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    摘要近日,上海交通大學(xué)教授團(tuán)隊提出一種針對光纖通信系統(tǒng)的可學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理(LDSP)技術(shù),將傳統(tǒng)數(shù)字信號處理(DSP)模塊視為深度學(xué)習(xí)框架中的可學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu),通過全局優(yōu)化大幅提升了光纖通信系統(tǒng)線性損傷的補償效果。

      【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日,上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室的義理林教授團(tuán)隊提出一種針對光纖通信系統(tǒng)的可學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理(LDSP)技術(shù),將傳統(tǒng)數(shù)字信號處理(DSP)模塊視為深度學(xué)習(xí)框架中的可學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu),通過全局優(yōu)化大幅提升了光纖通信系統(tǒng)線性損傷的補償效果。打破了學(xué)術(shù)界通常認(rèn)為當(dāng)前DSP已經(jīng)實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)線性效應(yīng)完全補償?shù)恼J(rèn)知,有望成為高速光纖通信系統(tǒng)的線性補償新基準(zhǔn),為非線性補償算法的性能評估奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Learnable Digital Signal Processing: A New Benchmark of Linearity Compensation for Optical Fiber Communications”為題于2024年8月發(fā)表在國際頂尖光學(xué)期刊《Light: Science & Applications》。
     
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           研究背景
     
      光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展為現(xiàn)代信息社會提供了強大的技術(shù)支持。隨著數(shù)據(jù)傳輸需求的不斷增加,如何在現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的傳輸容量,成為了研究人員關(guān)注的重點。然而,光纖通信系統(tǒng)中的各種線性和非線性效應(yīng)嚴(yán)重限制了信號的傳輸質(zhì)量。傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)是分模塊設(shè)計的,雖然在補償各種線性效應(yīng)方面已經(jīng)成熟,但這種逐塊最優(yōu)化設(shè)計可能導(dǎo)致局部最優(yōu)。在這種情況下,非線性補償?shù)男阅芸赡苡捎诰€性殘余干擾而不準(zhǔn)確,從而影響非線性補償算法的設(shè)計和性能評估。因此,全局優(yōu)化線性DSP性能,為非線性補償提供準(zhǔn)確的評估基準(zhǔn),對大容量光傳輸至關(guān)重要。
     
      此外,在實際應(yīng)用中,更高性能的補償往往意味著更大的復(fù)雜度,而復(fù)雜度的增加則會帶來更高的功耗和更大的設(shè)備體積,不利于系統(tǒng)的集成和推廣。在這種背景下,如何在保持低復(fù)雜度的同時,提高DSP的補償性能,成為了光纖通信領(lǐng)域研究的一個重大挑戰(zhàn)。
     
      研究路徑:可學(xué)習(xí)的DSP框架
     
      為了克服上述難點,研究團(tuán)隊提出了一種新型的DSP框架——可學(xué)習(xí)的DSP(LDSP)。該方案在保持傳統(tǒng)DSP框架的基礎(chǔ)上,融入了深度學(xué)習(xí)的優(yōu)化框架。在結(jié)構(gòu)上,LDSP復(fù)用了傳統(tǒng)DSP的模塊,設(shè)定各個模塊內(nèi)參數(shù)是可學(xué)習(xí)的,進(jìn)一步通過深度學(xué)習(xí)的優(yōu)化算法,從而實現(xiàn)全局最優(yōu)的性能。具體而言,LDSP是對信號分塊進(jìn)行處理,在處理每個信號塊時,各個DSP模塊通過反向傳播算法計算梯度,使用隨機(jī)梯度下降算法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,如圖1所示。
     
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    圖1 LDSP框架(a)信號分塊處理流程(b)LDSP流程
     
      研究成果
     
      技術(shù)上,LDSP是一種具有在線訓(xùn)練功能的DSP框架,結(jié)合了光通信以往的先驗知識和數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)勢。通過這種方式,LDSP中的各個補償模塊能夠借助梯度共享處理信息,全面利用DSP資源進(jìn)行損傷補償,提升傳輸性能。研究人員在400 Gb/s速率下1600 km光纖傳輸?shù)膶嶒灒鐖D2所示,測試的長距離傳輸實驗系統(tǒng),速率達(dá)到400 Gbps,傳輸1600 km,采用波分復(fù)用系統(tǒng),測試時,有單通道和21通道兩個場景。
     
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    圖2 400 Gbps 1600 km實驗系統(tǒng)
     
      實驗結(jié)果如圖3所示,LDSP在單通道和21通道傳輸?shù)腝因子性能分別提高了約0.77 dB和0.56 dB,結(jié)合非線性補償,性能提升分別可達(dá)1.21 dB和0.9 dB。結(jié)果還說明,DSP性能對非線性補償?shù)脑鲆嬗兄苯拥挠绊懀褂肔DSP后,非線性補償?shù)脑鲆骐S之增加。隨著對非線性補償?shù)男枨笤黾樱琇DSP作為一種新的算法處理范式,有變革光纖通信中DSP方案的潛力,更重要的是,它展示了傳統(tǒng)線性DSP仍有提升的空間,為光纖通信的非線性補償設(shè)立了新的基準(zhǔn)。
     
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      圖3 實驗結(jié)果性能(a)單通道Q因子性能(b)單通道Q因子增益(c)21通道Q因子性能(d)21通道Q因子增益
     
      LDSP可以在一個模塊中實現(xiàn)多種不同的功能,展示了其高效性。例如,頻域補償模塊可以同時補償IQ skew、激光器頻偏和色散等效應(yīng)。進(jìn)一步地,通過IQ skew的數(shù)值能夠檢測采樣誤差,從而降低對時鐘恢復(fù)模塊的需求,節(jié)省DSP資源,學(xué)習(xí)到的IQ skew如圖4所示,延遲的斜率反映了采樣誤差。
     
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    圖4 LDSP學(xué)習(xí)到的IQ skew參數(shù)特征
     
      在傳統(tǒng)的DSP系統(tǒng)中,各個模塊的參數(shù)是固定的,需要根據(jù)實際情況進(jìn)行手動調(diào)整,這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,還可能導(dǎo)致補償效果不佳。而在LDSP中,這些參數(shù)是可學(xué)習(xí)的,可以通過反向傳播算法進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化。LDSP能夠在保證高性能的同時,還能夠?qū)崿F(xiàn)符號速率的信號處理,降低系統(tǒng)復(fù)雜度,使其更加適用于實際應(yīng)用。
     
      LDSP技術(shù)通過結(jié)合傳統(tǒng)DSP和深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢,實現(xiàn)了光纖通信中線性和非線性效應(yīng)的高效補償,標(biāo)志著光纖通信技術(shù)的一個重要里程碑。通過全局優(yōu)化,LDSP在保證高性能的同時,降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,使其更加適用于實際應(yīng)用。該研究不僅為未來的光纖通信發(fā)展提供了新的思路,也為光纖非線性補償建立了新的基準(zhǔn),有望推動這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。
     
      論文信息
     
      上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系博士研究生牛澤坤為論文的第一作者,義理林教授為論文的通訊作者。
     
      LIFE課題組一直致力于光纖通信系統(tǒng)的算法設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計以及智能化發(fā)展。目前,課題組深入研究基于人工智能方法的光纖信道建模、星座整形設(shè)計、非線性補償算法以及端到端性能全局優(yōu)化工作,開發(fā)基于Python的光纖通信系統(tǒng)智能仿真平臺并開源(ifibertrans.sjtu.edu.cn),為光傳輸領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。該方向工作得到國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項目、科技部重點研發(fā)計劃項目、上海交通大學(xué)“交大2030”計劃以及上海交通大學(xué)-華為先進(jìn)光技術(shù)聯(lián)合實驗室的支持。
     
      期刊信息
     
      《Light: Science & Applications》是一本享有盛譽的學(xué)術(shù)期刊,該刊是自然出版集團(tuán)在中國出版的第一本OA物理類期刊,致力于推動全球范圍內(nèi)的光學(xué)研究,刊載光學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)以及工程技術(shù)研究及應(yīng)用方面的高水平的最新研究成果,包括小尺度光學(xué)、特種光學(xué)、光學(xué)材料及處理、光學(xué)元件制備、光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸、光學(xué)測量、光學(xué)在生命科學(xué)及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用等方面的高質(zhì)量、高影響力的原創(chuàng)性學(xué)術(shù)論文、News & Views、快報、展望和綜述文章。2023年影響因子為 20.6。

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