一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别方法及系统

1.本发明涉及一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别方法及系统，属于光通信技术领域。


背景技术：

2.近些年来，光纤通信网络因受到不断增长的用户数量和急剧增加的互联网业务带宽需求的刺激，得到了快速发展；为了满足持续增加的数据业务带宽需求，光网络的能力一直稳步增长，光纤通信系统的网络架构正朝着复杂化、透明化、动态化的方向发展，传输速率和传输距离也在不断增加，并且支持多种调制格式混合传输；其中，对于动态网络中的各种信道损伤的实时估计，即光网络性能监测技术，能够持续且实时监测各种光网络性能参数，从而监测光网络物理层传输状态；弹性光网络依赖光网络性能监测及时了解网络状态，并自适应调整各种网络参数，例如调制格式、数据速率、频谱规划、前向纠错码等，并要求能够在接收端自动识别发送信号的调制格式；因为接收机的解调算法与信号调制格式相关，在相干接收机中识别出信号的调制格式，对于盲均衡阶段选择合适的载波恢复模块很有必要，并且，信号的调制格式信息可以帮助选择合适的光信噪比、色散、偏振模色散监测技术；所以调制格式识别对弹性光网络中的性能监测至关重要，可使得光性能监测更加智能化，实现调制格式透明，场景广泛，大大提升光网络系统的性能。
3.弹性光通信网络中，不同数据、语音和视频传输业务有不同的带宽、速率和传输距离需求，因此光信号采用不同的码元速率和调制格式去满足不同的需求。由于弹性光通信网络同时存在多种调制格式和码元速率的光信号，很难保证到达特定接收机的光信号是一个提前知道调制格式和码元速率的光信号；因此，如何实现动态弹性光网络中多维度复用信号调制格式的自动识别，是一个备受关注的领域。
4.传统的调制格式识别往往需要根据接收信号的频谱特性、时域波形等特征进行人为地主观判定，造成效率低、精度差、速度慢的结果；目前实际中常用的调制格式识别方法，有基于似然函数和基于信号特征的两种；然而基于似然函数的方法运算量过大，不适用于现代光网络，并且大多数基于信号特征的方法，其信号特征都容易受到传输信道中放大器自发辐射噪声、光学非线性、模式色散等各种干扰因素的影响，使得信号特征不明显，导致算法的识别准确率下降；如何在复杂化动态化的光网络中快速高效地识别接收信号的调制格式，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别方法及系统，能在一定程度上容忍信道中相位偏移、载波频偏、偏振相关损耗等光纤信道的干扰，抗干扰性强，实现对多维度复用光信号调制格式的快速高精度识别，实现对光纤通信系统的光性能监测。
6.为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供了一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别方法，包括：
8.获取待识别光信号并对其进行预处理，得到预处理光信号；
9.将预处理光信号进行分光处理，得到两路偏振信号；
10.将两路偏振信号进行斯托克斯映射，得到斯托克斯矢量；
11.将斯托克斯矢量输入到预训练好的可编码生成对抗网络中，得到光信号的调制格式识别结果。
12.结合第一方面，进一步的，对待识别光信号进行预处理的方法包括：
13.对待识别光信号进行色散补偿、时钟恢复和cma均衡，得到预处理光信号。
14.结合第一方面，进一步的，将预处理光信号进行分光处理的方法包括：
15.发出指令将预处理光信号分离成两路后与本地振荡产生的两路偏振光在两个90
°
光学混频器中进行混频，再通过数模转换得到两路偏振信号。
16.结合第一方面，进一步的，将两路偏振信号进行斯托克斯映射的方法包括：
[0017][0018]
其中，e
x
和ey分别代表x路和y路的偏振信号，和分别表示e
x
和ey的共轭，是斯托克斯矢量，s0和s1分别表示两路偏振信号的总功率和能量差，s2和s3分别表示45
°
线偏振光和圆偏振光，a
x
和ay分别表示两路偏振信号的幅值，ф表示两路偏振信号的相位差，j为虚数。
[0019]
结合第一方面，进一步的，所述可编码生成对抗网络的构建方法包括：
[0020]
将生成对抗网络中判别器的输出分为两部分，其中一部分是编码向量，将编码向量和噪声向量的均方误差分别添加到生成器和判别器的损失中，在判别器的输出部分加入分类器，得到可编码生成对抗网络。
[0021]
结合第一方面，进一步的，训练所述可编码生成对抗网络的方法包括：
[0022]
获取样本数据和噪声数据，所述样本数据包括各类调制格式的光信号，通过样本数据和噪声数据对可编码生成对抗网络进行训练。
[0023]
第二方面，本发明还提供了一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别系统，包括：
[0024]
预处理模块：用于获取待识别光信号并对其进行预处理，得到预处理光信号；
[0025]
分光模块：用于将预处理光信号进行分光处理，得到两路偏振信号；
[0026]
映射模块：用于将两路偏振信号进行斯托克斯映射，得到斯托克斯矢量；
[0027]
识别模块：用于将斯托克斯矢量输入到预训练好的可编码生成对抗网络中，得到光信号的调制格式识别结果。
[0028]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0029]
本发明提供的一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别方法及系统，
对获取到的待识别光信号进行预处理得到预处理光信号，并进一步对预处理光信号进行分光处理和斯托克斯映射得到斯托克斯映射矢量，再将斯托克斯映射矢量作为预训练好的可编码生成对抗网络的输入从而得到调制格式识别结果，在斯托克斯映射过程中只涉及到两路偏振信号的幅值和相位差，因此得到的斯托克斯映射矢量能在一定程度上容忍相位偏移、载波频偏、偏振相关损耗等光纤信道的干扰，是分类性能优越的信号特征，斯托克斯映射矢量对偏振混合、载波频偏和相位偏移等损耗不敏感，能够在一定程度上避免信道中偏振混合、载波频偏和相位偏移对光信号传输质量的影响；同时，使用具有编码功能的生成对抗网络，其中的编码器和判别器共享大部分权重，使得判别器也能够提取到真实图像的主要信息，具备良好的鲁棒性，实现对光信号调制格式的高精度识别；
[0030]
斯托克斯映射的映射规则基本上是在相对的互极化信号功率和相位差的基础上运行的，因此变换后的斯托克斯映射矢量与偏振混合、载波频偏及相位偏移无关，能够更好地反映信号特征；
[0031]
在斯托克斯映射的过程中，信号的振幅和相对相位保持不变，相位噪声和频率偏移消失，斯托克斯空间中信号的可视化三维星座图与相位噪声和频率偏移无关，所以两路偏振信号在通过斯托克斯映射后的斯托克斯矢量能够很好的作为光信号的分类特征进行处理，作为预训练好的可编码生成对抗网络的输入，提高复杂格式解析的准确度。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例提供的一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别方法的流程图；
[0033]
图2是本发明实施例提供的bpsk调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图；
[0034]
图3是本发明实施例提供的qpsk调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图；
[0035]
图4是本发明实施例提供的8psk调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图；
[0036]
图5是本发明实施例提供的8qam调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图；
[0037]
图6是本发明实施例提供的12qam调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图；
[0038]
图7是本发明实施例提供的16qam调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图；
[0039]
图8是本发明实施例提供的可编码生成对抗网络的结构图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0041]
实施例1
[0042]
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格
式识别方法，包括：
[0043]
s1、获取待识别光信号并对其进行预处理，得到预处理光信号。
[0044]
获取待识别光信号，在待识别光信号的调制格式识别之前，先对待识别光信号进行预处理，所述预处理包括光纤信道的色散补偿、信号的时钟恢复以及cma均衡等。
[0045]
s2、将预处理光信号进行分光处理，得到两路偏振信号。
[0046]
发出指令将预处理光信号进行分光处理，在偏振复用的相干光通信系统中，接收端的相干接收机先利用偏振分光器将在光纤中传输的偏振光信号(预处理光信号)分离成两路，同时与本地振荡产生的两路偏振光在两个90
°
光学混频器中进行混频，分别得到i
x
、q
x
、iy、qy四路信号，通过数模转换，加上虚部i就得了x路的偏振信号e
x
，和y路的偏振信号ey。
[0047]
s3、将两路偏振信号进行斯托克斯映射，得到斯托克斯矢量。
[0048]
将两路偏振信号进行斯托克斯映射的方法包括：
[0049][0050]
其中，e
x
和ey分别代表x路和y路的偏振信号，和分别表示e
x
和ey的共轭，是斯托克斯矢量，s0和s1分别表示两路偏振信号的总功率和能量差，s2和s3分别表示45
°
线偏振光和圆偏振光，a
x
和ay分别表示两路偏振信号的幅值，ф表示两路偏振信号的相位差，j为虚数。
[0051]
该映射规则基本上是在相对的互极化信号功率和相位差的基础上运行的。因此，变换后的信号与偏振混合、载波频偏和相位偏移无关，可以很好地反映信号特征；这个四维的斯托克斯矢量在功率归一化之后，可以在庞迦莱球中实现可视化，验证了该高维信息作为信号的分类特征的可行性。
[0052]
图2是本发明实施例提供的bpsk调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图，bpsk调制格式信号在星座图上有两个星座点，经过斯托克斯映射之后在斯托克斯空间上有两个聚类分布。
[0053]
图3是本发明实施例提供的qpsk调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图，qpsk调制格式信号在星座图上有4个星座点，经过斯托克斯映射之后在斯托克斯空间上有4个聚类分布。
[0054]
图4是本发明实施例提供的8psk调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图，8psk调制格式信号在星座图上有8个星座点，经过斯托克斯映射之后在斯托克斯空间上有8个聚类分布。
[0055]
图5是本发明实施例提供的8qam调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图，8qam调制格式信号在星座图上有8个星座点，经过斯托克斯映射之后在斯托克斯空间上有16个聚类分布。
[0056]
图6是本发明实施例提供的12qam调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图，12qam调制格式信号在星座图上有12个星座点，经过斯托克斯映射之后在斯托克斯空间上有32个聚类分布。
[0057]
图7是本发明实施例提供的16qam调制格式信号在斯托克斯空间中的聚类分布和星座图，16qam调制格式信号在星座图上有16个星座点，经过斯托克斯映射之后在斯托克斯空间上有60个聚类分布。
[0058]
在映射的过程当中，信号的振幅和相对相位保持不变，相位噪声和频率偏移消失，斯托克斯空间中信号的可视化三维星座图与相位噪声和频率偏移无关。所以信息(两路偏振信号)在通过映射之后的高维斯托克斯矢量可以很好的作为信号的分类特征进行处理，作为预训练好的可编码生成对抗网络的输入，提高复杂格式解析的准确度。
[0059]
s4、将斯托克斯矢量输入到预训练好的可编码生成对抗网络中，得到光信号的调制格式识别结果。
[0060]
本发明实施例提供的可编码生成对抗网络，其结构如图8所示，通过对判别器的结果进行调整并将编码向量mse和噪声数据z的均方误差分别添加到生成器和判别器的损失中得到，还包括网络参数微整的步骤和将各类调制格式的斯托克斯参量及标签输入编码器的步骤。
[0061]
本发明实施例提供的可编码生成对抗网络，其结构如图8所示，包括判别器和分类器，分类器在判别器的输出部分；判别器中加入了编码器e。
[0062]
将判别器的结果调整为：将判别器的输出分为两个部分，一部分是输出一个标量用来判别真假，另一部分用来输出一个向量作为编码向量，编码向量表示为mse(z，e(g(z)))；学习到输入样本的隐含特征，将样本信息提取特征成为一个向量，称之为编码，同时用学习到的新特征经过深度学习算法重构出原始输入数据，称之为解码。
[0063]
生成对抗网络中的判别器可以提取真实数据和生成数据的特征，如果在生成数据的过程中在判别器的输出部分加入了分类器模块，就可以在模式分类任务中体现出独到的优势。
[0064]
生成对抗网络的功能之一是数据生成，训练好的生成对抗网络可以利用生成器把噪声数据转换成真实数据，判别器的作用仅仅是判别输入数据的真假，训练好生成器g之后判别器就弃之不用了，造成资源的浪费；为了增加判别器的特征提取能力，将编码器引入判别器，使得编码器是判别器的一部分，生成器可以生成数据的同时起到解码器的作用；提取训练好的生成对抗网络中的编码器结构微调可以实现模式分类。
[0065]
将编码向量和噪声数据的均方误差分别添加到生成器和判别器的损失中，可以使得生成器拥有同时对生成数据和真实数据进行解码的功能，使得判别器提取到真实数据和生成数据的主要特征，保证编码器的编码功能和生成器的解码功能；本发明所提出的生成对抗网络，充分利用判别器的结构以实现编码功能，编码器和判别器共享大部分权重，使得判别器提取到生成数据的主要信息，让编码向量与判别器判别数据真假的标量作为并列的两个部分同时加以优化。
[0066]
本发明实施例还提供了一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别通信系统，在光纤通信网络的发射端，我们可以根据用户的需求和信道的状况，动态地改变传输信号的调制格式、传输速率等参数，合理配置系统资源，达到效率最大化。
[0067]
发射端传输数据时，将要传输的信息借助iq调制器加载到两路偏振光的i路和q路上，利用合束器将复用光耦合进少模光纤进行数据的传输。
[0068]
在信号的接收端，将信号光和本振光送入相干接收机解调，相干接收机完成偏振
解复用并经过数模转换器adc把模拟信号转换成数字信号进入dsp进行信号的后续处理。
[0069]
在光信号的调制格式识别之前，可以先进行一系列的简单处理，比如光纤信道的色散补偿、信号的时钟恢复以及cma均衡等；之后就进入复杂格式解析阶段，先对信号做一个功率归一化的预处理，再通过斯托克斯公式进行映射，输入进生成对抗网络中，生成对抗网络中的判别器提取输入信号的主要特征，由分类器给出最终的调制格式识别结果；得到信号调制格式信息的情况下，就可以根据不同的调制格式，选择不同的算法对信号进行mma均衡、频偏补偿、载波相位恢复以及信号解调等操作。
[0070]
实施例2
[0071]
本发明实施例提供的一种基于可编码生成对抗网络的光信号调制格式识别系统，包括：
[0072]
预处理模块：用于获取待识别光信号并对其进行预处理，得到预处理光信号；
[0073]
分光模块：用于将预处理光信号进行分光处理，得到两路偏振信号；
[0074]
映射模块：用于将两路偏振信号进行斯托克斯映射，得到斯托克斯矢量；
[0075]
识别模块：用于将斯托克斯矢量输入到预训练好的可编码生成对抗网络中，得到光信号的调制格式识别结果。
[0076]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0077]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0078]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0079]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0080]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。