陳 曉

（河南大學(xué) 歐亞國際學(xué)院，河南 開封 475000）

0 引 言

隨著全球信息化的到來，大量新型產(chǎn)業(yè)如云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在信息化浪潮的推動(dòng)下迅速發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)流量需求不斷增加，使得如何存儲(chǔ)與傳輸大量數(shù)據(jù)成為信息通信發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題，人們?cè)诎l(fā)展過程中對(duì)于光纖技術(shù)的要求也越來越高。為了追求超大容量、超高速率以及超長距離的目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，信道分布變得更緊湊，各種信號(hào)損傷加劇，使得光纖通信系統(tǒng)及光網(wǎng)絡(luò)的可靠性降低。光單邊帶傳輸系統(tǒng)中的信號(hào)會(huì)受到的損傷大致可以分為線性損傷與非線性損傷，其中非線性損傷是限制傳輸系統(tǒng)性能的重要因素[1]。由于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)具有出色的處理非線性問題與抽象問題的能力，因此常使用其模型來補(bǔ)償信道中的非線性損傷，以提高系統(tǒng)的傳輸性能。已有研究表明，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法如K-means和DBSCAN等在預(yù)均衡、后均衡以及相位糾正等方面均有很好的表現(xiàn)，而深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則因?yàn)槠鋸?qiáng)大的非線性擬合能力能夠更進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能[2]。

1 機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，涉及概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、凸分析以及算法復(fù)雜度理論等[3]。機(jī)器學(xué)習(xí)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，專門研究計(jì)算機(jī)怎樣模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，使用算法解析數(shù)據(jù)以獲取某種技能或者是掌握某種知識(shí)，歸納和綜合已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，改善自身的性能，使得機(jī)器能夠自我學(xué)習(xí)問題?；诖罅繑?shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)測(cè)或做出判斷的機(jī)器學(xué)習(xí)功能是十分強(qiáng)大的，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在人工智能的諸多領(lǐng)域，如搜索引擎、計(jì)算機(jī)視覺、生物特征識(shí)別、語音以及手寫識(shí)別等方面。蘋果手機(jī)IOS系統(tǒng)自帶的Siri功能就是日常生活中較為常見的一種機(jī)器學(xué)習(xí)，它主要是將各種學(xué)習(xí)方法結(jié)合起來，具有取長補(bǔ)短的功能，能不斷擴(kuò)大各種學(xué)習(xí)的應(yīng)用范圍，目前已經(jīng)有了較好的發(fā)展前景。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括線性回歸算法、K-最近鄰算法（K-Nearest Neighbor，KNN）、隨機(jī)森林算法、K-means聚類算法、DBSCAN聚類算法、深度學(xué)習(xí)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一門重要的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，基于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展從神經(jīng)元開始。隨后科學(xué)家Rosenblatt提出了單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（也稱為感知器）可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性分類。Rumelhar和Hinton等人提出了Error Back Propagation算法，解決了復(fù)雜計(jì)算量問題，使得雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（也稱為多層感知器）得到推廣。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程如圖1所示。多層感知器由兩個(gè)線性分類任務(wù)結(jié)合就可以做非線性分類任務(wù)，且具有非常好的非線性分類效果。2006年，Hinton提出了增加預(yù)訓(xùn)練的過程，再使用微調(diào)技術(shù)來對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練。深度學(xué)習(xí)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并對(duì)其進(jìn)行更新。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程

2 光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)

光通信是利用光波作為載體傳輸信息的所有通信方式的總稱，光纖通信利用光纖作為媒質(zhì)來傳送信息，屬于光通信的一種。光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要改革，為通信行業(yè)發(fā)展帶來了不可估量的作用，無論是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還是廣播電視信號(hào)都是通過光纖通信進(jìn)行建設(shè)，帶動(dòng)了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)也為人們的生產(chǎn)和生活帶來了便捷。光纖通信發(fā)展速度極快，從提出理論到技術(shù)實(shí)現(xiàn)，再到今天的高速光纖通信也不過幾十年的時(shí)間[4]。在發(fā)展過程中，采用波分復(fù)用技術(shù)提高單個(gè)波長信道比特率，采用光放大技術(shù)提高傳輸距離，采用電的時(shí)分復(fù)用提高單波長的傳輸效率，采用DWDM技術(shù)提高單根光纖的傳輸容量。目前，光纖通信憑借著容量大、傳輸速度快、耗時(shí)少、傳輸距離遠(yuǎn)、能耗低以及保密性好等優(yōu)越性能及強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，很快代替了傳統(tǒng)銅線電纜通信，成為了電信網(wǎng)中的重要傳輸手段。

2.1 大容量、傳輸速度快

為了滿足網(wǎng)絡(luò)需求爆發(fā)式的增長，發(fā)展大容量且傳輸速度快的光纖通信技術(shù)是信息通信的必然趨勢(shì)。從原理上來看，光纖通信系統(tǒng)的3個(gè)基本組成是光纖、光源以及光檢測(cè)器。隨著我國光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長向長波長方向發(fā)展，傳輸速率不斷加快，滿足了人們的日常需求，價(jià)格也不斷下降，光纖通信成為通信系統(tǒng)的最佳技術(shù)選擇，并在諸多領(lǐng)域迅速發(fā)展，可以說是實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。電纜和微波等電通信方式都是通過提高載波頻率來擴(kuò)容的，而光纖通信技術(shù)的傳輸頻率比以上方式所使用的頻率高得多，可使用的帶寬也極寬。通信線路的頻帶越寬，容許傳輸?shù)男畔⒃蕉?，通信容量就越大，提高了信息的傳輸效率?/p>

2.2 損耗小、中繼距離長

在光纖通信技術(shù)應(yīng)用的過程中，設(shè)計(jì)師們最關(guān)心的一個(gè)問題就是信號(hào)的傳輸損耗問題。在傳輸過程中，如果損耗問題太嚴(yán)重就會(huì)直接影響到通信的傳輸距離及接收信號(hào)的質(zhì)量。石英光纖在1.55 μm波長區(qū)的損耗可低到0.18 dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低很多[5]。在之后的發(fā)展過程中，如果使用非石英光纖，那么產(chǎn)生的耗能將會(huì)更低，產(chǎn)生的能量損耗也會(huì)更低，建設(shè)成本也會(huì)隨之減少。損耗的存在會(huì)減少信號(hào)幅度，從而限制系統(tǒng)的傳輸距離。當(dāng)損耗降低時(shí)，信息傳播中的站點(diǎn)數(shù)目較少，從而增加中繼距離。

2.3 保密性好、造價(jià)低

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，人們逐漸開始重視信息的安全性能，信息的隱私已經(jīng)成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題，安全意識(shí)也逐漸增強(qiáng)。因此，能否保障人們的信息安全問題也成為通信工程師們首要考慮的問題?，F(xiàn)代偵聽技術(shù)已能做到在離同軸電纜幾千米外的地方竊聽電纜中傳輸?shù)男盘?hào)，可是對(duì)光纜卻困難得多[6]。在傳輸過程中，采用的光纖通信技術(shù)主要是通過光波進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中光信號(hào)被限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，泄漏的射線則被環(huán)繞光纖的不透明包皮吸收，因此不會(huì)出現(xiàn)泄漏的情況。加上光纖的尺寸較小、重量輕，建設(shè)初方便工程師進(jìn)行鋪設(shè)和傳輸，且光纖抗電磁干擾，保密性好。此外由于光纖是石英玻璃拉制成形，原材料來源豐富，并節(jié)約了大量有色金屬，因此具有造價(jià)低的特點(diǎn)[7]。

3 我國光纖通信發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

光纖通信主要是通過光波在光導(dǎo)纖維線路上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而實(shí)現(xiàn)的一種通信功能。隨著全球信息化的到來，我國的通信行業(yè)也得到了迅猛的發(fā)展，通信技術(shù)的發(fā)展中人們也探索出了新的技術(shù)，所選擇的波長也從中波、短波變成微波、毫米波，最后達(dá)到光波波段，提升了通信的服務(wù)能力，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。1966年，光纖通信首次被提出。1973年，我國郵電部武漢郵電學(xué)院開始研究光纖通信。在改革開放之后，加大了光纖通信工程的建設(shè)。1991-1995年，第八個(gè)五年計(jì)劃時(shí)期，建成了含22條光纜干線、總長達(dá)33 000 km的“八橫八縱”大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng)[8]。2019年，實(shí)現(xiàn)了1.06 Pbit/s超大容量波分復(fù)用及空分復(fù)用的光傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[9]。這一路的突飛猛進(jìn)標(biāo)志著我國的光纖通信技術(shù)取得了輝煌成績(jī)。當(dāng)前，光纖通信的產(chǎn)業(yè)相對(duì)處于過剩的狀態(tài)，供需正在朝著平衡的方向進(jìn)行發(fā)展。通過相關(guān)的產(chǎn)業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國光纖光纜行業(yè)產(chǎn)量在2020年將達(dá)到2.887 77×108芯千米。隨著5G建設(shè)的進(jìn)行，會(huì)給光纖通信行業(yè)的發(fā)展帶來更多的機(jī)遇，未來幾年我國光纖光纜行業(yè)產(chǎn)量的需求將保持增長狀態(tài)。

4 機(jī)器學(xué)習(xí)在光纖通信方面的應(yīng)用

隨著集成電路計(jì)算水平的指數(shù)級(jí)增長提高，機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠得到廣泛應(yīng)用。人們?cè)谘芯窟^程中主要將機(jī)器學(xué)習(xí)的算法歸納為如圖2所示的4大類，其中監(jiān)督學(xué)習(xí)最為常見的。

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)算法分類

在光纖通信中，運(yùn)用以多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以在一定程度上減少學(xué)習(xí)的復(fù)雜性，減少很多數(shù)學(xué)計(jì)算的過程，為光纖通信技術(shù)提供更加全新且有效的處理思路。相較于傳統(tǒng)算法，如相位共軛雙波傳輸算法和數(shù)字背向傳播技術(shù)算法等，機(jī)器學(xué)習(xí)算法具有計(jì)算量相對(duì)較少于非線性擬合能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在光纖通信學(xué)科中，有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)算法方面的研究主要集中在非線性信道均衡、通信系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)以及光網(wǎng)絡(luò)控制3個(gè)方向[10]。

非線性信道均衡主要是指通信過程中對(duì)接收端的非線性信號(hào)進(jìn)行處理的一個(gè)過程。非線性信號(hào)處理在一些科學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用得較為廣泛，主要包括移動(dòng)通信、醫(yī)學(xué)生物工程、語音和圖像處理以及回聲對(duì)消等。非線性信號(hào)處理也是當(dāng)前人們廣泛研究的一個(gè)重要處理課題，與線性處理之間有一定的處理差別。在處理過程中沒有一個(gè)定義的框架，不能按照相關(guān)的框架進(jìn)行表述與處理。在光單邊帶傳輸系統(tǒng)中，Kerr效應(yīng)和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）等各種非線性效應(yīng)不但會(huì)給信息處理帶來困難，還會(huì)降低系統(tǒng)的性能。將機(jī)器學(xué)習(xí)與光纖通信進(jìn)行交叉融合，能夠在一定程度上解決這個(gè)難題。在光纖通信領(lǐng)域中，非線性信道均衡處理有多個(gè)研究方向，要想進(jìn)行相應(yīng)的研究，需要對(duì)非線性信道均衡進(jìn)行相應(yīng)的模型建造，這是研究的前提。非線性信道均衡可以采用多個(gè)均衡器來進(jìn)行組合，主要是通過將原有的輸入信號(hào)非線性信道進(jìn)行線性均衡，最后根據(jù)多條線性信道的輸出結(jié)果來得到原始輸入信號(hào)，將非線性轉(zhuǎn)換成線性均衡。除了在復(fù)雜環(huán)境和有噪聲干擾的情況下對(duì)信號(hào)非線性損失自動(dòng)補(bǔ)償外，機(jī)器學(xué)習(xí)算法也能從信號(hào)序列提取的特征對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析、處理與評(píng)估，這常用于通信系統(tǒng)性能檢測(cè)中。光網(wǎng)絡(luò)控制指通過調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的表層來對(duì)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，從而協(xié)助大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。

當(dāng)前，針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的光纖通信研究，北京郵電大學(xué)在研究的過程中提出了一種新的基于比特的支持向量機(jī)，主要用于劃分非線性判決域，相比傳統(tǒng)的向量機(jī)模型能夠獲取多種問題的處理方案，主要采用的是“One-Against-One”策略，導(dǎo)致復(fù)雜度與標(biāo)簽類別個(gè)數(shù)呈現(xiàn)平方的關(guān)系。機(jī)器學(xué)習(xí)的光纖通信在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，減少了計(jì)算的復(fù)雜程度。在此基礎(chǔ)上還能消除IQ失衡與交叉調(diào)制帶來的非線性效應(yīng)，并且提出了相應(yīng)的解決方案。

2020的OFC會(huì)議結(jié)束之后，人們對(duì)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的光纖通信研究又有了一個(gè)新的理解與看法?，F(xiàn)階段，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)能夠幫助光纖通信處理響應(yīng)的物理問題，更重要的是，機(jī)器學(xué)習(xí)是未來光纖通信發(fā)展的重要方向，也是光纖通信走向信息化和智能化的一個(gè)重要表現(xiàn)。

在未來的一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)器學(xué)習(xí)能夠幫助解決復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)眾多的參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)整以實(shí)現(xiàn)理想的增益曲線?，F(xiàn)有的信號(hào)分析系統(tǒng)并不能幫助區(qū)分不同的信號(hào)失真機(jī)制，也無法區(qū)分系統(tǒng)和器件帶來的失真，光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)都需要全新的思路幫助改進(jìn)和發(fā)展，而機(jī)器學(xué)習(xí)能夠幫助其解決這個(gè)問題。面對(duì)現(xiàn)在非常復(fù)雜的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器學(xué)習(xí)能夠幫助它查找問題，實(shí)施檢測(cè)。在未來的發(fā)展中，光纖通信將會(huì)是現(xiàn)代化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，為了能夠保障傳輸?shù)男剩岣邆鬏斔俣?，為人們的信息傳遞提供更好的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)該被提上日程，幫助光纖通信得到更好的發(fā)展。

5 結(jié) 論

光纖通信憑借其特點(diǎn)在我國的通信行業(yè)已經(jīng)取得顯著的進(jìn)步，通過將機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到光纖通信系統(tǒng)中，能夠?yàn)楣饫w通信的發(fā)展提供一個(gè)全新的方向，未來的發(fā)展前途無量。