CN113346957B - 一种oam-qpsk传输的聚类非线性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OAM‑QPSK传输的聚类非线性补偿方法，特别涉及一种针对OAM模式复用传输QPSK信号的聚类非线性补偿方法，属于光纤通信技术领域。本发明将数据分为训练序列和测试序列，训练序列用于训练聚类模型，测试序列用于误码率性能测试。聚类模型的训练采用的是改进的快速查找密度峰值聚类算法(FSFDP)。该方法能够降低非线性补偿的计算复杂度，系统通信的误码率性能得到了提升，实现了低复杂度的非线性补偿。

Description

一种OAM-QPSK传输的聚类非线性补偿方法

技术领域

本发明涉及一种OAM-QPSK传输的聚类非线性补偿方法，特别涉及一种针对OAM模式复用传输QPSK信号的聚类非线性补偿方法，属于光纤通信技术领域。

背景技术

自从高锟在1966年提出将光纤作为传输介质，光纤通信得到迅速的发展。光纤以其传输频带宽、信号衰减小、抗干扰能力强的特点，而远远由于电缆和微波通信的传输，已经成为通信中的主要传输方式，尤其是在长距离传输中。长距离光纤传输通常依赖于高功率激光在长距离传输光脉冲以克服衰减，然而在足够高的光强度下，光纤的纤芯会发生非线性折射，引发克尔效应，导致非线性损伤。非线性损伤可以分为两大类，第一类为确定性非线性损伤，仅取决于色散和非线性系数，如自相位调制(SPM)，通道内交叉相位调制(ISPM)和四波混频(IFWM)，通道间交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)等；第二类为依赖于非线性器件(如空间光调制器，平衡探测器等)，放大自发辐射(ASE)和色散之间相互作用的随机非线性损伤。

常用的非线性补偿方法为数字反向传播(DBP),该方法在数字域中采用了负色散，损耗和非现行系数的虚光纤。DBP在补偿确定性非线性损伤中有着良好的性能，然而不能够补偿随机非线性损伤。常见的补偿确定性和随机性的非线性损伤的方法是基于三阶沃尔特拉级数(Volterra Series)的均衡器，此外有学者将机器学习算法引入到非线性补偿领域中，来补偿确定性和随机性的非线性损伤，如支持向量机(SVM)、神经网络(NN)、KNN、K-均值聚类等算法。这些方法都有着不错的效果，但是这些算法中，基于三阶沃尔特拉级数的均衡器的补偿效果较差，基于机器学习的非线性补偿的效果较好，但是计算复杂度和计算量极大。由于近年来各种业务需求爆炸增长，光纤传输所需的信道容量和信息量越来越大，复杂度高、计算量大的非线性补偿方法难以满足传输的需求，特别是对将轨道角动量(OAM)引入到光纤中的OAM光纤传输。

作为当今通信领域的热点，自从带有轨道角动量(OAM)的光束在1992年被提出，OAM领域得到了迅速发展。由于OAM在Hilbert空间的无限维特性，被认为是通信系统中非常重要的可用资源，因而具有广阔的应用前景。但是在很长一段时间，OAM在通信中的研究一直局限在自由空间中传输。因为传统光纤的限制，OAM被认为不适合在光纤中传输，直到具有涡旋的光纤结构被提出，才逐渐出现OAM在光纤中传输的研究。具有涡旋结构的光纤经过不断的研究更新，成为现在的环芯光纤，使得可以传输的OAM模式逐渐增多。轨道角动量模式复用因此得以实现，然而在系统容量增大的同时，因为系统链路中空间光调制器的加入，非线性效应对系统的影响也随之增加，非线性损伤成为了限制系统性能的主要因素，因此设计出补偿效果好、复杂度低的非线性补偿方法变得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决OAM-MDM系统传输QPSK信号的背景下，信号因为受到由空间光调制器、IQ调制器和平衡探测器等导致的器件非线性和光纤非线性的非线性损伤，导致星座点弥散旋转，误码率性能较差的问题，提供了一种针对该情况的聚类非线性补偿方法，该方法将数据分为训练序列和测试序列，训练序列用于训练聚类模型，测试序列用于误码率性能测试。聚类模型的训练采用的是改进的快速查找密度峰值聚类算法(FSFDP)。该方法能够降低非线性补偿的计算复杂度，系统通信的误码率性能得到了提升，实现了低复杂度的非线性补偿。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种OAM-MDM的聚类非线性补偿方法，包括如下步骤：

步骤一、数据预处理

将发送端的数据分为训练数据和测试数据两部分。训练数据用于训练聚类模型，测试数据用于测试误码率性能。

在发送端发送的数据，首先通过IQ调制器正交相移键控(QPSK)调制，得到加载了QPSK信号的光A；光A经过OAM模式耦合链路，由空间光调制器加载OAM模式，并且耦合到支持少摸多芯OAM传输的环芯光纤中，得到光B；光B经过一定距离的环芯光纤传输后，被接收机接收，得到C。

正交相移键控(QPSK)调制的数据的I路为横坐标，Q路为纵坐标，得到标准星座图；所述星座图中含有坐标规整排布的N个星座点；

所述C处理后形成接收星座图，由于传输过程中信号受到非线性损伤，星座图上的点旋转弥散；接收星座图中的点集表示为[(x₁,y₁)；(x₂,y₂)；...；(x_N,y_N)]，通过点集计算得出全部点间的欧氏距离

升序排列，得到欧式距离集{d₁₂,d₁₃,...,d_N-1,N}，用于后续的聚类模型训练。

步骤二、训练序列聚类，得到纠正向量和纠错区域。

通过FSFDP聚类算法对训练序列的星座点进行聚类，得到4个类、4个聚类中心点c_j(j＝1,2,3,4)、属于c_j的纠正向量v_j(j＝1,2,3,4)和4个类对应的纠错区域。

步骤二的具体实现方法为：

1)根据截断系数p,p∈[1,2]，和公式

确定截断距离d_c，其中[*]为取整函数。

2)根据局部密度公式

i＝1:N，求出每个点的局部密度。

3)根据步骤二2)得到的每个点的局部密度，得出全部点的聚类距离δ_i；任意一点的聚类距离为该点到K点的距离；所述K点为局部密度大于该点、且距离该点最近的点；

4)根据中心判决参数的公式γ_i＝ρ_i·δ_i，求得全部点的中心判决参数值，由大到小排序，其中最大的4个值对应的点为聚类中心点c_j(j＝1,2，3,4)。根据得到的聚类中心点

和对应的标准星座点坐标

作差，其中

得到纠正向量v_j＝a+bi,其中j＝1,2,3,4，i为虚数单位。

5)根据步骤二4)所得点的中心判决参数值，对非聚类中心点进行归类，得到4个类；即任一点与L点同类，所述L点为判决参数大于该点、且距离该点最近的点；

6)确定4个类的边界区域，按照如下原则：边界区域内的点在截断距离d_c范围内有属于其他类的点。得到边界区域集

j＝1,2,3,4，其中num_bor(j)表示第j类的边界区域的数据点数。利用4个类的边界区域，根据公式

计算出4个类的边界区域密度阈值。其中，权值系数

其中x_k为第k个点的横坐标，y_k为第k个点的纵坐标，

为第k个点对应的标准星座点的横坐标，

为第k个点对应的标准星座点的纵坐标，。

确定4个类的纠错区域，按照如下原则：在第j类的边界区域内，局部密度小于边界区域密度阈值的点构成的区域。

步骤三、测试

测试序列的I路信号对应星座图的横坐标，Q路信号对应星座图的纵坐标，得到星座图，对测试序列星座图中的中位于纠错区域外的点，直接硬判决输出；位于纠错区域内的点，利用最近的聚类中心点c_j和属于c_j的纠正向量v_j，通过IQ信号分别与纠正向量v_j的实部和虚部相乘，求得补偿数据，硬判决之后输出；实现了对受到确定性和随机性的非线性损伤的OAM-QPSK信号的非线性补偿。

有益效果

本发明公开的一种针对少模多芯OAM光纤传输QPSK信号的聚类判决非线性补偿方法。设计光纤通信相关理论及原理。该方法针对OAM光纤传输QPSK的信号损伤特点，对信号进行非线性损伤补偿，与传统的非线性补偿算法相比，降低了计算复杂度，接近实际系统的需求。

附图说明

图1一种针对少模多芯OAM光纤QPSK传输的聚类非线性补偿方法流程图；

图2实施例中所述的OAM光纤传输系统示意图；

图3实施例中训练数据的星座图，其中图a为传输前数据星座图，图b为传输后受到非线性损伤的星座图；

图4实施例在不同p值下的误码率性能图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和有点，下面结合附图和实例对发明内容作进一步的说明。

实施例1

针对少模多芯OAM光纤传输QPSK信号的非线性补偿方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：准备长度为64000比特的训练数据，数据一次进过QPSK映射，加训练序列，DFT，复共轭，循环前缀，超奈奎斯特，PDM和ETDM处理后形成星座图，星座图中含有坐标规整排布的16000个星座点，如图3(a)所示；经过OAM传输系统后，由于传输过程中受到非线性损伤，星座图上的点旋转弥散，如图3(b)所示；此时，所述星座点的坐标为16000*2的矩阵，[[x₁,y₁]；[x₂,y₂]；...；[x₁₆₀₀₀,y₁₆₀₀₀]]，根据星座图确定坐标点分成4组，对应4个标准星座点，[[-3,-3]；[-3,3]；[3,-3]；[3,3]]。计算得出全部点间的欧氏距离，升序排列，得到欧式距离集。

所述OAM光纤传输系统如图2所示，其中传输线路由加载OAM模式的模块、环芯光纤、EDFA、光谱分析仪、滤波器、本振光源、示波器组成。光纤内的模群特征将同一级次的OAM模式构成一个模式群。根据OAM相位旋转方向和偏振状态，每个模式群内有4个子模式。

步骤二：训练序列聚类，得到纠正向量和纠错区域。

通过FSFDP聚类算法对训练序列的星座点进行聚类，得到4个聚类中心点c_j(j＝1,2,3,4)、属于c_j的纠正向量v_j(j＝1,2,3,4)和4个类对应的纠错区域。

详细步骤如下：由截断系数p确定截断距离d_c。根据局部密度公式

求出每个点的局部密度。根据聚类距离δ_i的定义：该点到离它最近的一个局部密度比它大的点距离。得出全部点的聚类距离值。根据中心判决参数的公式γ_i＝ρ_i·δ_i，求得全部点的中心判决参数值，取最大的4个值，其对应的点为聚类中心点c_j(j＝1,2，3,4)。根据得到的聚类中心点

和对应的标准星座点

的差值，得到纠正向量v_j,j＝1,2,3,4。对非聚类中心点进行归类，按照如下原则：点所属的类与局部密度大于等于该点的、离该点最近的点所属类相同。确定4个类的边界区域，按照如下原则：边界区域内的点在截断距离d_c范围内有属于其他类的点。得到边界区域集

其中表示类i的边界区域，num_bor(i)表示类i的边界区域的数据点数。利用上述边界区域，根据公式

计算出4个类的边界区域密度阈值。其中

确定4个类的纠错区域，按照如下原则：在类i的边界区域内，小于边界区域密度阈值的点构成的区域。

步骤三：测试数据为传输后的32768个坐标点，已知其传输前的原始数据，原始数据长度为131,072比特。将测试数据点中位于纠错区域中的点，与最近的类中心点对应的纠正向量相乘，完成非线性聚类补偿，然后经过硬判决输出；其他点直接经硬判决输出。最后将发送序列与补偿后的序列对比，分析误码率性能。测试数据在不同p值下经聚类非线性补偿后的误码率性能如图4所示，误码率最小为2.5148e-2,最大有约1e-3的误码率改善，最多纠正了测试数据星座点中50个点的判决错误。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限定本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种OAM-MDM的聚类非线性补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、数据预处理；

将发送端的数据分为训练数据和测试数据两部分；训练数据用于训练聚类模型，测试数据用于测试误码率性能；

在发送端发送的数据，首先通过IQ调制器正交相移键控(QPSK)调制，得到加载了QPSK信号的光A；光A经过OAM模式耦合链路，由空间光调制器加载OAM模式，并且耦合到支持少模多芯OAM传输的环芯光纤中，得到光B；光B经过一定距离的环芯光纤传输后，被接收机接收，得到C；

正交相移键控(QPSK)调制的数据的I路为横坐标，Q路为纵坐标，得到标准星座图；所述星座图中含有坐标规整排布的N个星座点；

所述C处理后形成接收星座图，由于传输过程中信号受到非线性损伤，星座图上的点旋转弥散；接收星座图中的点集表示为[(x₁,y₁)；(x₂,y₂)；...；(x_N,y_N)]，通过点集计算得出全部点间的欧氏距离

升序排列，得到欧式距离集{d₁₂,d₁₃,...,d_N-1,N}，用于后续的聚类模型训练；

步骤二、训练序列聚类，得到纠正向量和纠错区域；

通过FSFDP聚类算法对训练序列的星座点进行聚类，得到4个类、4个聚类中心点c_j(j＝1,2,3,4)、属于c_j的纠正向量v_j(j＝1,2,3,4)和4个类对应的纠错区域；

步骤三、测试；

测试序列的I路信号对应星座图的横坐标，Q路信号对应星座图的纵坐标，得到星座图，对测试序列星座图中的中位于纠错区域外的点，直接硬判决输出；位于纠错区域内的点，利用最近的聚类中心点c_j和属于c_j的纠正向量v_j，通过IQ信号分别与纠正向量v_j的实部和虚部相乘，求得补偿数据，硬判决之后输出；实现了对受到确定性和随机性的非线性损伤的OAM-QPSK信号的非线性补偿。

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