JP7073322B2

JP7073322B2 - 受信装置及びプログラム

Info

Publication number: JP7073322B2
Application number: JP2019179758A
Authority: JP
Inventors: ラチャタマニカット; 翔平別府; 剛宏釣谷
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2022-05-23
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021057785A

Description

本発明は、確率的整形技術を使用する通信システムの受信装置及びプログラムに関する。

近年、長距離光通信システムは、その伝送容量の拡大のため、直接検波方式からコヒーレント検波方式に移行している。コヒーレント検波方式においては、多値（Ｍ値）の直交振幅変調（Ｍ－ＱＡＭ）が使用される。Ｍ－ＱＡＭにおいては、複素平面上にＭ個の基準シンボルの座標（コンスティレーション）が定義される。各基準シンボルは、Ｍの値に応じて決まる所定数のビット列に対応付けられる。送信装置は、送信ビット列を所定数のビット列に分割し、所定数のビット列の送信順序に応じて、対応する基準シンボルの信号を順に送信する。なお、基準シンボルの信号を送信するとは、基準シンボルの座標に対応する振幅及び位相の信号を送信することを意味する。１つの基準シンボルを送信する期間はシンボル期間と呼ばれ、基準シンボルの切り替え速度は、シンボル速度又は変調速度と呼ばれる。

光通信システムにおいて、受信装置は、送信装置が送信した基準シンボル列である変調信号を受信する。但し、光通信システムの非線形な特性や雑音により、受信装置が受信するシンボル（以下、受信シンボル）を複素平面上で示した場合、受信シンボルは、基準シンボルの座標とは異なる座標となる。なお、Ｍ－ＱＡＭを使用した変調信号の場合、この非線形な特性による影響は基準シンボル毎に異なる。これは、基準シンボルにより誤り確率が異なることを意味する。このため、非特許文献１は、確率的整形（以下、ＰＳ：ＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃＳｈａｐｉｎｇ）技術を用いた光通信システムを開示している。

ＰＳ技術とは、Ｉ軸及びＱ軸方向の絶対振幅が小さい基準シンボル程、出現確率が大きくなる様に、送信装置において、所定の規則に従い送信ビット列の変換を行う技術である。これにより平均パワーが大きい基準シンボル程、出現確率が小さくなるため、通常のＭ－ＱＡＭよりも全体的な誤りの発生確率を小さくすることができる。

また、非特許文献１は、ＰＳ技術を用いた光通信システムの受信装置において最大事後確率（ＭＡＰ）検出を行うことを開示している。具体的には、非特許文献１は、受信シンボルが、Ｍ－ＱＡＭで定義されるどの基準シンボルに対応するかを受信装置が判定するための閾値を、各基準シンボルの出現確率に基づき決定することを開示している。

Ｓ．Ｈｕ，ｅｔａｌ．，"ＭＡＰＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙＳｈａｐｅｄＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓｉｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ",２０１９ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ（ＯＦＣ），ＳａｎＤｉｅｇｏ，ＣＡ，ＵＳＡ，ｐｐ．１－３，２０１９年

しかしながら、非特許文献１は、事前に求めた各基準シンボルの出現確率に基づき計算により閾値を求めることを開示するのみであり、受信装置が個々の通信システムにおける実測値に基づき動的に閾値を設定するための構成を開示してはいない。

本発明は、受信したシンボルがどの基準シンボルに対応するかを判定するために使用する閾値を受信装置が動的に設定する技術を開示するものである。

本発明の一態様によると、複数の基準シンボルを定義する直交振幅変調を使用する通信システムの受信装置は、受信した複数のシンボルそれぞれの雑音に基づき雑音の分散を判定する雑音判定手段であって、受信したシンボルの雑音は、当該受信したシンボルと、前記複数の基準シンボルの内の当該受信したシンボルとの複素平面における距離が最も短い第１基準シンボルとの距離に基づく値である、前記雑音判定手段と、受信した前記複数のシンボルの前記複素平面における第１方向の振幅のヒストグラムであって、前記第１方向は実軸方向又は虚軸方向である、前記ヒストグラムを判定するヒストグラム判定手段と、前記ヒストグラム判定手段が判定したヒストグラムと、前記雑音判定手段が判定した分散とに基づき、前記複数の基準シンボルそれぞれについて、前記受信装置における前記第１方向の振幅の複数の分布を判定する分布判定手段と、前記複数の分布の交点に基づき、受信するシンボルが前記複数の基準シンボルのいずれに対応するかを判定するための１つ以上の閾値を判定する閾値判定手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によると、受信したシンボルがどの基準シンボルに対応するかを判定するために使用する閾値を受信装置が動的に設定することができる。

一実施形態による受信装置の構成図。一実施形態による基準シンボルと閾値セットとを示す図。受信シンボル列、判定する閾値セット及び復調に使用する閾値セットの関係の説明図。一実施形態による閾値判定部の構成図。一実施形態によるヒストグラムを示す図。一実施形態による閾値セットの求め方の説明図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうちの二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。さらに、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。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態による通信システムの受信装置の構成図である。なお、本実施形態の通信システムは、ＰＳ技術を使用するものとする。つまり、送信装置は、送信ビット列を所定の変換規則に基づき変換することで、Ｍ－ＱＡＭの各基準シンボルの出現確率を異ならせる。なお、以下の説明において、通信システムが使用する変調方式を１６ＱＡＭとする。

受信部２は、光源１からの局所光に基づき、送信装置から受信する変調光をコヒーレント受信して電気信号を出力する。この電気信号は、変調速度に応じて切り替わる受信シンボルを示す信号である。閾値判定部４は、受信シンボルが１６ＱＡＭのどの基準シンボルに対応するかを判定するための閾値セットを求めて復調部３に通知する。復調部３は、閾値判定部４から通知される閾値セットに基づき受信シンボルが１６ＱＡＭのどの基準シンボルに対応するかを判定してビット列を出力する。その後、このビット列は、送信装置における変換規則とは反対の変換規則により変換される。これにより、送信装置における送信ビット列が復元される。

図２は、閾値判定部４が判定する閾値セットの説明図である。図２の黒丸は、１６ＱＡＭで定義される１６個の基準シンボルを示している。１６ＱＡＭの場合、実軸（Ｉ軸）方向及び虚軸（Ｑ軸）方向それぞれにおいて、シンボルの振幅は４段階であるため、各軸方向それぞれについて、３つの閾値を求める。図２においては、Ｉ軸方向の振幅に対する閾値５１、５２及び５３と、Ｑ軸方向の振幅に対する閾値６１、６２、６３を求めている。閾値セットは、この６つの閾値のセットである。なお、一般的には、Ｍ－ＱＡＭの場合、Ｎ^２＝Ｍとすると、Ｎ－１個の閾値を各軸方向に設定することになる。復調部３は、受信シンボルのＩ軸方向の振幅及びＱ軸方向の振幅を、各閾値と比較することで、受信シンボルに対応する１６ＱＡＭの基準シンボルを判定する。

なお、コヒーレント光通信システムにおいて生じる雑音は、光増幅器での増幅自然放出光（ＡＳＥ）が支配的であり、ＡＳＥは、Ｉ軸方向とＱ軸方向において差が無い。したがって、本実施形態では、閾値５１と閾値６１を同じ値とし、閾値５２と閾値６２を同じ値とし、閾値５３と閾値６２を同じ値とする。つまり、本実施形態において、閾値判定部４は、３つの閾値を含む閾値セットを復調部３に出力する。

図３は、閾値判定部４における閾値セットの判定と、復調部３が復調に使用する閾値セットとの関係の説明図である。閾値判定部４は、連続する複数の受信シンボルを含む受信シンボル列＃ｋに基づき、閾値セット＃ｋを判定する。復調部３は、閾値セット＃ｋを使用して、受信シンボル列＃ｋの次の受信シンボル列＃ｋ＋１の復調を行う。そして、閾値判定部４は、受信シンボル列＃ｋ＋１に基づき、閾値セット＃ｋ＋１を判定する。なお、通信開始時において、復調部３が最初の受信シンボル列＃１の復調に使用する閾値セット＃０は、初期値として予め受信装置の図示しない記憶部に格納しておく。或いは、通信開始時において、ユーザデータを送信する前に、各受信シンボル列の長さに等しいトレーニングシーケンスを送信装置が送信して閾値判定部４に閾値セットを判定させ、復調部４は、続けて送信装置が送信する受信シンボル列＃１の復調に、閾値判定部４がトレーニングシーケンスに基づき判定した閾値セットを使用する構成とすることもできる。

図４は、閾値判定部４の構成図である。受信シンボル列＃ｋの各受信シンボルは、順に、雑音判定部４１とヒストグラム判定部４２に入力される。雑音判定部４１は、受信シンボルと、当該受信シンボルとの距離が最も近い基準シンボルとの距離を当該受信シンボルの雑音と判定する。言い換えると、受信シンボルと１６ＱＡＭの各基準シンボルとの距離の内の最小値を、当該受信シンボルの雑音と判定する。なお、受信シンボルと基準シンボルとの距離とは、受信シンボルの振幅及び位相を複素平面上の座標で表した場合における、受信シンボルの座標と、基準シンボルの座標（図２の黒丸の位置）との距離である。雑音判定部４１は、受信シンボル列＃ｋの各受信シンボルについて求めた雑音の分散Ｖを判定して分布判定部４３に通知する。

ヒストグラム判定部４２は、受信シンボルそれぞれについてＩ軸又はＱ軸方向の振幅を求める。なお、Ｉ軸方向の振幅とは、受信シンボルに対応する複素平面上の座標のＩ軸の値であり、Ｑ軸方向の振幅とはＱ軸の値である。なお、振幅を求める軸については統一する。本例において、ヒストグラム判定部４２は、Ｉ軸方向の振幅を求めるものとする。ヒストグラム判定部４２は、Ｉ軸方向の振幅毎に出現回数を求めて、ヒストグラムデータを生成し、生成したヒストグラムデータを分布判定部４３に出力する。

図５は、ヒストグラム判定部４２が生成するヒストグラムデータが示すヒストグラムを示している。図５において、横軸はＩ軸方向の振幅であり、縦軸は出現回数（度数）である。１６ＱＡＭの場合、１６個の基準シンボルのＩ軸方向の振幅は、正規化すると、－３、－１、１、３のいずれかである。したがって、一般的に、ヒストグラムは、図５に示す様に、振幅－３、－１、１、３近辺にピークを持つ形状となる。なお、各シンボルの出現確率が等しい通信システムでは、振幅－３、－１、１、３近辺のピークは同程度の値となる。しかしながら、本実施形態の通信システムは、ＰＳ技術を使用しているため、各シンボルの出現確率は一様ではなく、よって、ピークの値（度数）は異なっている。

分布判定部４３は、ヒストグラムデータ示すヒストグラムを、カーブフィッティングにより曲線で近似する。そして、分布判定部４３は、近似した曲線に最も一致する様に、雑音判定部４１から通知された分散Ｖの４つのガウス分布を判定する。なお、４つとするのは、１６ＱＡＭにおいては、Ｉ軸方向の振幅の数が４つであるからである。一般的には、Ｍ－ＱＡＭの場合、Ｎ^２＝Ｍとすると、Ｎ個の分布を求めることになる。なお、４つのガウス分布と確率密度０の直線とで囲まれた領域の面積が１となる様に４つのガウス分布を求める。

図６は、分布判定部４３が求めた４つのガウス分布を示している。分布判定部４３は、求めた４つのガウス分布を示す分布データを交点判定部４４に通知する。交点判定部４４は、４つのガウス分布の内の２つの隣接するガウス分布の交点を求める。例えば、分布判定部４３が求めた４つのガウス分布が図６の通りであると、交点判定部４４は、交点７１、交点７２及び交点７３の計３つの交点を求める。交点７１は、図２の閾値５１及び閾値６１に対応し、交点７２は、図２の閾値５２及び閾値６２に対応し、交点７３は、図２の閾値５３及び閾値６３に対応する。交点判定部４４は、この様にして求めた３つの閾値を閾値セット＃ｋとして復調部３に通知する。

例えば、閾値７３は、振幅３の基準シンボルであるか、振幅１の基準シンボルであるかの判定に使用される。ここで、振幅３の基準シンボルであっても、受信シンボルの振幅が閾値７３より小さいと、受信装置は振幅１の基準シンボルと誤判定する。つまり、図６の一番右側の分布の内、閾値７３以下の面積は、振幅３の基準シンボルを振幅１の基準シンボルと誤判定する確率を示し、その左隣の分布の内、閾値７３以上の部分の面積は、振幅１の基準シンボルを振幅３の基準シンボルに誤判定する確率を示している。図６から明らかな様に、隣接する２つの分布の交点を閾値に設定することで、全体的な誤判定の確率を小さくすることができる。

以上、受信シンボルが、Ｍ－ＱＡＭのどの基準シンボルに対応するかを判定するために使用する閾値の決定に、実際の受信シンボルのＩ軸又はＱ軸方向の振幅の分布を使用する。なお、振幅の分布は、実際の受信シンボルの雑音の分散を考慮して決定する。この構成により、ＰＳ技術を使用した通信システムにおいて、実測値に基づき動的に閾値を制御することができる。

なお、本実施形態では、受信シンボルと、当該受信シンボルに最も近いＭ－ＱＡＭの基準シンボルとの距離を雑音としていた。しかしながら、送信装置により送信された基準シンボルが、受信シンボルに最も近い基準シンボルとは限らず、送信された基準シンボルが、受信シンボルに最も近い基準シンボルではない場合、雑音を小さく評価することになる。しかしながら、実際の通信システムにおいて、送信された基準シンボルが、受信シンボルに最も近い基準シンボルではない確率は十分に小さく、よって、求められる雑音の分散Ｖに大きな影響を与えない。

＜その他の実施形態＞
上記実施形態において、雑音判定部４１は、受信シンボルと、当該受信シンボルとの距離が最も近いＭ－ＱＡＭのシンボルとの距離を当該受信シンボルの雑音と判定していた。しかしながら、Ｉ軸方向の振幅に基づきヒストグラムを判定するため、受信シンボルに対応する複素平面上の座標のＩ軸の値と、当該受信シンボルに最も近い基準シンボルの座標のＩ軸の値との差を、当該受信シンボルの雑音として分散を求める構成とすることもできる。なお、この場合、Ｑ軸方向の振幅に基づきヒストグラムを判定する場合には、Ｑ軸方向の雑音から分散を求める。

また、上記実施形態においては、閾値５１及び閾値６１を同じ値とし、閾値５２及び閾値６２を同じ値とし、閾値５３及び閾値６３を同じ値としていた。しかしながら、Ｉ軸方向の閾値５１、閾値５２及び閾値５３と、Ｑ軸方向の閾値６１、閾値６２及び閾値６３とを個別に求める構成とすることもできる。この場合、Ｉ軸方向の閾値は、Ｉ軸方向の振幅に基づくヒストグラムと、Ｉ軸方向の雑音の分散に基づき求め、Ｑ軸方向の閾値は、Ｑ軸方向の振幅に基づくヒストグラムと、Ｑ軸方向の雑音の分散に基づき求める。

また、上記実施形態において、分布判定部４３は、ヒストグラムデータ示すヒストグラムを、カーブフィッティングにより曲線で近似し、近似した曲線に最も一致する様に、分散Ｖの複数（Ｎ個）のガウス分布を判定していた。しかしながら、ヒストグラムに基づきＮ個のピーク値の振幅を判定し、平均値をこのピーク値とし、分散を雑音判定部４１から通知された分散ＶとするＮ個のガウス分布を判定する構成であっても良い。なお、ピーク値を判定する振幅の範囲については、基準シンボルの振幅に基づき制限する構成とすることもできる。また、ヒストグラムに基づきＮ個のピーク値を求めて、これを平均とするガウス分布を求めるのではなく、基準シンボルのＮ個の振幅を平均値とし、分散を雑音判定部４１から通知された分散ＶとするＮ個のガウス分布を求める構成とすることもできる。

また、上記実施形態では、図３に示す様に、閾値判定部４は、受信シンボル列毎に連続して閾値セットを求めていたが、間欠的に閾値セットを求める構成であっても良い。この場合、復調部３は、閾値判定部４から閾値セットが通知される度に、復調に使用する閾値セットを更新する。さらに、送信装置が周期的に、受信装置に公知のシンボル列をトレーニングシーケンスとして送信し、閾値判定部４は、送信装置がトレーニングシーケンスを送信する度に、閾値セットを求める構成であっても良い。また、閾値判定部４が、周期的に閾値セットを更新するのではなく、非周期的に閾値セットを更新する構成であっても良い。例えば、通信の開始時や、通信断からの復帰時といった所定のトリガが生じる度に、閾値判定部４が、トレーニングシーケンス又は受信シンボルから閾値セットを判定する構成とすることもできる。

なお、本発明による閾値判定部４での処理は、適切なプログラムを１つ以上のプロセッサで実行させることで行うことができる。つまり、本発明は、１つ以上のプロセッサを有する装置の当該１つ以上のプロセッサで実行されると、当該装置を上述した受信装置として動作させるコンピュータプログラムにより実現することができる。これらコンピュータプログラムは、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。

１：光源、２：受信部、３：復調部、４：閾値判定部、４１：雑音判定部、４２：ヒストグラム判定部、４３：分布判定部、４４：交点判定部

Claims

複数の基準シンボルを定義する直交振幅変調を使用する通信システムの受信装置であって、
受信した複数のシンボルそれぞれの雑音に基づき雑音の分散を判定する雑音判定手段であって、受信したシンボルの雑音は、当該受信したシンボルと、前記複数の基準シンボルの内の当該受信したシンボルとの複素平面における距離が最も短い第１基準シンボルとの距離に基づく値である、前記雑音判定手段と、
受信した前記複数のシンボルの前記複素平面における第１方向の振幅のヒストグラムであって、前記第１方向は実軸方向又は虚軸方向である、前記ヒストグラムを判定するヒストグラム判定手段と、
前記ヒストグラム判定手段が判定したヒストグラムと、前記雑音判定手段が判定した分散とに基づき、前記複数の基準シンボルそれぞれについて、前記受信装置における前記第１方向の振幅の複数の分布を判定する分布判定手段と、
前記複数の分布の交点に基づき、受信するシンボルが前記複数の基準シンボルのいずれに対応するかを判定するための１つ以上の閾値を判定する閾値判定手段と、
を備えていることを特徴とする受信装置。
前記雑音判定手段は、受信したシンボルと前記第１基準シンボルとの前記第１方向の距離を、当該受信したシンボルの雑音と判定することを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記分布判定手段が判定する前記複数の分布の数は、前記複数の基準シンボルの前記第１方向の振幅の数に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の受信装置。
前記分布判定手段が判定する前記複数の分布の分散は、前記雑音判定手段が判定した分散に等しいことを特徴とする請求項３に記載の受信装置。
前記分布判定手段は、前記ヒストグラムが示す振幅と度数との関係を近似する曲線を求め、前記曲線に基づき前記複数の分布を判定することを特徴とする請求項４に記載の受信装置。
前記閾値判定手段が判定する１つ以上の閾値は、前記実軸方向及び前記虚軸方向の両方において使用されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の受信装置。
１つ以上のプロセッサを有する装置の前記１つ以上のプロセッサで実行されると、前記装置を請求項１から６のいずれか１項に記載の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。