＰ－１６ＱＡＭ変調が開示されている。セット分割によってシンボル間距離が拡大するので、受信感度を向上させることができる。
次に、符号化器１１０の動作について、具体的に説明する。
図３Ａ、３Ｂは、符号化方式として２次元での１６ＱＡＭ信号に上述したセット分割法を用いた場合について説明するためのコンステレーション図である。図３Ａは、通常の１６ＱＡＭのコンステレーション図であり、最小シンボル間距離はｄｍｉｎである。図３Ｂは、図３Ａに示した１６ＱＡＭのコンステレーションから一個置きにシンボルを間引いたＳＰ８－１６ＱＡＭ符号化変調によるシンボルマッピングを示すコンステレーション図である。この場合、最小シンボル間距離が２１／２ｄｍｉｎに拡大するので、これにより受信感度が向上することが分かる。
ここで、図３Ｂに示したＳＰ８－１６ＱＡＭ符号化方式においては、シンボルを間引いているため符号化率ｒは１／２に半減する。そのため伝送レートは低下する。したがって、伝送レート（容量）が重要となるアプリケーションに対しては、符号化制御部１２０は図３Ａに示した通常の１６ＱＡＭによる符号化方式を選択することが可能である。一方、長距離伝送が必要なアプリケーションに対しては、符号化制御部１２０は図３Ｂに示したＳＰ８－１６ＱＡＭによる符号化方式を選択することができる。このように、符号化制御部１２０は間引きをしない通常の１６ＱＡＭ（ＳＰ１６－１６ＱＡＭ）、上述したＳＰ８－１６ＱＡＭ、ＳＰ８－１６ＱＡＭからさらにシンボルを間引いたＳＰ４－１６ＱＡＭなどから伝送条件に対応した符号化方式を選択することができる。
上記説明では簡単のため、単純なＩ－Ｑ平面上の２次元１６ＱＡＭでのセット分割について説明した。これに限らず、偏波多重（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＰＭ）によるＸ偏波およびＹ偏波の２次元を加えて拡張した４次元ＰＭ－１６ＱＡＭなどを用いることも可能である。
４次元ＰＭ－１６ＱＡＭの場合、Ｘ偏波（ＸＩ，ＸＱ）に対する１６シンボルとＹ偏波（ＹＩ，ＹＱ）に対する１６シンボルのそれぞれとの組み合わせでシンボル点を作れるので、２５６（＝１６×１６）個のシンボル点が存在する。したがって、通常の間引きをしないＰＭ－１６ＱＡＭはＳＰ２５６－ＰＭ－１６ＱＡＭと記載でき、そこから一個置きに間引くとＳＰ１２８－ＰＭ－１６ＱＡＭが得られ、さらに間引いていくとＳＰ６４－ＰＭ－１６ＱＡＭ、ＳＰ３２－ＰＭ－１６ＱＡＭ等が得られる。
この場合、符号化制御部１２０は例えばＳＰ３２－ＰＭ－１６ＱＡＭ、ＳＰ１２８－ＰＭ－１６ＱＡＭ等の符号化方式を選択することが可能である。すなわち、符号化器１１０の符号化方式（符号化方式１～符号化方式ｋ）として、ＰＭ－１６ＱＡＭ、ＳＰ３２－ＰＭ－１６ＱＡＭ、ＳＰ１２８－ＰＭ－１６ＱＡＭ等を対応させることができる。
そして、セット分割部２３１は、出力ビット信号（ビット列ｂ１～ｂｎ）に基づいて、光搬送波の偏波状態のうちの一に対応する変調シンボルを選択することにより、一のサブセットを選択する。
上述した符号化方式１から符号化方式ｋは、それぞれ受信感度と符号化率を異なる設定とすることができるので、必要とされる伝送距離と伝送容量に応じて好適な符号化方式を用いた変調方式を選択することが可能となる。
また、通常の１６ＱＡＭ変調によるコンステレーションをベースとして、符号化器１１０の符号化方式を符号化方式１から符号化方式ｋまで変更するだけで好適な変調方式を選定することができる。そのため、デジタル信号処理の変更を最小限にすることが可能である。その結果、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とした場合であっても、低消費電力化および制御の容易化を図ることができる。さらに、光変調器などの物理インタフェースをそれぞれの符号化方式において共有化することができるため、部品点数を削減することができる。これによっても、コストの低減および制御の容易化を図ることが可能となる。
次に、本実施形態による光通信方法について説明する。
本実施形態の光通信方法においては、まず、光搬送波により所定の伝送条件で伝送するデジタル信号を、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択して符号化する。そして、このとき符号化したビット信号を変調シンボルに対応付けてシンボル信号を生成する。最後に、このシンボル信号に基づいて光搬送波を変調した光変調信号を生成する。
ここで、上述したシンボル信号を生成する際に、変調シンボルを複数のサブセットに分割し、ビット信号に基づいて複数のサブセットのうちの一のサブセットを選択する。そして、選択した選択サブセットに含まれる変調シンボルから、ビット信号に基づいて一の変調シンボルを選択し、選択した変調シンボルにビット信号を対応付ける構成とすることができる。
本実施形態の光通信方法によれば、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とした場合であっても、低消費電力化および制御の容易化を図ることができる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は、本発明の第３の実施形態に係る光送信器３００の構成を示すブロック図である。
本実施形態の光送信器３００においては、符号化器は畳み込み符号化器３１０とした。畳み込み符号化器３１０は、畳み込み符号化方式における生成多項式、拘束長、および符号化率のうち少なくとも一が異なる複数の畳み込み符号化方式のいずれかで符号化を行う。なお、図２に示した第２の実施形態による光送信器２００と同一の構成には同一符号を付して、その説明を省略する。
以下に、本実施形態に係る光送信器３００の動作について説明する。
畳み込み符号化器３１０は、光送信器３００に入力されたｍビットのデジタル信号ａ１～ａｍを入力する。そして、符号化制御部１２０によって設定された符号化方式に基づいて符号化した後に、出力ビット信号であるｎビットのビット列ｂ１～ｂｎを出力する。
マッピング部２３０はビット列ｂ１～ｂｎをシンボルマッピングし、シンボル信号であるＳ１、Ｓ２、・・・、Ｓｐのｐ個（次元）のデータ列を光変調部１４０に出力する。光変調部１４０は、Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｐの各データに基づいて光変調を行い、光符号化変調された送信光信号を出力する。
ここで、畳み込み符号化器３１０は、生成多項式、拘束長、符号化率等がそれぞれ異なる符号化方式１から符号化方式ｋのｋ個の符号化方式から一個を選択して設定することが可能な構成とした。符号化制御部１２０は、必要とされる伝送距離、伝送容量に応じた好適な符号化方式を、符号化方式１から符号化方式ｋの中から選択する。そして、畳み込み符号化器３１０が、選択した符号化方式で動作するように設定する。
図５に、畳み込み符号化器３１０の一例として、拘束長が４、符号化率が２／３である畳み込み符号化器の構成を示す。図５に示した畳み込み符号化器３１０は、入力ａ１および入力ａ２に対して符号化を行い、符号化ビットｂ１～ｂ３を出力する。また、入力ａ３～ａ７に対しては、非符号化のままｂ４～ｂ８として出力する。
図６に、光位相（Ｉ、Ｑ）と偏波（Ｘ、Ｙ）を用いた４次元ＰＭ－１６ＱＡＭ変調に対して、図５に示した畳み込み符号化器３１０による畳み込み符号化を施した場合のセット分割の例を示す。図６では簡単のため、Ｘ偏波に対するコンステレーションのみを記載しているが、実際にはＹ偏波に対するコンステレーションと組み合わせた４次元コンステレーションとなる。図６に示したように、２回のセット分割によりＳ１からＳ８の８個の状態（部分コンステレーション）が存在することになる。そして、Ｓ１からＳ８のそれぞれの状態に対してＹ偏波のコンステレーションが組み合わされた４次元（Ｉ，Ｑ，Ｘ，Ｙ）コンステレーションとなるので、各状態には２５＝３２のシンボル点が含まれる。
次に、畳み込み符号化器３１０を用いた場合におけるシンボル選択部２３２の動作について説明する。
シンボル選択部２３２はまず、図５に示した畳み込み符号化器３１０によって畳み込み符号化されたｂ１～ｂ３の３ビットを用いて８状態（Ｓ１～Ｓ８）のうち１個の状態を選択する。さらに、非符号化ビットである５ビット（ｂ４～ｂ８）を用いて、選択した８状態のうち一つの状態に含まれる３２シンボルのうちの１シンボルを選択する。
これにより、畳み込み符号化により符号系列間の最小二乗距離を拡大し、セット分割法により分割された状態内の信号間距離の二乗距離以上にすることが可能になる。したがって、拘束長と符号化率が異なる複数の畳み込み符号化方式を備えた畳み込み符号化器３１０の設定を変更するだけで、ＰＭ－１６ＱＡＭ変調をベースとしながら、必要となる伝送距離と伝送容量に応じた変調方式を選択することが可能となる。なお、拘束長と符号化率に替えて、生成多項式を設定することによって畳み込み符号化方式を決定することとしてもよい。
以上説明したように、本実施形態の光送信器３００によれば、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とした場合であっても、低消費電力化および制御の容易化を図ることができる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図７は、本発明の第４の実施形態に係る光通信システム１０００の構成を示すブロック図である。
光通信システム１０００は、光変調信号を通信路（光伝送媒体）６００に送出する光送信器１００と、通信路６００を伝搬した光変調信号を受信する光受信器４００を有する。
光送信器１００は、符号化器１１０、符号化制御部１２０、マッピング部１３０、および光変調部１４０を備える。光送信器１００の構成および動作は、第１の実施形態による光送信器と同様であるので、詳細な説明は省略する。
光受信器４００は、光電変換部４１０、デマッピング部４２０、復号化器４３０、および復号化制御部４４０を備える。
光電変換部４１０は、光変調信号を受信し電気信号に変換して受信信号を出力する。デマッピング部４２０は、受信信号をデマッピングし受信ビット信号を出力する。復号化器４３０は、受信ビット信号を入力し、複数の復号化方式のうちの一の復号化方式で復号化する。そして、復号化制御部４４０は、複数の復号化方式の中から所定の復号化方式を選択し、復号化器４３０を所定の復号化方式で動作させる。
次に、本実施形態による光通信システム１０００の動作について説明する。なお、光送信器１００が光符号化変調された光信号を出力する動作は、第１の実施形態における場合と同様であるので、その説明は省略する。
光送信器１００が備える光変調部１４０から出力された光信号は、通信路６００を通って、光受信器４００が備える光電変換部４１０で受信される。光電変換部４１０は受信した光信号を電気信号に変換し、受信信号をＸＩ－ｃｈ、ＸＱ－ｃｈ、ＹＩ－ｃｈ、およびＹＱ－ｃｈの各レーンのデジタル信号として出力する。ここで、光電変換部は図示していない９０°ハイブリッド、フォトダイオード、トランスインピーダンスアンプ、およびＡ／Ｄ変換器（ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）などを含んで構成される。
デマッピング部４２０は、ＸＩ－ｃｈ、ＸＱ－ｃｈ、ＹＩ－ｃｈ、およびＹＱ－ｃｈのデータ列についてシンボル識別を行い、受信ビット信号としてｎビットのビット列ｃ１～ｃｎを出力する。ビット列ｃ１～ｃｎは複数の復号化方式を備える復号化器４３０に入力される。
復号化器４３０は復号化制御部４４０の設定に従って、複数の復号化方式のうち１つの復号化方式を選択する。復号化器４３０は、復号化したビット列であるｍビットのビット列ｄ１～ｄｍを出力する。ここで、上述した復号化方式として、最尤復号であるビタビ復号方式や、より長い拘束長の畳み込み符号に対しては逐次復号方式などを用いることができる。
光通信システム１０００は、光ネットワーク制御部４５０をさらに有する構成とすることができる。光ネットワーク制御部４５０は、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式と所定の復号化方式を決定し、符号化制御部１２０と復号化制御部４４０に同期して通知する。
次に、光ネットワーク制御部４５０の動作について、さらに詳細に説明する。
光ネットワーク制御部４５０は、システム運用側から要求される伝送条件である伝送距離、伝送容量などの通信品質情報に基づいて、好適な符号化方式および復号化方式を選択する。そして、その選択結果を符号化制御部１２０と復号化制御部４４０に同期して通知する。具体的には、光ネットワーク制御部４５０は、符号化制御部１２０に生成多項式、拘束長、符号化率などの設定を指示し、復号化制御部４４０に拘束長、符号長、軟判定ビット数などの設定を指示する。このとき、符号化制御部１２０と復号化制御部４４０の設定変更を同期して行うことにより、好適な受信状態を維持することができる。
なお、光ネットワーク制御部４５０は、上述した制御に用いる通信品質情報をシステム運用側から取得する必要は必ずしもない。例えば、光信号対雑音比や誤り率などの情報を用いて、好適な符号化方式および復号化方式を選択することも可能である。
次に、本実施形態による光通信方法について説明する。
本実施形態の光通信方法においては、まず、光搬送波により所定の伝送条件で伝送するデジタル信号を、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択して符号化する。そして、このとき符号化したビット信号を変調シンボルに対応付けてシンボル信号を生成する。このシンボル信号に基づいて光搬送波を変調した光変調信号を生成する。
次に、この光変調信号を受け付け、電気信号に変換した受信信号を生成する。そして、受信信号をデマッピングして受信ビット信号を生成する。最後に、受信ビット信号を、複数の復号化方式の中から所定の復号化方式を選択して復号化する。
上述したように、本実施形態の光通信システム１０００および光通信方法によれば、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とした場合であっても、低消費電力化および制御の容易化を図ることができる。
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図８は、本発明の第５の実施形態に係る光送信器５００の構成を示すブロック図である。
光送信器５００は、符号化器５１０、符号化制御部１２０、マッピング部５３０、および光変調部１４０を有する。本実施形態による光送信器５００は、符号化器５１０およびマッピング部５３０の構成および動作が第１の実施形態による光送信器１００が備える符号化器１１０およびマッピング部１３０と異なる。その他の構成および動作は、第１の実施形態による光送信器１００と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
以下では、符号化器５１０が、符号化方式１、符号化方式２、および符号化方式３にそれぞれ対応した第１の符号化器５１１、第２の符号化器５１２、および第３の符号化器５１３を備える場合について説明する。このとき、符号化制御部１２０は、符号化方式１～符号化方式３の中から、通信に必要とされる伝送距離、伝送容量などの所定の伝送条件に応じて最適な符号化方式を選択し、符号化器５１０、マッピング部５３０、および光変調部１４０の動作方式を設定する。
次に、符号化器５１０およびマッピング部５３０の動作について詳細に説明する。
図９に、符号化器５１０の構成を示す。符号化器５１０は上述したように、３個の符号化器、すなわち、第１の符号化器５１１、第２の符号化器５１２、および第３の符号化器５１３を備える。これらの符号化器は、入力ビット数が順に５ビット、６ビット、７ビットである構成とした。なお、第１の符号化器５１１および第３の符号化器５１３の構成および動作については非特許文献２に説明があるので、ここではそれらの詳細な説明は省略する。
第２の符号化器５１２は、６ビットの入力ｂ１～ｂ６の排他的論理和を算出し、ｂ７として出力する。次に、第２の符号化器５１２が備える４次元エンコーダ５１２Ｅが、ｂ１～ｂ７の７ビットの入力を８ビットの出力に変換する。図１０に、４次元エンコーダ５１２Ｅの具体的な論理式を示す。
マッピング部５３０は、符号化器５１０の８ビットの出力を入力とし、符号化利得が得られるようにシンボルに割り当てる。ここで選択されるシンボルは、４次元シンボル空間に属しているものとする。本実施形態においては、４次元信号空間として光搬送波の光位相（Ｉ成分およびＱ成分）、偏波（Ｘ偏波成分およびＹ偏波成分）を用いるものとし、シンボルマッピングしたシンボル信号を光変調部１４０に出力する。
シンボルの割り当ては、具体的には図１１に示したマッピングシンボルを用いて行う。マッピング部５３０は符号化器５１０が出力するＢ１～Ｂ４のビットを用いてＸ偏波における送信シンボルを割り当て、Ｂ５～Ｂ８のビットを用いてＹ偏波における送信シンボルを割り当てる。このときマッピング部５３０は、図１２に示すように、１６ＱＡＭの四隅の点が除かれた１２ＱＡＭとなるようにシンボルを割り当てる。同図からわかるように、１２ＱＡＭの信号点は振幅の大きい８点と振幅の小さい４点に分けられる。
さらに、本実施形態の光送信器５００においては、符号化器５１０は、光変調部１４０によって変調された光信号の振幅が光搬送波の２種の偏波（Ｘ偏波、Ｙ偏波）間において相関を有するように符号化を行う構成とした。そして、マッピング部５３０は、少なくとも一方の偏波において、最大振幅となる信号点にシンボルを割り当てる構成とした。
図１３Ａから図１３Ｄに示したＸ偏波およびＹ偏波における１２ＱＡＭのコンステレーション図を用いて、マッピング部５３０の動作をさらに詳細に説明する。図１３Ａから図１３Ｃに示すように、Ｘ偏波のシンボルとＹ偏波のシンボルの間には、振幅について以下のような相関がある。すなわち、図１３Ａに示す場合は、Ｘ偏波およびＹ偏波のいずれにおいても振幅が大きいシンボル点を有している。また、図１３Ｂに示す場合は、Ｘ偏波においては振幅が小さいシンボル点を有し、Ｙ偏波においては振幅が大きいシンボル点を有する。これとは逆に、図１３Ｃに示す場合は、Ｘ偏波においては振幅が大きいシンボル点を有し、Ｙ偏波においては振幅が小さいシンボル点を有している。ただし、図１３Ｄに示すようなＸ偏波およびＹ偏波のいずれにおいても振幅が小さいシンボル点しか含まない場合は除かれる。このように、マッピング部５３０が、少なくとも一方の偏波において、最大振幅となる信号点にシンボルを割り当てる構成、すなわち図１３Ｄに示したシンボル配置を除いた構成とすることにより、隣接点の数を減少させることができる。これにより、ビット誤り率を低減することができる。
図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１３Ｃに示した場合における信号点は、それぞれ６４（＝８×８）点、３２（＝４×８）点、３２（＝８×４）点となり、合計で１２８点の４次元シンボル点となる。ただし、第２の符号化器５１２においてパリティビットを生成したことによって４次元セット分割が行われ、シンボル点が半分に間引かれているため、第２の符号化器５１２およびマッピング部５３０が生成するシンボル点は６４点となる。これは従来のＰＭ－８ＱＡＭと同等である。
ここで、送信シンボルの１偏波あたりの送信電力をＥｓとすると、Ｅｓはすべてのシンボルについて振幅の２乗の平均を取ったものであるので、１６ＱＡＭでは信号点間距離は０．６３Ｅｓ１／２である。これに対して、１２ＱＡＭの場合には、信号点間距離は０．７１Ｅｓ１／２に拡大する。これは１６ＱＡＭのシンボル点の４個の隅のシンボルを除いたことによる効果である。
さらに、第２の符号化器５１２において４次元セット分割を行ったことにより、１２ＱＡＭの４次元信号点間距離は２１／２倍の１．０Ｅｓ１／２となり、従来のＰＭ－８ＱＡＭにおける信号点間距離０．９２Ｅｓ１／２より大きくなる。そのため、１２ＱＡＭとすることにより、ＰＭ－８ＱＡＭと同等以上の性能が得られる。
上述したように、本実施形態による第２の符号化器５１２を用いて、光搬送波の２種の偏波間において振幅に相関を持たせることにより、受信感度を向上させることが可能である。なお、偏波間において振幅に相関を持たせる構成は、他のＱＡＭ信号に対してはもちろん、あらゆるシンボル配置に対して適用可能であることは言うまでもない。また、上述した図１３Ｄに示した場合を除く構成に替えて、図１３ＡにしたＸ偏波およびＹ偏波のいずれにおいても振幅が大きいシンボル点を有する場合を除く構成にも適用可能である。
次に、本実施形態による光通信方法について説明する。
本実施形態の光通信方法においては、まず、光搬送波により所定の伝送条件で伝送するデジタル信号を、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択して符号化する。そして、このとき符号化したビット信号を変調シンボルに対応付けてシンボル信号を生成する。最後に、このシンボル信号に基づいて光搬送波を変調した光変調信号を生成する。
上述したように、本実施形態の光送信器５００および光通信方法においては、所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択して符号化する構成としている。このような構成としたことにより、符号化方式を変更することにより、所定の伝送条件に対応した好適な変調方式を選定することができる。
また、符号化方式を切り替えた場合であっても、ベースとなるシンボル配置は変化しないので、デジタル信号処理の変更を最小限にすることが可能である。その結果、光通信システムで用いる変調方式を伝送条件に応じて切り替えることができる構成とした場合であっても、低消費電力化および制御の容易化を図ることができる。これとともに、ビット誤り率を低減し伝送距離を延伸させる効果を得ることができる。さらに、光変調器などの物理インタフェースをそれぞれの符号化方式において共有化することができるため、部品点数を削減することができる。これによっても、コストの低減および制御の容易化を図ることができる。
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
１００、２００、３００、５００ 光送信器
１１０、５１０ 符号化器
１２０ 符号化制御部
１３０、２３０、５３０ マッピング部
１４０ 光変調部
２３１ セット分割部
２３２ シンボル選択部
３１０ 畳み込み符号化器
４００ 光受信器
４１０ 光電変換部
４２０ デマッピング部
４３０ 復号化器
４４０ 復号化制御部
４５０ 光ネットワーク制御部
５１１ 第１の符号化器
５１２ 第２の符号化器
５１２Ｅ ４次元エンコーダ
５１３ 第３の符号化器
６００ 通信路
１０００ 光通信システム

Claims (10)

  1. 入力されたデジタル信号を、複数の符号化方式のうちの一の符号化方式を使って符号化し、符号化信号を出力する符号化器と、
    光搬送波を使った前記デジタル信号の光伝送に応じて、畳み込み符号化方式における生成多項式、拘束長、および符号化率のうちの少なくとも一を設定することにより、前記一の符号化方式を特定する制御器と、
    入力された前記符号化信号を変調シンボルに対応付けて、シンボル対応信号を出力するマッピング器と、
    入力された前記シンボル対応信号を使って前記光搬送波を変調する光変調器と、
    を有する光送信器。
  2. 請求項１に記載した光送信器において、
    前記複数の符号化方式は、受信感度と符号化率が互いに異なる
    光送信器。
  3. 請求項１または２に記載した光送信器において、
    前記符号化器は、前記入力されたデジタル信号のビット数を異なるビット数に変換する第２の符号化器を含む
    光送信器。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載した光送信器において、
    前記光搬送波は、前記符号化器がパリティビットを生成することによって生じる４次元信号空間として用いられる、光位相成分および偏波成分を有する
    光送信器。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載した光送信器において、
    前記シンボル対応信号は、前記光搬送波の光位相、偏波、波長、および時間の次元のうちの少なくとも一の次元による信号からなる
    光送信器。
  6. 請求項５に記載した光送信器において、
    前記符号化器は、前記光変調器によって変調された光信号の振幅が前記光搬送波の二種の偏波状態の間において相関を有するように符号化を行う
    光送信器。
  7. 請求項６に記載した光送信器において、
    前記マッピング器は、前記振幅が少なくとも一方の前記偏波状態において最大となる信号点にシンボルを割り当てる
    光送信器。
  8. 請求項６に記載した光送信器において、
    前記マッピング器は、前記二種の偏波状態のいずれにおいても振幅が小さいシンボル点しか含まない場合は除いて、シンボルを割り当てる
    光送信器。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載した光送信器において、
    前記制御器は、前記符号化器、前記マッピング器、および前記光変調器の動作方式を設定する
    光送信器。
  10. 入力されたデジタル信号を、複数の符号化方式のうちの一の符号化方式を使って符号化して、符号化信号を出力し、
    光搬送波を使った前記デジタル信号の光伝送に応じて、畳み込み符号化方式における生成多項式、拘束長、および符号化率のうちの少なくとも一を設定することにより、前記一の符号化方式を特定し、
    入力された前記符号化信号を変調シンボルに対応付けて、シンボル対応信号を出力し、
    入力された前記シンボル対応信号を使って前記光搬送波を変調する
    光通信方法。
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