JP2021057785A - Receiving device and program - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a receiver and program of a communication system that uses stochastic shaping techniques.
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。 In recent years, long-distance optical communication systems have shifted from the direct detection method to the coherent detection method in order to expand the transmission capacity. In the coherent detection method, multi-value (M-value) quadrature amplitude modulation (M-QAM) is used. In M-QAM, the coordinates (constitutations) of M reference symbols are defined on the complex plane. Each reference symbol is associated with a predetermined number of bit strings determined according to the value of M. The transmission device divides the transmission bit string into a predetermined number of bit strings, and sequentially transmits signals of the corresponding reference symbols according to the transmission order of the predetermined number of bit strings. Note that transmitting the signal of the reference symbol means transmitting a signal having an amplitude and a phase corresponding to the coordinates of the reference symbol. The period for transmitting one reference symbol is called the symbol period, and the switching speed of the reference symbol is called the symbol speed or the modulation speed.
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:Probabilistic Shaping)技術を用いた光通信システムを開示している。
In an optical communication system, a receiving device receives a modulated signal which is a reference symbol string transmitted by the transmitting device. However, when the symbol received by the receiving device (hereinafter referred to as the receiving symbol) is indicated on the complex plane due to the non-linear characteristics and noise of the optical communication system, the receiving symbol has coordinates different from the coordinates of the reference symbol. In the case of a modulated signal using M-QAM, the influence of this non-linear characteristic differs for each reference symbol. This means that the error probability differs depending on the reference symbol. For this reason, Non-Patent
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。 The PS technique is a technique for converting a transmission bit string according to a predetermined rule in a transmission device so that a reference symbol having a smaller absolute amplitude in the I-axis and Q-axis directions has a higher appearance probability. As a result, the larger the average power of the reference symbol, the smaller the probability of appearance, so that the probability of occurrence of an overall error can be made smaller than that of normal M-QAM.
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。
Further, Non-Patent
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。
However,
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。 The present invention discloses a technique in which a receiving device dynamically sets a threshold value used to determine which reference symbol the received symbol corresponds to.
本発明の一態様によると、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と、受信した前記複数のシンボルの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、前記直交振幅変調で定義される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。 According to one aspect of the present invention, the receiving device of the communication system using the orthogonal amplitude modulation is a noise determining means for determining the dispersion of noise based on the noise of each of the received plurality of symbols, and the complex of the received plurality of symbols. A histogram determining means for determining the histogram, which is a histogram of the amplitude in the first direction on a plane and the first direction is the real axis direction or the imaginary axis direction, the histogram determined by the histogram determining means, and the noise. A distribution determination means for determining a plurality of distributions of amplitudes in the first direction in the receiving device and a plurality of reference symbols defined by the orthogonal amplitude modulation based on the variance determined by the determination means. It is characterized by comprising a histogram determining means for determining one or more histograms for determining which of the plurality of reference symbols the received symbol corresponds to based on the intersection of the distributions.
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。 According to the present invention, the receiving device can dynamically set a threshold value used to determine which reference symbol the received symbol corresponds to.
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。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments do not limit the invention according to the claims, and not all combinations of features described in the embodiments are essential to the invention. Two or more features of the plurality of features described in the embodiments may be arbitrarily combined. Further, the same or similar configuration will be given the same reference number, and duplicate description will be omitted. Further, in each of the following figures, components that are not necessary for the description of the embodiment will be omitted from the drawings.
<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。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a configuration diagram of a receiving device of a communication system according to the present embodiment. The communication system of the present embodiment uses PS technology. That is, the transmitting device converts the transmission bit string based on a predetermined conversion rule to make the appearance probabilities of each reference symbol of M-QAM different. In the following description, the modulation method used by the communication system is 16QAM.
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。
The receiving
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、N2=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。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a threshold value set determined by the threshold value determination unit 4. The black circles in FIG. 2 indicate 16 reference symbols defined in 16QAM. In the case of 16QAM, since the amplitude of the symbol is in four stages in each of the real axis (I axis) direction and the imaginary axis (Q axis) direction, three threshold values are obtained for each axial direction. In FIG. 2, the
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。
The noise generated in the coherent optical communication system is dominated by the amplified spontaneous emission light (ASE) in the optical amplifier, and there is no difference in the ASE in the I-axis direction and the Q-axis direction. Therefore, in the present embodiment, the
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。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the relationship between the determination of the threshold value set by the threshold value determination unit 4 and the threshold value set used by the
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。
FIG. 4 is a configuration diagram of the threshold value determination unit 4. Each received symbol of the received symbol string #k is input to the
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。
The
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。
FIG. 5 shows a histogram shown by the histogram data generated by the
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、N2=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。
The
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。
FIG. 6 shows four Gaussian distributions obtained by the
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。
For example, the threshold value 73 is used to determine whether it is a reference symbol having an amplitude of 3 or a reference symbol having an amplitude of 1. Here, even if the reference symbol has an amplitude of 3, if the amplitude of the receiving symbol is smaller than the threshold value 73, the receiving device erroneously determines that the reference symbol has an amplitude of 1. That is, the area of the rightmost distribution in FIG. 6 having a threshold of 73 or less indicates the probability of erroneously determining the reference symbol of
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。 As described above, the amplitude distribution in the I-axis or Q-axis direction of the actual received symbol is used to determine the threshold value used to determine which reference symbol of M-QAM the received symbol corresponds to. The amplitude distribution is determined in consideration of the noise dispersion of the actual received symbol. With this configuration, in a communication system using PS technology, the threshold value can be dynamically controlled based on the measured value.
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。 In the present embodiment, the distance between the received symbol and the reference symbol of M-QAM closest to the received symbol is used as noise. However, the reference symbol transmitted by the transmitting device is not always the reference symbol closest to the received symbol, and if the transmitted reference symbol is not the reference symbol closest to the received symbol, the noise is evaluated to be small. .. However, in an actual communication system, the probability that the transmitted reference symbol is not the reference symbol closest to the received symbol is sufficiently small, and therefore does not significantly affect the required noise variance V.
<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。
<Other Embodiments>
In the above embodiment, the
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。
Further, in the above embodiment, the
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。
Further, in the above embodiment, the
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。
Further, in the above embodiment, as shown in FIG. 3, the threshold value determination unit 4 continuously obtains the threshold value set for each received symbol string, but the threshold value set may be intermittently obtained. In this case, the
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。 The processing in the threshold value determination unit 4 according to the present invention can be performed by executing an appropriate program on one or more processors. That is, the present invention can be realized by a computer program that operates the device as the above-mentioned receiving device when executed by the one or more processors of the device having one or more processors. These computer programs are stored in a computer-readable storage medium or can be distributed over a network.
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 1: Light source, 2: Receiver unit, 3: Demodulation unit, 4: Threshold determination unit, 41: Noise determination unit, 42: Histogram determination unit, 43: Distribution determination unit, 44: Intersection determination unit
Claims (8)
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と、
受信した前記複数のシンボルの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、前記直交振幅変調で定義される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。 A receiver for a communication system that uses quadrature amplitude modulation.
A noise determination means for determining the dispersion of noise based on the noise of each of a plurality of received symbols,
A histogram determining means for determining the histogram, which is a histogram of the amplitude of the received plurality of symbols in the complex plane in the first direction, wherein the first direction is the real axis direction or the imaginary axis direction.
A plurality of amplitudes in the first direction in the receiving device for each of the plurality of reference symbols defined by the quadrature amplitude modulation based on the histogram determined by the histogram determining means and the variance determined by the noise determining means. Distribution determination means for determining distribution and
A threshold value determination means for determining one or more threshold values for determining which of the plurality of reference symbols the received symbol corresponds to based on the intersection of the plurality of distributions.
A receiver characterized by being equipped with.
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