【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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的義理林教授團(tuán)隊(duì)提出一種針對(duì)光纖通信系統(tǒng)的可學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理(LDSP)技術(shù)，將傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)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(guò)全局優(yōu)化大幅提升了光纖通信系統(tǒng)線性損傷的補(bǔ)償效果。打破了學(xué)術(shù)界通常認(rèn)為當(dāng)前DSP已經(jīng)實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)線性效應(yīng)完全補(bǔ)償?shù)恼J(rèn)知，有望成為高速光纖通信系統(tǒng)的線性補(bǔ)償新基準(zhǔn)，為非線性補(bǔ)償算法的性能評(píng)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(guó)際頂尖光學(xué)期刊《Light: Science & Applications》。
 

       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(huì)提供了強(qiáng)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(shí)現(xiàn)更高的傳輸容量，成為了研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。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(hào)的傳輸質(zhì)量。傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)是分模塊設(shè)計(jì)的，雖然在補(bǔ)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(jì)可能導(dǎo)致局部最優(yōu)。在這種情況下，非線性補(bǔ)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(bǔ)償算法的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估。因此，全局優(yōu)化線性DSP性能，為非線性補(bǔ)償提供準(zhǔn)確的評(píng)估基準(zhǔn)，對(duì)大容量光傳輸至關(guān)重要。
 

　　此外，在實(shí)際應(yīng)用中，更高性能的補(bǔ)償往往意味著更大的復(fù)雜度，而復(fù)雜度的增加則會(huì)帶來(lái)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(shí)，提高DSP的補(bǔ)償性能，成為了光纖通信領(lǐng)域研究的一個(gè)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(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)模塊內(nèi)參數(shù)是可學(xué)習(xí)的，進(jìn)一步通過(guò)深度學(xué)習(xí)的優(yōu)化算法，從而實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的性能。具體而言，LDSP是對(duì)信號(hào)分塊進(jìn)行處理，在處理每個(gè)信號(hào)塊時(shí)，各個(gè)DSP模塊通過(guò)反向傳播算法計(jì)算梯度，使用隨機(jī)梯度下降算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如圖1所示。
 

圖1 LDSP框架(a)信號(hào)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(yàn)知識(shí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)這種方式，LDSP中的各個(gè)補(bǔ)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(bǔ)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?shí)驗(yàn)，如圖2所示，測(cè)試的長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)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(cè)試時(shí)，有單通道和21通道兩個(gè)場(chǎng)景。
 

圖2 400 Gbps 1600 km實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
 

　　實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償，性能提升分別可達(dá)1.21 dB和0.9 dB。結(jié)果還說(shuō)明，DSP性能對(duì)非線性補(bǔ)償?shù)脑鲆嬗兄苯拥挠绊?，使用LDSP后，非線性補(bǔ)償?shù)脑鲆骐S之增加。隨著對(duì)非線性補(bǔ)償?shù)男枨笤黾?，LDSP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(bǔ)償設(shè)立了新的基準(zhǔn)。
 

　　圖3 實(shí)驗(yàn)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(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)多種不同的功能，展示了其高效性。例如，頻域補(bǔ)償模塊可以同時(shí)補(bǔ)償IQ skew、激光器頻偏和色散等效應(yīng)。進(jìn)一步地，通過(guò)IQ skew的數(shù)值能夠檢測(cè)采樣誤差，從而降低對(duì)時(shí)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。
 

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(gè)模塊的參數(shù)是固定的，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，還可能導(dǎo)致補(bǔ)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(guò)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(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)符號(hào)速率的信號(hào)處理，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，使其更加適用于實(shí)際應(yīng)用。
 

　　LDSP技術(shù)通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)DSP和深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了光纖通信中線性和非線性效應(yīng)的高效補(bǔ)償，標(biāo)志著光纖通信技術(shù)的一個(gè)重要里程碑。通過(guò)全局優(yōu)化，LDSP在保證高性能的同時(shí)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，使其更加適用于實(shí)際應(yīng)用。該研究不僅為未來(lái)的光纖通信發(fā)展提供了新的思路，也為光纖非線性補(bǔ)償建立了新的基準(zhǔn)，有望推動(dòng)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(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)、非線性補(bǔ)償算法以及端到端性能全局優(yōu)化工作，開(kāi)發(fā)基于Python的光纖通信系統(tǒng)智能仿真平臺(tái)并開(kāi)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(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、上海交通大學(xué)“交大2030”計(jì)劃以及上海交通大學(xué)-華為先進(jìn)光技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的支持。
 

　　期刊信息
 

　　《Light: Science & Applications》是一本享有盛譽(yù)的學(xué)術(shù)期刊，該刊是自然出版集團(tuán)在中國(guó)出版的第一本OA物理類(lèi)期刊，致力于推動(dòng)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(cè)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(bào)、展望和綜述文章。2023年影響因子為 20.6。