科研速递

　　上海交通大学电子工程系义理林教授课题组(LIFE，Laboratory of intelligent fiber ecosystem)提出了基于条件生成对抗网络(GAN)的光纤信道建模方案，实现了千公里单波光纤通信信道的快速精准波形建模，运行时间小于0.1s。相关成果以“Fast and Accurate Optical Fiber Channel Modeling Using Generative Adversarial Network”为题于2020年11月发表于国际光学期刊《Journal of Lightwave Technology》，博士生杨航为第一作者。

研究背景

　　光纤信道建模对光纤通信系统的设计和优化具有重要意义，能够帮助科研人员对通信算法进行快速验证，打破硬件条件的制约。在已有的光纤信道建模方法中，传统的光纤传输仿真方法为分布式傅里叶算法(SSFM)，这一方法比较精确但是计算复杂度高，此外还有高斯噪声模型 (GN model)，该模型运行复杂度低但是仅能预测系统的SNR性能，无法精确建模信道效应，因此，研究如何进行快速、精准的光纤信道建模具有重要意义。

研究路径

　　课题组采用人工智能技术路线，有别于传统的模型驱动思想，探索利用实现数据驱动的信道建模方法，通过训练人工神经网络自主从信道输入-输出数据中学习信道特征，实现对信道传输函数的拟合。

　　基于已有的相关研究工作、再对不同网络模型进行了比较分析，确定了条件生成式对抗网络(CGAN)作为光纤信道建模的网络模型，网络结构示意图如图1(a)所示，生成器(Generator)用于拟合信道的转移概率分布，同时考虑到产生的信道效应与输入信号本身存在相关性，将输入信号作为条件与随机噪声一起输入网络进行训练。基于GAN模型的传输系统结构如图1b所示，不同于SSFM的迭代式建模，GAN方案采用一个生成器网络对整个传输链路中的各种信道效应进行整体性建模，大大降低了计算复杂度。

(a) GAN结构图

(b)基于GAN的仿真光纤传输系统

图1 GAN建模方案

研究成果

　　不同信道条件下的建模结果如图2所示，图2(a)的结果显示GAN与SSFM建模的时域波形具有高度一致性，证明了GAN模型建模的精确性。图2(b)对比了SSFM、GAN、BP-DNN三种方案在50km,10dBm的高非线性条件下输出信号经色散补偿后的星座图，GAN与SSFM星座图具有非常相似的非线性相位旋转，证明了GAN建模非线性的能力，而BP-DNN则不能很好地学习到非线性特征。测试结果显示GAN同样具有对不同条件的泛化能力，图3对比了不同入纤功率、不同调制格式下SSFM与GAN输出信号经DBP处理的星座图，图中设置的测试条件均未在训练数据集出现，相似的星座图证明了模型对功率及调制格式的泛化能力。

(a) GAN与SSFM不同场景建模时域波形比较

(b) GAN、SSFM、BP-DNN在50km10dBm条件输出星座图比较

图2 GAN建模效果展示

(a) GAN与SSFM对不同功率泛化结果星座图(DBP之后)比较

(b) GAN与SSFM对不同调制格式泛化结果星座图(DBP之后)比较

图3 GAN模型泛化性能展示

　　在验证了模型建模精确性及泛化性能的基础上，进一步比较了GAN与SSFM的复杂度，以说明本方案在降低复杂度方面的显著优势。首先对计算复杂度进行了理论计算，两种方案的复杂度随传输距离增加都成线性增长，但GAN计算复杂度明显低于SSFM，在1000km条件下复杂度仅为SSFM的2%，实现98%的复杂度优化。我们还测量了SSFM与GAN在GPU与CPU下的运行时间，从传输距离及传输数据量角度进行了比较，结果如图4所示，由结果可知相同条件下GAN的运行耗时相比SSFM均大幅降低，进行1000km传输使用SSFM在CPU及GPU分别需400秒和78秒，而使用GAN仅需小于1秒的时间。

图4 GAN与SSFM在不同传输距离及数据量条件下运行时间比较

　　GAN建模方案相较传统的数值仿真迭代方案大幅降低了复杂度及运行时间，而相比于其它简化模型又能够很好地学习捕捉信道特征，实现了对单通道进行快速、精准建模的目标，此外，模型还具有不同信号功率、调制格式的泛化能力，是建模光纤信道的理想选择。这项工作有利于推进光纤通信系统的研究，加快系统优化进程，还能够与其它人工智能的通信优化算法结合使用。

　　本工作证明了使用条件GAN的对抗式学习是一种很好的光纤信道建模方法，具有更低的计算复杂度和更短的运行时间。在1000km光纤传输中，乘法数仅为SSFM的2%。在(1000km，0dBm)处，归一化MSE为0.00925，远低于归一化MSE的上限。GAN在发射功率、调制格式和数据分布方面也具有良好的泛化能力，提供了灵活性和通用性信道建模方案。

　　论文全文：https://ieeexplore.ieee.org/document/9259043

　　https://arxiv.org/abs/2002.12648