光纤频率传递的补偿方法及相关设备

1.本技术涉及通信技术领域，尤其涉及一种光纤频率传递的补偿方法及相关设备。


背景技术：

2.光纤传输具有损耗低、容量大、高速、稳定性高、安全可靠的优势，在通信领域已经得到了广泛应用。基于光纤的频率传递是实现高精度频率传递的有效途径。然而，机械振动或温度的变化会导致光纤长度的波动，导致在远端接收到的频率信号相位与在本地发出的信号相位不同步。
3.为实现频率信号经过光纤传输到远端后相位保持稳定，需要实时检测和补偿由光纤长度变化引起的相位抖动。对于相关技术中的光纤链路的相位补偿，直接将历史相位抖动的共轭量对下一传输时延进行补偿，没有考虑相邻传输时延内的相位抖动的差异性，导致补偿后的结果出现一定的滞后性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提出一种光纤频率传递的补偿方法及相关设备，以解决或部分解决上述问题。
5.本技术第一方面，提供了一种光纤频率传递的补偿方法，包括：
6.获取光纤链路中频率信号往返传递的历史相位抖动数据；
7.将所述历史相位抖动数据输入到预先训练的目标长短期记忆lstm网络模型中，得到下一传输时延的相位抖动的预测值；
8.根据所述预测值对下一传输时延进行补偿。
9.本技术第二方面，提供了一种光纤频率传递的补偿装置，包括：
10.获取模块，被配置为获取光纤链路中频率信号往返传递的历史相位抖动数据；
11.预测模块，被配置为将所述历史相位抖动数据输入到预先训练的目标长短期记忆lstm网络模型中，得到下一传输时延的相位抖动的预测值；
12.补偿模块，被配置为根据所述预测值对下一传输时延进行补偿。
13.本技术第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的方法。
14.本技术第四方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令用于使计算机执行如第一方面所述的方法。
15.从上面所述可以看出，本技术提供的光纤频率传递的补偿方法及相关设备，通过将历史相位抖动输入到目标lstm模型中得到下一传输时延的相位抖动的预测值，并根据预测值对下一传输时延内的实际相位抖动进行补偿，考虑了相邻两个传输时延内相位抖动的差异性，提升补偿精度，从而实现基于光纤的频率信号的稳相传输。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为示例性光纤频率传递的补偿方法的原理示意图；
18.图2为本技术实施例的光纤频率传递的补偿方法的原理示意图；
19.图3为本技术实施例的光纤频率传递的补偿方法的流程示意图；
20.图4为本技术实施例的训练得到目标lstm网络模型的方法的流程示意图；
21.图5为本技术实施例的所构建的lstm网络模型的结构示意图；
22.图6为本技术实施例的单个lstm神经元的结构示意图；
23.图7为本技术实施例的光纤频率传递的补偿装置的结构示意图；
24.图8为本技术实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
25.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
26.需要说明的是，除非另外定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
27.高精度的频率传递和同步在北斗导航定位系统、空间观测领域的引力波探测技术、基础物理常数测定等重要国民经济领域应用广泛。近几年，高精度频率基准发展迅猛，商用氢钟的频率稳定度已经达到10-14/s的量级，性能十分优异。光纤传输因具有损耗低、容量大、高速、稳定性高、安全可靠的优势，成为实现高精度频率传递的首选方案。
28.然而在实际应用中，光纤往往沿着铁路或公路铺设，在车辆经过时光纤容易受到突然的剧烈干扰，除此之外，很多光纤链路会有一段暴露在地表而受到快速变化的温度的影响。因此，机械振动或温度的变化会导致光纤长度的波动，从而使得在光纤中传递的频率信号会出现随机相位变化，即引入相位噪声，导致在远端接收到的信号相位与在本地发出的信号相位不同步。为实现频率信号经过光纤传输到远端后相位保持稳定，需要实时检测和补偿由光纤长度变化引起的相位抖动。
29.图1示出了一种示例性光纤频率传递的补偿方法的原理示意图。
30.如图1所示，对于相关技术中的光纤链路的相位补偿，主要基于往返传输相位预补偿技术，通过鉴相器对本地参考信号以及经过光纤传输后到达接收端又经接收端原路返回到发送端的往返信号进行比对，实时的得到光纤链路的相位抖动根据检测到
的相位抖动调节预补偿信号(令(令并利用补偿模块根据预补偿信号对下一传输时延内的实际相位抖动进行抵消。然而，上述的相位补偿方法直接将历史相位抖动的共轭量对下一传输时延进行补偿，没有考虑相邻传输时延内的相位抖动的差异性，即，由于受到激光器波长漂移、机械振动、温度变化等诸多因素的影响，两个相邻传输时延内的相位抖动并不相等导致补偿后的结果出现一定的滞后性。此外，光纤频率传递正向着长距离、高精度的方向不断发展，因此上述的相位补偿方法产生的滞后性对传输过程的影响将越来越大。
31.鉴于此，本技术实施例提供了一种光纤频率传递的补偿方法及相关设备。参考图2，为本技术实施例的光纤频率传递的补偿方法的原理示意图。通过将历史相位抖动输入到目标lstm网络模型中得到下一传输时延的相位抖动的预测值，并根据预测值对下一传输时延内的实际相位抖动进行补偿。相比于传统的往返传输相位预补偿技术，本技术的方案考虑了相邻两个传输时延内相位抖动的差异性，提升补偿精度，从而实现基于光纤的频率信号的稳相传输。
32.图3示出了本技术实施例的光纤频率传递的补偿方法300的流程示意图。如图3所示，该方法300可以包括以下步骤。
33.步骤s301、获取光纤链路中频率信号往返传递的历史相位抖动数据。
34.本实施例中，如图2所示，对本地参考信号以及经过光纤传输后到达接收端又经接收端原路返回到发送端的往返信号进行比对，实时的得到光纤链路的相位抖动；将所有实时获取的相位抖动数据作为历史相位抖动数据(例如，数据量为400000)。
35.具体实施时，为了精确获取相邻传输时延内的相位差，该历史相位抖动数据的获取间隔可以为该光纤链路的长度(m)/光在光纤中的传播速度2
×
108(m/s)。
36.步骤s302、将所述历史相位抖动数据输入到预先训练的目标lstm(长短期记忆)网络模型中，得到下一传输时延的相位抖动的预测值。
37.本实施例中，会获得用于测试的lstm网络模型。构建lstm网络模型，并通过训练得到目标lstm网络模型。具体训练步骤会在后续说明。
38.本实施例中，将历史相位抖动数据作为测试数据，输入到上述获得的目标lstm网络模型中。根据该目标lstm网络模型输出的预测结果，确定下一传输时延的相位抖动的预测值
39.步骤s303、根据所述预测值对下一传输时延进行补偿。
40.本实施例中，如图2所示，在得到相位抖动的预测值后，将该预测值的共轭量确定为预补偿信号即，令并利用预补偿信号对下一传输时延内的实际相位抖动进行抵消。
41.根据本技术实施例，训练得到目标lstm网络模型的方法400可以如图4所示。该方法400可以包括下列步骤。
42.步骤s401、将所述历史相位抖动数据按照不同的组分占比分为训练集和测试集。
43.本实施例中，将上述历史相位抖动数据按照不同的组分占比分为用于训练所构建的lstm网络模型、确定模型参数的训练集，以及用于对该训练完成的模型进行检验并进一
步调节模型参数的测试集，并且两部分数据集中的数据分布保持一致以避免因划分过程引入额外偏差而对最终结果产生影响。例如，将历史相位抖动数据按8:2(或7:3，
…
)的比例分为训练集和测试集。假设以8:2为划分比例，400000份历史相位抖动数据可以被划分为包括320000份数据的训练集，以及包括80000份数据的测试集，从而通过对模型的训练最终选出效果最优的模型。此外，也可以将上述400000份历史相位抖动数据多次随机划分为训练集和测试集，然后对该多次划分的结果取平均值，以保证随机性。
44.步骤s402、构建lstm网络模型。
45.图5示出了本技术实施例的所构建的lstm网络模型的结构示意图。如图5所示，该lstm网络模型包括：输入层(input layer)、隐藏层(hidden layer)和输出层(output layer)，其中，隐藏层包括隐藏层序列h
t
，以及细胞状态序列c
t
,以保留过去的记忆信息。
46.具体的，该lstm网络模型由多个lstm神经元组成。参考图6，为本技术实施例的单个lstm神经元的结构示意图。如图6所示，单个lstm神经元包括一个细胞状态，以及三个门控结构，以保护和控制细胞状态。其中，三个门分别为遗忘门、输入门和输出门。
47.在每个时间步骤可以基于所述遗忘门、输入门和输出门对t时刻的输入数据x
t
进行处理。为了便于说明，可以将遗忘门、输入门和输出门的输出数据以及隐藏层的状态数据分别用f、i、o和c来表示。对于t时刻的输入数据x
t
，可以基于t-1时刻隐藏层的输出数据h
t-1
和状态数据c
t-1
，通过遗忘门、输入门和输出门对x
t
进行处理，得到t时刻隐藏层的状态数据c
t
和输出数据h
t
。
48.具体的，遗忘门主要用于通过sigmoid函数(非线性激活函数，神经元中一种常用的激活函数)决定保留和遗忘上一个细胞状态的哪些信息，f
t
为t时刻遗忘门的输出数据；输入门包括两部分，第一部分用于决定当前t时刻的输入数据中有多少信息会被加入到新的记忆信息中,从而生成t时刻输入门的输出数据i
t
,第二部分用于通过tan h函数将之前的记忆信息与当前的输入数据结合生成当前产生的隐藏层的候选状态数据输出门用于决定哪些信息向后传播，o
t
为t时刻输出门的输出数据。基于上述遗忘门和输入门，可以将上一个细胞状态的数据与遗忘门相结合以丢弃不需要的信息，并可以将当前细胞状态的输入数据与输入门相结合以加入新的输入数据信息。即，通过遗忘门和输入门可以对隐藏层的记忆状态进行更新，得到隐藏层的状态数据c
t
。然后，根据该隐藏层的状态数据c
t
和输入数据x
t
可得到隐藏层的输出数据h
t
，即，h
t
为最终的输出值。
49.步骤s403、将所述训练集输入到所述lstm网络模型中进行训练，然后将所述测试集输入到所述lstm网络模型中进行检验，以及对所述lstm网络模型的参数进行调整，直至满足预先设定的终止条件，得到所述目标lstm网络模型。
50.本实施例中，从上述划分得到的训练集的历史相位抖动数据中选取一段时间的数据，将所选取的数据按照时间先后顺序构成时序序列。可以将训练集中前m个传输时延的历史相位抖动数据输入到上述构建的lstm网络模型中，预测得到下一传输时延的相位抖动例如，根据前4个传输时延内的相位抖动数据预测后1个传输时延内的相位抖动。
51.本实施例中，根据得到的预测值和训练集中对应的相位抖动的实际值计算训练损失值，并基于训练损失最小化对所述lstm网络模型的参数进行调整。具体的，该训练损失值
基于损失函数计算得到，该损失函数为均方误差mse函数。mse函数的具体形式为：
[0052][0053]
其中，n为输入的历史相位抖动数据的个数，为第i个相位抖动的实际值，为第i个相位抖动的预测值。
[0054]
在一些实施例中，为防止模型过拟合，可以利用测试集实时检验上述训练得到的临时模型的性能。具体的，将上述划分得到的测试集中的历史相位抖动数据输入到所述lstm网络模型中，并根据模型输出的下一传输时延的相位抖动的预测值，以及测试集中对应的相位抖动的实际值，计算测试损失值；基于测试损失最小化对所述lstm网络模型的参数进一步调整，并实时保存测试损失值最低的模型。可以理解的是，该测试损失值基于损失函数计算得到，该损失函数为均方误差mse函数。mse函数的具体形式为：
[0055][0056]
其中，n为测试的数据个数，为第i个相位抖动的实际值，为第i个相位抖动的预测值。
[0057]
具体实施时，batch(批次规模)的初始值可以设定为48，具体batch值由损失值曲线决定。响应于损失值曲线有较大波动，增加batch值；响应于单次迭代的时间过长，减小batch值。
[0058]
本实施例中，所述终止条件包括下列中至少一个：迭代训练的次数达到第一预设次数阈值(例如，200次)、预测准确率达到预设值、测试损失值保持连续不下降的次数达到第二预设次数阈值(例如，5次)。可以理解的是，所述预测准确率通过所述测试集对所述lstm网络模型进行检验得到；所述测试损失值基于所述测试集和损失函数得到。
[0059]
具体实施时，利用测试集对所述lstm网络模型的泛化能力进行测试，并根据该测试结果对模型的参数进行微调，最终得到效果最优的模型，确定为目标lstm网络模型。具体的，将测试集中的历史相位抖动数据输入到模型中，并计算得到模型的预测准确率，根据该预测准确率对模型的泛化能力进行评判。
[0060]
进一步的，所述预测准确率的评判指标包括均方根误差rmse、平均绝对误差mae和决定系数r2，所述评判指标的计算公式如下：
[0061][0062][0063][0064]
其中，n为测试的数据个数，为第i个相位抖动的实际值，为第i个相位抖动
的预测值。
[0065]
应当理解的是，响应于上述计算得到的rmse值和mae值越接近0，模型的预测准确率越高；响应于上述计算得到的r2值越接近1，模型的预测准确率越高。模型预测越准确，则模型泛化能力越好。
[0066]
需要说明的是，上述对本技术的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0067]
基于同一技术构思，与上述任一实施例方法相对应的，本技术还提供了一种光纤频率传递的补偿装置700。
[0068]
参考图7，所述光纤频率传递的补偿装置700，包括：
[0069]
获取模块701，被配置为获取光纤链路中频率信号往返传递的历史相位抖动数据；
[0070]
预测模块702，被配置为将所述历史相位抖动数据输入到预先训练的目标长短期记忆lstm网络模型中，得到下一传输时延的相位抖动的预测值；
[0071]
补偿模块703，被配置为根据所述预测值对下一传输时延进行补偿。
[0072]
由获取模块701、预测模块702、补偿模块703组成的补偿装置，利用预测模块702基于历史相位抖动得到下一传输时延的相位抖动的预测值，并利用补偿模块703根据预测值对下一传输时延内的实际相位抖动进行补偿，考虑了相邻两个传输时延内相位抖动的差异性，实现了基于光纤的频率信号的稳相传输。
[0073]
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本技术时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
[0074]
上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的光纤频率传递的补偿方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0075]
基于同一技术构思，与上述任一实施例方法相对应的，本技术还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一实施例所述的光纤频率传递的补偿方法。
[0076]
图8示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。
[0077]
处理器1010可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。
[0078]
存储器1020可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。
[0079]
输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
[0080]
通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
[0081]
总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。
[0082]
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
[0083]
上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的光纤频率传递的补偿方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0084]
基于同一技术构思，与上述任一实施例方法相对应的，本技术还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如上任一实施例所述的光纤频率传递的补偿方法。
[0085]
本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0086]
上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的光纤频率传递的补偿方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0087]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0088]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本技术实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本技术实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本技术实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本技术的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本技术实施例。因
此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0089]
尽管已经结合了本技术的具体实施例对本技术进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
[0090]
本技术实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。