WO2021215286A1 - フレーム同期システム、フレーム同期回路及びフレーム同期方法 - Google Patents

Abstract

本発明のフレーム同期システム（１）は、第１のフレーム同期信号と第１のペイロード信号を含む第１のフレーム信号を複数含むフレーム信号を生成し、第１のフレーム同期信号は、少なくとも１つのシンボルから成り、第１のペイロード信号よりも平均振幅が低く設定されているフレーム信号生成回路（２０）と、フレーム信号を光伝送路（７０）を介して受信し、受信信号から第１のフレーム同期信号を検出し、受信信号を第１のフレーム信号のシンボル長さのフレームに分割し、分割された複数のフレームの同じシンボル位置の信号のＩＱ平面上の座標値を、複数のフレームに渡って加算し、その加算結果に基づいてフレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルを第１のフレーム同期信号と判定するフレーム同期回路（６０）とを備える。伝送レートが高速の場合においても、誤同期確率を少なくしてフレーム同期までの時間を短縮することができる。

Description

フレーム同期システム、フレーム同期回路及びフレーム同期方法

　本発明は、データ通信におけるフレーム同期システム、フレーム同期回路及びフレーム同期方法に関する。

　コヒーレント光通信では、受信側において、タイミングの正確な同期により伝送特性の補償を行い大容量化を図っており、現状では、１００Ｇｂｐｓ以上の伝送を可能としている。タイミング同期においては、受信信号のフレーム毎に予め挿入されたフレーム同期パターンが使用され、この同期パターンを正確にかつ高速に検出できるかが大容量化の性能を左右する。

　また、光通信では、波長分散、偏波分散、並びに信号対雑音比の劣化等でシンボル誤り率が高くなり伝送特性が劣化するので、このような状態においても正確に同期パターンを検出することが重要である。特に、更なる大容量化が進むシステム（例えば、１Ｔｂｐｓ以上）では、誤り率が大きい状態においても、確実に同期パターンを検出し、より高速にかつ高精度にフレーム同期を確立することが重要である。

　光通信においては、一般的には、信号が受信された場合、時間軸上で、受信側で用意した固定パターンとその受信信号との相関をとることで、フレーム同期が行われる。信号パターンが一致すると相関値は最大となる。なお、光通信のように、２つの偏波が利用される場合は、それぞれに独立して相関が取られる。

　このような同期方法では、誤り率が増加した状態では、誤って同期を検出する確率が多い。検出した同期が誤りと判定されると、再度同期を確立する処理を行う。そのため、誤り率が高い程、再度同期を確立し直す回数は増える。このような状態では、最終的に正しい同期が確立されるまでに時間を要することとなる。従って、誤り率が高い状態においても、高速に確実な同期が確立できる同期方法が望まれている。

　特許文献１には、時間領域で少なくとも１ビットの光信号を送信しないことでフレームパタンを生成し、受信側で分割されたフレームと同じビット位置のデータを積算することでヒストグラムを生成し、そのヒストグラムからフレームパタンの位置を検出する方法が開示されている。この方法は、コヒーレント光通信が行われる以前の光通信システムに関連し、光信号のオン／オフにより通信を行う光パルス伝送に対するものである。積算は、光信号のオン／オフを０／１データとして判定した後に行われる。この方法では、誤り率が低い状態では、データの判定結果の信頼性が高くなるため、比較的確実に同期を確立することができる。しかし、誤り率が増加した状態では、誤って同期を検出する確率が高くなるという問題がある。

　特許文献２には、ペイロード領域の平均光強度より小さく設定されている同期用信号パターンを用いてフレーム同期を行う光通信システムが開示されている。このフレーム同期の方法では、受信ビット列から同期用信号パターンを検出しフレームの頭出しを行う。この場合、同期用信号パターンの平均光強度をペイロード領域のそれよりも小さく設定しているので、同期用信号パターンの非線形歪を小さくでき、正しいフレームの頭出しが可能となる。しかし、同期用信号パターンは、Ｓ／Ｎが大きく劣化することがない状態で検出可能であることが必要である。

　特許文献３のフレーム同期装置では、受信信号と同期パターンのシンボル毎のＩＱ平面上の距離の平均値が最小となるパターンを検出することにより同期パターンを検出している。コヒーレント光通信において、受信シンボル誤り率が高い場合においても、正しく同期状態を判定することができる。

特開２００９－２１８７４４号公報 特開２０１６－０１９０３０号公報 特開２０１９－２１３２１８号公報

　しかしながら、上述した従来のフレーム同期の方法では、以下のような課題がある。特許文献１は、誤り率が劣化した状態では、誤同期確率が高くなり、１Ｔｂｐｓ以上の伝送レートの高速化における同期方法として使用することはできない。特許文献２のフレーム同期方法では、Ｓ／Ｎが大きく劣化した状態では同期用信号パターンの検出が難しくなり、同様にして、１Ｔｂｐｓ以上の高速化における同期方法としては使用できない。また、特許文献３のフレーム同期方法では、より誤り率が高い状態では誤同期が増え、１Ｔｂｐｓ以上の高速化での使用は難しい。ここで、上述した１Ｔｂｐｓは、高速な伝送レートの度合いを示す指標の一例である。例えば、５００Ｇｂｐｓ以上という条件も高速な伝送レートに含まれる。

　このように、従来のフレーム同期の方法では、伝送レートが高速になると、誤り率が大きい状態では誤って同期を検出してしまう誤同期確率が増える。誤同期確率が高くなると、正しい検出が行われるまで同期処理を繰り返すため、同期までに多くの時間を要するという問題があった。

　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、伝送レートが高速の場合においても、誤同期確率を少なくしてフレーム同期までの時間を短縮するフレーム同期システムを提供することにある。

　上述したような課題を解決するために、本発明のフレーム同期システムは、第１のフレーム同期信号と第１のペイロード信号を含む第１のフレーム信号を複数含むフレーム信号を生成するフレーム信号生成回路であって、前記第１のフレーム同期信号は、少なくとも１つのシンボルから成り、前記第１のペイロード信号よりも平均振幅が低く設定されているフレーム信号生成回路と、前記フレーム信号生成回路で生成された前記フレーム信号を光伝送路を介して受信し、受信信号から前記第１のフレーム同期信号を検出するフレーム同期回路であって、前記受信信号を前記第１のフレーム信号のシンボル長さのフレームに分割し、分割された複数の前記フレームの同じシンボル位置の信号のＩＱ平面上の座標値の絶対値を、複数の前記フレームに渡って加算し、その加算結果に基づいて前記フレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルを前記第１のフレーム同期信号と判定するフレーム同期回路とを備える。

　上述したような課題を解決するために、本発明のフレーム同期方法は、フレーム信号生成回路とフレーム同期回路を備えたフレーム同期システムにおけるフレーム同期方法であって、第１のフレーム同期信号と第１のペイロード信号を含む第１のフレーム信号を複数含むフレーム信号を生成するフレーム信号生成ステップであって、前記第１のフレーム同期信号は、少なくとも１つのシンボルから成り、前記第１のペイロード信号よりも平均振幅が低く設定されているフレーム信号生成ステップと、前記フレーム信号生成回路で生成された前記フレーム信号を光伝送路を介して受信し、受信信号から前記第１のフレーム同期信号を検出するフレーム同期ステップであって、前記受信信号を前記第１のフレーム信号のシンボル長さのフレームに分割し、分割された複数の前記フレームの同じシンボル位置の信号のＩＱ平面上の座標値の絶対値を、複数の前記フレームに渡って加算し、その加算結果に基づいて前記フレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルを前記第１のフレーム同期信号と判定するフレーム同期ステップとを含む。

　本発明によれば、伝送レートが高速の場合においても、誤同期確率を少なくしてフレーム同期までの時間を短縮するフレーム同期システムを提供することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期システムの構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るフレーム信号生成回路の動作を説明するための図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る短フレーム同期信号とペイロード信号の信号点を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期回路の構成例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期方法のフローチャートを示す図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る短フレーム同期信号の検出方法を説明するための図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る累積加算回路の出力を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る短フレーム同期検出における誤同期確率の測定結果である。 図９は、本発明の長フレーム同期信号を検出する方法を説明するための図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。但し、本発明は、多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に説明する本願発明の実施の形態に限定して解釈すべきではない。

＜本発明の概要＞
　本発明では、フレーム同期を短フレーム同期と長フレーム同期の２段階で行う。短フレーム信号は、短フレーム同期信号（第１のフレーム同期信号）とペイロード信号（第１のペイロード信号）を含む短いフレーム信号（第１のフレーム信号）で構成される。一方、長フレーム信号（第２のフレーム信号）は、複数の短フレーム信号（第１のフレーム信号）で構成され、短フレームの所定のシンボルに長フレームの位置を示す長フレーム同期信号（第２のフレーム同期信号）が設定される。長フレーム同期信号の設定場所は、長フレームの位置が特定できれば、どこでも構わない。一般的には先頭の短フレーム信号内に設定するが、中央付近や、最終の短フレームでもよい。また、後述するが、複数の短フレーム同期信号に渡って設定することもできる。

　本発明では、短フレーム同期信号は、少なくとも１シンボルで構成し、ペイロード信号と識別するために、ペイロード信号よりも平均振幅が低くなるように設定する。短フレーム同期信号のシンボルをＩＱ平面上にマッピングした信号点は、ペイロード信号にランダムなデータを仮に設定して複数のフレームに渡って振幅値の累積加算を行い、短フレーム同期信号の振幅値の累積加算と比較することにより、ペイロード信号よりも平均振幅としての累積加算が低い信号点を設定することができる。シンボルの振幅を累積加算することは、平均化することと等価であるので、平均振幅とみなすことができる。従って、ペイロード信号よりも平均振幅が低い短フレーム同期信号を設定することができる。

　受信側では、まず短フレーム同期を確立し、その後長フレーム同期を確立する。まず、短フレーム同期では、受信信号を短フレームのシンボル長の複数のフレームに分割し、分割されたフレームのシンボル毎に各シンボルの振幅の絶対値を複数フレームに渡って累積的に加算する。短フレーム同期信号は、ペイロード信号よりも平均振幅が低くなるように設定されているので、この累積加算した結果に基づいて、短フレームの幅の中で大きさ比較（magnitude comparison)によって特定したシンボルを短フレーム同期信号と判定することができる。

　例えば、短フレームが１シンボルの場合、累積加算した結果が最小値となるシンボルが短フレーム同期信号となる。各シンボルの振幅を複数のフレームに渡って累積加算することは、平均化することと等価であるので、各シンボルの振幅を累積加算した結果を比較することで、ペイロード信号よりも平均振幅が低い短フレーム同期信号を検出することができる。

　ここで、累積加算を行う振幅は、ＩＱ平面のＩ座標及びＱ座標の値の絶対値である。これらの値は、「０」や「１」のデータとして判定する前のデータであり、信頼性を示す情報（尤度情報）が付加された状態での値である。次に、長フレーム同期では、短フレーム毎に、長フレーム同期パターンと照合（相互相関同期）することで、長フレーム同期信号を検出して長フレーム同期を確立する。

　短フレーム同期では、ペイロード信号よりも平均振幅が低くなるように設定されたＩＱ平面のＩ座標及びＱ座標を用いる。Ｉ座標及びＱ座標の値を累積加算するという簡易な方法で平均的な振幅値を観測できるので、確実にかつ安定した同期パターンの検出を行うことができる。また、「０」や「１」のデータとして判定する前の信頼性が付加された状態のＩＱ平面の座標値を用いることで、誤り率が劣化した状態においても、高い信頼性で短フレーム同期信号を検出できる。

　さらに、長フレーム同期は、長フレームを構成する複数の短フレーム単位で同期信号の検出を行うため、従来のように、全てのシンボルにおいて１シンボルずつシフトして相関をとる場合に比べて、同期確立までの時間を大幅に短縮することができる。

＜フレーム同期システム＞
　図１は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期システムの構成例を示す図である。フレーム同期システム１の送信側は、送信信号処理回路１０、フレーム信号生成回路２０、及び光送信回路３０を備えている。フレーム同期システム１の受信側は、光受信回路４０、受信信号処理回路５０、及びフレーム同期回路６０を備えている。受信側の光受信回路４０では、光ファイバ７０等の光伝送路を介して送信側で生成されたフレーム信号を受信する。

　送信データは、送信信号処理回路１０において、水平偏波信号（ＸＩ、ＸＱ）及び垂直偏波信号（ＹＩ、ＹＱ）に分けられ、それぞれ誤り訂正用符号化やその他の処理が行われる。フレーム信号生成回路２０では、水平偏波信号（ＸＩ、ＸＱ）及び垂直偏波信号（ＹＩ、ＹＱ）それぞれにおいて、送信データに基づいてフレーム信号が生成される。フレーム信号には、フレーム同期を行うためのフレーム同期信号が付加される。フレーム信号は、光送信回路３０において光信号に変換されて、水平偏波信号と垂直偏波信号が合成されて光ファイバ７０へ供給される。本実施の形態における送信データの伝送速度としては、例えば、数百Ｇｂｐｓ～１Ｔｂｐｓ以上が想定される。

　光ファイバ７０を介して受信された受信信号は、光受信回路４０に供給される。光受信回路４０では、光信号は、水平偏波信号（ＸＩ、ＸＱ）と垂直偏波信号（ＹＩ、ＹＱ）に分離され、それぞれ光信号から電気信号に変換されて、受信信号処理回路５０へ供給される。

　ここで、水平偏波信号（ＸＩ、ＸＱ）及び垂直偏波信号（ＹＩ、ＹＱ）は、それぞれＩＱ平面上のＩ成分とＱ成分で表される。ＸＩは、水平偏波信号のＩ成分、ＸＱは、そのＱ成分、ＹＩは、垂直偏波信号のＩ成分、ＹＱは、そのＱ成分である。即ち、Ｉ成分とＱ成分は、受信信号を複素数表現した場合のＩ座標とＱ座標に相当する。

　受信信号処理回路５０では、伝送中に受信信号に生じた歪に対する補償処理や、復号処理が行われる。補償処理としては、例えば、波長分散補償、偏波分散補償、周波数オフセット補償等を含むことができる。復号処理には、例えば、誤り訂正処理等を含むことができる。

　各信号成分、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱは、フレーム同期回路６０に供給され、フレーム同期の確立処理が行われる。このフレーム同期の結果は、受信信号処理回路５０における種々の補償処理や復号処理に利用される。

　尚、本実施の形態における説明では、光信号は、水平偏波と垂直偏波に分けて伝送する場合について説明しているが、これに限定されず、水平偏波と垂直偏波の何れか片方の偏波の信号だけを伝送する場合にも適用できる。

＜フレーム生成回路の動作＞
　図２は、本発明の実施の形態に係るフレーム信号生成回路２０の動作を説明するための図である。図２の例では、水平偏波信号Ｘと垂直偏波信号Ｙに対して共通のフレーム同期信号を設定する場合を説明するが、それぞれ異なる態様でフレーム同期信号を設定することも可能である。

　また、本実施の形態で記載する「シンボル」とは、コヒーレント光通信の変調方式におけるＩＱ平面上の信号点（コンステレーション）の変化タイミングを示す。例えば、６４ＱＡＭでは、６ビット分ごとに信号点を遷移し、この遷移のタイミングがシンボルとなる。即ち、６ビットが１シンボルの周期となる。

　図２の例では、短い周期の短フレーム信号と、複数の短フレーム信号からなる長い周期の長フレーム信号が定義されている。短フレーム信号は、１シンボルの短フレーム同期信号（以下、ＳＦＳ信号という。）と、１２８シンボルのペイロード信号で構成される。長フレーム信号は、複数の短フレーム信号、例えば、数百の短フレーム信号で構成される。例えば、図２に示すように、長フレーム信号の長フレーム同期信号（以下、ＬＦＳ信号という。）は、先頭の短フレーム信号のペイロード信号の一部のデータで構成することができる。

　ここで、ＳＦＳ信号は、ペイロード信号よりも平均振幅が低くなる値に設定される。本実施の形態では、ＳＦＳ信号として、ＩＱ平面上の信号点のうち、振幅が小さい信号点を使用する。例えば、６４ＱＡＭ信号では、ＳＦＳ信号として原点付近の１６信号点を使用し、１６ＱＡＭ信号では、ＳＦＳ信号として原点付近の４信号点を使用する。この場合、ＳＦＳ信号としてどの短フレームに対して同じ信号点を使用してもよいし、ペイロード信号の平均振幅と区別できるならば、短フレーム毎に異なる信号点を使用することもできる。同じ振幅を有する異なる信号点を使用することもできる。フレーム長を短くし、さらに同期信号とペイロード信号との識別を簡易化したことにより、高い誤り率の状況においても、短フレーム同期を確実に行うことができる。

　ＳＦＳ信号は、１シンボルに限定されず、複数のシンボルで構成することもできる。データ伝送の効率化の観点からは、１シンボルの方が好ましいが、ＳＦＳ信号の複数化によって、同期の確実性を高めることができる。また、ＳＦＳ信号のシンボル数を適宜選択することにより、同期の確実性と伝送効率の両方を考慮したＳＦＳ信号を構成することも可能である。ＳＦＳ信号を複数のシンボルで構成した場合の受信側での同期検出では、複数のフレームに渡ってシンボルの振幅を累積加算した結果において、大きさ比較によって相対的に低い複数の連続したシンボル群を検出及び特定し、それらのシンボル群をＳＦＳ信号と判定すればよい。

　ＬＦＳ信号は、１つの短フレーム信号や複数の短フレーム信号の所定のシンボルで構成することができる。ＳＦＳ信号と同様に、ＬＦＳ信号のシンボル数が多い方が同期の確実性を高めることができるが、１つの短フレーム信号の全てをＬＦＳ信号として使用することが同期処理上効率的である。

　ＬＦＳ信号は、短フレームのペイロード信号ではなく、複数のＳＦＳ信号で構成することも可能である。ＳＦＳ信号は、単一の信号点ではなく、ＩＱ平面上の複数の信号点を遷移させることができるので、複数のＳＦＳ信号を用いて信号点を遷移させることにより、ＬＦＳ信号の同期パターンを構成することができる。ＬＦＳ信号を複数のＳＦＳ信号で構成することで、短フレームのペイロード信号をＬＦＳ信号として設定する必要がないため、データの伝送効率をさらに向上させることができる。

　また、ＳＦＳ信号は、従来の位相補償用のパイロット信号（ＰＳ）と共用することもできる。レーン識別や伝送路変動補正にも使用可能である。また、ＬＦＳ信号は、従来の長フレーム同期信号（ＴＳ）を設定することも可能である。従来、ペイロード中に、変調方式の異なる位相補償用パイロット信号（ＰＳ)や長フレーム同期信号（ＴＳ)を挿入していたが、ＳＦＳ信号により確実な短フレーム同期が確立できるため、異なる変調方式のＰＳやＴＳを用いる必要がない。

＜短フレーム同期信号の信号点＞
　図３は、本発明の実施の形態に係る短フレーム同期信号とペイロード信号の信号点を示す図である。図３では、例として６４ＱＡＭの場合について説明する。６４ＱＡＭは、ＩＱ平面上に、６４個の信号点を有する。図３の例では、ＳＦＳ信号として、中心の１６信号点のみを使用する。一方、ペイロード信号は、全６４信号点を使用するので、ＳＦＳ信号の平均的な振幅は、ペイロード信号の平均的な振幅に比べて低くすることができる。

　上述したように、ＬＦＳ信号は、複数のＳＦＳ信号で構成することも可能である。図３の例では、ＳＦＳ信号の振幅は、Ｉ軸方向及びＱ軸方向にそれぞれ４レベル変化できる。これを利用して、ＩＱ平面における座標値を遷移させて同期パターンを構成し、それをＬＦＳ信号として用いることで、短フレームを構成する複数のＳＦＳ信号のうち、所定のＳＦＳ信号をＬＦＳ信号として用いることも可能である。

　尚、低振幅の信号点は、図３に示す１６点に限定されない。平均的な振幅がペイロードの振幅よりも低くなることが検出できれば、どの信号点を用いてもよい。また、Ｘ偏波とＹ偏波で、ＳＦＳ信号の信号点やＬＦＳ信号は、同じである必要はない。さらに、ＳＦＳ信号の信号点は、ＩＱ平面上で対称である必要もない。平均的な振幅が低いシンボルを検出できれば十分である。

＜フレーム同期回路＞
　図４は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期回路の構成例を示す図である。図４に示す構成例では、光受信回路４０から水平偏波信号ＸのＩ成分である受信信号ＸＩ、Ｑ成分である受信信号ＸＱ、及び垂直偏波信号ＹのＩ成分である受信信号ＹＩ、Ｑ成分である受信信号ＹＱが、受信信号処理回路５０に供給される。

　受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱは、それぞれフレーム同期回路ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱに供給され、それぞれの回路において独立して短フレーム同期及び長フレーム同期の処理が行われる。フレーム同期回路ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱのそれぞれは、累積加算回路６１、短フレーム同期信号検出回路６２、及び長フレーム同期信号検出回路６３を含んでいる。

　累積加算回路６１は、供給された受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱをそれぞれ短フレームの長さ（図１の例では、１２９シンボルごと）に分割し、分割された複数フレームの同じシンボル位置のシンボルにおけるＩＱ平面上の座標値の絶対値を複数フレームに渡り累積的に加算する。ここで、累積加算回路６１において加算されるのは、ＩＱ平面上の値（Ｉ座標、Ｑ座標）の絶対値であり、「０」や「１」に判定される前の値である。

　短フレーム同期信号検出回路６２は、累積加算回路６１における累積結果に基づいて、ＳＦＳ信号を検出する。短フレームの幅のシンボル毎に各シンボルの振幅の絶対値を複数フレームに渡って累積的に加算し、累積結果に基づいて、フレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルをＳＦＳ信号と判定する。例えば、ＳＦＳ信号が１シンボルの場合は、累積した結果が最小値となるシンボルをＳＦＳ信号として検出する。

　長フレーム同期信号検出回路６３は、短フレーム同期信号検出回路６２におけるＳＦＳ信号の検出結果を利用して受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱから、それぞれＬＦＳ信号を検出する。長フレーム同期では、ＳＦＳ信号によって区切られた短フレーム毎に、受信信号と参照用長フレーム同期信号との相関を取ることにより、ＬＦＳ信号を検出する。参照用長フレーム同期信号と相関をとる短フレーム同期後の受信信号としては、ＩＱ平面上の座標値をそのまま使用することができるが、次に示す「０」か「１」に判定した後のデータも使用できる。

　受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱは、ＩＱ平面上の値として長フレーム同期信号検出回路６３にも供給されるが、それらを「０」か「１」に判定した後のデータを供給することも可能である。その「０」か「１」に判定後のデータを用いて、参照用長フレーム同期信号と比較して相関をとるように構成することもできる。ＬＦＳ信号の検出は、短フレーム同期の確立後に行うので、「０」か「１」に判定後のデータを参照用信号と比較してＬＦＳ信号を検出する方が、ＩＱ平面上での座標値を用いた処理よりも効率よく行うことができる場合もある。例えば、ＬＦＳ信号が長くなれば、「０」か「１」のデータを比較するほうが、比較する際の演算処理を効率化できる。

　尚、上述した短フレーム同期処理及び長フレーム同期処理は、受信信号のＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱでそれぞれ独立して実行することができるが、ＸＩとＸＱ、ＹＩとＹＱをそれぞれ複素数としてまとめて扱うことで、水平偏波信号Ｘと垂直偏波信号Ｙの２つの信号に対して同期処理を行うことも可能である。

＜フレーム同期方法＞
  図５～図９を用いて、本発明の実施の形態に係るフレーム同期方法を説明する。本発明の実施の形態に係るフレーム同期方法は、ＳＦＳ信号とペイロード信号を含む短フレーム信号を複数含むフレーム信号を生成するフレーム信号生成ステップと、受信したフレーム信号からＳＦＳ信号を検出するフレーム同期ステップとを含み、ＳＦＳ信号を検出することにより短フレーム同期を確立する。フレーム信号生成ステップでは、さらにＬＦＳ信号を短フレームの信号の所定のシンボルに設定し、フレーム同期ステップでは、さらにＬＦＳ信号を検出することにより、長フレーム同期を確立する。

　図５は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期方法のフローチャートを示す図である。図５では、上述したフレーム同期方法のフレーム同期ステップについて説明する。

　累積加算処理（ステップＳ１）では、累積加算回路６１において、供給された受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱをそれぞれ短フレームの長さ（図１の例では、１２９シンボルごと）に分割し、分割された複数フレームの同じシンボル位置の信号のＩＱ平面上の値の絶対値を複数のフレーム信号に渡って累積的に加算する。

　短フレーム同期処理（ステップＳ２）では、短フレーム同期信号検出回路６２において、ステップ１における累積加算処理の結果に基づいて、ＳＦＳ信号を検出する。短フレームの幅のシンボル毎に各シンボルの振幅の絶対値を複数フレームに渡って累積的に加算し、その加算結果に基づいて、フレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルをＳＦＳ信号と判定する。例えば、ＳＦＳ信号が１シンボルの場合は、累積した結果が最小値となるシンボルをＳＦＳ信号として検出する。

　長フレーム同期処理（ステップＳ３）では、長フレーム同期信号検出回路６３において、ステップＳ２の短フレーム同期処理におけるＳＦＳ信号の検出による短フレームの同期処理結果を利用して受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱから、それぞれＬＦＳ信号を検出する。

　このように、本実施の形態のフレーム同期方法では、短フレーム同期信号を検出して短フレーム同期を確立し、短フレーム同期が確立された受信信号に対して、長フレーム同期信号を検出して長フレーム同期処理を行う。

＜短フレーム同期＞
　図６は、本発明の実施の形態に係る短フレーム同期信号の検出方法を説明するための図である。図５のステップＳ１で説明したように、短フレーム同期信号の検出では、累積加算回路６１に供給された受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱをそれぞれ短フレームの長さに分割し、分割された複数のフレームにおける同じシンボル位置の信号の値の絶対値を複数フレームに渡り加算する。

　図６の例では、短フレームの幅は、１２９シンボルで構成されているので、受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱのそれぞれを、図の最上段に示すように、１２９シンボル毎に分割する。その分割した１２９シンボルの先頭のシンボル（シンボルＡ）から１２９シンボル目まで、各シンボルの振幅の絶対値を複数のフレームに渡ってシンボル毎に累積的に加算し、各シンボルにおける加算結果を、それぞれ振幅加算値１、振幅加算値２、・・・振幅加算値１２９とする。ＳＦＳ信号が１シンボルで構成されているので、振幅加算値１、振幅加算値２、・・・振幅加算値１２９の中から最小値となるシンボルをＳＦＳ信号と判定する。

　ここで、加算するフレーム数は、例えば、３０フレーム程度の加算は可能であるが、それに限定されない。加算するフレーム数は、伝送路の状況等に応じて適宜定めることができる。

　ここで、本実施の形態の短フレーム同期検出において、加算する値は、受信信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱのそれぞれのＩＱ平面における座標値の絶対値である。これらの値は、ＩＱ平面上の座標を示す値であり、「０」や「１」に判定される前の値である。ＩＱ平面は複素平面とも称される。

　一般的に、ＩＱ平面上の座標値を「０」や「１」に判定する場合、複雑な誤り訂正回路を必要とする。しかし、本実施の形態における短フレーム同期検出においては、ＩＱ平面上の座標を示す値を用いるので、そのような複雑な誤り訂正回路は不要である。また、「０」や「１」に判定された値は、「１」に近い「０」なのか、「０」に近い「１」なのか、それらの信頼性を示す情報（尤度情報ともいう）は失われている。この尤度情報が残るＩＱ平面上の座標値を用いることで、誤り率が増えている状態でも信頼性の高い同期信号検出結果を得ることができる。

　図７は、本発明の実施の形態に係る累積加算回路の出力を示す図である。横軸は、分割した際のシンボルの順番を示す。縦軸は、累積加算値であり、図６で説明した振幅加算値１～振幅加算値１２９がプロットされている。図７において、累積加算するフレーム数は、３２フレームとしている。なお、縦軸の累積加算値は、規格化した値である。

　図７において、ＳＦＳ信号は１シンボルで構成されているので、振幅加算値１～振幅加算値１２９のうち最小となるシンボルを検出する。図７に示すように、１２６シンボル目の累積加算値が最小値を示しているので、分割したフレームにおいて１２６番目のシンボルが、ＳＦＳ信号であると推定することができる。

  図６、７の例では、ＳＦＳ信号を１シンボルで構成する場合を説明したが、ＳＦＳ信号を複数のシンボルで構成する場合には、複数のフレームに渡ってシンボルの振幅を累積加算した結果において、大きさ比較によって相対的に低い複数の連続したシンボル群を検出及び特定し、それらのシンボル群をＳＦＳ信号と判定すればよい。例えば、累積加算値が最小値を示すシンボルが複数ある場合には、それらのシンボル群をＳＦＳ信号と判定してもよい。あるいは、最小値近傍の所定の値の範囲に含まれる複数のシンボルをＳＦＳ信号と判定してもよい。ＳＦＳ信号の判定条件についても、伝送路の状況等に応じて適宜定めることができる。

　さらに、上述した３２フレーム分の累積加算及び最小値検出の処理を１回のＳＦＳ信号推定処理とし、これを複数回繰り返す。その結果、Ｎ回（例えば、２回）連続して同じ結果が得られた場合に、正式に同期が確立したと判断し、そのシンボルを最終的なＳＦＳ信号のシンボルとし、これを短フレームの境界と判定する。

　一方、その後も常時上記のＳＦＳ信号推定処理を繰り返し、Ｍ回（例えば、５回）連続して異なる結果が得られた場合に、同期外れと判定する。例えば、１２３シンボル、９６シンボル、５６シンボル、３シンボル、４５シンボルというように、連続して異なるシンボルが推定された場合は、同期外れと判定する。同期外れを検出した後は、例えば、受信信号処理回路からの指示により再度同期確立処理が実行される。

　なお、累積加算値の最小値の検出処理において、６４ＱＡＭの場合、累積加算値は、６４信号点の座標の最大値以上は取りえない。累積加算値がそれ以上の値の場合は、その最大値に留めたり、検出条件に閾値を設定するなどして、誤り率が高い状態においても検出の信頼性をできる限り高める工夫を施すことも可能である。

　図８は、本発明の実施の形態に係る短フレーム同期検出における誤同期確率の測定結果である。横軸は、累積加算するフレーム数で、縦軸は、誤同期確率である。誤同期確率は、ある誤り率の状態の時に、短フレーム同期の処理を複数回行い、そのうち、同期が確立した（例えば、連続してＮ回同じ結果の場合）と最終的に判定した結果が誤っている回数の比率である。例えば、１００回検出処理を行い、同期が検出できない回数１０回、正しく同期が検出できた回数が１０回、誤って同期が検出された回数が８０回の場合、誤同期確率は、０．８となる。一般的に同じ検出条件では、誤り率が高い状態程、誤同期確率は増える。

　測定は、誤り率（ＢＥＲ）＝４．５ｅ－１、誤り率＝４．５ｅ－２、誤り率＝４．５ｅ－３の３つの誤り率に対して行った。誤り率＝４．５ｅ－１とは、１００シンボル中平均的に４５シンボルが誤りである劣悪な状態である。

　図８に示すように、短フレーム同期検出を使用した場合、誤り率＝４．５ｅ－１という誤り率が劣化している状態においても、累積加算するフレーム数を３２以上にすれば、誤同期確率を０．０１以下と低く抑えることができる。本実施の形態の短フレームの同期によれば、誤り率が劣化した状態においても安定に同期が検出できる。これにより、同期処理を再試行する回数を減らすことができ、同期が確立するまでの時間を低減することができる。例えば、同期時間を従来の１/１００程度に低減することが可能となる。

＜長フレーム同期＞
　図９を用いて、ＬＦＳ信号を検出する方法について説明する。本実施の形態では、ＳＦＳ信号の検出により同期が確立された短フレームに基づいて、長フレームの同期確立を行う。図９では、短フレームの同期が確立したのち、短フレームのペイロードに挿入したＬＦＳ信号を検出し、長フレーム同期確立を行う。図９の例では、ＬＦＳ信号が、複数の短フレームからなる長フレームの先頭の短フレームのペイロードに設定されている。

　長フレーム同期では、同期方法としては、ＳＦＳ信号によって区切られた短フレーム毎に、ＬＦＳ信号を設定したペイロード信号と参照用長フレーム同期信号との相関を取ることにより、ＬＦＳ信号を検出する。参照用長フレーム同期信号と相関をとる短フレーム同期後の受信信号としては、ＩＱ平面上の座標値を使用して、ＩＱ平面上の座標値を参照用長フレーム同期信号と比較することができる。

　また、ＩＱ平面上の座標値を用いて、受信信号を一度「０」か「１」のデータへの判定を行い、「０」か「１」のデータとした後で参照用長フレーム同期信号と比較するように構成することもできる。長フレーム同期処理においては、短フレーム確立後に、短フレーム毎に参照用信号との比較を行うので、「０」か「１」のデータを参照用信号と比較する方法の方が相関検出を効率良く行うことができる場合もある。例えば、ＬＦＳ信号が長くなれば、「０」か「１」のデータを比較するほうが、比較する際の演算処理を効率化できる。

　本実施の形態における長フレーム同期では、従来のフレーム同期のように、全てのシンボルにおいて１シンボルずつシフトながら相関を取る必要がなく、短フレーム毎に照合を行えばよいので、フレーム同期確立までの時間を大幅に低減することができる。例えば、短フレームが１２９シンボルの場合、長フレームに関する同期処理回数を従来よりも事実上１/１２９とすることができる。

  尚、図９では、短フレームのペイロードに挿入したＬＦＳ信号を検出し、長フレーム同期確立を行う場合を説明したが、上述したように、ＬＦＳ信号を複数のＳＦＳ信号で構成することも可能である。ＳＦＳ信号が取りうる条件内でＩＱ平面における座標値を遷移させて同期パターンを構成し、それをＬＦＳ信号として用いることで、短フレームを構成する複数のＳＦＳ信号をＬＦＳ信号として用いることも可能である。

　以上述べたように、本実施の形態のフレーム同期システムでは、短フレーム同期において、簡易な同期信号を用いて信頼性を伴うＩＱ平面で同期検出処理を行うように構成したので、誤り率が大きい状況でも誤同期検出を少なくでき、確実かつ安定に短フレーム同期を行うことができる。

　さらに、短フレーム同期と長フレーム同期の２段階に分けて、短フレーム同期を確立した上で、短フレーム毎に長フレーム同期を行うため、従来の直接長フレーム同期を行う方法と比較して、非常に短時間で長フレーム同期を確立することができる。

　また、本実施の形態の短フレーム同期信号は、ペイロード信号よりも平均振幅が低く設定されるので、周期的に低振幅のシンボルが挿入され、平均の振幅値が下がるので、電力削減効果が得られる。ＩＱ平面上の信号点の振幅値の生起確率を正規分布に近づけ雑音耐力を高めることができる確率的整形(Probabilistic shaping)という符号化によっても類似の効果が得られている。

  本発明は、コヒーレント光通信の光通信装置において、フレーム同期の状態を判定するフレーム同期装置として利用することができる。

　１…フレーム同期システム、１０…送信信号処理回路、２０…フレーム信号生成回路、３０…光送信回路、４０…光受信回路、５０…受信信号処理回路、６０…フレーム同期回路、７０…光ファイバ。

Claims (8)

1. 　第１のフレーム同期信号と第１のペイロード信号を含む第１のフレーム信号を複数含むフレーム信号を生成するフレーム信号生成回路であって、
   　前記第１のフレーム同期信号は、少なくとも１つのシンボルから成り、前記第１のペイロード信号よりも平均振幅が低く設定されているフレーム信号生成回路と、
   　前記フレーム信号生成回路で生成された前記フレーム信号を光伝送路を介して受信し、受信信号から前記第１のフレーム同期信号を検出するフレーム同期回路であって、
   　前記受信信号を前記第１のフレーム信号のシンボル長さのフレームに分割し、分割された複数の前記フレームの同じシンボル位置の信号のＩＱ平面上の座標値の絶対値を、複数の前記フレームに渡って加算し、その加算結果に基づいて前記フレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルを前記第１のフレーム同期信号と判定するフレーム同期回路と
   　を備えるフレーム同期システム。
2. 　前記第１のフレーム同期信号は、１シンボルであり、前記加算結果が最小値となる前記フレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルを前記第１のフレーム同期信号と判定する
   　請求項１記載のフレーム同期システム。
3. 　前記フレーム信号生成回路は、２以上の所定の数の前記第1のフレーム信号から成る第2のフレーム信号を形成し、前記第2のフレーム信号を特定するための第2のフレーム同期信号を前記第2のフレーム信号内の前記第1のフレーム信号の所定のシンボルに設定し、
   　前記フレーム同期回路は、前記第１のフレーム同期信号の判定によって得られた前記第１のフレーム信号毎に、前記第２のフレーム同期信号の検出を行う
   　請求項１または２記載のフレーム同期システム。
4. 　前記第２のフレーム同期信号は、前記第１のペイロード信号のシンボルの少なくとも一部に設定されている
   　請求項３記載のフレーム同期システム。
5. 　前記第２のフレーム同期信号は、複数の前記第１のフレーム同期信号のシンボルに設定されている
   　請求項３記載のフレーム同期システム。
6.   前記第１のフレーム同期信号からＩＱ平面上の座標値を遷移させることにより前記第２のフレーム同期信号の同期パターンを構成する
     請求項５記載のフレーム同期システム。
7. 　請求項１から６の何れか１項に記載のフレーム同期システムのフレーム同期回路。
8.   フレーム信号生成回路とフレーム同期回路を備えたフレーム同期システムにおけるフレーム同期方法であって、
     第１のフレーム同期信号と第１のペイロード信号を含む第１のフレーム信号を複数含むフレーム信号を生成するフレーム信号生成ステップであって、
   　前記第１のフレーム同期信号は、少なくとも１つのシンボルから成り、前記第１のペイロード信号よりも平均振幅が低く設定されているフレーム信号生成ステップと、
   　前記フレーム信号生成回路で生成された前記フレーム信号を光伝送路を介して受信し、受信信号から前記第１のフレーム同期信号を検出するフレーム同期ステップであって、
   　前記受信信号を前記第１のフレーム信号のシンボル長さのフレームに分割し、分割された複数の前記フレームの同じシンボル位置の信号のＩＱ平面上の座標値の絶対値を、複数の前記フレームに渡って加算し、その加算結果に基づいて前記フレームにおいて大きさ比較によって特定したシンボルを前記第１のフレーム同期信号と判定するフレーム同期ステップと
     を含むフレーム同期方法。

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