[论文解读] Dynamic physical layer equalization in optical communication networks

Tianhua Xu, Gunnar Jacobsen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2016

Optical Network Technologies参考文献 50被引用 3

一句话总结

本文提出一种变步长最小均方（LMS）算法，用于相干光通信网络中的动态物理层均衡，实现对具有不可预测传输距离的光路中时变差分色散的自适应补偿。该方法在显著降低计算复杂度的同时，性能与传统LMS相当，适用于灵活的实时光网络路由与交换。

ABSTRACT

In optical transport networks, signal lightpaths between two terminal nodes can be different due to current network conditions. Thus the transmission distance and accumulated dispersion in the lightpath cannot be predicted. Therefore, the adaptive compensation of dynamic dispersion is necessary in such networks to enable flexible routing and switching. In this paper, we present a detailed analysis on the adaptive dispersion compensation using the least-mean-square (LMS) algorithm in coherent optical communication networks. It is found that the variable-step-size LMS equalizer can achieve the same performance with a lower complexity, compared to the traditional LMS algorithm.

研究动机与目标

• 解决由于动态路由与交换导致的光路中色散不可预测的问题。
• 在不同网络条件下，实现实时自适应均衡。
• 在保持高均衡精度的同时，降低色散补偿的计算复杂度。
• 开发一种与灵活全光网络架构兼容的实用物理层均衡解决方案。
• 在高速光传输中，证明使用低复杂度自适应滤波实现动态均衡的可行性。

提出的方法

• 采用最小均方（LMS）算法作为色散补偿的核心自适应均衡框架。
• 引入变步长机制，根据误差信号幅度动态调整LMS更新增益。
• 利用变步长加速初始自适应阶段的收敛速度，并降低稳态下的失调。
• 将光纤链路建模为具有未知系数的时变线性滤波器，实现实时估计。
• 在接收端实现均衡器，以实时跟踪并补偿累积色散。
• 通过收敛速度、失调和误比特率（BER）等仿真指标，在不同信道条件下评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准LMS相比，变步长LMS在动态光链路中如何改善收敛性能与稳态性能？
• RQ2 在动态色散补偿中，计算复杂度可降低到何种程度而不损害均衡精度？
• RQ3 在传输距离和累积色散快速变化的情况下，所提方法能否保持低误比特率？
• RQ4 在光均衡中，变步长LMS的收敛速度与失调之间存在何种权衡？
• RQ5 在真实的时间变色光网络条件下，该算法与固定步长LMS相比表现如何？

主要发现

• 变步长LMS均衡器在显著降低计算复杂度的同时，实现了与传统LMS算法相当的误比特率（BER）性能。
• 该算法在初始自适应阶段表现出更快的收敛速度，并在稳态运行中具有更低的失调。
• 所提方法能有效跟踪具有不可预测传输距离的光路中的时变色散。
• 通过减少低误差区域的不必要的大更新，实现了复杂度降低，提升了能效。
• 均衡器在广泛的累积色散值范围内均保持稳健性能，支持灵活的路由与交换。
• 结果证实了在动态光传输网络中实现实时、低复杂度色散补偿的可行性。