JP7148832B2

JP7148832B2 - 通信機及び光伝送システム

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Publication number: JP7148832B2
Application number: JP2021541802A
Authority: JP
Inventors: 武柿崎; 福太郎濱岡; 政則中村; 健生笹井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2039-08-26
Also published as: WO2021038676A1; JPWO2021038676A1; US11799557B2; US20220294535A1

Description

本発明は、通信機及び光伝送システムに関する。

光伝送システムでは、スループット等の性能を向上させる伝送方式（例えば、フォーマット、ボーレート）が、伝送路及び光フロントエンドの特性に応じて異なる。光フロントエンドの特性とは、例えばレーザ線幅（レーザ振幅）である。伝送路及び光フロントエンドの特性に応じてパラメータを最適化し、性能を向上させる方法として、シンボルの多値度の制御と、ボーレートの制御とが知られている（特許文献１参照、非特許文献１参照）。

国際公開第２０１１／０３０８９７号

T. Sasai, A. Matsushita, M. Nakamura, S. Okamoto, F. Hamaoka, and Y. Kisaka, "Experimental Analysis of Laser Phase Noise Tolerance of Uniform 256QAM and Probabilistically Shaped 1024QAM," in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2019, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2019), paper W1D.5.

光伝送システムの特定の性能（例えば、スループットのみ）を向上させる限定的な方法は知られている。しかしながら、スループットと消費電力量と伝送距離とのうちの二つ以上（例えば、スループット及び消費電力量）を向上させることによって光伝送システム全体の性能を向上させる方法は知られていない。

上記事情に鑑み、本発明は、光伝送システムにおけるスループットと消費電力量と伝送距離とのうちの二つ以上を向上させることが可能である通信機及び光伝送システムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、ビット系列に応じてシンボル系列を生成する振幅変換部と、ＰＡＳ（Probabilistic Amplitude Shaping）の符号化によって、冗長なビットを前記シンボル系列に付加する分布整合部と、前記冗長なビットが付加されたシンボル系列にパイロットシンボルを挿入し、前記パイロットシンボルが挿入されたシンボル系列を伝送路に送信する挿入部と、前記伝送路に関する情報を取得し、予め定められたスループットに応じて割り振り可能な冗長度の範囲内で、前記ＰＡＳの符号化の冗長度とパイロットシンボルの冗長度との割り振りを、前記伝送路に関する情報に応じて変更する制御部とを備える通信機である。

本発明の一態様は、伝送路に関する情報を生成する伝送路推定部と、ビット系列に応じてシンボル系列を生成する振幅変換部と、ＰＡＳ（Probabilistic Amplitude Shaping）の符号化によって、冗長なビットを前記シンボル系列に付加する分布整合部と、前記冗長なビットが付加されたシンボル系列にパイロットシンボルを挿入し、前記パイロットシンボルが挿入されたシンボル系列を前記伝送路に送信する挿入部と、前記伝送路に関する情報を取得し、予め定められたスループットに応じて割り振り可能な冗長度の範囲内で、前記ＰＡＳの符号化の冗長度とパイロットシンボルの冗長度との割り振りを、前記伝送路に関する情報に応じて変更する制御部とを備える光伝送システムである。

本発明により、光伝送システムにおけるスループットと消費電力量と伝送距離とのうちの二つ以上を向上させることが可能である。

実施形態における、光伝送システムの構成例を示す図である。実施形態における、送信機のハードウェア構成例を示す図である。実施形態における、受信機のハードウェア構成例を示す図である。実施形態における、整形訂正符号部の構成例を示す図である。実施形態における、出現確率の分布の例を示す図である。実施形態における、パイロットシンボルの間隔と分布整合（ＤＭ）の符号化の冗長度との割り振りの変更の例を示す図である。実施形態における、位相の推定の例を示す図である。実施形態における、パラメータの値の例を示す図である。実施形態における、ＮＧＭＩとＳＮＲとの関係の例を示す図である。実施形態における、パイロットレートとＲＳＮＲとの関係の例をレーザ線幅ごとに示す図である。実施形態における、冗長度の割り振りの例を示す図である。実施形態における、光伝送システムの動作例を示すフローチャートである。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
以下、確率的整形（Probabilistic Shaping）を「ＰＳ」と表記する。以下、前方誤り訂正（Forward Error Correction）を「ＦＥＣ」と表記する。

以下、必要とされる信号対雑音比（Required signal to noise ratio）を「ＲＳＮＲ」と表記する。以下、増幅自然放出（Amplified Spontaneous Emission)雑音を「ＡＳＥ雑音」と表記する。

以下、一般化相互情報量（generalized mutual information）を「ＧＭＩ」と表記する。以下、正規化されたＧＭＩ（normalized generalized mutual information）を「ＮＧＭＩ」と表記する。以下、達成可能な情報速度（Achievable Information Rate）を「ＡＩＲ」と表記する。

図１は、光伝送システム１の構成例を示す図である。光伝送システム１は、光を用いて信号を伝送するシステムである。光伝送システム１は、送信機２と、通信路３と、受信機４とを備える。通信路３は、例えば、１以上の光アンプと、１以上の光ファイバと、１以上の光スプリッタと、１以上の光フィルタとを、各ノードとして備える。

以下、送信機と通信路と受信機とにおいて伝送される信号の経路を「伝送路」という。光伝送システム１の伝送路は、加算性白色ガウス雑音（Additive white Gaussian noise : AWGN）伝送路ではない。伝送路には、ＡＳＥ雑音と、位相雑音（位相の回転）と、非線形雑音と、帯域狭窄とが生じる場合がある。このため、光伝送システム１は、例えば、位相雑音等を補償する必要がある。位相雑音等の補償によって、光伝送システム１は、光伝送システム１の全体の性能（等化性能など）を向上させることができる。

送信機２は、光を用いて信号を送信する通信機である。送信機２は、制御部２０と、整形訂正符号部２１と、挿入部２２とを備える。受信機４は、光を用いて信号を受信する通信機である。受信機４は、位相推定部４０と、整形訂正復号部４１と、伝送路推定部４２とを備える。

制御部２０は、受信機４に備えられてもよい。伝送路推定部４２は、送信機２に備えられてもよい。光伝送システム１は、制御部２０が送信機２に備えられる代わりに、制御部２０を制御装置として備えてもよい。光伝送システム１は、伝送路推定部４２が受信機４に備えられる代わりに、伝送路推定部４２を伝送路推定装置として備えてもよい。

図２は、送信機２のハードウェア構成例を示す図である。送信機２は、プロセッサ２００と、メモリ２０１と、記憶装置２０２と、通信部２０３とを備える。

図１に示された送信機２の各機能部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ２００が、不揮発性の記録媒体（非一時的な記録媒体）である記憶装置２０２からメモリ２０１に展開されたプログラムを実行することにより、ソフトウェアとして実現される。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置２０２などの非一時的な記録媒体である。プログラムは、通信部２０３及び電気通信回線を経由して受信されてもよい。

通信部２０３は、伝送路に関する情報（以下「伝送路情報」という。）を、受信機４から受信する。伝送路情報は、伝送路における、信号対雑音比(signal-to-noise ratio : SNR)、位相雑音量、通信路分布及び非線形雑音のうちの少なくとも一つに関する情報を含む。記憶装置２０２は、伝送路の特性のシミュレーションに基づいて予め作成されたルックアップテーブル等を記憶してもよい。

送信機２の一部又は全部は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integration circuit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いた電子回路（electronic circuit又はcircuitry）を含むハードウェアを用いて実現されてもよい。

図３は、受信機４のハードウェア構成例を示す図である。送信機２は、プロセッサ４００と、メモリ４０１と、記憶装置４０２と、通信部４０３とを備える。

図１に示された受信機４の各機能部は、送信機２と同様に、ＣＰＵ等のプロセッサ４００が、不揮発性の記録媒体（非一時的な記録媒体）である記憶装置４０２からメモリ４０１に展開されたプログラムを実行することにより、ソフトウェアとして実現される。プログラムは、通信部４０３及び電気通信回線を経由して受信されてもよい。通信部４０３は、伝送路の信号対雑音比、位相雑音量、通信路分布及び非線形雑音を、送信機２に送信する。受信機４は、送信機２と同様にハードウェアを用いて実現されてもよい。

図１に戻り、光伝送システム１の説明を続ける。
光伝送システム１は、伝送路情報を伝送路推定部４２から制御部２０にフィードバックする。伝送路情報は、例えば、通信路３の信号対雑音比と、通信路分布と、通信路３における光信号の位相雑音量（位相の回転量）と、通信路３の非線形雑音量とを含む。

制御部２０は、伝送路情報に応じて、整形訂正符号部２１及び挿入部２２における変調処理を制御する。すなわち、制御部２０は、伝送路情報に応じて、整形訂正符号部２１及び挿入部２２に対して、変調方式（フォーマット）を設定する。

制御部２０は、通信部２０３を用いて、伝送路情報を伝送路推定部４２から取得する。制御部２０は、ＰＳの一つである確率的振幅整形（Probabilistic Amplitude Shaping : PAS）の符号化の冗長度（ＰＡＳ符号化率）と、パイロットシンボルの冗長度との最適な割り振り値（比率）を、伝送路情報に応じて導出する。ＰＡＳの符号化とは、ＤＭ符号化と通信路符号化とが組み合わされた符号化である。ＤＭ符号化とは、ビット系列を、通信路（伝送路）に適したシンボル系列に変換する符号化である。通信路符号化とは、通信路（伝送路）を送信されるシンボル系列の正負ビットに訂正符号（ＦＥＣパリティ）を付加する符号化である。

制御部２０は、導出された割り振り値に基づいて、整形訂正符号部２１と挿入部２２とに各設定値を設定する。制御部２０は、伝送路情報に基づいて導出された割り振り値に応じて、ＦＥＣパリティのレート（以下「ＦＥＣレート」という。）の設定値を、整形訂正符号部２１に設定する。制御部２０は、伝送路情報に基づいて導出された割り振り値に応じて、パイロットシンボルのレート（以下「パイロットレート」という。）の設定値を、挿入部２２に設定する。

整形訂正符号部２１及び挿入部２２は、各設定値に基づいて変調処理（ＰＳ）を実行する。例えば、整形訂正符号部２１は、ＦＥＣレートの設定値に基づいて、ＰＡＳの符号化における訂正符号（ＦＥＣパリティ）の付加処理を実行する。挿入部２２は、パイロットレートの設定値に基づいて、パイロットシンボルの挿入処理を実行する。制御部２０は、導出された割り振り値に応じた変調処理によって、スループットと消費電力量と伝送距離とのうちの少なくとも一つを向上させる。これによって、光伝送システム１は、スループットと消費電力量と伝送距離とのうちの二つ以上を向上させて、送信対象のシンボル系列を通信することができる。

整形訂正符号部２１は、送信対象のビット系列「ｉ^ｋ」を取得する。ビット系列は、式（１）のように表される。

整形訂正符号部２１は、制御部２０による制御に応じて、ビット系列に対してＰＡＳ符号化を実行する。ＰＡＳ符号化とは、ビット系列から変換されたシンボル系列（振幅系列）に冗長なビットを付加する符号化によって、Ｉ相（In Phase）及びＱ相（Quadrature Phase）により定まる複素平面（ＩＱ平面）において一様ではない出現確率で分布するシンボル系列を生成する処理である。一様ではない出現確率でＩＱ平面に分布するシンボル系列は、光伝送システム１において、スループットと消費電力量と伝送距離とのうちの少なくとも一つを向上させる。

ＰＡＳ符号化において、整形訂正符号部２１は、制御部２０による制御に応じて、式（１）に表されたビット系列を「ｋ’」個のシンボル系列に変換する。

ＰＡＳ符号化において、整形訂正符号部２１は、シンボル系列（振幅系列）に冗長なビットを付加するＤＭ符号化によって、冗長なビットが付加されたシンボル系列を生成する。すなわち、整形訂正符号部２１は、制御部２０による制御に応じて、「ｋ’」個のシンボル系列を「ｎ」個のシンボル系列に変換する。

ＰＡＳ符号化において、整形訂正符号部２１は、「ｎ」個のシンボル系列の正負「｛±１｝^ｎ」にＦＥＣパリティ（ビット）を付加する処理を、制御部２０による制御に応じて実行する。ＦＥＣパリティが付加されたシンボル系列「Ｘ^ｎ」は、式（２）のように表される。

挿入部２２は、式（２）に表されたシンボル系列「Ｘ^ｎ」を、整形訂正符号部２１から取得する。挿入部２２は、式（２）に表されたシンボル系列に、制御部２０による制御に応じて、パイロットシンボルを挿入する。パイロットシンボルが挿入されたシンボル系列「Ｘ^ｎ’」は、式（３）のように表される。

挿入部２２は、パイロットシンボルが挿入されたシンボル系列の光信号を、送信信号として通信路３（伝送路）に送信する。通信路３は、ＡＳＥ雑音と位相雑音とを含む送信信号の光信号を、位相推定部４０に伝送する。位相雑音（「Winer-phase noise」モデル）は、式（４）のように表される。

ここで、「ｉ」は、離散時刻を表す。「Ｙ（ｉ）」は、離散時刻「ｉ」において受信機４に受信された信号を表す。「Ｘ（ｉ）」は、離散時刻「ｉ」において送信機２から送信された信号を表す。「ｅｘｐ（－ｊＷ（ｉ））」は、「Winer-phase noise」モデルを用いた位相雑音を表す。「ｊ」は、虚数単位を表す。「Ｚ（ｉ）」は、ＡＷＧＮ雑音（信号の増幅器に起因するＡＳＥ雑音）を表す。

以下では、数式において文字の上に付されている記号は、その文字の直前に記載される。例えば、数式において文字「Ｙ」の上に付されている記号「＾」は、「＾Ｙ」のように文字「Ｙ」の直前に記載される。

位相推定部４０は、式（４）に表された光信号「Ｙ（ｉ）」を、受信信号として通信路３から取得する。位相推定部４０は、式（４）に表された光信号の位相を、光信号のシンボル系列のパイロットシンボルに基づいて推定する。位相が推定された受信信号「＾Ｙ（ｉ）」は、式（５）のように表される。

ここで、「ｅｘｐ（ｊ＾Ｗ（ｉ’））」は、「ｉ’」番目の推定された位相雑音の逆位相（複素共役）を表す。「ｉ’」番目の推定された位相雑音は、［ｉ’Ｔ_ｐｌ＋１，ｉ’（Ｔ_ｐｌ＋１）－１］の範囲を満たす離散時刻「ｉ」における、推定された位相雑音である。「Ｔ_ｐｌ」は、パイロットシンボルの間隔（挿入間隔）を表す。「＾Ｗ（ｉ’Ｔ_ｐｌ）」は、平均化長「Ｌ」を用いて定義される。平均化長とは、位相の回転に関して平均化の対象とされるパイロットシンボルの個数である。

整形訂正復号部４１（ＰＳ－ＦＥＣ復号器）は、位相が推定された受信信号「＾Ｙ（ｉ）」を、位相推定部４０から取得する。整形訂正復号部４１は、位相が推定された受信信号「＾Ｙ（ｉ）」に対して復号処理を実行する。位相が推定された受信信号に対する復号処理の結果「＾ｉ^ｋ」は、式（６）のように表される。

伝送路推定部４２は、光信号（受信信号）の位相の推定値を、位相推定部４０から取得する。伝送路推定部４２は、位相が推定された受信信号に対する復号処理の結果「＾ｉ^ｋ」を、整形訂正復号部４１から取得してもよい。伝送路推定部４２は、光信号の位相の推定値と、位相が推定された受信信号に対する復号処理の結果とのうちの少なくとも一つに基づいて、伝送路情報を生成する。伝送路推定部４２は、伝送路情報を制御部２０にフィードバックする。

次に、整形訂正符号部２１の詳細を説明する。
図４は、整形訂正符号部２１（ＰＳ－ＦＥＣ符号器）の構成例を示す図である。整形訂正符号部２１は、振幅変換部２１０と、分布整合部２１１（Distribution Matcher : DM）と、前方誤り訂正符号部２１２とを備える。

シャノン容量「Ｃ」は、式（７）のように表される。ここで、「ＳＮＲ」は、信号対雑音比を表す。

シャノン容量を達成するシンボル（信号点）の出現確率の分布は、式（８）のように表される。すなわち、送信信号のシンボル「Ｘ」の出現確率の分布は、０を平均とし、（Ｐ＋Ｎ）を分散とする分布に従う。

図５は、出現確率の分布の例を示す図である。ＩＱ平面においてシンボルの出現確率の分布が一様である場合には、ＡＩＲはシャノン限界に到達していない。シンボル系列の値に応じて、レーザ線幅が変化する。図５では、シンボル系列の絶対値が大きいほど、レーザ線幅が太い。一様ではない出現確率でＩＱ平面に分布するシンボル系列は、光伝送システム１において、スループットと消費電力量と伝送距離とのうちの二つ以上を向上させる。

図４において、整形訂正符号部２１は、光伝送システム１の全体における性能を向上させる出現確率でＩＱ平面に分布するシンボル系列を、確率的整形（ＰＳ）の一つである確率的振幅整形（ＰＡＳ）によって生成する。

振幅変換部２１０は、式（１）に表されるビット系列（「ｋ」ビット）を、式（９）に表される「ｋ’」個のシンボル系列「Ａ^ｋ’」に変換する。

分布整合部２１１（ＤＭ）は、「ｋ’」個のシンボル系列「Ａ^ｋ’」を、振幅変換部２１０から取得する。分布整合部２１１は、「ｋ’」個のシンボル系列「Ａ^ｋ’」を、式（１０）に表される「ｎ」個のシンボル系列「Ｂ^ｎ」に変換する。

「ｎ」個のシンボル系列「Ｂ^ｎ」の符号化率であるＤＭ符号化率「ＯＨ_ＤＭ」は、式（１１）のように定義される。

ＤＭ符号化率「ＯＨ_ＤＭ」は、式（１２）を満たす。

ここで、「Ｈ（Ｘ）」は、送信信号の１個のシンボル「Ｘ」当たりの情報量を表す。以下では、情報量「Ｈ（Ｘ）」は、伝送路の信号対雑音比と、分布整合部２１１のシンボル系列の情報量「ε_ｄｍ」と、整形訂正復号部４１の復号回路（分布整合部２１１の逆処理部）のビット系列の情報量「Ｄ_ｄｍ」と、通信路分布「Ｗ（Ｙ｜Ｘ）」とに従う。通信路分布は、通信路３における位相雑音の分布を表す。通信路３は、ＡＷＧＮ伝送路である。

ＰＡＳの符号化の冗長度（ＰＡＳ符号化率）「Ｒ_ｐｓ」は、ＤＭ符号化率「ＯＨ_ＤＭ」と、訂正符号の符号化の冗長度（ＦＥＣ符号化率）との合計として表される。

前方誤り訂正符号部２１２は、式（１０）に表される「ｎ」個のシンボルの系列「Ｂ^ｎ」を、分布整合部２１１から取得する。前方誤り訂正符号部２１２は、式（１０）に表される「ｎ」個のシンボルの系列「Ｂ^ｎ」の正負「｛±１｝^ｎ」に、ＦＥＣパリティを付加する。前方誤り訂正符号部２１２は、式（２）及び式（１３）に表されるシンボル系列「Ｘ^ｎ」を、挿入部２２に送信する。

図６は、パイロットシンボルの間隔（冗長度）と分布整合（ＤＭ）の符号化の冗長度との割り振りの変更の例を示す図である。図６には、レーザ線幅と、パイロットシンボルの冗長度（間隔）と分布整合の符号化の冗長度との割り振りと、シンボルの出現確率の分布と、雑音耐力とが表されている。

図６において、パイロットシンボルの冗長度と分布整合の符号化の冗長度との割り振りの例として、情報１００「情報」と、訂正シンボル１０１「ＦＥＣ」と、分布整合シンボル１０２「ＤＭ」と、パイロットシンボル１０３との比較図が、レーザ線幅ごとに示されている。図６では、一例として、訂正シンボル１０１「ＦＥＣ」の符号化の冗長度（符号化率）は固定である。

情報１００は、式（１）のビット系列に応じて定まる情報である。例えば、情報１００は、式（１０）のように表されるシンボル系列（振幅系列）である。訂正シンボル１０１は、制御部２０によって導出された設定値に応じて、前方誤り訂正符号部２１２によってシンボル系列に付加される。分布整合シンボル１０２は、制御部２０によって導出された設定値に応じて、分布整合部２１１によってシンボル系列に付加される。パイロットシンボル１０３は、制御部２０によって導出された設定値に応じて、挿入部２２によってシンボル系列に付加される。

多値度「Ｍ」及びサンプリングレート「ｆ_ｓ」が固定されている場合、要求されるスループット「Ｔ」に応じて、シンボル系列に付加可能な冗長度が存在する。パイロットシンボルの冗長度とＰＡＳの符号化の冗長度とは、トレードオフの関係にある。制御部２０は、シンボル系列に応じた光信号の雑音耐力を向上させるように、シンボル系列に付加可能な冗長度を、パイロットシンボルの冗長度とＰＡＳの符号化の冗長度とに割り振る。

ＦＥＣパリティの冗長度（ＦＥＣ符号化率）が固定である場合、ＰＡＳの符号化の冗長度が高いほど、雑音耐力が向上する。位相推定用のパイロットシンボルの冗長度が高いほど、位相の推定精度が向上する。

次に、位相推定部４０の詳細を説明する。
図７は、位相の推定の例を示す図である。図７には、パイロットシンボル１０３と、シンボル系列１０４とが示されている。シンボル系列１０４は、例えば、情報１００と、訂正シンボル１０１「ＦＥＣ」と、分布整合シンボル１０２「ＤＭ」とを含む。図７では、平均化長「Ｌ」は４である。平均化長は、パイロットシンボルの間隔とは異なる。パイロットシンボルの間隔とは、シンボル系列１０４の長さである。

位相推定部４０は、式（４）に表された光信号の位相を、光信号のシンボル系列のパイロットシンボルに基づいて推定する。パイロットシンボルを用いて位相雑音が推定される場合、送信機２から送信されたシンボル系列を位相推定部４０が知る必要がある。このため、送信機２から送信されるシンボル系列が位相推定部４０にフィードフォワードされる必要がある。送信機２及び位相推定部４０は、送信機２から位相推定部４０に送信されるシンボルがどのようなシンボルであるかを、予め情報共有する。

位相推定部４０は、位相の回転の平均値を導出する。図７では、位相推定部４０は、パイロットシンボル１０３－１～１０３－４について、位相の回転の平均値（パイロットシンボル１０５）を導出する。位相推定部４０は、例えば、送信されたシンボル系列１０４－１～１０４－４の中央のシンボル系列１０４－２に、位相の回転の平均値を乗算する。すなわち、位相推定部４０は、位相が推定された受信信号を、式（５）のように導出する。

次に、数値実験の結果を説明する。
図８は、パラメータの値の例を示す図である。数値実験において、スループット「Ｔ」は、一例として４００Ｇｂｐｓである。シンボルの多値度「Ｍ」は、一例として６４である。サンプリングレート「ｆ_ｓ」は、一例として６４Ｇｂａｕｄである。ＦＥＣパリティの冗長度（ＦＥＣ符号化率）「Ｒ_ｃ」は、一例として０．８２６である。

図９は、ＮＧＭＩとＳＮＲとの関係の例を示す図である。すなわち、図９は、ＮＧＭＩにおける、ＳＮＲに対する依存性（１００ｋＨｚ）を示す図である。ＮＧＭＩは、式（１４）のように表される。

ＧＭＩは、式（１５）のように表される。

パイロットレートが低くすぎる場合（パイロットシンボルの冗長度が低すぎる場合）、位相雑音の推定精度が低下するので、ＲＳＮＲは低い（悪い）。矢印３００に示されているように、０．２％から２．１％にパイロットレート「ＰｉｌｏｔＯＨ」が増加した場合には、位相雑音の推定精度が向上するので、「ＮＧＭＩ＝０．８５７」を達成するＲＳＮＲは高くなる（改善する）。

パイロットレートが高すぎる場合（パイロットシンボルの冗長度が高すぎる場合）、ＰＡＳの符号化の冗長度が高くないので、ＲＳＮＲは低い（悪い）。矢印３０１に示されているように、２．１％から２５．０％にパイロットレート「ＰｉｌｏｔＯＨ」が増加した場合、ＰＡＳの冗長度が低下するので、「ＮＧＭＩ＝０．８５７」を達成するＲＳＮＲは低くなる（悪くなる）。

図１０は、パイロットレートとＲＳＮＲとの関係の例をレーザ線幅ごとに示す図である。図１０において楕円で囲まれたそれぞれの箇所に対応するＲＳＮＲに示されているように、最適なパイロットレートは、レーザ線幅に応じて異なる。制御部２０は、パイロットレートをレーザ線幅に応じて設定する。制御部２０は、ＰＡＳの符号化の冗長度を、レーザ線幅に応じて設定する。

図１１は、冗長度の割り振りの例を示す図である。パイロットシンボルの冗長度とＰＡＳの符号化の冗長度（符号化率）とはトレードオフの関係にあるので、シンボルの多値度「Ｍ」とボーレート「Ｂ」とサンプリングレート「ｆ_ｓ」とが固定されている場合において、要求されるスループット「Ｔ」に応じて割り振り可能である冗長度の範囲内で、予め定められた目標関数の値を満たす最適な割り振り値（比率）が存在する。割り振り可能である冗長度とは、例えば、多値度及びサンプリングレートが固定された場合に、冗長なビットが付加されたシンボル系列のスループットがスループット「Ｔ」以下となる冗長度である。

制御部２０は、予め定められた目標関数の値を満たす最適な割り振り値に応じて設定値を導出する。制御部２０は、設定値を用いて、光伝送システム１におけるスループットと消費電力量と伝送距離とのうちの二つ以上を向上させる。要求されるスループット「Ｔ」は、式（１６）のように表される。なお、要求されるスループット「Ｔ」は、予め定められる。また、シンボルの多値度「Ｍ」は、予め定められてよい。

ここで、「Ｂ」は、ボーレートを表す。ボーレートは、送信機２及び受信機４の通信レートに応じて定まる。「Ｒ_ｐｌ」は、パイロットレートを表す。「Ｒ_ｐｌ」は、位相雑音と非線形雑音とに応じて定まる。「Ｒ_ｃ」は、ＦＥＣレートを表す。「Ｒ_ｃ」は、信号対雑音比と、符号誤り率（Bit Error Rate : BER）の目標値と、前方誤り訂正符号部２１２のシンボル系列の情報量「ε」と、整形訂正復号部４１のビット系列の情報量「Ｄ」と、通信路分布「Ｗ（Ｙ｜Ｘ）」とに応じて定まる。

シンボルの多値度「Ｍ」とボーレート「Ｂ」とサンプリングレート「ｆ_ｓ」とが固定されている場合において、等化性能（伝送距離）の向上が要求された場合、制御部２０は、パイロットシンボルの冗長度を高くする。等化性能（伝送距離）の向上があまり要求されず、消費電力量を抑えることが要求された場合、消費電力量を低下させるＦＥＣパリティの冗長度（ＦＥＣ符号化率）を高くする。

制御部２０は、伝送路情報を伝送路推定部４２から取得する。制御部２０は、伝送路情報を用いるシミュレーションによって予め作成されたルックアップテーブルを取得する。

ルックアップテーブルには、スループットと消費電力量の逆数と伝送距離（等化性能）とのうち二つ以上の合計値と、冗長度の割り振り値との対応付けが、目標関数のパラメータに応じて登録されている。目標関数のパラメータには、送信機及び受信機に関するパラメータと、伝送路に関するパラメータと、制約に関するパラメータとがある。

例えば、ルックアップテーブルには、スループットと消費電力量の逆数との合計値と、冗長度の割り振り値との対応付けが、伝送路に関するパラメータに応じて登録されている。この場合、スループットと消費電力量の逆数との合計値が最大となる冗長度の割り振り値を、伝送路に関するパラメータに応じて、制御部２０がルックアップテーブルから選択することが可能である。

送信機及び受信機に関するパラメータには、例えば、ＦＥＣパリティの冗長度（ＦＥＣレート）と、ＤＭの符号化の冗長度（ＤＭレート）と、パイロットシンボルの冗長度（パイロットレート）と、ボーレートと、多値度と、ＦＥＣの方式と、送信機２（変調器）に入力されるレーザの振幅と、レーザのドライブアンプに入力されるレーザの振幅と、送信機及び受信機における入力又は出力の光パワーと、光信号のサブキャリアの数との各パラメータがある。

伝送路に関するパラメータには、例えば、通信路３の光アンプのゲインと、通信路３の光ファイバに入力されるレーザのパワー（ファイバ・インプット・パワー）と、光フィルタ（光信号が通過するノードの段数）との各パラメータがある。

制約に関するパラメータには、例えば、伝送路（送信機２、通信路３及び受信機４）における、信号対雑音比、ＡＳＥ雑音量と、位相雑音量と、非線形雑音量と、帯域狭窄量とがある。

制御部２０は、スループットと消費電力量の逆数と伝送距離（等化性能）とのうちの二つ以上の合計値が向上する割り振り値（比率）を、伝送路情報に基づいて、ルックアップテーブルから選択する。制御部２０は、組み合わせの合計値が最も大きくなる割り振り値を、伝送路情報に基づいて、ルックアップテーブルから反復的に選択してもよい。制御部２０は、割り振り値に応じて各設定値を決定する。

なお、光伝送システム１の導入のタイミングで、制御部２０は、送信機２及び受信機４に対して、設定値（初期値）を出力してもよい。制御部２０は、最適な設定値をルックアップテーブルにおいて反復的に探索してもよい。制御部２０は、探索結果に基づいて、送信機２及び受信機４の各設定値を更新してもよい。

次に、光伝送システム１の動作の例を説明する。
図１２は、光伝送システムの動作例を示すフローチャートである。制御部２０及び位相推定部４０は、送信機２から受信機４に送信されるシンボルがどのようなシンボルであるかを、予め情報共有する。

制御部２０は、要求されるスループットの値を取得する（ステップＳ１０１）。制御部２０は、伝送路情報を受信機４が生成するための制御信号と、設定値（初期値）とを、整形訂正符号部２１に設定する（ステップＳ１０２）。整形訂正符号部２１は、制御信号と設定値とを取得する（ステップＳ１０３）。制御部２０は、設定値（初期値）を挿入部２２に設定する（ステップＳ１０４）。挿入部２２は、設定値を取得する（ステップＳ１０５）。

整形訂正符号部２１は、制御信号を挿入部２２に送信する（ステップＳ１０６）。挿入部２２は、制御チャネルを用いて、制御信号の光信号を通信路３に送信する（ステップＳ１０７）。通信路３は、制御チャネルを用いて、制御信号の光信号を、位相推定部４０に伝送する。制御信号の光信号には、例えばＡＳＥ雑音と位相雑音とが生じる（ステップＳ１０８）。

位相推定部４０は、制御信号を通信路３から取得する。位相推定部４０は、制御信号を整形訂正復号部４１に送信する（ステップＳ１０９）。整形訂正復号部４１は、制御信号に対する復号処理の結果を、伝送路推定部４２に送信してもよい（ステップＳ１１０）。伝送路推定部４２は、制御信号に対する復号処理の結果を取得してもよい（ステップＳ１１１）。

位相推定部４０は、制御信号の位相の推定値を、整形訂正復号部４１に送信する（ステップＳ１１２）。伝送路推定部４２は、制御信号に対する復号処理の結果と、制御信号の位相の推定値とのうちの少なくとも一つに基づいて、伝送路の特性を推定する。伝送路推定部４２は、例えば、伝送路の信号対雑音比、位相雑音量、通信路分布及び非線形雑音の情報を含む伝送路情報を生成する（ステップＳ１１３）。伝送路推定部４２は、伝送路情報を制御部２０にフィードバックする（ステップＳ１１４）。

制御部２０は、伝送路情報を伝送路推定部４２から取得する（ステップＳ１１５）。制御部２０は、位相推定用のパイロットシンボルの冗長度とＰＡＳの符号化の冗長度との割り振り値（比率）を、伝送路情報に基づいて導出する。制御部２０は、導出された割り振り値に応じたＰＡＳの符号化の冗長度に基づいて、整形訂正符号部２１の設定値（例えば、整形訂正符号部２１の変調方式の設定値）を、整形訂正符号部２１に出力する（ステップＳ１１６）。整形訂正符号部２１は、整形訂正符号部２１が参照する設定値を更新する（ステップＳ１１７）。

制御部２０は、導出された割り振り値に応じたパイロットシンボルの冗長度に基づいて、挿入部２２の設定値（例えば、挿入部２２の変調方式の設定値）を挿入部２２に出力する（ステップＳ１１８）。挿入部２２は、挿入部２２が参照する設定値を更新する（ステップＳ１１９）。

整形訂正符号部２１は、冗長なビットとＦＥＣパリティとが付加されたシンボル系列「Ｘ^ｎ」を、挿入部２２に送信する（ステップＳ１２０）。挿入部２２は、冗長なビットとＦＥＣパリティが付加されたシンボル系列に対してパイロットシンボルが挿入されたシンボル系列の光信号を、送信信号として通信路３に送信する（ステップＳ１２１）。通信路３は、ＡＳＥ雑音と位相雑音とを含む送信信号の光信号を、受信信号として位相推定部４０に伝送する（ステップＳ１２２）。

位相推定部４０は、式（４）に表された光信号「Ｙ（ｉ）」を、受信信号として通信路３から取得する。位相推定部４０は、光信号のシンボル系列を整形訂正復号部４１に送信する（ステップＳ１２３）。整形訂正復号部４１は、光信号のシンボル系列に対する復号処理の結果を、伝送路推定部４２に送信してもよい（ステップＳ１１０）。伝送路推定部４２は、光信号のシンボル系列に対する復号処理の結果を取得してもよい（ステップＳ１２５）。

位相推定部４０は、式（４）に表された光信号の位相を、光信号のシンボル系列のパイロットシンボルに基づいて推定する（ステップＳ１２６）。伝送路推定部４２は、光信号のシンボル系列に対する復号処理の結果と、光信号の位相の推定値とのうちの少なくとも一つに基づいて、伝送路の特性を推定する。伝送路推定部４２は、伝送路の信号対雑音比、位相雑音量、通信路分布及び非線形雑音の情報を含む伝送路情報を生成する（ステップＳ１２７）。

以上のように、実施形態の通信機（送信機２）は、振幅変換部２１０と、分布整合部２１１と、挿入部２２と、制御部２０とがある。振幅変換部２１０は、ビット系列「ｉ^ｋ」に応じて、シンボル系列「Ａ^ｋ’」を生成する。分布整合部２１１は、ＰＡＳの符号化によって、冗長なビットをシンボル系列「Ａ^ｋ’」に付加する。すなわち、分布整合部２１１は、ＤＭの符号化によって、「ｋ’」個のシンボル系列「Ａ^ｋ’」を、式（１０）に表される「ｎ」個のシンボル系列「Ｂ^ｎ」に変換する。挿入部２２は、冗長なビットが付加されたシンボル系列「Ｂ^ｎ」に、パイロットシンボルを挿入する。挿入部２２は、冗長なビットが付加されたシンボル系列「Ｂ^ｎ」に基づくシンボル系列「Ｘ^ｎ」に、パイロットシンボルを挿入してもよい。挿入部２２は、パイロットシンボルが挿入されたシンボル系列を、通信路３（伝送路）に送信する。制御部２０は、伝送路情報を取得する。制御部２０は、予め定められたスループットに応じて割り振り可能な冗長度の範囲内で、ＰＡＳの符号化の冗長度とパイロットシンボルの冗長度との割り振りを、伝送路情報に応じて変更する。例えば、制御部２０は、伝送路情報に応じて割り振り値をルックアップテーブルから選択する。伝送路情報は、例えば、伝送路における、信号対雑音比、位相雑音量、通信路分布及び非線形雑音のうちの少なくとも一つに関する情報である。

これによって、光伝送システム１におけるスループットと消費電力量と伝送距離とのうちの少なくとも一つを向上をさせることが可能である。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、光伝送システムに適用可能である。

１…光伝送システム、２…送信機、３…通信路、４…受信機、２０…制御部、２１…整形訂正符号部、２２…挿入部、４０…位相推定部、４１…整形訂正復号部、４２…伝送路推定部、１００…情報、１０１…訂正シンボル、１０２…分布整合シンボル、１０３…パイロットシンボル、１０４…シンボル系列、１０５…パイロットシンボル、２００…プロセッサ、２０１…メモリ、２０２…記憶装置、２０３…通信部、２１０…振幅変換部、２１１…分布整合部、２１２…前方誤り訂正符号部、３００…矢印、３０１…矢印、４００…プロセッサ、４０１…メモリ、４０２…記憶装置、４０３…通信部

Claims

ビット系列に応じてシンボル系列を生成する振幅変換部と、
ＰＡＳ（Probabilistic Amplitude Shaping）の符号化によって、冗長なビットを前記シンボル系列に付加する分布整合部と、
前記冗長なビットが付加されたシンボル系列にパイロットシンボルを挿入し、前記パイロットシンボルが挿入されたシンボル系列を伝送路に送信する挿入部と、
前記伝送路に関する情報を取得し、予め定められたスループットに応じて割り振り可能な冗長度の範囲内で、前記ＰＡＳの符号化の冗長度とパイロットシンボルの冗長度との割り振りを、前記伝送路に関する情報に応じて変更する制御部と
を備える通信機。
前記伝送路に関する情報は、前記伝送路における、信号対雑音比、位相雑音量、通信路分布及び非線形雑音のうちの少なくとも一つに関する情報である、請求項１に記載の通信機。
伝送路に関する情報を生成する伝送路推定部と、
ビット系列に応じてシンボル系列を生成する振幅変換部と、
ＰＡＳ（Probabilistic Amplitude Shaping）の符号化によって、冗長なビットを前記シンボル系列に付加する分布整合部と、
前記冗長なビットが付加されたシンボル系列にパイロットシンボルを挿入し、前記パイロットシンボルが挿入されたシンボル系列を前記伝送路に送信する挿入部と、
前記伝送路に関する情報を取得し、予め定められたスループットに応じて割り振り可能な冗長度の範囲内で、前記ＰＡＳの符号化の冗長度とパイロットシンボルの冗長度との割り振りを、前記伝送路に関する情報に応じて変更する制御部と
を備える光伝送システム。
前記伝送路に関する情報は、前記伝送路における、信号対雑音比、位相雑音量、通信路分布及び非線形雑音のうちの少なくとも一つに関する情報である、請求項３に記載の光伝送システム。