CN110336609A - 一种多跨段光纤传输系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多跨段光纤传输系统优化方法，包括以下步骤：对多跨段的光纤传输系统中的光纤和放大器进行抽象分析，提取影响系统性能的因素并建模；对已建立的数学模型在设定的条件下根据不同的方法进行推导计算得到表征光纤传输系统性能的表达式；从光纤传输系统性能的表达式中提取待优化量，利用遗传算法对待优化量进行优化，利用优化后的参数对光纤传输系统进行设置，提升光纤传输系统的性能。本发明通过对多跨段的光纤传输系统抽象分析提取影响因素进行多因素建模提高了模型对传输系统表达的准确性；通过对数学模型进行推导得到系统传输性表达式，利用遗传算法对参数进行优化，比传统的优化算法提高了优化精度，提高了系统的传输性能。

Description

一种多跨段光纤传输系统优化方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，更具体地，涉及一种多跨段光纤传输系统优化方 法。

背景技术

在过去的二十年里，光纤通信系统的传输容量已经历了三个数量级的巨大增 长。随着国家把新一代信息技术列入战略性新兴产业，迄今为止，国内光通信领 域已经实现了多项重大突破，在传输、接入以及光纤光缆等方面掌握了核心技术， 逐步形成了具有区域发展特色的产业发展格局。但光纤传输系统作为信息时代的 基础建设仍将面临巨大的挑战，光纤传输一个持续的研究重点就是不断增加单根 光纤的传输容量来充分利用光纤的传输带宽。当前的高速光纤通信系统中，随着 100Gb/s系统商业布局的完成，单信道400Gb/s成为下一代光纤传输标准，1Tb/s 也已经有大量的研究和发展以满足数据流量急剧增长的需求。得益于光放大器的 发明，使得长距离传输不需要经过光电、电光转化就可以实现信号放大。目前几 乎所有的长距离多跨段系统的放大器增益配置为了系统设计简便，都考虑每段光 纤损耗等于放大器增益的情况。

基于传输系统的性能分析一直是光纤传输容量的研究热点。由于长距离传输， 主要考虑传输链路的损伤，即光纤和放大器的损伤。对于线性的色散补偿方案， 如有研究人员提出了一种基于计算四波混频大小的信噪比求解表达式。对于非线 性的色散补偿方案，有的研究人员提出了一种基于计算互信息量的表达式；有人 提出了基于频域分析的信号噪声相互干扰的分析模型，但是信号的非高斯会影响 模型的准确性；还有人提出了基于时域分析的信号噪声相互干扰的微扰分析模型， 在非线性较小时模型准确性较高。由于各种限制因素导致这些模型准确性不高， 都没有被广泛采用。

另外一方面，长距离传输需要考虑非线性补偿算法，按照实现方式的不同， 大致可以分为电数字信号处理(DSP)方式和光信号处理方式(OSP)。基于DSP 的光纤非线性补偿方案中，数字反向传输(DBP)一直得到广泛关注。2008年研究 人员提出通过数字信号处理来实现光纤反向传输，也就是在发射端或者接收端使 用分步傅里叶算法迭代补偿线性和非线性效应，该算法可以完全消除信号间确定 的非线性干扰，因而被广泛地认为是一个补偿光纤线性的标准方案。由于DBP 算法计算复杂度较高，大量研究都致力于降低其复杂度。2009年，有研究团队 提出一种基于小波变换的FIR滤波器设计，可以减少1.8倍的滤波波长。2010 年，外国研究人员提出低通滤波与优化补偿位置两种方案使计算的步骤数减少了10倍。2015年，外国研究人员提出了DBP补偿非线性后基于二阶信号噪声项模 型的信噪比公式。

再次，长距离多跨段光纤传输系统主要集中在研究色散和非线性效应，放大 器增益的优化方案容易被忽视。

综上所述，对于长距离多跨段系统建立准确的分析模型，对系统参数进行优 化以获得更高的传输容量已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中光纤传输系统优化模型对传输系统表达的准 确性低，参数优化精度不高，系统传输性能提升不理想的缺陷，提供一种多跨段 光纤传输系统优化方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种多跨段光纤传输系统优化方法，包括以下步骤：

S1：对多跨段的光纤传输系统组成部分进行抽象分析，所述光纤传输系统组 成部分包括光纤和放大器，提取影响系统性能的因素并构建数学建模；

S2：对已建立的数学模型在设定的条件下根据不同的方法进行推导计算得到 表征光纤传输系统性能的表达式；

S3：从光纤传输系统性能的表达式中提取待优化量，以光纤传输系统中总的 放大器增益等于总的链路损耗为限定条件，利用遗传算法对待优化量进行优化， 得到优化后的参数，利用优化后的参数对光纤传输系统进行设置，提升光纤传输 系统的性能。

进一步地，步骤S1建立的数学模型包括：

光纤信号在光纤中传输抽象为非线性薛定谔方程，方程表示如下：

其中，A表示光信号电场，z表示传输距离，β₂表示色散系数，γ表示非 线性系数，t表示时间，α表示衰减系数，i表示虚数单位；

放大器的数学模型表示为：

其中，G表示放大器增益，N表示放大器噪声功率，表示放大器的输 入信号功率，表示放大器的输出信号功率。

进一步地，步骤S2所述设定的条件包括：设定光纤传输系统中所有放大器有 相同的噪声系数，所有光纤链路的损耗相同。本发明对数学模型进行理论推导时 以不考虑放大器的增益饱和效应为前提，再设定噪声系数和光纤链路损耗的条件。 同时本发明对多跨段系统建模等效于多个光纤跨段和放大器组合的级联。

进一步地，所述的不同的方法推导系统性能的表达式包括：线性补偿方法和 非线性补偿方法。

进一步地，所述线性补偿方法是将自发放大辐射噪声和信号的克尔非线性效 应作为影响因素进行系统性能的表达式计算，线性补偿方法流程如下：

第i个放大器产生的自发放大辐射噪声的功率谱密度表示如下：

其中，h是普朗克常量，v是光载波频率，NF是放大器的噪声系数，G_i是 第i个放大器增益；

对于级联有N个放大器的光纤传输系统，每段链路损耗为L的传输系统， 总的自发放大辐射噪声的功率谱密度I_n表示为：

第i段光纤产生的克尔非线性的功率谱密度为：

其中I_s是信号的发射功率谱密度，η是非线性系数；

总的自发放大辐射噪声的功率谱密度I_ke表示如下：

I_{ke_i}表示第i个放大器的自发放大辐射噪声的功率谱密度；

线性补偿方法系统的性能表示为：

进一步地，所述非线性补偿方法是将自发放大辐射噪声和信号与噪声的非线 性串扰作为影响因素进行系统性能的表达式计算，非线性补偿方法流程如下：

自发放大辐射噪声表示如下：

将非线性串扰分为一阶项和高阶项，第i段光纤过补偿产生的信号和噪声的 一阶串扰项表示为：

第i段光纤过补偿产生的信号和噪声的第m阶串扰项表示为：

第i段光纤过补偿的总的非线性串扰为：

非线性方法补偿系统的性能表示为：

进一步地，所述的待优化量为光纤传输系统每一级的放大器增益，所述光纤 传输系统每一级的放大器增益表示如下：

其中，P_launch为发射功率，P_opt是每一级放大器增益等于损耗情况下的最优 发射功率，由线性补偿系统的性能表示和非线性补偿系统的性能表示计算给出； G_{i_opt}是发射功率为P_opt时通过遗传算法优化得到的第i个放大器的增益。

本发明在推导出线性补偿和非线性补偿的系统性能表达式后，结合遗传算法 以实现放大器增益的参数优化，也可用于优化每个跨段的传输距离。

本发明将总的放大器增益等于总的链路损耗作为遗传算法的限定条件，选用 的所述遗传算法的种群数正比于链路中的放大器个数。采用遗传算法对光纤传输 系统的参数进行优化在于遗传算法不存在求导和函数连续性的限定；优点是具有 内在的隐并行性和更好的全局寻优能力。

进一步地，所述影响系统性能的因素包括：光纤的衰减、色散、克尔非线性 效应、放大器的增益、放大器自发放大辐射噪声。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过对多跨段的光纤传输系统进行抽象分析提取关键影响因素进行 多因素建模提高了模型对传输系统表达的准确性；通过对数学模型进行推导得到 系统传输性表达式，利用遗传算法对参数进行优化，比传统的优化算法提高了优 化精度，进而提升了系统的传输性能。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为三跨段信号-噪声非线性串扰示意图。

图3为遗传算法流程图。

图4为10*100km链路传统和优化配置的线性补偿结果图。

图5为10*100km链路传统和优化配置的非线性补偿结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种多跨段光纤传输系统优化方法，包括以下步骤：

S1：对多跨段的光纤传输系统中的光纤和放大器进行抽象分析，提取影响系 统性能的因素，所述影响系统性能因素包括：光纤的衰减、色散、克尔非线性效 应、放大器的增益、放大器自发放大辐射噪声；分析影响系统性能因素并建立数 学建模。

本实施例中所建立的数学模型包括：光纤信号在光纤中传输抽象为非线性薛 定谔方程，方程表示如下：

其中，A表示光信号电场，z表示传输距离，β₂表示色散系数，γ表示非 线性系数，t表示时间，α表示衰减系数，i表示虚数单位；本发明中非线性薛 定谔方程利用分布傅里叶法计算出方程的数值解。

放大器的数学模型表示为：

其中，G表示放大器增益，N表示放大器噪声功率，表示放大器的输入 信号功率，表示放大器的输出信号。

S2：对已建立的数学模型在设定的条件下，本实施例中设定的条件包括：设 定光纤传输系统中所有放大器有相同的噪声系数，所有光纤链路的损耗相同。

本发明对数学模型进行理论推导时以不考虑放大器的增益饱和效应为前提， 再设定噪声系数和光纤链路损耗的条件。同时本发明对多跨段系统建模等效于多 个光纤跨段和放大器组合的级联。

采用线性补偿方法和非线性补偿方法进行推导计算得到表征光纤传输系统 性能的表达式；具体包括：

所述线性补偿方法是将自发放大辐射噪声和信号的克尔非线性效应作为影 响因素进行系统性能的表达式计算，线性补偿方法流程如下：

第i个放大器产生的自发放大辐射噪声的功率谱密度表示如下：

其中h是普朗克常量，v是光载波频率，NF是放大器的噪声系数，G_i是第 i个放大器增益；

对于级联有N个放大器的光纤传输系统，每段链路损耗为L的传输系统， 总的自发放大辐射噪声的功率谱密度I_n表示为：

第i段光纤产生的克尔非线性的功率谱密度为：

其中I_s是信号的发射功率谱密度，η是非线性系数；

总的自发放大辐射噪声的功率谱密度I_ke表示如下：

I_{ke_i}表示第i个放大器的自发放大辐射噪声的功率谱密度；

使用线性补偿方法系统的性能表示为：

进一步地，所述非线性补偿方法是将自发放大辐射噪声和信号与噪声的非线 性串扰作为影响因素进行系统性能的表达式计算，非线性补偿方法流程如下：

自发放大辐射噪声表示如下：

如图2所示，三跨段信号-噪声非线性串扰示意图，将非线性串扰分为一阶 项和高阶项，第i段光纤过补偿产生的信号和噪声的一阶串扰项表示为：

第i段光纤过补偿产生的信号和噪声的第m阶串扰项表示为：

第i段光纤过补偿的总的非线性串扰为：

使用非线性补偿方法系统的性能表示为：

S3：从光纤传输系统性能的表达式中提取放大器增益的特征作为待优化量， 以光纤传输系统中总的放大器增益等于总的链路损耗为限定条件，利用遗传算法 对待优化量进行优化，得到优化后的放大器增益的参数，利用优化后的放大器增 益参数对光纤传输系统进行设置，提升光纤传输系统的性能。

需要说明的是，线性和非线性补偿的传输系统的性能和每一级的放大器增益 系数相关，因此可以将信噪比表示成SNR(G₁,…G_N)。其中G_N表示光纤传输系统 中第N个放大器的增益，本发明选用遗传算法作为最优化算法，优化的是每一 级的放大器增益(G₁,…G_N)，使得线性和非线性补偿SNR最大。

如图3所示，本发明所述遗传算法的算法流程包括：

需要说明的是，本实施例中遗传算法中的个体即是放大器的增益。

第一步：随机产生200个个体、每个个体表示为染色体的基因编码的初始种 群；

第二步：用轮盘赌策略确定个体的适应值，并判断是否符合迭代次数大于 10000次或者适应值优化量小于1×10^-7的优化准则，若符合则停止迭代输出最佳 个体及其代表的最优解，否则转到第三步；

第三步：根据适应值选择再生个体，适应值高于预设的阈值的个体被选择， 适应值小于预设的阈值的个体淘汰；

第四步：按照80％的交叉概率和约束相关法产生新个体；

第五步：按照20％的变异概率和约束相关法产生新个体；

第六步：由交叉和变异产生的新一代种群，返回第二步。

本发明将总的放大器增益等于总的链路损耗作为遗传算法的限定条件，选用 的所述遗传算法的种群数正比于链路中的放大器个数。

采用遗传算法对光纤传输系统的参数进行优化在于遗传算法不存在求导和 函数连续性的限定；优点具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力。

所述光纤传输系统每一级的放大器增益表示如下，

其中，P_launch为发射功率，P_opt是每一级放大器增益等于损耗情况下的最优 发射功率，由线性补偿系统的性能表示和非线性补偿系统的性能表示计算给出； G_{i_opt}是发射功率为P_opt时，通过遗传算法优化得到的第i个放大器的增益。

本发明在推导出线性补偿和非线性补偿的系统性能表达式后，结合最优化遗 传算法以实现放大器增益的参数优化，也可用于优化每个跨段的传输距离。如图 4所示为10*100km链路传统和优化配置的线性补偿结果。如图5所示为 10*100km链路传统和优化配置的非线性补偿结果。图4和图5所表示的两种优 化配置方案均能在传统方案的基础上提升最大信噪比，提升传输性能，即提升非 线性香农限；对偏离最优功率点的信号功率优化配置方案的性能提升比较明显。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对多跨段的光纤传输系统组成部分进行抽象分析，所述光纤传输系统组成部分包括光纤和放大器，提取影响系统性能的因素并构建数学建模；

S2：对已建立的数学模型在设定的条件下根据不同的方法进行推导计算得到表征光纤传输系统性能的表达式；

S3：从光纤传输系统性能的表达式中提取待优化量，以光纤传输系统中总的放大器增益等于总的链路损耗为限定条件，利用遗传算法对待优化量进行优化，得到优化后的参数，利用优化后的参数对光纤传输系统进行设置，提升光纤传输系统的性能。

2.根据权利要求1所述的一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，步骤S1建立的数学模型包括：

光纤信号在光纤中传输抽象为非线性薛定谔方程，方程表示如下：

其中，A表示光信号电场，z表示传输距离，β₂表示色散系数，γ表示非线性系数，t表示时间，α表示衰减系数，i表示虚数单位；

放大器的数学模型表示为：

其中，G表示放大器增益，N表示放大器噪声功率，表示放大器的输入信号功率，表示放大器的输出信号功率。

3.根据权利要求1所述的一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，步骤S2所述设定的条件包括：设定光纤传输系统中所有放大器有相同的噪声系数，所有光纤链路的损耗相同。

4.根据权利要求1所述的一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，所述的不同的方法推导系统性能的表达式包括：线性补偿方法和非线性补偿方法。

5.根据权利要求4所述的一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，所述线性补偿方法是将自发放大辐射噪声和信号的克尔非线性效应作为影响因素进行系统性能的表达式计算，线性补偿方法流程如下：

第i个放大器产生的自发放大辐射噪声的功率谱密度表示如下：

其中，h是普朗克常量，v是光载波频率，NF是放大器的噪声系数，G_i是第i个放大器增益；

对于级联有N个放大器的光纤传输系统，每段链路损耗为L的传输系统，总的自发放大辐射噪声的功率谱密度I_n表示为：

第i段光纤产生的克尔非线性的功率谱密度为：

其中I_s是信号的发射功率谱密度，η是非线性系数；

总的自发放大辐射噪声的功率谱密度I_ke表示如下：

I_{ke_i}表示第i个放大器的自发放大辐射噪声的功率谱密度；

线性补偿方法系统的性能表示为：

6.根据权利要求4所述的一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，所述非线性补偿方法是将自发放大辐射噪声和信号与噪声的非线性串扰作为影响因素进行系统性能的表达式计算，非线性补偿方法流程如下：

自发放大辐射噪声表示如下：

将非线性串扰分为一阶项和高阶项，第i段光纤过补偿产生的信号和噪声的一阶串扰项表示为：

第i段光纤过补偿产生的信号和噪声的第m阶串扰项表示为：

第i段光纤过补偿的总的非线性串扰为：

非线性方法补偿系统的性能表示为：

7.根据权利要求1所述的一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，所述的待优化量为光纤传输系统每一级的放大器增益，所述光纤传输系统每一级的放大器增益表示如下：

其中，P_launch为发射功率，P_opt是每一级放大器增益等于损耗情况下的最优发射功率，由线性补偿系统的性能表示和非线性补偿系统的性能表示计算给出；G_{i_opt}是发射功率为P_opt时通过遗传算法优化得到的第i个放大器的增益。

8.根据权利要求1所述的一种多跨段光纤传输系统优化方法，其特征在于，所述影响系统性能的因素包括：光纤的衰减、色散、克尔非线性效应、放大器的增益、放大器自发放大辐射噪声。