CN117498941B - 一种改进型光纤非线性损伤补偿方法、设备及存储设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型光纤非线性损伤补偿方法、设备及存储设备，方法包括以下步骤：搭建长距离大容量光纤通信系统，分别采集发送端和接收端的数据；所述长距离大容量具体指光纤通信系统的光纤长度和传输功率大于相应的预设值；识别当前链路的物理参数，并优化非线性损伤补偿算法的步长；针对优化后的步长，采用遗传算法进一步优化每个步长的非线性系数；构建不同状态的光纤链路，并采集其对应物理参数，预优化对应步长和非线性系数，建立数据库。本发明有益效果是：可以在不损失补偿精度的情况下减小复杂度，且针对光灵活组网中光纤链路变化的情况，预先建立的数据库可使非线性系数随光纤链路自适应调节。
Description
技术领域
本发明属于光纤信号处理领域，具体涉及一种改进型光纤非线性损伤补偿方法、设备及存储设备。
背景技术
随着现代社会对通信容量需求的快速增长，光纤通信正朝着高速率长距离发展。在长距离光通信中，提高信号光功率可以延长单段光纤的最大传输长度，减少掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier, EDFA)的使用，可以降低接收端的误码率。但信号光功率的提升将会使自相位调制(Self-Phase Modulation, SPM)增强，并且与色散与放大器自发辐射噪声(Amplifier Spontaneous Emission noise, ASE)相互作用，成为光纤非线性损伤补偿的一个难点。
传统算法中对光纤非线性损伤补偿的主要有基于沃尔泰拉(Volterra)级数的非线性均衡和数字反向传播(Digital Back-Propagation, DBP)算法。两者都是对非线性薛定谔方程(Nonlinear Schrödinger equation, NLSE)的求解，试图通过求解NLSE对光纤信道进行建模，利用数字信号处理技术对光信号进行补偿。DBP算法通过将光纤中的线性损伤与非线性损伤分离，利用分步傅里叶变换的方法(Split-Step Fast FourierTransformation, SSFFT)将线性部分转换到频域补偿，而非线性部分被逆变换到时域补偿，构建一条在数字域的虚拟链路，对光信号进行补偿。当步长较小时，DBP的求解过程可被近似为NLSE的时域解，是一种有效的对光纤非线性损伤补偿的算法。
但是对于传统的非线性损伤补偿算法，步长选择越小其精度越高，但随着而来的是复杂度的提升。同时由于光纤链路的信号光功率，噪声系数等参数是实时变化的，这将要求使用自适应的非线性系数对光信号进行补偿。
发明内容
为了解决传统DBP算法复杂度高以及容易受光纤链路干扰的问题，本发明提出了一种新型的非线性损伤补偿算法，其主要步骤有对步长的设计，对非线性系数的优化，数据的预处理与数据库的建立。该方法可以在不损失补偿精度的情况下减小复杂度，且针对光灵活组网中光纤链路变化的情况，预先建立的数据库可使非线性系数随光纤链路自适应调节。
本申请提供一种改进型光纤非线性损伤补偿方法、设备及存储设备。
具体地，方法具体包括以下步骤：
S1、搭建长距离大容量光纤通信系统，分别采集发送端和接收端的数据；所述长距离大容量具体指光纤通信系统的光纤长度和传输功率大于相应的预设值；
S2、识别当前链路的物理参数，并优化非线性损伤补偿算法的步长；
S3、针对优化后的步长，采用遗传算法进一步优化每个步长的非线性系数；
S4、构建不同状态的光纤链路，并采集其对应物理参数，预优化对应步长和非线性系数，建立数据库。
一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现一种改进型光纤非线性损伤补偿方法。
一种改进型光纤非线性损伤补偿设备，包括：处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现一种改进型光纤非线性损伤补偿方法。
本发明提供的有益效果是：在单个运算节内，保持光信号的功率变化量相同，提出了一种计算步长分布的公式。通过优化步长可使在不同的步长段之间功率变化速度趋于平稳，减小虚拟链路与实际链路的误差，从而可以在不损失补偿精度的情况下减小复杂度，且针对光灵活组网中光纤链路变化的情况，预先建立的数据库可使非线性系数随光纤链路自适应调节。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2是长距离大容量光纤通信系统框架示意图；
图3是传统传统恒定步长补偿算法示意图；
图4是传统恒定步长补偿算法与本方法功率变化情况对比示意图；
图5是本发明硬件设备工作示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明提供了一种改进型光纤非线性损伤补偿方法、设备及存储设备，请参考图1，图1是本发明方法流程示意图；
一种改进型光纤非线性损伤补偿方法，包括以下步骤：
S1、搭建长距离大容量光纤通信系统，分别采集发送端和接收端的数据；所述长距离大容量具体指光纤通信系统的光纤长度和传输功率大于相应的预设值；
请参考图2，图2是长距离大容量光纤通信系统框架示意图。
图2中包括发送端TX-data和接收端RX-data，发送端数据经过I路和Q路两路相同的处理；处理过程为：依次经过DAC模块、RRC匹配滤波、马赫-曾德尔调制器；其中Q路最后还会通过一个Delay延时器后，再与I路信号合并，经过一个合路器后得到初步信号；
初步信号经过EDFA模块、衰减器、LOOP模块、标准单模光纤、EDFA模块、设置OSNR模块、相关接收机后，最后通过两路ADC模块，分解为I路和Q路信号，被接收端接收。
需要说明的是，采集发送端和接收端的数据，使用非线性损伤补偿算法对接收端的数据进行处理，可以补偿信号所受的损伤，通过对比发送端与接收端的数据的误码率，可判断非线性损伤补偿算法的优劣。
S2、识别当前链路的物理参数，并优化非线性损伤补偿算法的步长；
需要说明的是，本发明在光纤传输链路确定后，提出一种对非线性损伤补偿算法的步长优化算法。
确定当前光纤传输链路的信号光功率(Launch Power, LP)及光纤链路长度(Fiber Length, FL)、损耗系数(Loss)等参数，提出一种原则，即在单个运算节内，保持光信号的功率变化量相同，提出了一种计算步长分布的公式。通过优化步长可使在不同的步长段之间功率变化速度趋于平稳，减小虚拟链路与实际链路的误差。
需要说明的是，对于光信号在光纤中的损耗，当确定损耗系数(Loss,α)后，其在传输Δz的距离后功率的变化量为：
式中，α为光纤的衰减系数；z为传输距离，t表示时间；P表示功率。
请参考图3，图3是传统恒定步长补偿算法示意图；
DBP数字反向传播算法通过构建虚拟链路对光信号进行补偿。在传统的恒定步长补偿算法中，步长的分布是恒定的，且每个运算节内使用的非线性系数也是相同的。恒定步长补偿算法结构简单，设计难度低，但其性能依赖于步长长度，算法复杂度较高。
相应的，对于本发明提出的一种改进型光纤非线性损伤补偿方法，其在每个运算节内的功率变化量是相同的，在功率变换缓慢的阶段可选用大步长，在功率变化快速的阶段可选择小步长。光纤的非线性效应与光信号的功率相关，在非线性效应较弱时使用大步长降低复杂度，在非线性较强时使用小步长提升精度。
请参考图4，图4是传统恒定步长补偿算法与本发明方法功率变化情况对比示意图。
在恒定步长补偿算法中，每个步长内的功率变化量是不同的，如图4中（a）所示，在本发明中提出了一种基于功率变化量平均分布的步长设计方法，如图4中（b）所示，在确定光纤长度、损耗系数等参数后，可使用下式计算各步长的长度：
式中，Fiberlength表示光纤链路长度；n表示单跨段光纤的步长数，j表示分段步长的顺序，z i表示第i个步长的长度。
S3、针对优化后的步长，采用遗传算法进一步优化每个步长的非线性系数；
需要说明的是，在步骤S2中计算了步长分布，其中步长不再是恒定的，因此每一个运算节所需的非线性系数是不同的。本发明提出了一种利用遗传算法的非线性系数优化算法。
本发明使用遗传算法对非线性系数进行群优化，群优化的问题转变为非线性损伤补偿算法采用不同组的非线性系数可获得不同的补偿性能，通过改变输入的非线性系数，输出使用当前非线性系数的系统误码率，遗传算法依据系统误码率的优劣通过选择、交叉和变异等操作对非线性系数进行优化。
作为一种实施例而言，对于一组接收的rx-data，确定各步长所使用的非线性系数后，通过非恒定步长补偿算法进行补偿后，计算误码率可以反映非线性系数的优劣。对于这种多参数优化问题，本发明提出了一种使用遗传算法优化对多参数预优化的方法。其中目标函数为使用多个非线性系数输入的非恒定步长补偿算法，输出为使用当前非线性系数补偿后计算的误码率。本发明使用的遗传算法主要包含，编码，计算适应度，选择，交叉，变异等操作，其执行过程如下表1。
表1 遗传算法优化表
S4、构建不同状态的光纤链路，并采集其对应物理参数，预优化对应步长和非线性系数，建立数据库。
需要说明的是，步骤S2、S3中，优化过步长与非线性系数后，可以得到一组针对特定光纤链路的步长分布与最佳非线性系数，但这组参数只适用于特定的光纤链路。
对于灵活光组网，不同的信号光功率、链路长度、光纤物理参数等都将不同，本发明将通过排列组合，对常用的光纤链路情况进行数据采集，并优化其步长与非线性系数。优化后的参数将与光纤链路参数对应后保存，建立数据库，在应用部署时识别当前光纤链路参数，动态调用对应的步长与非线性系数。
请参考图5，图5是本发明硬件设备工作示意图。
所述硬件设备具体包括：一种改进型光纤非线性损伤补偿设备401、处理器402及存储设备403。
一种改进型光纤非线性损伤补偿设备401：所述一种改进型光纤非线性损伤补偿设备401实现所述一种改进型光纤非线性损伤补偿方法。
处理器402：所述处理器402加载并执行所述存储设备403中的指令及数据用于实现所述一种改进型光纤非线性损伤补偿方法。
存储设备403：所述存储设备403存储指令及数据；所述存储设备403用于实现所述一种改进型光纤非线性损伤补偿方法。
本发明的有益效果是：在单个运算节内，保持光信号的功率变化量相同，提出了一种计算步长分布的公式。通过优化步长可使在不同的步长段之间功率变化速度趋于平稳，减小虚拟链路与实际链路的误差，从而可以在不损失补偿精度的情况下减小复杂度，且针对光灵活组网中光纤链路变化的情况，预先建立的数据库可使非线性系数随光纤链路自适应调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种改进型光纤非线性损伤补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、搭建长距离大容量光纤通信系统，分别采集发送端和接收端的数据；所述长距离大容量具体指光纤通信系统的光纤长度和传输功率大于相应的预设值；
步骤S1具体为：采用非线性损伤补偿算法对接收端数据进行处理，并对比发送端与处理后接收端数据的误码率；
S2、识别当前链路的物理参数，并优化非线性损伤补偿算法的步长；
步骤S2具体为：确定当前光纤传输链路的信号光功率及光纤链路长度和损耗系数，在单个运算节内，保持光信号功率变化量相同，通过优化步长使不同的步长段之间功率变化平稳，减小虚拟链路与实际链路误差；
步骤S2中当确定损耗系数(Loss,α)后，其在传输Δz的距离后功率的变化量为：
式中，α为光纤的衰减系数；z为传输距离，t表示时间；P表示功率；
步骤S2中优化后的步长如下式：
式中，Fiberlength表示光纤链路长度；n表示单跨段光纤的步长数，j表示分段步长的顺序，z i表示第i个步长的长度；
S3、针对优化后的步长，采用遗传算法进一步优化每个步长的非线性系数；
S4、构建不同状态的光纤链路，并采集其对应物理参数，预优化对应步长和非线性系数，建立数据库。
2.如权利要求1所述的一种改进型光纤非线性损伤补偿方法，其特征在于：采用不同非线性系数获得不同补偿性能，并输出当前非线性系数的误码率，遗传算法通过误码率的优劣，通过选择、交叉和变异完成非线性系数的优化。
3.如权利要求1所述的一种改进型光纤非线性损伤补偿方法，其特征在于：步骤S4中，采用排列组合方式，对常见的光纤链路情况进行光纤链路参数采集，并优化其步长和非线性系数，最后将所有参数保存，建立数据库，在应用部署时识别当前光纤链路参数，动态调用对应的步长与非线性系数。
4.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1~3任一项所述的一种改进型光纤非线性损伤补偿方法。
5.一种改进型光纤非线性损伤补偿设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1~3任一项所述的一种改进型光纤非线性损伤补偿方法。
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