JP5538564B2

JP5538564B2 - マルチモード信号点配置による通信

Info

Publication number: JP5538564B2
Application number: JP2012546176A
Authority: JP
Inventors: ウィンザー，ピーター，ジェイ．
Original assignee: アルカテル−ルーセント
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: MY154576A; KR101383972B1; EP2517382A4; WO2011079162A3; JP2013516111A; KR20120096529A; US8457216B2; EP2517382B1; WO2011079162A2; US8817895B2; EP2517382A2; CN102714548A; US20110150061A1; US20130243426A1; CN102714548B; SG181843A1

Description

本出願は、２００９年１２月２３日に出願された米国仮出願第６１／２８９，８６２号の利益を主張する。

本発明は光通信システムに関する。

本節は、本発明のよりよい理解を容易にするのに役立つ可能性がある態様を紹介する。したがって、本節の陳述は、この点に関して読まれ、従来技術に存在するもの、または、従来技術に存在しないものに関する承認として理解されない。

いくつかの現在の通信システムは、受信機において高感度を達成するためにパルス位置変調（ＰＰＭ）の使用を提案する。ＰＰＭにおいて、信号は、各シンボル期間内でＭ時間スロットの単一時間スロット中に送信される。各シンボル期間において、受信機は、Ｍ時間スロットのそれぞれを調査して、信号が送信された時間スロットを識別する。残念ながら、シンボル間隔ごとの時間スロットの数を増加させることは、ＰＰＭパルスが、時間的に狭くなり、相応してより広い帯域幅を有するようにさせる。そうした理由で、ＰＰＭは、高いスペクトル効率を提供しない可能性がある。

米国仮出願第６１／２８９，８６２号米国特許出願第１２／４９２，３９９号米国特許出願第１２／４９２，３９１号

装置の実施形態は、物理通信チャネルにおいて１つまたは複数の伝搬モードの異なるセットを順次励起することが可能なデジタルデータ送信機を含む。１つまたは複数の伝搬モードの各セットは、物理通信チャネルにおいて送信エネルギーの異なる空間分布を生成する。デジタルデータ送信機は、物理通信チャネルにデータの異なる値を送信するために、１つまたは複数の励起される伝搬モードの選択されるセットを順次変更するように構成される。

装置のいくつかの実施形態では、デジタルデータ送信機は、アンテナのアレイを有する無線送信機であり、送信機は、伝搬モードの異なる伝搬モードを順次励起するためにアンテナに別々に給電することができる。

装置のいくつかの実施形態では、デジタルデータ送信機は、マルチモード光導波路において異なる光伝搬モードを順次励起することが可能な光変調器を有する光送信機である。

装置のいくつかの実施形態では、各セットは選択された伝搬モードであり、そのセットの異なるセットの選択された伝搬モードは実質的に直交する。

装置のいくつかの実施形態では、デジタルデータ送信機は、デジタルデータの異なる値を送信するために、伝搬モードの異なる伝搬モードを励起するように構成される。

いくつかの実施形態では、装置は、デジタルデータ受信機をさらに含み、デジタルデータ受信機は、デジタルデータ送信機によって送信される信号を受信するために接続され、また、対応する時間シンボルスロットにおいてデジタルデータ送信機によって励起される１つまたは複数の伝搬モードのセットを識別するように構成される。デジタルデータ受信機は、アンテナのアレイを有する無線受信機とすることができ、また、受信機は、アンテナの異なるアンテナによって受信される強度を測定し、前記測定された強度を使用して、対応する時間シンボルスロットにおいて励起された１つまたは複数の伝搬モードのセットを識別するように構成される。あるいは、デジタルデータ受信機は、対応する時間シンボルスロットのシーケンスで送信機によって励起された１つまたは複数の伝搬モードのセットを識別することが可能な光受信機とすることができる。

別の実施形態では、装置は、デジタルデータ受信機を含み、デジタルデータ受信機は、あるシーケンスの各時間シンボル期間において受信電磁信号の空間エネルギー分布を測定するように構成される。受信機は、対応する時間シンボル期間にわたって測定された空間エネルギー分布から、送信機によって物理通信チャネルにおいて励起された１つまたは複数の伝搬モードのセットを識別するように構成される。

装置のいくつかの実施形態では、デジタルデータ受信機は、アンテナのアレイを含む。アンテナは空間エネルギー分布を測定するために構成される。

装置のいくつかの実施形態では、デジタルデータ受信機は、光信号の伝搬モードを確定することが可能な光検出器を含む。光検出器は、自由空間から受信される光信号の空間強度を測定するように構成されることができる。他のこうした実施形態では、光検出器は、マルチモード光導波路、たとえば光ファイバから受信される光信号の横方向空間強度を測定するように構成されることができる。

別の実施形態では、デジタルデータのポイントツーポイント送信のための方法が提供される。方法は、デジタルデータ送信機においてデジタルデータのシーケンスを受信することを含む。そのシーケンスの受信された各デジタルデータについて、方法は、デジタルデータ送信機において１つまたは複数の伝搬モードの対応するセットを選択することであって、それにより、そのセットの異なるセットが、デジタルデータの異なる値について選択される、選択することを含む。デジタルデータ送信機によって、方法は、対応する時間シンボル期間中に物理通信チャネルにおいて１つまたは複数の伝搬モードの選択された各セットを連続して励起することを含む。セットはそれぞれ、デジタルデータ受信機の検出器において異なる空間エネルギーパターンを生成する。

方法のいくつかの実施形態では、各セットは、１つまたは複数の光送信モードの異なるセットである。

方法のいくつかの実施形態では、各セットは、残りの１つまたは複数のセットの伝搬モードに直交する伝搬モードを含む。

方法のいくつかの実施形態では、選択することは、固定サイズの信号点配置から信号点を選択することを含み、各セットは、その信号点配置の信号点の１つの信号点である。

別の実施形態では、データのポイントツーポイント受信のための方法が提供される。方法は、データのシーケンスの各時間シンボルスロットにおいて、物理通信チャネルからデジタルデータ受信機において受信される電磁信号の空間エネルギー分布を測定することを含む。方法は、測定された各空間エネルギー分布から、対応する時間シンボルスロットにおいて、受信された空間エネルギー分布を励起した可能性がある１つまたは複数の伝搬モードのセットを選択することを含む。

方法のいくつかの実施形態では、測定する各行為は、自由空間通信チャネルから受信された空間エネルギー強度分布を測定することを含む。

方法のいくつかの実施形態では、測定する各行為は、マルチモード光導波路、たとえば光ファイバから受信された横方向空間エネルギー強度分布を測定することを含む。

ポイントツーポイント無線通信システムの実施形態を示す図である。ポイントツーポイント光通信システムの実施形態を示す図である。受信機、たとえば図１または図２の受信機の空間検出アレイにおける、送信される異なる伝搬モードの波のエネルギー分布を概略的に示す図である。受信機、たとえば図１または図２の受信機の空間検出アレイにおける、送信される異なる伝搬モードの波のエネルギー分布を概略的に示す図である。受信機、たとえば図１または図２の受信機の空間検出アレイにおける、送信される異なる伝搬モードの波のエネルギー分布を概略的に示す図である。たとえば図１および図２の無線または光送信機を使用して、データを送信するポイントツーポイント方法を示すフローチャートである。たとえば図１および図２の無線または光送信機を使用して、データを受信するポイントツーポイント方法を示すフローチャートである。

図および文章において、同様の参照番号は、同様のまたは同じ機能および／または構造を有する要素を示す。

図において、いくつかの特徴の相対的寸法は、その特徴および／または本明細書の他の要素に対するその関係をより明確に示すために誇張されることができる。

本明細書において、種々の実施形態が、図および発明を実施するための形態によってより完全に述べられる。それでも、本発明は、種々の形態で具現化され、図および発明を実施するための形態で述べる実施形態に限定されない。

異なる伝搬モードが、異なるデータストリームを同時に送信するためのキャリアとして提案された。対照的に、本明細書で述べる実施形態では、デジタル変調シンボルは、各時間シンボル間隔内で１つまたは複数の伝搬モードのセットを同時に励起することによって形成される。送信される伝搬モード（複数可）のセットのアイデンティティは、対応する時間シンボル間隔内に送信されるシンボルの値を固定する。

図１は、デジタルデータ用の無線送信機１２、無線通信チャネル１４、およびデジタルデータ用の無線受信機１６を含むポイントツーポイント無線通信システム１０を示す。

無線送信機１２は、無線通信チャネル１４において１つまたは複数の空間伝搬モード（図示せず）の異なるセットを個々に励起することが可能な送信アンテナ２０の空間アレイ１８または別の空間分布構造を制御する。空間アレイ１８は、たとえば規則的な１次元（１Ｄ）または規則的な２次元（２Ｄ）の送信アンテナ２０を含むことができる。空間アレイ１８は、順次に、異なるデータ信号を送信する、または、異なるデータ信号を、１つまたは複数の伝搬モードのセットの異なるセットに変換するように制御可能である。ここで、それぞれのこうしたセットは、エネルギーの異なる空間分布を有する。たとえば、それぞれのこうしたセットは、実質的に直交するまたは直交する伝搬モードの集合の異なるモードとすることができる。すなわち、送信機１２は、たとえば無線周波数または光周波数で、異なる空間パターンのエネルギーによって出て行く電磁ビームを励起するために互いにコヒーレントな方法で送信アンテナ２０が送信するようにさせる。無線送信機１２は、異なる時間シンボルスロット内で異なる空間強度分布を有する１つまたは複数の出て行く伝搬モードのセットのシーケンスを励起できる。

無線通信チャネル１４は、無線送信機１２と無線受信機１４との間に自由空間領域を含む。自由空間領域は、地上の表面６に近いとすることができる、かつ／または、地上の高層大気層（複数可）の一部を含むとすることができ、それらは、無線通信を散乱させうるかまたは反射しうる。自由空間領域は、無線送信機１２によって励起される電磁伝搬モードのエネルギー分布を変更する散乱体および／または反射体８に近いとすることができる。自由空間領域はまた、大気の外側の、すなわち宇宙の部分を含むことができる。

無線受信機１６は、無線受信機１６によって励起される１つまたは複数の空間伝搬モードの異なるセットを識別し区別するために使用するために構成される受信アンテナ２４の空間アレイ２２または別の空間分布構造を有する。空間アレイ２２はまた、たとえば規則的な１Ｄまたは規則的な２Ｄの受信アンテナ２４とすることができる。空間アレイ２２は、無線送信機１２によって励起される無線伝搬電磁信号を検出し、前記検出される信号の受信される空間強度パターン上に空間データを蓄積するように構成される。無線受信機１６は、異なる時間シンボルスロットにおいて無線送信機１２によって励起された１つまたは複数の空間伝搬モードの個々のセットを識別するために前記データを使用することができる。すなわち、受信機１６は、個々の受信機アンテナ２４において受信される電磁波強度の空間分布についてのデータを使用して、対応するシンボルスロット内で無線送信機１２によって励起された１つまたは複数の伝搬モードの特定のセットを識別する。

図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、無線受信機１６の受信機アンテナ２４の１つの空間アレイ２０において、それぞれの３つの異なる伝搬モードＡ、Ｂ、およびＣが作る可能性がある高強度領域、すなわちクロスハッチ領域について考えられる空間パターンを概略的に示す。図３Ａ〜３Ｃに基づいて、無線受信機１６は、各受信機アンテナ２４がシンボルスロット内で高い信号強度を検出する場合、無線送信機１２によって励起された電磁伝搬モードを伝搬モードＡであるとして識別することができる。同様に、無線受信機１６は、左上および右下の受信機アンテナ２４がシンボルスロット内で高い信号強度を検出し、他の受信機アンテナ２４が同じシンボルスロット内で高い信号強度を検出しない場合、励起された電磁伝搬モードを伝搬モードＢであるとして識別することができる。最後に、無線受信機１６は、右上および左下の受信機アンテナ２４がシンボルスロット内で高い信号強度を検出し、他の受信機アンテナ２４が同じシンボルスロット内で高い信号強度を検出しない場合、励起された電磁伝搬モードを伝搬モードＣであるとして識別することができる。

もちろん、他の実施形態は、異なる強度分布および無線受信機１６の空間アレイ２２についての異なる形態を有する電磁伝搬モードまたはそのセットを使用することができる。種々の実施形態では、強度および／または偏光の空間分布は、データを送信する無線送信機１２によって励起される１つまたは複数の伝搬モードの異なるセット間で実質的に異なる。

図２は、デジタルデータ用の光送信機３２、マルチモード光送信導波路３４、たとえばマルチモード光送信ファイバ、およびデジタルデータ用の光受信機３６を含むポイントツーポイント光通信システム３０を示す。光送信機３２は、マルチモード光送信導波路３４において１つまたは複数の光伝搬モードの異なるセットを順次、すなわち対応する時間シンボルスロットのシーケンスで励起することができる光変調器３８を含む。すなわち、光送信機３２は、マルチモード光送信ファイバ３４において異なる横方向空間強度プロファイルを有する光伝搬モード、たとえば実質的に直交する伝搬モードを励起することができる光変調器を含む。光受信機３６は、１つまたは複数の光伝搬モードの受信される各セットについて、強度、位相、および／または偏光分布の空間測定を行うように構成される光検出器４０を含む。光検出器４０のそれぞれのこうした空間測定から、光受信機３６は、対応する時間シンボルスロットにおいて光送信機３２によってデジタルデータを送信するためにおそらく励起された、特定の空間伝搬モードまたはそのセットを区別し識別することができる。

マルチモード光送信ファイバにおいて、異なる横方向空間強度プロファイルおよび／または偏光を有する、光伝搬モードまたはそのセットを励起し識別することができる例示的な光変調器および光検出器は、Ｒｅｎｅ−ＪｅａｎＥｓｓｉａｍｂｒｅおよびＰｅｔｅｒＪ．Ｗｉｎｚｅｒによって２００９年６月２６日に出願された米国特許出願第１２／４９２，３９９号、および、Ｒｅｎｅ−ＪｅａｎＥｓｓｉａｍｂｒｅ、ＲｏｌａｎｄＲｙｆ、およびＰｅｔｅｒＪ．Ｗｉｎｚｅｒによって２００９年６月２６日に出願された米国特許出願第１２／４９２，３９１号の一方または両方に記載されている可能性がある。これら２つの米国特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組込まれる。

図１および図２の無線および光通信システム１０、３０は、物理通信チャネルを介してデジタルデータストリームを通信するために、１つまたは複数の伝搬モードのセットを時間多重化する。たとえば、これらの通信システム１０、３０は、各時間シンボルスロットにおいて実質的に単一の伝搬モードでエネルギーを送信し、連続する時間シンボルスロットにおいて伝搬モードを変更して、物理通信チャネルを介して変化するデータシンボルのストリームを送信することができる。

図４は、たとえば図１および図２の無線または光送信機１２、３２を使用して、データを送信するポイントツーポイント方法５０を示すフローチャートである。

方法５０は、デジタル送信機においてデジタルデータのシーケンスを受信すること（ステップ５２）を含む。

シーケンスの各デジタルデータを受信することに応答して、方法５０は、デジタルデータ送信機においてそのデジタルデータについて１つまたは複数の伝搬モードの対応するセットを選択すること（ステップ５４）を含む。１つまたは複数の伝搬モードのセットのうちの異なるセットは、受信されたデジタルデータの異なる値について選択される。すなわち、シーケンスのデジタル情報は、送信機によってセットの対応するシーケンスに変換され、各セットは、内部に１つまたは複数の伝搬モードを有する。

１つまたは複数の伝搬モードのセットはそれぞれ、励起されると、物理通信チャネルを介してデジタルデータ送信機からデジタルデータ受信機にエネルギーを伝搬することになる。１つまたは複数の伝搬モードの異なるセットは、たとえばデジタルデータ受信機において異なる空間エネルギー分布を配する。たとえば、各セットは、他のセット（複数可）の伝搬モード（複数可）に直交するかまたは実質的に直交する単一伝搬モードだけを含むことができる。通常、デジタルデータ送信機において１つまたは複数の伝搬モードのセットの１つのセットを励起することは、せいぜい、デジタルデータ受信機が、そこでの受信空間エネルギー分布の測定から１つまたは複数の伝搬モードの特定の励起されたセットを識別することができるために、十分小さい強度である１つまたは複数の伝搬モードの他のセット（複数可）の励起をもたらすことになる。

１つまたは複数の伝搬モードの特定のセットの選択は、固定サイズの信号点配置(signal constellation)から点を選択することを含む。特に、信号点配置の各点は、物理通信チャネルを介してデジタルデータ送信機からデジタルデータ受信機にエネルギーを伝達できる１つまたは複数の伝搬モードのセットの異なるセットである。たとえば、各点は、デジタルデータの各値が、対応する伝搬モードのアイデンティティによって符号化されるように異なる直交伝搬モードであるとすることができる。そのため、一実施形態では、選択するステップ５４によってＮビットのデータを符号化するために、データ送信機は、２^Ｎ以上の異なる伝搬モード、たとえば異なる空間エネルギー分布を有する２^Ｎの直交伝搬モードの信号点配置を使用する。別の実施形態では、送信機は、１情報シンボル当たりＫ伝搬モードを使用し、それにより、１情報シンボル当たり

ビットを符号化する。

方法５０は、デジタルデータ送信機によって、物理通信チャネルにおいて１つまたは複数の伝搬モードの選択された各セットを順次励起すること（ステップ５６）を含む。１つまたは複数の伝搬モードのセットの連続して選択された各セットは、デジタルデータが送信される間、対応する時間シンボルスロットにおいて励起される。そのため、選択されるセットは、デジタルデータ受信機に向けられる１つまたは複数の伝搬モードのセットの時間ストリームを生成するために連続して励起される。

図５は、たとえば図１および図２の無線または光受信機１６、３６を使用して、データを受信するポイントツーポイント方法６０を示すフローチャートである。

データのシーケンスの各時間シンボルスロットにおいて、方法６０は、物理通信チャネルからデジタルデータ受信機において受信される、受信電磁信号、たとえば無線信号または光信号の空間エネルギー分布を測定すること（ステップ６２）を含む。

空間エネルギー分布の測定のそれぞれから、方法６０は、対応する時間シンボルスロットにおける測定済み空間エネルギー分布を生成するために、デジタルデータ送信機によって物理通信チャネルにおいて励起した可能性がある１つまたは複数の伝搬モードのセットを選択すること（ステップ６４）を含む。特に、各選択は、固定した信号点配置の信号点を選ぶことを含み、信号点配置の信号点はそれぞれ、セットのうちの異なるセットに対応する。

方法６０はまた、ステップ６２で選択されたセットの時間シーケンスに対応するデジタルデータのストリームを識別すること（ステップ６６）を含む。すなわち、１つまたは複数の伝搬モードの異なるセットは、デジタルデータの異なる送信値に対応する。デジタルデータ送信機によって通信された可能性があるデジタルデータのストリームの送信済みデジタル情報は、選択されたセットの時間シーケンスに含まれる。

既に述べたように、すなわち方法５０の場合に述べたように、方法６０において、１つまたは複数の伝搬モードの各セットは、そのセットのモード（複数可）が（同時に）励起されると、物理通信チャネルを介してデジタルデータ送信機からデジタルデータ受信機へエネルギーを伝搬する。１つまたは複数の伝搬モードの異なるセットは、たとえばデジタルデータ受信機において異なる空間エネルギー分布を生成する。たとえば、各セットは、他のセット（複数可）の伝搬モード（複数可）に直交するかまたは実質的に直交する単一伝搬モードを含むことができる。１つまたは複数の伝搬モードのセットの１つのセットは、せいぜい、デジタルデータ受信機が、空間エネルギー分布の測定によって他のセットから特に励起されたセットを区別し識別することが依然としてできるために、十分小さい強度である他のセット（複数可）の励起（複数可）をもたらす。

開示、図面、および特許請求の範囲から、本発明の他の実施形態が当業者に明らかになる。

Claims

装置であって、
物理通信チャネルにおいて１つ又は複数の伝搬モードの複数のセットのシーケンスを励起することが可能なデジタルデータ送信機を含み、該シーケンスは、該物理通信チャネルにおいて送信されるエネルギーの異なる複数の空間分布を有する１つ又は複数の伝播モードの該複数のセットの異なるセットを含み、
該デジタルデータ送信機は、１つ又は複数の伝播モードの励起されたセットを変更して、該物理通信チャネルにデータの異なる値を送信し、１つ又は複数の伝播モードの該励起されたセットのアイデンティティが、対応する時間シンボル期間内で送信されている該データの異なる値を固定するようにする装置。
請求項１に記載の装置において、
該デジタルデータ送信機は、アンテナのアレイを有する無線送信機であり、該伝搬モードの異なる伝搬モードを順次励起するために該アンテナに別々に給電することができるか、又は、
該デジタルデータ送信機は、マルチモード光導波路において異なる光伝搬モードを順次励起することが可能な光変調器を有する光送信機である装置。
請求項１又は２に記載の装置において、
各セットは選択された伝搬モードであり、該セットの異なるセットの該選択された伝搬モードは実質的に直交する装置。
請求項１又は２に記載の装置において、
該デジタルデータ送信機は、デジタルデータの異なる値を送信するために、該伝搬モードの異なる伝搬モードを励起するように構成される装置。
装置であって、
デジタルデータ受信機を備え、該デジタルデータ受信機は、あるシーケンスの各時間シンボル期間において１つ又は複数の受信した電磁信号の空間エネルギー分布を測定するように構成され、また、該対応する時間シンボル期間にわたって測定された該空間エネルギー分布から、送信機によって物理通信チャネルにおいて励起された１つ又は複数の伝搬モードのセットを識別するように構成され、
該デジタルデータ受信機は、識別されたセットの該シーケンスに対応する送信されたデジタルデータのストリームを識別するように構成され、該識別されたセットの異なるセットは、該送信されたデジタルデータの異なる値に対応する装置。
請求項５に記載の装置において、
該デジタルデータ受信機は、該空間エネルギー分布を測定するためのアンテナのアレイを含むか、又は、光信号の伝搬モードを識別することが可能な光検出器を含む装置。
デジタルデータのポイントツーポイント送信のための方法であって、
デジタルデータ送信機においてデジタルデータのシーケンスを受信するステップと、
該シーケンスの受信された各デジタルデータについて、該デジタルデータ送信機において１つ又は複数の伝搬モードの対応するセットを選択するステップであって、それにより、該セットの異なるセットが、該デジタルデータの異なる値について選択される、選択するステップとを含み、
該デジタルデータ送信機は、対応する時間シンボル期間中に該物理通信チャネルにおいて１つ又は複数の伝搬モードの選択された各セットを連続して励起し、
各セットは、デジタルデータ受信機の検出器において異なる空間エネルギーパターンを生成するように構成される方法。
請求項７に記載の方法において、
各セットは、１つ又は複数の光送信モードの異なるセットである方法。
データのポイントツーポイント受信のための方法であって、
該データのシーケンスの各時間シンボルスロットにおいて、物理通信チャネルからデジタルデータ受信機において受信される電磁信号の空間エネルギー分布を測定するステップと、
測定された各空間エネルギー分布から、該対応する時間シンボルスロットにおいて該受信された空間エネルギー分布を励起した可能性がある１つ又は複数の伝搬モードのセットを選択するステップと、
該選択されたセットのシーケンスに対応する送信されたデジタルデータのストリームを識別するステップとを含み、該選択されたセットの異なるセットが、該送信されたデジタルデータの異なる値に対応する方法。
請求項９に記載の方法において、
測定する各行為は、自由空間通信チャネルから受信された空間エネルギー強度を測定するステップを含むか又はマルチモード光導波路から受信された横方向空間エネルギー強度を測定するステップを含む方法。
請求項３に記載の装置において、
該デジタルデータ送信機は、デジタルデータの異なる値を送信するために異なる１つ又は複数の伝搬モードを励起する装置。