Научные сотрудники лаборатории технологий фотоники и машинного обучения для сенсорных систем Физического факультета Новосибирского государственного университета (ЛабТФМО ФФ НГУ) разработали новый более эффективный подход компенсации нелинейных искажений сигнала при его распространении по волоконно-оптической линии связи для повышения качества передачи информации. Данное исследование вносит вклад в развитие алгоритмов цифровой обработки сигнала для оптических систем связи, но может быть применимо и в других областях нелинейной оптики. Работа выполнена в рамках деятельности Исследовательского центра в сфере искусственного интеллекта НГУ. Ее результаты опубликованы в журнале Journal of Lightwave Technology (ML-Assisted Particle Swarm Optimization of a Perturbation-Based Model for Nonlinearity Compensation in Optical Transmission Systems, https://ieeexplore.ieee.org/document/10737152).
— Глобальный трафик данных, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи, постоянно увеличивается приблизительно на десятки процентов в год. Одной из основных причин, ограничивающих пропускную способность и протяженность современных волоконно-оптических линий связи, являются нелинейные искажения сигнала. В настоящее время существует ряд подходов по компенсации нелинейных искажений, однако для практического использования алгоритмы должны быть одновременно достаточно точными, быстрыми и устойчивыми к различным помехам. Наше исследование заключается в разработке двухэтапной схемы компенсации нелинейных искажений, которая сочетает методы машинного обучения и стохастической оптимизации. Такая комбинация позволяет не только повысить точность компенсации, но и улучшить качество передачи данных за счет минимизации коэффициента битовых ошибок, что обычно не используется в подобных задачах, — рассказал инженер-исследователь лаборатории, магистрант 2 курса Механико-математического факультета НГУ Евгений Шевелев.
Большинство существующих алгоритмов цифровой обработки сигнала основаны на нелинейном уравнении Шредингера, которое описывает распространение оптического сигнала по волоконно-оптическим линиям связи. Один из ранее разработанных подходов основан на применении методов теории возмущений к нелинейному уравнению Шредингера и позволяет получить ценное соотношение, связывающее символы на передатчике с символами на приемнике. В подавляющем большинстве работ для нахождения коэффициентов возмущения используются градиентные методы, минимизирующие среднеквадратичное отклонение между символами. Однако основным параметром, характеризующим качество передачи информации, является коэффициент битовых ошибок, поведение которого отличается от среднеквадратичного отклонения.
Исследователи ЛабТФМО ФФ НГУ предложили модификацию данного подхода в виде двухэтапной схемы вычисления коэффициентов возмущения. На первом этапе коэффициенты вычисляются с помощью сверточной нейронной сети, минимизируя среднеквадратичное отклонение, а на втором найденное решение используется в качестве начального приближения для минимизации коэффициента ошибки с помощью метода роя частиц. Такая комбинация позволяет эффективнее компенсировать накопившиеся нелинейные искажения с прицелом на коэффициент битовых ошибок, что обычно в подобных задачах не используется.
— В численном эксперименте с помощью алгоритма компенсации искажений принятого сигнала на основе предложенной схемы нам удалось получить 0,8 дБ выигрыша по параметру «сигнал-шум» для линии длиной 20×100 км и 16QAM сигнала с канальной скоростью 267 Гбит/с. Показано улучшение точности алгоритма по сравнению с одноэтапной схемой, получены оценки вычислительной сложности алгоритма и продемонстрировано соотношение между его сложностью и точностью. Кроме того, мы разработали метод обучения коэффициентов возмущения без использования знания об идеальных символах на передатчике, что полезно для практической реализации, — пояснил Евгений Шевелев.
В статье, опубликованной в журнале Journal of Lightwave Technology, исследователи представили свои результаты, основанные на смоделированных данных распространения сигнала по оптическому каналу связи. В настоящее время они проверяют эффективность своего подхода на экспериментальных данных, которые были получены на лабораторном стенде и предоставлены индустриальным партнером ЛабТФМО ФФ НГУ — компанией «Т8» (t8.ru). Данная компания является ведущим разработчиком и производителем телекоммуникационного оборудования и решений для оптических систем связи. В случае благополучного прохождения проверки алгоритмы могут внедряться в коммерческое решение.
— Предложенная нами методология может быть применена в современных системах передачи данных для улучшения их пропускной способности и надежности. Это особенно актуально для операторов связи и разработчиков телекоммуникационного оборудования, стремящихся обеспечить стабильную связь в условиях растущего трафика данных. Кроме этого, в дальнейшем мы планируем подобные алгоритмы переносить для решения задач, связанных с обработкой данных от оптоволоконных распределенных сенсоров, в которых для распространения сигнала также используется оптическое волокно, — пояснил заведующий ЛабТФМО ФФ НГУ Алексей Редюк.
 (3).png)
