基于深度學(xué)習(xí)的光纖通信非線性補(bǔ)償技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
/ k% |* e0 d* A0 b' P光纖通信系統(tǒng)因光纖非線性效應(yīng)而面臨顯著挑戰(zhàn)，這限制了傳輸距離和系統(tǒng)性能。隨著數(shù)據(jù)速率提高和采用先進(jìn)調(diào)制格式以滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，非線性效應(yīng)變得更加明顯。本文概述了基于深度學(xué)習(xí)的非線性補(bǔ)償技術(shù)，特別關(guān)注子載波復(fù)用(SCM)系統(tǒng)[1]。
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/ t% w7 L" Z) f. u. J7 v系統(tǒng)架構(gòu)與基本原理
( w5 `9 F: a: ]SCM通過(guò)符號(hào)速率優(yōu)化來(lái)減輕非線性失真，已成為有效的解決方案。在SCM系統(tǒng)中，總帶寬被分成多個(gè)子載波，每個(gè)子載波承載部分?jǐn)?shù)據(jù)。這種方法與單載波系統(tǒng)相比，提供了更好的靈活性和非線性容限。

7 E& H& D: k3 H; q; N& j/ N# S圖1：SCM系統(tǒng)框圖，展示了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)架構(gòu)，包括子載波生成、復(fù)用和各種補(bǔ)償技術(shù)。
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該系統(tǒng)對(duì)每個(gè)子載波采用雙偏振(DP)信號(hào)，使用升余弦脈沖整形數(shù)學(xué)表達(dá)傳輸信號(hào)。子載波間的間距經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化，以防止干擾同時(shí)最大化頻譜效率。

- S* w1 ~( P4 A5 |  a7 O; w非線性補(bǔ)償方法
傳統(tǒng)數(shù)字反向傳播(DBP)已被廣泛用于非線性補(bǔ)償，但面臨計(jì)算復(fù)雜度的挑戰(zhàn)。在SCM系統(tǒng)中，需要處理兩種主要的非線性效應(yīng)：自身子載波非線性(SSN)和交叉子載波非線性(CSN)。
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+ T7 F$ g! x( K3 n! v圖2：展示(a)SCM-DBP過(guò)程中的SSN和CSN補(bǔ)償階段，以及(b)提出的SCM-LDBP結(jié)構(gòu)，演示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)解決方案
1 T4 L& u7 G, F' u$ _, {( ]7 b0 Y/ B" K, dSCM學(xué)習(xí)型DBP(SCM-LDBP)方法將傳統(tǒng)DBP原理與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了性能提升和復(fù)雜度降低。主要?jiǎng)?chuàng)新包括并行處理多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)處理不同子載波，通過(guò)時(shí)域?yàn)V波用優(yōu)化的FIR濾波器替代頻域運(yùn)算，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過(guò)程中進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)最優(yōu)濾波器系數(shù)。

6 y1 n; T9 p! j3 B性能分析
% O2 }8 }% r) z  j4 c- i大量仿真證明了SCM-LDBP相比傳統(tǒng)方法的有效性。

3 u$ V: D: B6 E8 H) S圖3：不同干擾子載波數(shù)量下SCM-DBP的性能比較，在(a)1跨度/步長(zhǎng)和(b)20跨度/步長(zhǎng)條件下，顯示了隨干擾子載波增加的Q因子改善。
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圖4：SCM-DBP與SCM-LDBP在不同干擾子載波數(shù)量下的性能比較，展示了所提方法的優(yōu)越性能。

結(jié)果表明SCM-LDBP在32波特系統(tǒng)中相比SCM-DBP提高0.3 dB的Q因子，與傳統(tǒng)方法相比降低31.7%的復(fù)雜度，并且隨數(shù)據(jù)速率提高保持良好的性能擴(kuò)展性。
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復(fù)雜度考慮
SCM-LDBP的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是降低了計(jì)算需求。復(fù)雜度降低通過(guò)消除FFT/IFFT運(yùn)算、優(yōu)化時(shí)域?yàn)V波和并行處理架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

' \* T6 s! [6 y7 ]! A圖5：32波特系統(tǒng)中SCM-DBP和SCM-LDBP在不同干擾子載波數(shù)量下的復(fù)雜度比較，顯示計(jì)算需求顯著降低。
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圖6：120波特系統(tǒng)的復(fù)雜度比較，展示在更高數(shù)據(jù)速率下保持效率優(yōu)勢(shì)。
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: a5 ~9 Z# q' u- v# A, F. ]高速應(yīng)用
SCM-LDBP的優(yōu)勢(shì)延伸到120波特的高速傳輸系統(tǒng)。

圖7：120波特SCM系統(tǒng)的性能結(jié)果，顯示(a)不同干擾子載波的SCM-DBP結(jié)果和(b)SCM-DBP與SCM-LDBP方法的比較。
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性能-復(fù)雜度權(quán)衡
理解性能提升和計(jì)算需求之間的平衡對(duì)實(shí)際實(shí)施很重要。

圖8：32波特系統(tǒng)在不同跨度每步長(zhǎng)下的性能與復(fù)雜度分析，說(shuō)明最優(yōu)工作點(diǎn)。
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6 }' U/ t9 E1 t7 j$ L圖9：120波特系統(tǒng)的性能-復(fù)雜度權(quán)衡分析，顯示在更高數(shù)據(jù)速率下保持優(yōu)勢(shì)。

實(shí)施考慮因素
* r7 I$ U- f; k成功部署SCM-LDBP需要注意訓(xùn)練要求，包括128幀每幀4098個(gè)符號(hào)，優(yōu)化批次大小為32，使用學(xué)習(xí)率0.001的Adam優(yōu)化器。在濾波器設(shè)計(jì)方面，需要優(yōu)化CDC FIR濾波器長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)7抽頭CSN-LPF，并平衡復(fù)雜度與性能。系統(tǒng)參數(shù)方面需要謹(jǐn)慎選擇子載波數(shù)量，優(yōu)化發(fā)射功率，同時(shí)考慮傳輸距離。該技術(shù)在城域網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)和高容量數(shù)據(jù)中心顯示出特別好的效果。

未來(lái)發(fā)展方向
研究方向涵蓋與現(xiàn)有SCM部署的集成、擴(kuò)展到更高階調(diào)制格式、在波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用、硬件高效實(shí)現(xiàn)和實(shí)時(shí)處理能力等領(lǐng)域。
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+ Q$ U! P! V3 x( k本文展示了SCM-LDBP為光纖通信中的非線性補(bǔ)償提供了有效解決方案。該方法成功將深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，在降低復(fù)雜度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更好的性能。隨著數(shù)據(jù)速率持續(xù)提高和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展，這種高效的補(bǔ)償技術(shù)將對(duì)下一代光通信系統(tǒng)變得更加重要。
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& k5 m+ `9 [. F5 T6 L參考文獻(xiàn)
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