一种光纤非线性均衡方法、系统、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及一种光纤非线性均衡方法、系统、装置及存储介质，属于光传输技术领域。

背景技术

自20世纪60年代光纤通信技术发明以来，由于光纤通信其独特的特点，光纤通信技术成为目前唯一可以支持全球通信的通信系统，并且发展迅速。在现如今的通信网络中，光纤通信已经成为必不可少的一部分，随着人们对高带宽业务的需求，人们对信息传输链路的要求也越来越高，需付出巨大努力来应对下一代移动网络和高带宽互联网应用所带来的指数级增长的容量需求。光纤通信界十年前就预测到容量需求即将激增，并开始集中精力研究在这方面的技术，现在相干光通信技术已成为骨干网的主要通信技术之一。

近年来，通信技术不断更新，数据容量不断扩大，距离不断增加，光纤里的非线性也日益突出。经过20年的高水平研究，已经确定了几种解决方案，包括高阶调制格式的组合，包括概率和/或几何形状，以及波分复用(WDM)辅助空间分复用或向其他波段如o波段的带宽扩展。因此，无论采用什么方法提高信道容量，其最终的主要限制因素还是非线性的香农传输限制。在长距离高带宽光网络中，这一限制主要是由于克尔诱导的光纤在通道内和通道间形成的非线性，以及它们与级联光放大器放大的自发发射噪声的相互作用。现如今主要非线性均衡的方法有中继光相位补偿(OPC)、数字反向传播算法(DBP)、反向伏尔特拉级数传输函数(IVSTF)。

OPC的应用需要波长转换器，同时与动态配置的弹性光网络不兼容；DBP的复杂性高，用其模拟多通道信道传输不切实际；IVSTF本质是缓解信道内部的非线性，不适应目前光通信多通道发展的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤非线性均衡方法、系统、装置及存储介质，解决现有技术中复杂性高、适应度低等问题。

为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种光纤非线性均衡方法，包括：

获取接收端接收到的M-QAM信号序列；

将M-QAM信号序列输入到训练好的基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络中，输出分数矩阵；

根据分数矩阵和训练过程得到的训练分数矩阵使用维比特算法获得各输入特征序列对应的最优标签序列，所有最优标签序列的中间标签值组成M-QAM信号序列的标签值，将标签值对应的数据类别进行星座映射得到发送端发送的原始信号序列，完成非线性均衡。

结合第一方面，进一步的，所述基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络通过以下方法进行训练：

构造具有真实标签的训练数据集；

将训练数据集分成若干批，对基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络进行分批训练，训练时采用Adam优化算法对网络中的参数进行优化。

结合第一方面，进一步的，所述基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络包括输入层、隐藏层和输出层，在输入层中提取M-QAM信号序列中各符号的输入特征序列，将各输入特征序列送至隐藏层由双向长短期记忆单元进行处理，并将处理结果转换为分数矩阵，输出层将分数矩阵输出。

结合第一方面，进一步的，在输入层中提取M-QAM信号序列中各符号的输入特征序列，包括：

对于M-QAM信号序列中的第i个符号，将第i个符号和第i个符号前后k个符号组合起来，得到第i个符号的输入特征序列。

结合第一方面，进一步的，所述双向长短期记忆单元包括输入门、遗忘门和输出门；

输入门用于控制当前时刻的输入信息被记入记忆状态的比例；

遗忘门用于控制前一时刻的记忆状态被计入当前时刻的记忆状态的比例；

输出门用于控制当前时刻的记忆状态被记入当前时刻的隐藏层状态的比例；

双向长短期记忆单元的方程表征式如下：

其中，

其中，σ()为Sigmoid函数，

第二方面，本发明还提供了一种光纤非线性均衡系统，包括：

信号获取模块：用于获取接收端接收到的M-QAM信号序列；

信号处理模块：用于将M-QAM信号序列输入到训练好的基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络中，输出分数矩阵；

信号转换模块：用于根据分数矩阵和训练过程得到的训练分数矩阵使用维比特算法获得各输入特征序列对应的最优标签序列，所有最优标签序列的中间标签值组成M-QAM信号序列的标签值，将标签值对应的数据类别进行星座映射得到发送端发送的原始信号序列，完成非线性均衡。

第三方面，本发明还提供了一种光纤非线性均衡装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面任一项所述方法的步骤。

第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明提供的一种光纤非线性均衡方法、系统、装置及存储介质，通过忆阻阵列构建的双向长短期记忆神经网络，忆阻器具有双端存储功能，它在存储信息的同一位置通过物理定律进行计算，在功耗和推理延迟方面，与cmos(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)相对应的器件相比具有显著的优势，基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络是具有高效率的人工智能神经网络，不仅能够实现光纤的非线性均衡，而且利用忆阻阵列实现突触权值能够大量降低网络的复杂性，可以存储大量的参数，从而提高内存计算能力，在未来集成电路的大发展下，也可实现实际电路的神经网络构建；双向长短期记忆神经网络中的双向长短期记忆单元利用双向的特点，实现前序和后序信息的同时处理，分别用两个长短期记忆单元来捕捉历史信息和未来信息，实现了结合前序和后序的信息对当前的输入信息进行处理，显著地提高信号质量，实现系统传输性能地提高，利用双向的特性还可以提高数据处理的效率和精度，能够有效地处理非线性带来的码间串扰；在本发明中，忆阻器被即成为阵列，形成多行多列的忆阻电路，通过对基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络进行训练和推理解决回归和分类的问题，在训练和推理的过程中，所有的矩阵乘法和更新都在与数字计算接口的忆阻器交叉杆上物理实现，该方案不仅增强整个光传输系统的抗干扰性，提高系统的传输性能，还可以与其他的多载波复用技术相结合，提高本发明的适应程度，最大限度的提升光通信系统的性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光纤非线性均衡方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的相干光通信系统的原理图；

图3是本发明实施例提供的忆阻阵列的结构图；

图4是本发明实施例提供的基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供的一种光纤非线性均衡方法，在本实施例中的应用场景为大容量长距离的相干光通信系统(原理如图2所示)，在接收端使用DSP技术能够有效地进行均衡和补偿，从而改善信号的质量，提升相干光通信系统的传输性能；主要分为以下几个步骤：I/Q信号的正交化和归一化以及不平衡补偿、色散补偿、偏振模色散补偿、频偏估计、载波相位恢复、非线性均衡和系统的性能分析。

相干光通信系统的原理如图2所示，发送端由外腔激光器(ECL)、IQ调制器以及任意波形发生器组成(AWG)，调制后的信号经过光纤链路和掺铒放大器(EDFA)传输后到达接收端，接收端通过90°光混频器将本振光信号(LO)和接收信号进行混频之后，然后进行光电探测，最后进行数字信号处理(DSP)解调恢复得到原始信号。

在接收端DSP处，利用神经网络算法进行非线性处理，从而提高信号的质量，优化系统传输性能。在非线性均衡部分采用基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络的方式进行实施。利用前一时刻与当前时刻的权重值输入至隐藏层进行权重比例计算，然后将各个比例的权重值输入至双向长短期记忆单元进行对未来时刻数据预测与均衡，最后输出所需要的均衡后的数值。

人类大脑中大约有10

对于多形状，任意逻辑隶属函数都可由自旋忆阻器交叉阵列实现。假设μ()为模糊集合的域名，表示系统函数。本专利构建自旋忆阻器交叉阵列结构，x

如图1所示，本发明实施例提供的一种光纤非线性均衡方法，包括以下步骤：

S1、获取接收端接收到的M-QAM信号序列。

在本实施例中，该信号序列为16-QAM信号序列。

S2、将M-QAM信号序列输入到训练好的基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络中，输出分数矩阵。

本实施例中，基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络的结构如图4所示，其中，当前时刻为t时刻，当前输入的信息为x

双向长短期记忆单元主要由三个门构成：输入门、遗忘门、输出门。不同的门结构具有不同的功能。输入门用于控制当前时刻的输入信息x

其方程表征式如下：

其中，

其中，σ()为Sigmoid函数，

对接收到的16-QAM进行非线性均衡，对序列进行标注任务，结合忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络可以显著提高序列标注性能。将输入特征序列送至忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络，前向长短期忆阻阵列双向长短期记忆单元从输入序列的前端开始向后处理序列，后向则是从数据末端向前进行数据处理。

在隐藏层中，双向长短期记忆神经网络的输出结果转换到标签空间；M-QAM调制格式信号的星座图具有M个标准星座点，根据这M个标准星座点将M-QAM信号分为M个不同的数据类别，每一个标准星座点对应于一个数据类别，从1到M进行编号，作为数据类别的标签。因此，原始标签空间的维度为M维，由于在标签集中，还应该加入序列特殊的起点标签和终点标签，因此，隐藏层输出的结果是根据双向长短期记忆神经的层的输出结果转换得到的分数矩阵。16-QAM调制格式的星座图具有16个标准星座点，根据这16个标准星座点将信号分为16个不同的数据类别。

基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络通过以下方法进行训练：

构造具有真实标签的训练数据集；

将训练数据集分成若干批，对基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络进行分批训练，训练时采用Adam优化算法对网络中的参数进行优化。

基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络包括输入层、隐藏层和输出层，对M-QAM信号序列的处理流程如下：在输入层中提取M-QAM信号序列中各符号的输入特征序列，将各输入特征序列送至隐藏层由双向长短期记忆单元进行处理，并将处理结果转换为分数矩阵，输出层将分数矩阵输出。

在输入层中提取M-QAM信号序列中各符号的输入特征序列，包括：

对于M-QAM信号序列中的第i个符号，将第i个符号和第i个符号前后k个符号组合起来，得到第i个符号的输入特征序列。

S3、根据分数矩阵和训练过程得到的训练分数矩阵使用维比特算法获得各输入特征序列对应的最优标签序列，所有最优标签序列的中间标签值组成M-QAM信号序列的标签值，将标签值对应的数据类别进行星座映射得到发送端发送的原始信号序列(即发送端发送的原始的M-QAM信号序列)，完成非线性均衡。

本发明提出一种基于忆阻阵列双向长短期记忆神经网络的相干光通信系统。其双向的特性可提高数据处理的效率与精度，能够有效地处理非线性带来的码间串扰。忆阻器被集成为阵列，形成多行多列的忆阻电路。通过将一个全连通网络连接到一个循环LSTM(Long short-term memory)网络，对这个基于LSTM的多层网络进行了训练和推理，以解决回归和分类问题。在训练和推理过程中，所有的矩阵乘法和更新都在与数字计算接口的忆阻器交叉杆上物理实现。该方案不仅增强系统的抗干扰性，提高系统的传输性能，可以与其他的多载波复用技术相结合，可以最大限度的提升光通信系统的性能。但是，传统的LSTM模型具有高复杂性和高计算量，由于有限的内存容量和有限的数据通信，大量的参数在计算能力方面存在瓶颈。采用忆阻阵列实现，在LSTM中利用忆阻阵列实现突触权值能够大量减少网络的复杂性，可以存储大量的参数，从而提高内存计算能力。

实施例2

本发明实施例提供的一种光纤非线性均衡系统，包括：

信号获取模块：用于获取接收端接收到的M-QAM信号序列；

信号处理模块：用于将M-QAM信号序列输入到训练好的基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络中，输出分数矩阵；

信号转换模块：用于根据分数矩阵和训练过程得到的训练分数矩阵使用维比特算法获得各输入特征序列对应的最优标签序列，所有最优标签序列的中间标签值组成M-QAM信号序列的标签值，将标签值对应的数据类别进行星座映射得到发送端发送的原始信号序列，完成非线性均衡。

实施例3

本发明实施例提供的一种光纤非线性均衡装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：

获取接收端接收到的M-QAM信号序列；

将M-QAM信号序列输入到训练好的基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络中，输出分数矩阵；

根据分数矩阵和训练过程得到的训练分数矩阵使用维比特算法获得各输入特征序列对应的最优标签序列，所有最优标签序列的中间标签值组成M-QAM信号序列的标签值，将标签值对应的数据类别进行星座映射得到发送端发送的原始信号序列，完成非线性均衡。

实施例4

本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：

获取接收端接收到的M-QAM信号序列；

将M-QAM信号序列输入到训练好的基于忆阻阵列的双向长短期记忆神经网络中，输出分数矩阵；

根据分数矩阵和训练过程得到的训练分数矩阵使用维比特算法获得各输入特征序列对应的最优标签序列，所有最优标签序列的中间标签值组成M-QAM信号序列的标签值，将标签值对应的数据类别进行星座映射得到发送端发送的原始信号序列，完成非线性均衡。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。