基于IMDD的短距离光通信系统中的高效能均衡方案研究.pdfVIP

摘要

随着各种新兴业务的涌现，网络用户对信息传输速率和质量要求越来越高，这将在一定

程度上给未来网络进一步发展带来极大挑战。为此，承载大容量信息的光纤网络亟待向大带

宽、高速率、高质量等方向发展。而作为距离用户最近的传输系统，短距离光通信系统同样

需要支持大带宽、高速率的传输。短距离光通信系统主要应用在光接入网、数据中心光互连

等场景，这些场景下对系统升级成本较为敏感。因而如何高效能、低成本实现短距离光通信

传输系统成为了当前研究热点。而在短距离光通信传输系统的诸多候选方案中，基于大带宽、

高性能的强度调制直接检测（IntensityModulationDirectDetection，IMDD）传输技术因其成

本低、铺设简单等优点在短距离光通信系统中得到了业界的广泛关注。然而，在该系统中，

因光电器件线性/非线性噪声、直接调制激光器（DirectlyModulatedLaser，DML）啁啾、光纤

色散及各种损伤间的相互作用严重影响了系统传输性能。为此，本文聚焦于IMDD的短距离

光通信系统中的均衡方案，研究补偿效果好、复杂度低的切实可行的系统均衡方案，用于高

效能地实现基于IMDD的短距离光通信系统，具体工作如下：

1）首先，概述了基于IMDD的短距离光通信系统均衡方案的研究意义和背景，通过总结

分析国内外研究现状，提出现有均衡方案存在对系统性能提升有限或计算复杂度过高等问题；

接着，分析了基于IMDD的短距离光通信系统中的损伤，包括DML非线性损伤、低调制带

宽光电器件的带宽受限效应、光纤色散及其相互作用等。搭建了传输80Gb/s四进制脉冲幅度

调制（QuaternaryPulseAmplitudeModulation，PAM-4）信号和传输80Gb/s不归零（Non-Return-

to-Zero，NRZ）信号的基于IMDD的短距离光通信系统实验和仿真平台，并在该平台上对传

统均衡算法的性能进行测试，为本文所设计的均衡方案提供对比数据。

2）为了克服传统非线性均衡器计算复杂度高、性能提升有限等问题，本文设计了基于线

性判别分析（LinearDiscriminantAnalysis，LDA）和基于多符号输出的特征简化Volterra均衡

方案，并分析对应方案的原理，通过基于IMDD的短距离光通信系统仿真和实验平台对所设

计的两种方案进行了可行性验证。其中，基于LDA的方案通过选择对系统性能提升贡献大的

特征降低计算复杂度，仿真和实验结果表明仅用30%的特征数量即可达到与传统Volterra均

衡器类似的均衡效果。基于多符号输出的方案通过优化Volterra的输入输出结构，减少对输入

高阶特征的重复计算，在获得相同数量级的误码率的条件下，所设计方案仅需传统Volterra均

衡器约33.4%的乘法次数和加法次数。

3）为解决神经网络均衡方案存在结构复杂难以在实际系统中应用的问题，本文提出采用

迁移学习思想降低基于神经网络均衡方案的训练复杂度。在此基础上，设计了基于简单全连

接深度神经网络、循环神经网络、门循环单元神经网络迁移的简化均衡方案，使用Adam自

适应优化算法合理调整神经网络中参数的学习率，并引入丢弃层减少出现过拟合现象的风险，

设计三种不同的微调方法实现神经网络迁移。通过基于IMDD的短距离光通信系统实验平台

对所设计的三种方案进行了验证；结果表明三种基于神经网络迁移的简化均衡方案分别仅需

要30%、35%、50%的训练序列长度和23.5%、28.2%、26.7%的迭代次数即可获得稳定的性

能，并且能够实现与传统基于神经网络的均衡方案几近相同的误码率性能。这些方案的设计，

为未来基于神经网络均衡器在短距离光通信系统中的应用提供一定的技术支持。

关键词：信号均衡、短距离光通信、特征构建、Volterra、迁移学习、神经网络

ABSTRACT

Withtheemergenceofvariousnewgrowingbusinesses,networkusershaveincreasinglyhigher

requirementsforinformationtransmissionrateandquality.Thiswillpose