引用本文:

鄢然,郑豪,李蔚. 基于机器学习的光链路建立中的传输质量预测技术[J]. 光通信技术,2020,44(6):15-19.

基于机器学习的光链路建立中的传输质量预测技术

鄢 然1,2,郑 豪3,李 蔚3*

(1.武汉中原电子集团有限公司,武汉430205;2.华中科技大学 软件学院,武汉430074; 3.华中科技大学 武汉光电国家研究中心,武汉 430074)

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摘要:传输质量(QoT)预测在光网络中日趋重要,机器学习成为今后实现光网络中QoT预测的重要手段。提出一种基于机器学习分类器的QoT预测技术。通过传输方程生成所需的数据,用于之后的分类器训练和性能测试,并仿真验证了K最近邻(KNN)、逻辑回归(LR)和支持向量机 (SVM)这3种常用的分类器的性能。仿真结果表明:相较于传统的QoT估计方法,基于机器学习的方法在有效地降低计算复杂度的前提下,还能提供相当高的预测精度,是一种具有广阔应用前景的QoT估计新方案。

关键词:光网络;传输质量;非线性光传输方程;机器学习;高斯噪声模型

中图分类号:TN256  文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)06-0015-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.06.004

0 引言
   传统的光网络性能研究侧重于计算网络层参数,这些参数仅基于网络的可用容量和流量负载[1]。然而,在透明光网络的情况下,光路是否被阻塞不再仅仅由网络层因素决定,它还受物理层因素(如传输质量(QoT))的影响[2-5]。因此,必须在透明光网络中部署新光路之前预测其QoT。通常的QoT涉及的物理层参数包括光信噪比(OSNR)、误码率(BER)和Q因子。目前,QoT预测技术可分为两大类[6]:一大类是不使用机器学习的传统技术;另一大类是使用基于机器学习分类器的技术。其中,第一类技术还包括2种方式:一种是采用分析模型[7-9]来估计物理层损伤并提供准确的结果,计算复杂性高;另一种是近似公式法[10],计算速度快,但结果预测精度不高,且近似公式经常引入高余量导致未充分利用网络资源。基于机器学习分类器的技术与传统技术相比具有许多优点,可满足高精度和实时要求,它们还可以自动预测未建立光路的QoT [11-17]。文献[17]中,作者使用了3种分类器:K最近邻(KNN)、随机森林(RF)以及支持向量机 (SVM),分别达到81.75%、96.32%和99.15%的分类准确度。文献[6]中,作者采用了RF二进制分类器来预测未建立光路的BER将超过系统阈值的概率。在上述2篇文献中,都是采用高斯噪声(GN)模型来生成训练集和测试集数据。然而,由于GN模型中非线性噪声的估计并不准确,从训练数据获得的分类器性能可能与实际情况存在较大误差。因此,本文提出一种基于机器学习分类器的QoT预测技术,通过求解波分复用 (WDM) 传输方程来获得人工合成数据以进行进一步的训练和测试。

3 结束语
    本文分析了用于预测未建立光路的QoT的3种常用的监督学习分类器。通过比较了KNN、LR和SVM这3种分类器在3种不同数据集情况下的性能可知,当训练数据集由WDM传输方程产生的数据组成时,KNN、LR和SVM的分类准确率是分别为97.87%、89.63%和99.17%;而当训练数据集由GN模型生成的数据组成时,分类准确率分别为81.76%、82.5%和86.85%。因此,由WDM传输方程数据训练得到的分类器会比GN模型数据训练得到的分类器更加可靠。3种分类器的真正优先级应该是SVM>KNN>LR。未来的工作包括使用优化方法来减小KB大小并使用实际网络收集的BER数据来训练分类器。