機器學(xué)習(xí)輔助的下一代光網(wǎng)絡(luò)功率和GSNR估算

逍遙設(shè)計自動化

引言
4 ^% Q+ i& a, e" w' B& P6 t0 z多頻帶彈性光網(wǎng)絡(luò)(MB-EONs)代表著光通信的新發(fā)展方向，提供了高帶寬和靈活性。這些系統(tǒng)在快速估算傳輸質(zhì)量(QoT)方面面臨挑戰(zhàn)，特別是在處理信道間受激拉曼散射等復(fù)雜現(xiàn)象時。本文探討了機器學(xué)習(xí)如何改進功率和GSNR估算[1]。

4 t5 B( x4 k0 x! y/ x% [4 |) [
系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)集生成
3 p) J" C/ Z; A' N2 sMB-EONs中廣義信噪比(GSNR)分布的估算受多個因素影響，包括鏈路負(fù)載狀態(tài)、調(diào)制格式、發(fā)射功率和信道帶寬。傳統(tǒng)分析方法雖然準(zhǔn)確，但計算量大，不適合實時網(wǎng)絡(luò)管理。機器學(xué)習(xí)方法在這方面提供了高效解決方案。
. N% I5 l, `4 t4 e/ {9 Q7 r* q# V9 _
該機器學(xué)習(xí)方法從全面的數(shù)據(jù)集生成開始。訓(xùn)練數(shù)據(jù)包含多種網(wǎng)絡(luò)配置，考慮四個關(guān)鍵參數(shù)：

跨段長度：40-100公里（10公里間隔）

發(fā)射功率：-5至5 dBm（0.1 dBm間隔）

負(fù)載因子：50-100%（10%間隔）

調(diào)制格式基數(shù)：1-6
& _1 v/ w& s' i* Y1 F[/ol]
特征選擇和模型架構(gòu)
對于功率估算，考慮以下關(guān)鍵特征：
. Q% d+ @0 c3 V/ u
4 ~- E' _# g0 \% g/ A) A
* S, P( R" A4 a1 n1 @% n% g1 q機器學(xué)習(xí)輔助功率估算的特征包括跨段長度、信道發(fā)射功率、總發(fā)射功率、信道位置和各種信道活動百分比。
3 Z! J2 u+ ]7 I- L, M3 d$ d
' D8 |4 R' d2 e# C對于GSNR估算，還需考慮額外特征：
# A% `9 y! W; o6 @+ [8 x: |
1 R! s8 }) g4 t# q0 zGSNR估算特征包括所有功率估算特征，以及調(diào)制格式信息和跨段末端信道功率。

+ `0 \8 Y" ~5 V( ]6 ~+ G9 y研究實現(xiàn)了三種機器學(xué)習(xí)模型：

梯度提升(GB)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1(NN1) - 單隱藏層

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2(NN2) - 雙隱藏層
[/ol]
結(jié)果和性能分析

圖1：機器學(xué)習(xí)模型性能對比，顯示(a)功率絕對誤差直方圖，(b)功率絕對誤差累積分布函數(shù)，(c)GSNR絕對誤差直方圖，(d)不同機器學(xué)習(xí)模型的GSNR絕對誤差累積分布函數(shù)。
* L3 v/ J& n3 C& _- L- A5 e
8 S) z" K. a1 Q結(jié)果顯示所有模型都具有顯著的精確度，其中GB模型達到最高精度。在功率估算方面，99%的樣本誤差低于0.04 dB，而GSNR估算誤差在99%的情況下保持在0.1 dB以下。與傳統(tǒng)分析方法相比，這種精度是在大幅減少計算時間的情況下實現(xiàn)的。
( W+ u( K& a& G* ]& ~9 w
4 z1 u# X% J" q2 Y, O1 ~功率優(yōu)化實現(xiàn)
在功率優(yōu)化場景中，機器學(xué)習(xí)模型顯示出優(yōu)異結(jié)果：

( C: F$ B4 ?1 \: s% g# H/ b8 A
優(yōu)化結(jié)果表明，機器學(xué)習(xí)方法達到與分析方法幾乎相同的最優(yōu)功率水平，同時計算時間減少25-50倍。例如，對于100公里跨段，分析方法需要150.94秒，而最快的機器學(xué)習(xí)模型(NN1)僅需2.92秒。

: E' k$ m" m, C* k+ R技術(shù)規(guī)格和模型參數(shù)
7 g% Y7 a! M( a5 v9 M6 d5 @* @' r$ r系統(tǒng)實現(xiàn)使用以下具體參數(shù)：

符號率：64 GBaud

滾降因子：0.05

帶寬：C+L波段共12 THz

信道間隔：75 GHz

C波段和L波段之間的保護帶寬：400 GHz
# j: p' [( y! R% |: j$ G
數(shù)據(jù)集生成過程創(chuàng)建了2,500個不同場景，產(chǎn)生400,000個樣本（2,500×160信道）。去除空閑信道后，剩余300,700個活動樣本。數(shù)據(jù)分配為80%用于訓(xùn)練，20%用于測試，訓(xùn)練集的20%用于使用5折交叉驗證的驗證。
( e0 @& `# p# c: g
3 V/ I' z) e7 r" R結(jié)論
機器學(xué)習(xí)模型的超參數(shù)經(jīng)過精心調(diào)整：

GB模型：0.1子采樣，0.01學(xué)習(xí)率，10最大深度，15,000估計器

GSNR的NN1：一個500神經(jīng)元層，使用ReLU激活函數(shù)

GSNR的NN2：兩個500神經(jīng)元層，使用ReLU激活函數(shù)

功率的NN1：一個1000神經(jīng)元層，使用Tanh激活函數(shù)

功率的NN2：兩個500神經(jīng)元層，使用ReLU激活函數(shù)
9 O* n! q5 N% W$ v
機器學(xué)習(xí)輔助方法在光網(wǎng)絡(luò)管理中取得重要進展，提供實時性能且保持高精度。這些模型可以輕松集成到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，為動態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和管理提供快速的QoT估算。
, z' L, A; Y: d6 U5 ~
參考文獻
[1] K. Ghodsifar, F. Arpanaei, H. Beyranvand, M. Ranjbar Zefreh, C. Natalino, P. Monti, S. Yan, ó. González de Dios, J. M. Rivas-Moscoso, J. P. Fernández-Palacios, A. Sánchez-Macián, D. Larrabeiti, and J. A. Hernández, "ML-Assisted Optimal Power and GSNR Estimation in Multi-band Elastic Optical Networks," in 2024 24th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2024, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICTON62926.2024.10647400.

END
3 \# F6 {2 d' C6 D

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
8 k3 Y! I! U- V% E' m& P點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

+ D7 c+ L; m4 e% a; R! q歡迎轉(zhuǎn)載
2 S. i3 D& S# }2 Z, Q6 O
+ H( L3 O6 b# \" H+ p2 C% D轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

, M. T" T9 c, p. v! H0 n
% Z2 Y: k( X" Z/ @# _. q9 C


% @5 a4 ?/ n6 u) T+ i關(guān)注我們

; i- q: C. }2 ]* M: V( r) y

                     
" E% ?* J. E. J* l+ D% ]) X: m% n


0 @% [+ F6 u5 ?: ?! s* a1 S, p; J, ~關(guān)于我們：
: ^, W1 l9 Q5 R深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

( r! W$ O; K  X9 T) z% [3 qhttp://www.latitudeda.com/
' d& x1 g0 D+ X& a1 P1 H7 u7 m（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）