機(jī)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(jì)自動(dòng)化

引言
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(shí)。本文探討了機(jī)器學(xué)習(xí)如何改進(jìn)功率和GSNR估算[1]。

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7 S% O& e+ U9 K" m系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)集生成
MB-EONs中廣義信噪比(GSNR)分布的估算受多個(gè)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(jì)算量大，不適合實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)管理。機(jī)器學(xué)習(xí)方法在這方面提供了高效解決方案。
+ s2 O' i$ x) n) k- }
該機(jī)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

跨段長(zhǎng)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
- C* q0 v, R: p' Q+ ?+ I[/ol]
  S  n$ j6 k% V% p! B' J4 }5 c' K特征選擇和模型架構(gòu)
對(duì)于功率估算，考慮以下關(guān)鍵特征：

( d9 A; B8 l) P( S( [7 r! A3 M9 J
$ c8 Q) p; o8 g+ \" _+ W機(jī)器學(xué)習(xí)輔助功率估算的特征包括跨段長(zhǎng)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(dòng)百分比。
" V5 d" @1 T( c$ I* O1 T. Z' j
對(duì)于GSNR估算，還需考慮額外特征：

GSNR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。
4 s( X( l/ Y, x; ^2 d+ e4 z9 C
研究實(shí)現(xiàn)了三種機(jī)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

% A+ d- z7 d. _* S& R: S" x9 S1 d圖1：機(jī)器學(xué)習(xí)模型性能對(duì)比，顯示(a)功率絕對(duì)誤差直方圖，(b)功率絕對(duì)誤差累積分布函數(shù)，(c)GSNR絕對(duì)誤差直方圖，(d)不同機(jī)器學(xué)習(xí)模型的GSNR絕對(duì)誤差累積分布函數(shù)。

結(jié)果顯示所有模型都具有顯著的精確度，其中GB模型達(dá)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(jì)算時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)的。

功率優(yōu)化實(shí)現(xiàn)
$ w7 `) z" m8 c, s在功率優(yōu)化場(chǎng)景中，機(jī)器學(xué)習(xí)模型顯示出優(yōu)異結(jié)果：


! m- o/ N2 x6 {) z/ r' A8 d2 n5 }1 ]+ R優(yōu)化結(jié)果表明，機(jī)器學(xué)習(xí)方法達(dá)到與分析方法幾乎相同的最優(yōu)功率水平，同時(shí)計(jì)算時(shí)間減少25-50倍。例如，對(duì)于100公里跨段，分析方法需要150.94秒，而最快的機(jī)器學(xué)習(xí)模型(NN1)僅需2.92秒。
6 a# w8 v1 W8 r9 b5 b8 W
技術(shù)規(guī)格和模型參數(shù)
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)使用以下具體參數(shù)：
' @  g+ Z) F) ?. ~$ N& p

符號(hào)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(hù)帶寬：400 GHz

: D- ?. r4 E, }數(shù)據(jù)集生成過程創(chuàng)建了2,500個(gè)不同場(chǎng)景，產(chǎn)生400,000個(gè)樣本（2,500×160信道）。去除空閑信道后，剩余300,700個(gè)活動(dòng)樣本。數(shù)據(jù)分配為80%用于訓(xùn)練，20%用于測(cè)試，訓(xùn)練集的20%用于使用5折交叉驗(yàn)證的驗(yàn)證。
* g9 i) V, j5 l3 S
# Q* U* O2 O: D: E/ u) u. p- Z* U6 S結(jié)論
機(jī)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(jì)器

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

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

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

功率的NN2：兩個(gè)500神經(jīng)元層，使用ReLU激活函數(shù)

- d  n. ^1 M& P. `& \$ ~1 s機(jī)器學(xué)習(xí)輔助方法在光網(wǎng)絡(luò)管理中取得重要進(jìn)展，提供實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和管理提供快速的QoT估算。
: q, `5 [6 y8 P. `" A0 m6 }
參考文獻(xiàn)
" R( g: O0 k' K' Z2 E2 J7 t% u5 }[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.

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