面向灵活光网络中调制格式识别的光神经网络设计与研究

发布时间：2020-06-06 06:54

【摘要】：近年来,信道带宽已成为限制光网络传输速率的重要因素。当前基于波长选择的光交叉连接(Optical Cross-Connects,OXC)能够通过切换波长来进行传输。然而,基于OXC的光网络效率受固定网格的限制,目前固定信道带宽为50GHz。因此,采用较小网格(12.5GHz)的灵活光网络可以有效地弥补固定网格的不足,提高光网络传输能力和频谱资源效率。在灵活光网络的实现中,调制格式是对频谱资源分配造成直接影响的重要因素。因此,将更快和更准确的调制格式识别(Modulation Format Recognition,MFR)引入灵活光网络将进一步提高传输速率,并带来一定的优势。例如,快速调制格式转换带来的节点路由和资源分配策略将变得更加准确,同时通过快速MFR可以更灵敏地优化灵活光网络中的多径传输资源。另外,快速调制格式识别能降低了网络功耗,有效提高了网络资源效率,同时保证了传输性能。传统的MFR方法主要包括决策理论和神经网络。基于决策理论的MFR具有步骤简单,精度低,信噪比高的特点。但是,它需要大量的先验知识作为支持,因此很难实时做出决策。另外,由于其较差的鲁棒性,很容易引起较大误判。随着神经网络技术的发展,它已被广泛应用于MFR,从而提高了准确率并提高了处理速度。然而,随着大数据时代数据量的急剧增加,传统中央处理器(CPU)的计算能力已无法满足需求。尽管目前已开发了许多计算硬件,包括现场可编程门阵列(FPGA),专用集成电路(ASIC)和图形处理单元(GPU),这些方案能提高计算速度,但它们的计算速度受到电子移动性的限制。由于光具有大带宽,高传输速度和低串扰的优点,因此能够克服传统电子计算硬件速度的瓶颈。因此,提出了一种采用光子信息处理的新方法,不仅可以提高MFR的速率,还可以保持高识别精度。这种方法是光子神经网络(Optical Neural Network,ONN),该方法通过主要在由马赫增德尔干涉仪(Mech-Zender Interferences,MZI)集成的光学片上平台实现矩阵乘法。在本文当中,对四种信号2PSK,2ASK,4PSK,4FSK进行调制格式识别,在OdB的情况下总体识别率能达到96%,整体识别率较高。同时,对于该方法进行理论上的分析,传输时间仅受物理尺寸,色散分量的光谱带宽(THz)和光电检测率(100GHz)的限制。因此,ONN与CPU的频率(3-5GHz)相比提升两至三个数量级。如果该芯片的长度为10cm,通过计算可得波导的散射损耗为3dB,也就是说整个芯片的损失将约为50%。但与传统神经网络相比,ONN的能耗要比之小好几个数量级。在这之后,对于此方法进行了一些改进,如矩阵分解方式,新的神经网络训练特征参数等,并考虑将ONN运用于更多情景之下。总而言之,该方法具有识别率高,识别速度快,能耗低的特点。此文中ONN还具有处理许多模式识别问题的潜力。
【图文】：

波分复用系统,点对点,信道,光网络

２．１逦灵活光网络逡逑２．１．１光网络的演进过程逡逑在全球网络格局发展的过程当中，光网络起到了重要的作用。在光网络发展逡逑的过程当中，光网络体系架构主要经历了四个阶段：１．单波长同步数字光网络，２．逡逑端对端的波分复用光网络，３．静态地波长路由阶段，４．动态波长路由阶段。在这个逡逑过程当中，波分复用技术和正交频分复用技术的出现是两个重要的坐标，前者标逡逑志着光网络正式成形，后者标志着进入灵活光网络阶段。在具体的网络整体发展逡逑过程当中，可以分为：１．光介质网络，２．光传播网络，３．全光网络。逡逑为解决网络带宽不够用的问题，波分复用技术应运而生。多波长速率传输的逡逑光网络利用其波分复用的方法，从而解决了单波长传输的限制问题。但在早期，，逡逑通过光纤进行点对点连接的光网络不能避免传输过程中的光电转化。随着数据量逡逑和设备数量的增加，光电转化带来的延时不可避免地影响到传输效率。全光交换逡逑器件的出现解决了此问题。图２－１是点对点波分复用系统。逡逑终端逦终端逡逑

基本架构,光交叉连接,信号

图２－４光交叉连接技术的基本架构ｔ１７］逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1;TP183

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