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基于多源域迁移学习的光纤非线性损伤补偿

光通信研究 2023年

作者：陈志轩蔡炬张洪波张敏万峰杜杰刘娇张倩武上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室成都信息工程大学通信工程学院

【目的】近年来基于神经网络(NN)的均衡器在光纤非线性损伤补偿中被广泛使用，但是在实际应用中，需要消耗大量资源对NN进行再训练以适应新环境下的光通信系统。迁移学习通过将初始系统(源域)训练的NN模型中的一部分参数应用于新环境(... 详细信息

【目的】近年来基于神经网络(NN)的均衡器在光纤非线性损伤补偿中被广泛使用，但是在实际应用中，需要消耗大量资源对NN进行再训练以适应新环境下的光通信系统。迁移学习通过将初始系统(源域)训练的NN模型中的一部分参数应用于新环境(目标域)下的NN模型，仅需使用少量的训练数据即可实现目标域模型的快速重构，但是该方法需要在所有源域中找到最佳源域进行迁移以获得良好的性能，并且当目标域发生变化后需要重新寻找最佳源域，这会消耗大量的训练资源。【方法】为了解决这一问题，文章提出了一种基于多源域迁移学习的方法，该方法将卷积神经网络(CNN)和双向长短期记忆网络(BiLSTM)作为均衡器，通过特定源域训练和多源域训练两个过程交替更新网络参数，然后针对新环境下的光通信系统进行微调，只需使用少量的初始训练数据即可适应传输系统的变化，并且无需寻找最佳源域，即可实现良好的性能。【结果】为了验证其有效性，在5通道50-GBaud波分复用(WDM)双偏振16阶正交幅度调制(DP-16QAM)的光传输系统中进行了仿真验证。综合数值仿真结果表明，仅需使用35%的目标域数据进行多源域迁移学习，即可具有比再训练方法更好的性能。同时，与再训练和单源域迁移学习相比，多源域迁移学习的Q值分别提高了0.82和0.18dB。【结论】因此，多源域迁移学习方案更适合于实际的光通信系统。

关键词：光通信系统非线性损伤补偿卷积神经网络双向长短期记忆网络迁移学习

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相干光通信系统中非线性损伤补偿研究

相干光通信系统中非线性损伤补偿研究

作者：陈茜北京邮电大学

学位级别：硕士

随着当代社会网络的不断发展,物联网、虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)、云计算等先进技术的不断兴起,人们开始对通信的传输速率、传输容量等方面有了越来越高的需求,这也促使了各类光纤通信相关技术的出现与发展。目前,光纤通信正在... 详细信息

随着当代社会网络的不断发展,物联网、虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)、云计算等先进技术的不断兴起,人们开始对通信的传输速率、传输容量等方面有了越来越高的需求,这也促使了各类光纤通信相关技术的出现与发展。目前,光纤通信正在往大传输容量、高速率、更低时延的方向发展。由于相干光通信领域研究的不断深入,数字信号处理(Digital Signal Process,DSP)的硬件运算速度不断提高,在发送端采用多种调制编码格式、在接收端采用相干检测技术和DSP相结合的相干光通信系统已经发展为高速大容量光通信领域的关键技术之一。在高速大容量相干通信系统中,光纤信道内的非线性效应严重影响了信号的传输性能,被认为是目前限制光纤传输的主要原因之一。为了提升相干光通信系统的传输性能,研究如何补偿信道内的非线性损伤成为了国内外研究热点。本论文研究了数字信号处理模块中的非线性损伤补偿技术。在此基础上,重点研究了基于数字信号处理的非线性损伤补偿方案、基于数字信号预处理的非线性损伤补偿方案以及基于傅里叶变换的非线性损伤补偿方案,本论文的主要工作内容和创新点如下:(1)提出了一种基于带动量的自适应梯度下降算法的数字反向传播方案,该方案在梯度下降算法中引入自适应步长、动量参量,在不降低搜索精度的前提下提高搜索算法的迭代速度。针对单载波64QAM相干光通信系统,仿真验证该方案的可行性,研究结果表明,该方案与传统的梯度下降算法相比,在收敛速度方面获得明显的收益,整个DSP的运算量降低。(2)提出了一种基于发送端自适应数字反向传播算法的非线性补偿方案,该方案在数字信号预处理模块中引入自适应非线性预补偿模块,该方案在优化通信系统性能的同时提高了算法的灵活性。针对单载波16QAM相干光通信系统,仿真验证该方案的可行性,并对该方案进行性能仿真研究。研究结果表明,该方案可以有效地对非线性损伤进行抑制,与色散预补偿算法相比,提高了通信系统的传输性能。(3)提出了一种基于自适应对数步长的非线性补偿方案,该方案采用带动量的自适应梯度下降算法对最佳补偿因子进行搜索获取,在优化通信系统性能的同时提高了算法的灵活性。针对QPSK相干光通信系统,仿真验证该方案的可行性,并对该方案进行性能仿真研究。研究结果表明,该方案可以有效地对非线性损伤进行抑制,且与传统的DBP算法进行仿真比较,其非线性损伤补偿效果更好,系统信号传输性能更优。

关键词：相干光通信系统非线性损伤补偿数字反向传播梯度下降算法数字信号处理

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光正交频分复用系统中损伤补偿关键方法研究

光正交频分复用系统中损伤补偿关键方法研究

作者：史云北京邮电大学

学位级别：硕士

随着现代社会互联网的高速发展,大量新兴业务的涌入使得人们对大容量、高速率、大带宽、高可靠的网络需求越来越大,促进了通信领域各类技术的发明与传播,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通信系统凭借其... 详细信息

随着现代社会互联网的高速发展,大量新兴业务的涌入使得人们对大容量、高速率、大带宽、高可靠的网络需求越来越大,促进了通信领域各类技术的发明与传播,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通信系统凭借其优秀的抗噪声干扰能力、极高频谱利用率以及低成本的接收端离线数字信号处理(Digital Signal Process,DSP)能力得到了广泛的研究,成为了解决该问题的一剂良药。也加速了光正交频分复用(Optical OFDM,O-OFDM)在光纤通信领域的发展,O-OFDM备受瞩目的原因在于可以在接收端充分利用现代先进的DSP技术,使用低成本解决方案提升传输系统的性能,因此,O-OFDM系统中DSP技术是当前光纤通信领域国内外的一大研究热点。本论文聚焦于O-OFDM系统中利用DSP技术补偿系统损伤的研究,研究了激光器相位噪声、光纤非线性噪声以及信道线性噪声的相关原理,提出了基于盲相位估计的相位噪声补偿方案、基于中心聚类的非线性噪声补偿方案和基于恒模盲均衡的线性噪声补偿方案。本论文主要的研究内容和创新点如下:(1)基于盲相位估计的相位噪声补偿方案为了解决OFDM传输中单个符号的持续时间较长使其对激光器相位噪声极为敏感,增加对激光器所带来的相位噪声的容忍度,提升通信系统的传输性能。提出了一种基于星座图切割的盲相位估计的相位噪声补偿方案。该方案利用星座图在被切割之后根据不同半径分别计算与理想星座点的距离的平方,通过减少其判断次数的方式降低计算的复杂度。仿真研究了该方案在16QAM-OFDM系统中的性能。研究结果表明,在保证性能与BPS算法基本一致的基础上进一步降低了 BPS算法复杂度。(2)基于中心聚类的非线性噪声补偿方案为了解决高速率、长距离传输的OFDM通信系统中光波传输过程中折射率变化所带来多种不良非线性效应,增强OFDM系统对非线性的抵抗力,提升通信系统的传输性能。提出了一种基于无监督聚类算法的非线性补偿方案,使用簇中最中心位置作为质心的中心聚类算法,该算法放弃选取样本的平均值作为质心,转而采用样本点数据之一的簇中位置最中心的对象作为质心,削弱了极端数据分布带来的干扰。仿真研究了该方案在16QAM-OFDM系统中的性能。研究结果表明,相较于常用的K-Means算法,在迭代次数较小时,可以明显看出基于中心聚类的补偿算法性能始终优于传统的K-means算法。在迭代次数升高后,两种算法性能相当,可以看出本方案在性能收敛速度方面明显的收益。(3)基于恒模盲均衡的线性噪声补偿方案为了解决OFDM通信系统传输过程中光纤信道所带来的色散损伤和光纤损耗等线性损伤,增加对信道线性损伤的容忍度,提升通信系统的传输性能。提出了一种基于带动量自适应修正恒模算法的信道线性损伤补偿方案,该方案优化了传统恒模算法迭代收敛慢的问题,在性能上没有额外的损失的前提下提高了收敛速率。仿真研究了该方案在16QAM-OFDM系统中的性能。研究结果表明,与恒模均衡算法相比,在性能和收敛速度方面均获得明显的收益,与MCMA算法相比,在收敛速率上也具有一定的优越性。

关键词： OFDM 相位噪声补偿非线性损伤补偿信道均衡盲均衡算法数字信号处理

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用于数字相干光接收机的信号损伤补偿技术

用于数字相干光接收机的信号损伤补偿技术

作者：徐梦然华中科技大学

学位级别：硕士

随着移动互联、高清视频及大数据业务的发展,人们对通信系统容量、传输速率和灵活性的要求不断提高,这推动了光纤通信系统朝着超高速、超大容量、超长距离和动态可重构方向发展。相干光通信技术适合各种高级调制格式,光谱效率高,且具有... 详细信息

随着移动互联、高清视频及大数据业务的发展,人们对通信系统容量、传输速率和灵活性的要求不断提高,这推动了光纤通信系统朝着超高速、超大容量、超长距离和动态可重构方向发展。相干光通信技术适合各种高级调制格式,光谱效率高,且具有接收机灵敏度高、波长选择性好等优点。此外,通过相干检测技术可以还原光载波的强度、相位及偏振方向等信息,再结合数字信号处理技术对各种来自光纤信道和光发射/接收模块中非理想因素造成的信号损伤进行补偿,能够大幅提高光纤通信系统的性能,因此相干光通信技术被认为是构建下一代光通信网络的关键技术之一。本论文提出了一套基于数字相干接收机的信号损伤补偿技术,并基于VPI TransmissionMaker 9.1和Matlab搭建的相干光通信系统仿真测试平台验证了算法的有效性。论文首先系统地分析和总结了目前基于数字相干接收机的信号损伤补偿技术的国内外研究概况;然后,通过建立的器件的理论模型研究和分析了光纤的非线性效应、色度色散和激光器相位噪声对信号的影响;接着,本论文研究了基于Viterbi-Viterbi算法的载波相位恢复技术,并在此基础上采用自相关零差搜索和星座图云团圆度优化算法实现了窗口长度的自适应优化,提升了对相位噪声的跟踪速率和补偿精度;之后,本论文提出了一种基于导频的信号损伤补偿技术,通过充分利用导频的幅度、相位和频谱信息能够同时补偿信号色散(Chromatic dispersion,CD)、本振频偏(Laser frequency offset,LFO)、激光器相位噪声(Laser phase noise,LPN)和交叉相位调制(Cross-phase modulation,XPM)效应。最后,本论文研究了一种基于共轭导频的带内非线性效应(Self-phase modulation,SPM)补偿算法,有效地提高了最佳发射功率,并能够减少导频插入造成的频谱效率的损失。

关键词：相干光通信数字相干接收机导频载波相位恢复色散补偿非线性损伤补偿

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CO-OFDM系统中的非线性补偿方法研究

CO-OFDM系统中的非线性补偿方法研究

作者：王蕾北京邮电大学

学位级别：硕士

随着云计算、物联网、大数据时代的到来,人们对数据流量井喷式增长的需求,无疑对作为信息通信网络基础的传输系统的传输性能提出了更高的要求。大容量、超高速率、超长距离的传输系统成为下一代宽带信息网络发展的主流。正交频分复用技... 详细信息

随着云计算、物联网、大数据时代的到来,人们对数据流量井喷式增长的需求,无疑对作为信息通信网络基础的传输系统的传输性能提出了更高的要求。大容量、超高速率、超长距离的传输系统成为下一代宽带信息网络发展的主流。正交频分复用技术由于其较高的频谱效率、抗信道损伤的鲁棒性等特点而被广泛的应用于光通信领域,加之相干检测与数字信号处理(DSP)技术,相干检测光正交频分复用(CO-OFDM)因其能有效地抵抗信道中的线性损伤而备受推崇。偏振复用(PDM)是一种能够在保持信号带宽不变并且不大幅增加系统复杂度的情况下,平稳的将系统容量提升一倍的复用技术。因此PDM CO-OFDM被视为100G及其更高速率的光纤传输系统的有力候选方案。而OFDM系统中的非线性效应损伤成为制约其发展的重要因素,亟待解决。本文以CO-OFDM系统中的非线性损伤补偿方法为研究对象,在了解了相关技术背景和理论支持后,基于112Gb/s PDM CO-OFDM系统进行了一系列仿真研究,具体的研究内容以及取得的相关成果如下所述：(1)首先研究了OFDM技术的相关原理,并介绍了光CO-OFDM系统的组成及其实现方法,学习并了解了PDM技术,利用VPI和MATLAB软件搭建112Gb/s PDM CO-OFDM系统基本仿真平台。(2)围绕CO-OFDM系统的光纤非线性损伤及其补偿方式展开研究。首先系统学习了CO-OFDM系统中光纤非线性效应的理论原理,然后调研了非线性补偿的方式,并确定了中间链路光相位共轭(OPC)进行光域非线性损伤补偿作为研究主题。(3)基于112-Gb/s PDM CO-OFDM系统,进行Eb/No算法估算误码率(BER)的研究。建立起Eb/No的理论模型,并针对光信噪比(OSNR),发射功率,链路中的色散以及非线性损伤等因素进行了一系列仿真。对比了采用蒙特卡洛(Monte Carlo)和EB/No两种算法估算BER的结果。有效地证明了Eb/No算法的估算效率。(4)理论分析了中间链路OPC补偿链路非线性损伤的工作原理及其实现机制;然后主要针对112Gb/s PDM CO-OFDM系统中采用中间链路OPC补偿非线性的方法进行仿真研究。同时对比了中间链路OPC在单载波偏振复用QPSK(SC-PDM QPSK)系统中的补偿效率。充分说明CO-OFDM系统更加适合采用中间链路OPC对非线性损伤进行补偿,可将发射功率有效提高2.5dB,传输距离延长800km。

关键词： CO-OFDM系统偏振复用(PDM) Eb/No算法中间链路光相位共轭(OPC) 非线性损伤补偿