JPWO2016121341A1 - 光送信器、光通信システム、および光通信方法 - Google Patents

光送信器、光通信システム、および光通信方法 Download PDF

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Abstract

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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源を有効活用することは困難であるため、本発明の光送信器は、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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換して出力するインターフェース部と、パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み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部と、符号化部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マッピング部と、マッピング部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光変調部と、複数の畳み込み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、所定の符号化方式に応じて動作するように、インターフェース部、符号化部、マッピング部、および光変調部をそれぞれ制御する符号化制御部、とを有する。

Description

本発明は、光送信器、光通信システム、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、光通信システム、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可変ビットレート光伝送器は、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）と、付随するＤＡコンバータ回路（ＤＡＣ）を備え、種々のプログラム可能Ｍ値直交振幅変調（Ｍ−ＱＡＭ）方式を駆動する。ここでＤＳＰは、制御アルゴリズムを適用し、光伝送器の信号変調についての複数のＱＡＭ方式の中から適切なＱＡＭ方式を選択するようにプログラムされている。このような構成としたことにより、光伝送器を取り替える必要なしに、所望の伝送パフォーマンスレベルを維持し、または伝送パフォーマンスを最適化することができる、としている。
しかしながら、関連する可変ビットレート光伝送器においては、変調方式を切り替える際の粒度が粗く、条件によっては周波数利用効率に余剰が生じてしまうという問題があった。また、一個の光送受信器で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デジタル信号処理回路を実装する必要がある。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。
上述した伝送距離と周波数利用効率のトレードオフの関係の下で、変調方式を切り替える際の粒度の細密化と信号処理回路の複雑化の回避を両立させる手法の一つに、多次元信号空間におけるセット分割法がある。セット分割法は、本質的に４次元信号である光信号との親和性が高いことから近年注目されている。例えば、非特許文献１には、多次元光符号化変調ＳＰ（ｓｅｔ−ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ）−３２−４Ｄ（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ）−１６ＱＡＭやＳＰ−１２８−４Ｄ−１６ＱＡＭによって符号化利得を得る技術が開示されている。
また、非特許文献２には、上述した伝送距離と周波数利用効率のトレードオフの関係から予想される伝送距離を超える伝送距離を実現する方法として、畳み込み符号とセット分割法を組み合わせたトレリス符号化光変調方式が開示されている。トレリス符号化変調では、畳み込み符号化により符号系列間の最小二乗自由距離が、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まで拡大することが可能となる。そのため、セット分割法を上回る符号化利得が得られる。
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． Ｓｈｏｔａ Ｉｓｈｉｍｕｒａ ａｎｄ Ｋａｚｕｒｏ Ｋｉｋｕｃｈｉ， "８−Ｓｔａｔｅ Ｔｒｅｌｌｉｓ−Ｃｏｄｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ４-Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＱＡＭ Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ，" ｉｎ ＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＯＥＣＣ２０１４） Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐａｐｅｒ ＴＨ１２Ｂ−２．
上述したトレリス符号化変調は、セット分割法に比べて冗長度の選択肢が少ないので適用範囲が限られる。そのため、セット分割法による周波数利用効率の切り替えの細密化と、トレリス符号化変調による伝送距離の延伸化という両者の効果を得るには制限があった。その結果、周波数資源の有効活用を図ることは困難であ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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源を有効活用することは困難であ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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源を有効活用することは困難である、という課題を解決する光送信器、光通信システム、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、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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換して出力するインターフェース部と、パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み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部と、符号化部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マッピング部と、マッピング部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光変調部と、複数の畳み込み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、所定の符号化方式に応じて動作するように、インターフェース部、符号化部、マッピング部、および光変調部をそれぞれ制御する符号化制御部、とを有する。
本発明の光通信システムは、光変調信号を光伝送媒体に送出する光送信器と、光伝送媒体を伝搬した光変調信号を受信する光受信器、を有し、光送信器は、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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換して出力するインターフェース部と、パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み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部と、符号化部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マッピング部と、マッピング部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光変調部と、複数の畳み込み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、所定の符号化方式に応じて動作するように、インターフェース部、符号化部、マッピング部、および光変調部をそれぞれ制御する符号化制御部、とを備え、光受信器は、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光電変換部と、受信信号を入力し、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復号化部と、複数の復号化方式の中から、所定の復号化方式を選択し、復号化部を所定の復号化方式で動作させる復号化制御部、とを備える。
本発明の光通信方法は、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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換し、パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み符号化方式のうちの所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式で符号化し、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し、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。
本発明の光送信器、光通信システム、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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源の有効活用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が備える符号化部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が備えるマッピング部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が備えるマッピング部の動作を説明するための図であって、４次元シンボル空間におけるＱＡＭコンステレーションのセット分割を説明するための図である。 ２次元シンボル空間におけるＱＡＭコンステレーションのセット分割を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る光送信器が備える符号化部における状態遷移を示すトレリス線図である。 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符号化部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マッピング部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マッピング部の動作を説明するための図であって、８次元シンボル空間におけるＱＡＭコンステレーションのセット分割を説明するための図である。 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。
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、インターフェース部１１０、符号化部１２０、マッピング部１３０、光変調部１４０、および符号化制御部１５０を有する。
インターフェース部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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換して出力する。符号化部１２０は、パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み符号化方式のうちの一の符号化方式で符号化する。マッピング部１３０は、符号化部１２０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。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。
符号化制御部１５０は、複数の畳み込み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する。そして、このときの所定の符号化方式に応じて動作するように、インターフェース部１１０、符号化部１２０、マッピング部１３０、および光変調部１４０をそれぞれ制御する。
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。
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。
符号化制御部１５０は、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符号化方式１〜符号化方式ｋの中から選択する。そして選択した符号化方式に応じて、インターフェース部１１０、符号化部１２０、マッピング部１３０、および光変調部１４０の動作方式を設定する。
インターフェース部１１０は、入力信号をシリアル／パラレル変換してｍビットの並列信号を出力する。符号化部１２０は、ｍビットにパラレル変換された情報ビットを入力し、符号化制御部１５０によって設定された符号化方式に基づいて符号化し、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ｄ次元シンボル空間にシンボルマッピングしたのちに、Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｄのｄ個（次元）のデータ列として光変調部１４０に出力する。
光変調部１４０は、Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｄ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。
ここで、インターフェース部１１０は、所定の符号化方式に応じて定まる所定の伝送レートで動作し、所定の符号化方式に応じて定まる所定のビット数のパラレル信号に変換して出力する。すなわち、インターフェース部１１０は、符号化制御部１５０が設定した符号化方式に応じた異なる伝送レートで動作し、設定された伝送レートで入力した送信ビット列をｍビットの並列信号にシリアル／パラレル変換する。このとき、シリアル／パラレル変換の出力ビット数ｍは、符号化制御部１５０によって設定された符号化法により変化する。つまり、符号化方式ｉ（ｉ＝１〜ｋ）の冗長ビット数がｒｉである場合、出力ビット数ｍはｎ−ｒｉとなる。
符号化部１２０は、出力冗長ビット数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選択して設定することが可能な構成である。このときの符号化方式は符号化制御部１５０によって決定され、ｍビットのパラレル信号を入力してｎビットの出力ビット信号を出力する。
マッピング部１３０は、符号化部１２０のｎビットの出力信号を、トレリス符号化変調による符号化利得が得られるようにｄ次元シンボル空間に割り当てる。そして、光変調部１４０が備える光変調器を駆動するシンボル信号、すなわちデータ列Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｄに変換する。光変調器を駆動するデータ列Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｄ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が備える光変調器は、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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換する。このパラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み符号化方式のうちの所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式で符号化する。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。
上述したパラレル信号に変換する際に、所定の符号化方式に応じて定まる所定の伝送レートで、所定の符号化方式に応じて定まる所定のビット数のパラレル信号に変換する構成とすることができる。
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、冗長度の異なる複数の畳み込み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。そのため、変調方式を切り替える際に変更が必要となるデジタル信号処理の回路規模を低減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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源の有効活用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、インターフェース部１１０、符号化部２２０、マッピング部２３０、光変調部１４０、および符号化制御部１５０を有する。本実施形態による光送信器２００が備える符号化部２２０およびマッピング部２３０以外の構成は、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。
図３に、本実施形態の光送信器２００が備える符号化部２２０の構成の一例を示す。符号化部２２０は、畳み込み符号化方式における冗長ビット数が異なり、拘束長が等しい複数の符号化器構造を構成することが可能である。そして、符号化制御部１５０は、複数の符号化器構造から一の符号化器構造を選択して動作するように符号化部２２０を制御する。
図３に示した例では、符号化部２２０は、第１の符号化器構造２２１および第２の符号化器構造２２２を切り替えて構成できる構造である。第１の符号化器構造２２１は入力ビット数がｍビット、出力ビット数がｎビットであり、冗長ビット数は１ビット（ｍ＝ｎ−１）である。第２の符号化器構造２２２は、入力ビット数がｍ’ビット、出力ビット数がｎビットであり、冗長ビット数は３ビット（ｍ’＝ｎ−３）である。
ここで、第１の符号化器構造２２１および第２の符号化器構造２２２は拘束長（レジスタ数）および状態遷移特性が同じであるため、一個の符号化器のみを用いて論理回路の切り替えだけで二種の符号化方式を選択することが可能である。
図４に、本実施形態の光送信器２００が備えるマッピング部２３０の構成の一例を示す。マッピング部２３０はセット選択部２３１とシンボル選択部２３２を備える。セット選択部２３１の入力はαビット、シンボル選択部２３２の入力はβ（＝ｎ−α）ビットとする。
セット選択部２３１は、変調シンボルを複数のサブセット（小セット）に分割し、出力ビット信号に基づいて複数のサブセット（小セット）のうちの一のサブセットを選択する。すなわち、セット選択部２３１は、αビットの入力信号に基づいて複数の小セットのうち一の小セットを選択する。
シンボル選択部２３２は、セット選択部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。すなわち、シンボル選択部２３２は、βビットの入力信号に基づいて、セット選択部２３１によって選択された小セットに含まれる２β個のシンボルのうち一のシンボルを選択し、光変調部１４０に出力する。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）を用いるものとした。
次に、本実施形態に係る光送信器２００が備える符号化部２２０およびマッピング部２３０の動作について説明する。
図３に示した冗長ビット数が１ビットである第１の符号化器構造２２１を用いる場合、出力ビット信号（ｎビット）のうち符号化された３ビットをセット選択部２３１に入力する（α＝３ビット）。そして、残りの符号化されていない出力ビット信号をシンボル選択部２３２に入力する（β＝ｎ−３ビット）。
セット選択部２３１は、４次元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図５に示した８個の小セットＳ０〜Ｓ７に分割する。そして、符号化されたαビットを用いて、小セットのうちから一個を選択する。シンボル選択部２３２は、符号化されていないβビットを用いて、セット選択部２３１が選択した小セットに属する複数のシンボルの中から一個を選択し、選択した４次元信号を出力する。
図３に示した冗長ビット数が３ビットである第２の符号化器構造２２２を用いる場合、出力ビット信号（ｎビット）のうち符号化された５ビットをセット選択部２３１に入力する（α＝５ビット）。そして、残りの符号化されていない出力ビット信号をシンボル選択部２３２に入力する（β＝ｎ−５ビット）。
セット選択部２３１は、４次元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３２個の小セットＲ０〜Ｒ３１に分割する。そして、符号化されたαビットを用いて、小セットのうちから一個を選択する。シンボル選択部２３２は、符号化されていないβビットを用いて、セット選択部２３１が選択した小セットに属する複数のシンボルの中から一個を選択し、選択した４次元信号を出力する。
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−１２８−１６ＱＡＭ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。以下ではセット分割について、さらに詳細に説明する。
図６に、２次元１６ＱＡＭコンステレーションに対するセット分割の一例を示す。２次元１６ＱＡＭのシンボルを、半分ずつ間引いた二つの集合Ｐ０とＰ１に分割する。これにより、それぞれの集合内におけるシンボル間の最小二乗ユークリッド距離（ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｕｃｌｉｄｉａｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ：ＭＳＥＤ）は２倍となる。セット分割は繰り返すことが可能であり、同図に示すようにＰ０はさらにＱ０とＱ１に、Ｐ１はＱ２とＱ３に分割することができる。元となるシンボル集合により、さらにセット分割を繰り返すことが可能であることは言うまでもない。なお、２次元２ｎＱＡＭ信号に対しては同様のセット分割が可能である。
図５は上述したように、４次元２ｎＱＡＭに対するセット分割の一例である。２次元の場合と同様に、４次元２ｎＱＡＭのシンボルを半分ずつ間引いた集合Ｒ０とＲ１に分割することにより、それぞれの集合内におけるシンボル間の最小二乗ユークリッド距離（ＭＳＥＤ）は２倍となる。４次元におけるセット分割は２次元におけるセット分割から構成可能である。例えば図５において、Ｒ０は、Ｘ偏波がＰ０かつＹ偏波がＰ０の小セットとＸ偏波がＰ１かつＹ偏波がＰ１の小セットの和集合であることを示している。他のセット分割においても同様である。Ｒ０、Ｒ１はさらにＳ０〜Ｓ７の８個の小セットにセット分割可能である。２次元シンボル空間の場合と同様に４次元シンボル空間においても、元とするシンボル集合によりさらにセット分割を繰り返すことが可能であることは言うまでもない。
第１の符号化器構造２２１および第２の符号化器構造２２２は、入力ビットのうち２ビットにより状態遷移し、全く同じ状態遷移構造を有する。図７に、状態遷移に対応するトレリス線図を示す。
第１の符号化器構造２２１を用いる場合は冗長ビットが１ビットであり、この時には、遷移に対応した小セットＳ０〜Ｓ７のうちの一の小セットの複数のシンボルのうち一が送られ、そのシンボル間の最小二乗ユークリッド距離（ＭＳＥＤ）は４ｄ０ ２となる。さらに、シンボル列間の二乗距離の和も２ｄ０ ２×２＝４ｄ０ ２となるため、最小自由距離は４ｄ０ ２となる。これより、送信ビットレートは（ｎ−１）／ｎとなるが、受信感度は向上することがわかる。
第２の符号化器構造２２２を用いた場合で冗長ビットが３ビットの時にも同様に、遷移に対応した小セットＴ０〜Ｔ３１の複数のシンボルのうち一が送られ、そのシンボル間の最小二乗ユークリッド距離（ＭＳＥＤ）は８ｄ０ ２となる。さらに、シンボル列間の最小自由距離和も４ｄ０ ２×２＝８ｄ０ ２となるため、最小自由距離は８ｄ０ ２となる。これより、送信ビットレートは（ｎ−３）／ｎとなるが、受信感度はさらに向上することがわかる。
上述した複数の符号化方式は、受信感度と符号化率をそれぞれ異なる設定とすることができる。そのため、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になる。
また、符号化方式を切り替えても、ベースとなるコンステレーションは変化しないため、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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく、伝送距離を延伸す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ー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。これにより、光送信器のコストを低減し、制御の容易化を図ることができる。
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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換する。このパラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み符号化方式のうちの所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式で符号化する。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。
上述したように、本実施形態の光送信器２００および光通信方法においては、冗長度の異なる複数の畳み込み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、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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源の有効活用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８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。
光送信器３００は、インターフェース部１１０、符号化部３２０、マッピング部３３０、パラレル／シリアル変換部３３５、光変調部１４０、および符号化制御部１５０を有する。本実施形態による光送信器３００が備える符号化部３２０、マッピング部３３０、およびパラレル／シリアル変換部３３５以外の構成は、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。
図９に、本実施形態の光送信器３００が備える符号化部３２０の構成の一例を示す。符号化部３２０は、第１の符号化器構造３２１および第２の符号化器構造３２２を切り替えて構成できる構造である。第１の符号化器構造３２１は入力ビット数がｍビット、出力ビット数がｎビットであり、冗長ビット数は１ビット（ｍ＝ｎ−１）である。第２の符号化器構造３２２は、入力ビット数がｍ’ビット、出力ビット数がｎビットであり、冗長ビット数は４ビット（ｍ’＝ｎ−４）である。
ここで、第１の符号化器構造３２１および第２の符号化器構造３２２は拘束長（レジスタ数）および状態遷移特性が同じであるため、一個の符号化器のみを用いて論理回路の切り替えだけで二種の符号化方式を選択することが可能である。
図１０に、本実施形態の光送信器３００が備えるマッピング部３３０の構成の一例を示す。マッピング部３３０はセット選択部３３１とシンボル選択部３３２を備える。セット選択部３３１の入力はαビット、シンボル選択部３３２の入力はβ（＝ｎ−α）ビットとする。
セット選択部３３１は、変調シンボルを複数のサブセット（小セット）に分割し、出力ビット信号に基づいて複数のサブセット（小セット）のうちの一のサブセットを選択する。すなわち、セット選択部３３１は、αビットの入力信号に基づいて複数の小セットのうち一の小セットを選択する。
シンボル選択部３３２は、セット選択部３３１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。すなわち、シンボル選択部３３２は、βビットの入力信号に基づいて、セット選択部３３１によって選択された小セットに含まれる２β個のシンボルのうち一のシンボルを選択し、パラレル／シリアル変換部３３５に出力する。ここで、選択されるシンボルは８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、８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）、および連続する２個のタイムスロット、を用いるものとした。
パラレル／シリアル変換部３３５は、マッピング部３３０が出力する８次元信号を２個のタイムスロットにそれぞれ４次元信号として割り当て、光変調部１４０に出力する。
次に、本実施形態に係る光送信器３００が備える符号化部３２０およびマッピング部３３０の動作について説明する。
図９に示した冗長ビット数が１ビットである第１の符号化器構造３２１を用いる場合、出力ビット信号（ｎビット）のうち符号化された４ビットをセット選択部３３１に入力する（α＝４ビット）。そして、残りの出力ビット信号をシンボル選択部３３２に入力する（β＝ｎ−４ビット）。
セット選択部３３１は、８次元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、図１１に示す１６個の小セットＶ０〜Ｖ１５に分割する。そして、符号化されたαビットを用いて、小セットのうちから一個を選択する。シンボル選択部３３２は、セット選択部３３１が選択した小セットに属する複数のシンボルの中から一個を選択し、選択した８次元信号を出力する。
図９に示した冗長ビット数が４ビットである第２の符号化器構造３２２を用いる場合、出力ビット信号（ｎビット）のうち符号化された８ビットをセット選択部３３１に入力する（α＝８ビット）。そして、残りの符号化されていない出力ビット信号をシンボル選択部３３２に入力する（β＝ｎ−８ビット）。
セット選択部３３１は、８次元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、図１１に示す２５６個の小セットＷ０〜Ｗ２５５に分割する。そして、符号化されたαビットを用いて、小セットのうちから一個を選択する。シンボル選択部３３２は、セット選択部３３１が選択した小セットに属する複数のシンボルの中から一個を選択し、選択した８次元信号を出力する。
なお、図１１に示した８次元シンボル空間におけるセット分割は、第２の実施形態において説明した４次元シンボル空間におけるセット分割と同様であるので、その説明は省略する。
第２の実施形態において説明した４次元シンボル空間における場合と同様に、冗長ビットが１ビットの時には、最小自由距離は４ｄ０ ２となる。これより、送信ビットレートは（ｎ−１）／（２ｎ）となるが、受信感度は向上することがわかる。また、冗長ビットが４ビットの時には、最小自由距離は８ｄ０ ２となる。これより、送信ビットレートが（ｎ−４）／（２ｎ）となるが、受信感度はさらに向上することがわかる。
上述した複数の符号化方式は、受信感度と符号化率をそれぞれ異なる設定とすることができる。そのため、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になる。
上述したように、本実施形態の光送信器３００においては、冗長度の異なる複数の畳み込み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、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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源の有効活用を図ることができる。
第２の実施形態および第３の実施形態においては、それぞれ４次元、８次元のＱＡＭ信号を例に用いて説明したが、他の次元のＱＡＭ信号を用いた場合にも本発明を適用することができる。さらに、ＱＡＭ信号以外のセット分割可能な信号に対しても本発明を適用することが可能であることは言うまでもない。
また、第２の実施形態および第３の実施形態においては、それぞれトレリス符号化変調を用いる場合を例に説明した。しかし、これに限らず、畳み込み符号化器とトレリス線図に基づく変調方法であれば、ターボトレリス符号化変調やビットインターリーブド符号化変調などを用いる場合であっても、本発明を適用できることは言うまでもない。
〔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１２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、インターフェース部１１０、符号化部１２０、マッピング部１３０、光変調部１４０、および符号化制御部１５０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、復号化部４２０、および復号化制御部４３０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。復号化部４２０は、受信信号を入力し、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４３０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、復号化部４２０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。
復号化部４２０は復号化制御部４３０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。ここで、上述した復号化方式として、各ビットにおいてビットが１である確率を出力する軟判定ビタビ復号方式、最尤系列を硬判定するビタビ復号方式、および、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５００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５００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１５０と復号化制御部４３０に同期して通知する。
次に、光ネットワーク制御部５００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５００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１５０と復号化制御部４３０に同期して通知する。具体的には、光ネットワーク制御部５００は、符号化制御部１５０に符号化率などの符号化冗長度の設定を指示し、復号化制御部４３０に復号化方式の設定を指示する。このとき、符号化制御部１５０と復号化制御部４３０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５００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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換する。このパラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み符号化方式のうちの所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式で符号化する。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。
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、この受信信号を、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おいては、冗長度の異なる複数の畳み込み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、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、消費電力の増大や制御の複雑化を招くことなく周波数資源の有効活用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。
この出願は、２０１５年１月２８日に出願された日本出願特願２０１５−０１４０３１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１００、２００、３００ 光送信器
１１０ インターフェース部
１２０、２２０、３２０ 符号化部
１３０、２３０、３３０ マッピング部
１４０ 光変調部
１５０ 符号化制御部
２２１、３２１ 第１の符号化器構造
２２２、３２２ 第２の符号化器構造
２３１、３３１ セット選択部
２３２、３３２ シンボル選択部
３３５ パラレル／シリアル変換部
４００ 光受信器
４１０ 光電変換部
４２０ 復号化部
４３０ 復号化制御部
５００ 光ネットワーク制御部
６００ 通信路
１０００ 光通信システム

Claims (19)

  1. 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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換して出力するインターフェース手段と、
    前記パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み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手段と、
    前記符号化手段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マッピング手段と、
    前記マッピング手段が出力するシンボル信号に基づいて前記光搬送波を変調する光変調手段と、
    前記複数の畳み込み符号化方式の中から、前記所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択し、前記所定の符号化方式に応じて動作するように、前記インターフェース手段、前記符号化手段、前記マッピング手段、および前記光変調手段をそれぞれ制御する符号化制御手段、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、
    前記インターフェース手段は、前記所定の符号化方式に応じて定まる前記所定の伝送レートで動作し、前記所定の符号化方式に応じて定まる前記所定のビット数のパラレル信号に変換して出力する
    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、
    前記符号化手段は、前記畳み込み符号化方式における冗長ビット数が異なり、拘束長が等しい複数の符号化器構造を構成することができ、
    前記符号化制御手段は、前記複数の符号化器構造から一の符号化器構造を選択して動作するように前記符号化手段を制御する
    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、
    前記マッピング手段は、セット選択手段とシンボル選択手段を備え、
    前記セット選択手段は、前記変調シンボルを複数のサブセットに分割し、前記出力ビット信号に基づいて前記複数のサブセットのうちの一のサブセットを選択し、
    前記シンボル選択手段は、前記セット選択手段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、前記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前記出力ビット信号を対応付ける
    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、
    前記シンボル信号は、前記デジタル信号を伝送する際のタイムスロット上の位置を一の次元とする信号からなり、
    前記シンボル信号を、前記タイムスロット上の異なる位置に割り当てて前記光変調手段に出力するパラレル／シリアル変換手段をさらに有する
    光送信器。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載した光送信器において、
    前記伝送条件は、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である
    光送信器。
  7. 請求項１から６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。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載した光送信器において、
    前記光変調手段を構成する光変調器は、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ている
    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
    光送信器。
  10. 光変調信号を光伝送媒体に送出する光送信器と、前記光伝送媒体を伝搬した前記光変調信号を受信する光受信器、を有し、
    前記光送信器は、
    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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換して出力するインターフェース手段と、
    前記パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み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手段と、
    前記符号化手段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マッピング手段と、
    前記マッピング手段が出力するシンボル信号に基づいて前記光搬送波を変調する光変調手段と、
    前記複数の畳み込み符号化方式の中から、前記所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式を選択し、前記所定の符号化方式に応じて動作するように、前記インターフェース手段、前記符号化手段、前記マッピング手段、および前記光変調手段をそれぞれ制御する符号化制御手段、とを備え、
    前記光受信器は、
    前記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光電変換手段と、
    前記受信信号を入力し、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復号化手段と、
    前記複数の復号化方式の中から、所定の復号化方式を選択し、前記復号化手段を前記所定の復号化方式で動作させる復号化制御手段、とを備える
    光通信システム。
  11. 請求項１０に記載した光通信システムにおいて、
    光ネットワーク制御手段をさらに有し、
    前記光ネットワーク制御手段は、前記所定の伝送条件に対応した前記所定の符号化方式と前記所定の復号化方式を決定し、前記符号化制御手段と前記復号化制御手段に同期して通知する
    光通信システム。
  12. 請求項１１に記載した光通信システムにおいて、
    前記光ネットワーク制御手段は、前記決定に基づいて、
    前記符号化制御手段に、前記畳み込み符号化方式における符号化冗長度を通知する
    光通信システム。
  13. 請求項１０から１２のいずれか一項に記載した光通信システムにおいて、
    前記復号化方式は、ビタビ復号方式および逐次復号法方式のいずれかである
    光通信システム。
  14. 請求項１０から１３のいずれか一項に記載した光通信システムにおいて、
    前記伝送条件は、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である
    光通信システム。
  15. 請求項１０から１４のいずれか一項に記載した光通信システムにおいて、
    前記シンボル信号は、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
    光通信システム。
  16. 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、所定の伝送レートで、所定のビット数のパラレル信号に変換し、
    前記パラレル信号を、冗長度の異なる複数の畳み込み符号化方式のうちの前記所定の伝送条件に対応した所定の符号化方式で符号化し、
    前記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し、
    前記シンボル信号に基づいて前記光搬送波を変調した光変調信号を生成する
    光通信方法。
  17. 請求項１６に記載した光通信方法において、
    前記パラレル信号に変換する際に、前記所定の符号化方式に応じて定まる前記所定の伝送レートで、前記所定の符号化方式に応じて定まる前記所定のビット数のパラレル信号に変換する
    光通信方法。
  18. 請求項１６または１７に記載した光通信方法において、
    前記変調シンボルを複数のサブセットに分割し、前記ビット信号に基づいて前記複数のサブセットのうちの一のサブセットを選択し、
    選択した選択サブセットに含まれる変調シンボルから、前記ビット信号に基づいて一の前記変調シンボルを選択し、選択した前記変調シンボルに前記ビット信号を対応付ける
    光通信方法。
  19. 請求項１６から１８のいずれか一項に記載した光通信方法において、
    前記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し、
    前記受信信号を、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
    光通信方法。
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