JP7616434B2 - 訓練装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents

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Description

本開示は、全体として、光通信システムにおける信号処理に関する。
光通信システムでは、光ファイバ媒体を介して送信機から受信機へメッセージを伝送する。送信機では、ディジタル信号を光信号に変換する。このプロセスは理想的ではないので、意図しない歪みが光信号に導入される。
光信号に含まれる歪みは、受信機において、メッセージの誤った変換を引き起こす可能性がある。したがって、この歪みを緩和する方法が必要である。例えば、非特許文献1は、ニューラルネットワークを使用して、プレ補償器のキャリブレーションを実行する技術を開示している。
G. Paryanti、H. Faig、L. Rokach 及び D. Sadot、「A Direct Learning Approach for Neural Network Based Pre-Distortion for Coherent Nonlinear Optical Transmitter」、IEEE, Journal of Lightwave Technology、vol. 38、no. 15、pp. 3883-3896、2020年8月1日
本開示の発明者は、送信機が光信号にもたらす歪みの補償の精度を向上させる余地があると考えた。本開示の目的は、送信機が光信号にもたらす歪みの補償の精度を向上させる技術を提供することである。
本開示の訓練装置は、少なくとも一つのプロセッサと、命令を格納する記憶要素を含む。前記少なくとも一つのプロセッサは、前記命令を実行することにより、送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得し、前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成し、前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行し、前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力する。
本開示の制御方法は、コンピュータによって実行される。当該制御方法は、送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得し、前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成し、前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行し、前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力することを含む。
本開示のコンピュータ可読媒体は、送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得し、前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成し、前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行し、前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力することをコンピュータに実行させるプログラムを格納する。
本開示によれば、送信機が光信号にもたらす歪みの補償の精度を向上させる技術が提供される。
図1は、実施形態1の訓練装置によってパラメータ情報が生成される対象である、光通信システムを示す図である。 図2は、実施形態1の訓練装置の概要を示す図である。 図3は、訓練装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 図4は、訓練装置を実現するコンピュータのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図5は、訓練装置2000によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。 図6は、線形活性化を有する層のセットと非線形活性化を有する層のセットを含む生成器の構成例を示す。 図7は、モデルセットの訓練の流れの例を示す。
以下、本開示に係る実施形態の一例を図面を参照して説明する。なお、図中の同一の要素には同一の符号を付し、必要に応じて冗長な説明を省略している。
実施形態1
<概要>
図1は、実施形態1の訓練装置によってパラメータ情報が生成される対象である、光通信システムを示す図である。光通信システム100は、送信機110と、受信機120と、光ファイバ130とを備える。送信機110は、送信シンボル列を取得し、送信シンボル列を光送信信号に変換し、光ファイバ130を介して受信機120に光送信信号を送信する光送信部112を備える。光送信部112は、マッハツェンダ変調器、駆動増幅装置、その他の信号処理・変換装置を構成することができる。
送信シンボル列は、シンボルの時系列を表すデジタル信号である。送信シンボル列は、受信機120に送信されるデータを符号化した結果として得られる。光通信システム100が単一偏波の単一チャネル光通信システムである場合、各シンボルは、同相成分と直交位相成分とを含む。したがって、この場合、送信シンボル列は、各時点の同相成分と直交位相成分とのセットを含む。
受信機120は、光ファイバ130から光受信信号を受信し、光受信信号を受信シンボル列に変換する光受信部122を含む。受信シンボル列は、送信機110によって送信されるデータが表されるシンボルの時系列を表すデジタル信号である。
光通信システム100は、上記の構成要素に加えて、光送信部112が光送信信号に導入する歪みを補償する歪み補償器140を備える。歪み補償器140は、送信機110又は受信機120に含まれていてもよい。前者の場合、歪み補償器140は、光送信部112の前に配置され、プレ補償器として動作する。プレ補償器は、送信シンボル系列を取得し、送信シンボル系列にプリディストーションを付与し、光送信部112に渡す。
後者の場合、歪み補償器140は、光受信部122の後に配置され、ポスト補償器として動作する。ポスト補償器は、光受信部122から受信シンボル列を取得し、受信シンボル列にポストディストーションを適用する。
図2は、実施形態1の訓練装置2000の概要を示す図である。なお、図2によって示される概要は、訓練装置2000を理解しやすいように訓練装置2000の動作例を示したものであり、訓練装置2000の動作範囲を限定したり狭めたりするものではない。
歪み補償器140のキャリブレーションのために(言い換えると、歪み補償器140によるプレディストーション又はポストディストーションの実行に利用される、歪み補償器140の適切なパラメータを生成するために)、訓練装置2000は、モデルセット400と呼ばれる機械学習ベースのモデルのセットを使用する。モデルセット400は、生成器200及び識別器300を含み、GAN(Generative Adversarial Networks)を構成しうる。
訓練装置2000は、入力データ12及びグラウンドトゥルースデータ14が含まれる訓練データセット10を用いて、モデルセット400の訓練を行う。訓練データセット10は、入力データ12のグラウンドトゥルースデータ14への変換が、光送信信号の歪み補償と実質的に等価であるように生成される。そのために、訓練データセット10は、第1送信シンボル列と第2送信シンボル列のセットを使用して生成される。第1送信シンボル列は、光送信部112に入力されるシンボル列である。一方、第2送信シンボル列は、第1送信シンボル列が光送信部112に入力されたことに応じて光送信部112から出力された光送信信号を、復調することによって得られるシンボル列である。この光送信信号の復調は、訓練データセット10を生成するために設けられた中間受信部50によって行われうる。
訓練装置2000は、モデルセット400に対して GAN 型の訓練を行う。具体的には、生成器200は、入力データ12を取得するように構成され、グラウンドトゥルースデータ14と十分に類似するデータを生成できるように訓練される。一方、識別器300は、グラウンドトゥルースデータ14又は生成器200によって生成されたデータを取得するように構成され、これらのデータを区別できるように訓練される。訓練データセット10は、入力データ12からグラウンドトゥルースデータ14への変換が、光送信信号の歪み補償と実質的に等価であるように生成されるので、上記の訓練により、生成器200は、光送信信号の歪み補償(すなわち、送信シンボル列のプリディストーション又は受信シンボル列のポストディストーション)を行うことができる。
モデルセット400の訓練が終了すると、訓練装置2000は、少なくとも生成器200の訓練可能なパラメータを含むパラメータ情報20を出力する。歪み補償器140は、生成器200の訓練可能なパラメータで構成することができる。これにより、歪み補償器140は、光送信部112によって光送信信号に導入される歪みを補償することができるようになる。
<作用効果の例>
訓練装置2000によれば、訓練データセット10を用いて GAN を構成する生成器200と識別器300とのペアを訓練して、歪み補償器140のパラメータを決定する。具体的には、生成器200は、入力データ12を取得するように構成され、グラウンドトゥルースデータ14と十分に類似したデータを生成できるように訓練される。一方、識別器300は、グラウンドトゥルースデータ14又は生成器200によって生成されたデータを取得するように構成され、これらのデータを区別できるように訓練される。この GAN 型の訓練によって歪み補償器140のパラメータを決定することにより、歪み補償器140は、光送信部112によって光送信信号に導入された歪みを正確に補償することができる。
以下、訓練装置2000についてより詳細な説明が記述される。
<機能構成の例>
図3は、訓練装置2000の機能構成を例示する。訓練装置2000は、取得部2020、生成部2040、訓練実行部2060、及び出力部2080を備える。取得部2020は、第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列のセットを複数取得する。生成部2040は、第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列の各セットについて、訓練データセット10を生成する。訓練実行部2060は、訓練データセット10を用いてモデルセット400の訓練を実行する。出力部2080は、パラメータ情報20を出力する。
<ハードウエア構成の例>
訓練装置2000は、1つ以上のコンピュータで実現されうる。それら1つ以上のコンピュータのそれぞれは、訓練装置2000を実現するために作成された専用のコンピュータであってもよいし、パーソナルコンピュータ(PC: Personal Computer)、サーバマシン又はモバイルデバイスなどの汎用のコンピュータであってもよい。
訓練装置2000は、コンピュータにアプリケーションをインストールすることで実現されうる。そのアプリケーションは、コンピュータを訓練装置2000として機能させるプログラムで実現される。言い換えれば、そのプログラムは、訓練装置2000の機能構成部を実装したものである。
図4は、訓練装置2000を実現するコンピュータ1000のハードウエア構成の例を示すブロック図である。図4において、コンピュータ1000は、バス1020、プロセッサ1040、メモリ1060、ストレージデバイス1080、入出力インタフェース1100、及びネットワークインタフェース1120を有する。
バス1020は、プロセッサ1040、メモリ1060、ストレージデバイス1080、入出力インタフェース1100、及びネットワークインタフェース1120が相互にデータの送信及び受信をするためのデータ通信路である。プロセッサ1040は、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、又は FPGA(Field-Programmable Gate Array)などといったプロセッサである。メモリ1060は、RAM(Random Access Memory)又は ROM(Read Only Memory)などの主記憶要素である。ストレージデバイス1080は、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)、又はメモリカードなどの補助記憶要素である。入出力インタフェース1100は、コンピュータ1000と周辺デバイス(キーボード、マウス、又はディスプレイデバイスなど)との間のインタフェースである。ネットワークインタフェース1120は、コンピュータ1000とネットワークとの間のインタフェースである。ネットワークは、LAN(Local Area Network)でもよいし、WAN(Wide Area Network)でもよい。
ストレージデバイス1080は、前述したプログラムを格納しうる。プロセッサ1040は、訓練装置2000の各機能構成部を実現するためにそのプログラムを実行する。
コンピュータ1000は、図4に示される構成に限定されない。例えば、前述したように、訓練装置2000は複数のコンピュータで実現されうる。この場合、それらのコンピュータは、ネットワークを介して互いに接続されうる。
<処理の流れ>
図5は、訓練装置2000によって実行されるの処理の一例を示すフローチャートである。取得部2020は、第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列のセットを複数取得する(S102)。生成部2040は、第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列の各セットについて訓練データセットを生成する(S104)。訓練実行部2060は、モデルセット400の訓練を実行する(S106)。出力部2080は、パラメータ情報20を出力する(S108)。
<第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列の取得:S102>
取得部2020は、第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列のセットを複数取得する。第1送信シンボル列は、光送信部112に入力可能な任意のデジタル信号でありうる。第2送信シンボル列は、1)第1送信シンボル列を光送信部112に入力し、2)光送信部112から出力された光送信信号をデジタル信号に変換することによって得られうる。この変換によって得られたデジタル信号を第2送信シンボル列として使用することができる。図2に示すように、光送信信号の第2送信シンボル列への変換は、中間光受信部50によって行われうる。
第1送信シンボル列と第2送信シンボル列の複数のセットは、予め、訓練装置2000からアクセス可能な記憶装置に格納されていてもよい。この場合、取得部2020は、第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列の複数のセットを記憶装置から取得しうる。また、訓練装置2000は、任意のコンピュータから送信された第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列の複数のセットを受信してもよい。
<訓練データセットの生成:S104>
生成部200は、第1送信シンボル列及び第2送信シンボル列の各セットについて訓練データセット10を生成する(S104)。上述したように、訓練データセット10は、入力データ12からグラウンドトゥルースデータ14への変換が、光送信信号の歪み補償と実質的に等価であるように生成される。
このような訓練データセット10の第1の例は、入力データ12として、第1送信シンボル列を含み、グラウンドトゥルースデータ14として、第2送信シンボル列に含まれる歪みの反転信号(inverse signal)とを含む。このタイプの訓練データセット10を使用することで、生成器200は、第1送信シンボル列から、第2送信シンボル列に含まれる歪みの反転信号を生成するように訓練される。歪みの反転信号は、光送信部112によって導入される歪みを相殺するために、第1送信シンボル列に適用することができる。したがって、第1の例の訓練データセット10を用いて訓練された生成器200の訓練可能なパラメータは、プレ補償器として動作する歪み補償器140に適用することができる。
生成部2020は、以下のように歪みの反転信号を生成する。
Figure 0007616434000001
ここで、入力信号は第1送信シンボル列を表す。出力信号は第2送信シンボル列を表す。λはディストーションに追加のスケーリングを導入する係数を表す(通常は1に設定される)。μはトランスミッタの設定からのゲインを考慮するためのスケーリングを表す。
訓練データセット10の第2の例は、第2送信シンボル列を入力データ12として含み、第1送信シンボル列をグラウンドトゥルースデータ14として含む。この種類の訓練データセット10を用ることにより、生成器は、第2送信シンボル列から第1送信シンボル列を生成するように(言い換えれば、歪んだデジタル信号から元のデジタル信号を復元するように)訓練される。これは、このケースにおいて、生成器200がポスト補償器として動作できることを意味する。したがって、訓練データセット10の第2の例を利用して訓練された生成器200の訓練可能なパラメータを、ポスト補償器として動作する歪み補償器140に適用することができる。
訓練データセット10の第3の例は、そのゲインによって正規化された第2送信シンボル列を入力データ12として含み、第1送信シンボル列をグラウンドトゥルースデータ14として含む。第2送信シンボル列は、光送信112によって光送信信号に加えられた増幅を除去するために正規化され、それによって入力データ12をグラウンドトゥルースデータ14と同じ範囲にする。この種類の訓練データセット10を用いることにより、生成器は、そのゲインによって正規化された第2送信シンボル列から第1送信シンボル列を生成するように訓練される。これは、このケースにおいて、生成器200がプレ補償器として動作できることを意味する。したがって、訓練データセット10の第3の例を用いて訓練された生成器200の訓練可能なパラメータを、光送信部112の前に配置された歪み補償器140に適用して、プレ補償器として動作させることができる。
<生成器200について>
生成器200は、ニューラルネットワークやサポートベクトルマシンなどの任意の機械学習ベースのモデルとして実装される。生成器200がニューラルネットワークとして実装される場合、生成器200は、線形活性化を有するレイヤのセットと非線形活性化を有するレイヤのセットを含むことが好ましい。この構造により、線形歪みと非線形歪みの両方の複合効果をモデル化することが可能である。これにより、線形歪みと非線形歪みとが複合的に組み合わされた歪みを補償できる歪み補償器140を生成することができる。なお、生成器200の訓練可能なパラメータは、生成器200がニューラルネットワークとして実装される場合には、各レイヤの重みとバイアスを含みうる。
図6は、線形活性化を有するレイヤのセットと非線形活性化を有するレイヤのセットを含む生成器200の構成例を示す。図6において、生成器200は、入力レイヤ210、第1レイヤセット220、第2レイヤセット230、及び出力レイヤ240を含む。レイヤセット220及び230の各レイヤは、活性化関数を有する訓練可能な重みを含む。なお、簡潔にするために、レイヤ間のエッジは図6に示されていない。
第1レイヤセット220は、線形活性化関数を有するレイヤのセットである。第2レイヤセット230は、ReLU(Rectified Linear Unit)関数のような非線形活性化関数を含むレイヤのセットである。
出力レイヤ240のサイズは、シンボルと同じサイズに設定される。光通信システム100が単一偏波の単一チャネル光通信システムである場合、シンボルが同相成分と直交位相成分を含むため、シンボルのサイズは2である。したがって、出力レイヤ240のサイズは2に設定される。一方、二重偏波システムの場合、シンボルが2つの偏波それぞれについての同相成分と直交位相成分を含むため、シンボルのサイズは4である。したがって、出力レイヤ240のサイズは、4に設定することができる。代わりに、生成器200は、2つの別個のニューラルネットワークを含むことができる。そのうちの一方は、X偏波について同相及び直交位相成分のセットを生成する。そして、そのうちの他方は、Y偏波についてそのセットを生成する。
入力レイヤ210に関しては、歪み特性におけるメモリ効果を考慮するために、入力レイヤ210のサイズを出力レイヤ240のサイズよりも大きく設定することが好ましい。シンボルのサイズが2であり、過去(M-1)個のシンボルの影響が考慮されるとする。この場合、出力レイヤ240のサイズは2に設定される一方で、入力レイヤ210が現在のシンボルと過去(M-1)のシンボル(すなわち、合計 M シンボル)のそれぞれについて2つの成分を有するように設定されるため、入力レイヤ210のサイズは 2*M に設定される。
理論的には、第1レイヤセット220からの出力は、以下のように表現できる。
Figure 0007616434000002
ここで、X_L は第1レイヤセット220からの出力を表し、X_in は入力レイヤ210へのデータ入力を表す。W_L1 及び B_L1 はそれぞれ、第1レイヤセット220の最後のレイヤを除く全てのレイヤに対応する重み及びバイアスを表す。W_L2 及び B_L2 はそれぞれ、第1レイヤセット220の最後のレイヤに対応する重み及びバイアスを表す。
さらに、生成器200からの最終出力(すなわち、出力レイヤ240からの出力)は、次のように表すことができる。
Figure 0007616434000003
ここで、X_out は生成器200の最終出力を表し、f_NL は第2レイヤセット230によってモデル化された関数を表す。W_O と B_O はそれぞれ、出力レイヤ240に対応する重みとバイアスを表す。
なお、生成器200は、第1レイヤセット220の最後のレイヤと第2レイヤセット230の最後のレイヤとの間に、スキップ接続を有してもよい。この場合、生成器200からの最終出力は、次のように表すことができる。
Figure 0007616434000004
W_L は、スキップ接続に対応する重みを表す。
なお、生成器200が上述のスキップ接続を有する場合、第1レイヤセット220と第2レイヤセット230とを接続するために、第1レイヤセット220の最終レイヤは、第2レイヤセット230の最初のレイヤと同数のノードを有するように構成される。
X_out は、生成器200によってモデル化され得る関数の特性を示す。後述するように、生成器200の訓練可能な重みとレイヤの数を動的に調整することにより、この関数の表現力を向上させる。
<識別器300について>
識別器300は、ニューラルネットワークやサポートベクトルマシンなどの任意の機械学習ベースのモデルとして実装することができる。例えば、識別器300は、出力レイヤが分類結果を表す one-hot ベクトルを出力する2つのノードを有するニューラルネットワークとして実装される。具体的には、例えば、出力レイヤは、入力データが生成器200によって生成されたものであると識別器300が判定した場合にはベクトル (0,1) を出力し、入力データがグラウンドトゥルースデータ14であると識別器300が判定した場合にはベクトル (1,0) を出力する。以下、分かりやすく簡潔に説明するために、生成器200から出力されたデータを生成データ、グラウンドトゥルースデータ14を真データとして説明する。
<生成器200及び識別器300の訓練:S106>
訓練実行部2060は、モデルセット400の訓練を実行する(S106)。概念的には、訓練実行部2060は、モデルセット400に対して GAN 的な訓練を実行する。生成器200は、識別器300によって真データであると判定されるデータを生成するように訓練され、識別器300は、生成器200によって生成されたデータが真データではないと判定するように訓練される。
図7は、モデルセット400の訓練の流れの一例を示す。訓練実行部2060は、モデルセット400を初期化する(S202)。例えば、訓練実行部2060は、生成器200のハイパーパラメータ(予め定義された入出力のサイズ、予め定義された各レイヤのノード数、及び予め定義されたレイヤ数など)を取得しうる。訓練実行部2060は、取得したハイパーパラメータを用いて生成器200を初期化する。生成器200の訓練可能なパラメータも初期化する。
識別器300についても同様である。具体的には、訓練実行部2060は、識別器300のハイパーパラメータを取得し、取得したハイパーパラメータで識別器300を初期化し、識別器300の訓練可能パラメータを初期化することができる。
訓練実行部2060は、モデルセット400の初期化後、識別器300と連携させずに、生成器200の訓練を行う(S204)。上述したように、生成器200は、訓練データセット10を用いて訓練される。例えば、訓練データセット10ごとに、訓練実行部2060は、入力データ12を生成器200に入力し、生成器200からの出力を取得し、グラウンドトゥルースデータ14及び生成器200からの出力を所定の損失関数に適用することによって損失を算出し、算出された損失に基づいて生成器200の訓練可能なパラメータを更新する。
次に、訓練実行部2060は、識別器300の訓練を実行する(S206)。識別器00は、グラウンドトゥルースデータ14と、ステップS204で訓練された生成器200からの出力とを用いて訓練される。
具体的には、訓練実行部2060は、訓練データセット10ごとに、入力データ12を生成器200に入力し、生成器200から出力を得る。そして、訓練実行部2060は、生成器200から出力されたデータを識別器300に入力し、入力されたデータが生成データであると判定するように識別器300を訓練する。
具体的には、例えば訓練実行部2060は、識別器300から出力を取得し、識別器300からの実際の出力と理想の出力とを所定の損失関数に適用して損失を算出し、識別器300の訓練可能なパラメータを更新する。この場合の理想の出力とは、識別器300に入力されたデータが生成データであることを示すデータ(例えば、前述の識別器300の説明で記載されている one-hot ベクトル (0,1))である。
また、訓練実行部2060は、グラウンドトゥルースデータ14を識別器300に入力し、入力されたデータが真データであると判定するように識別器300を訓練する。識別器300の訓練可能パラメータは、生成器200で生成されたデータが識別器300に入力された場合においてそれらのパラメータを更新する方法と同様の方法で、更新することができる。なお、この場合、損失を算出するために使用される理想の出力は、識別器300に入力されたデータが真データであることを示すデータ(例えば、前述の識別器300の説明で記載されている one-hotベクトル (1,0))である。
訓練実行部2060は、生成器200及び識別器300の個別の訓練の後、識別器300と連携させて生成器200の訓練を行う(S208)。具体的には、訓練データセット10ごとに、訓練実行部2060は以下のように動作する。訓練実行部2060は、ステップ204で訓練した生成器200に入力データ12を入力し、生成器200から出力を得る。次に、訓練実行部2060は、生成器200から得た出力をステップ206で訓練した識別器300に入力し、識別器300から出力を得る。そして、訓練実行部2060は、損失を算出し、算出した損失に基づいて生成器200の訓練可能パラメータを更新する。この場合、識別器300からの実際の出力と理想の出力とを所定の損失関数に適用して損失を算出する。この場合の理想の出力とは、識別器300に入力されたデータが真データであることを示すデータ(例えば、前述の識別器300の説明で記載されている one-hot ベクトル (1,0))である。
ステップ208が終了すると、訓練実行部2060は、所定の終了条件が満たされているか否かを判定する(S210)。ここで、様々な種類の終了条件を用いることができる。例えば終了条件は、「ステップS204~S212の所定回数の反復実行が完了したこと」とすることができる。
その他にも例えば、終了条件は、「モデルセット400の性能が所定の目標を達成したこと」とすることができる。モデルセット400の性能は、所定の損失関数を使用して算出することができる。例えば、ステップ204、206又は208で算出された損失は、モデルセット400の性能を表すために使用することができる。この場合、例えば訓練実行部2060は、損失が所定の閾値未満であれば、「モデルセット400の性能が所定の目標を達成した」と判定する。
終了条件が満たされた場合(S210:YES)、訓練実行部2060は、モデルセット400の訓練を終了する。一方、終了条件が満たされなかった場合(S210:NO)、訓練実行部2060は、ステップ212を実行する。
ステップ212において、訓練実行部2060は、所定のルールに基づいてモデルセット400の構成を変更する(以下、変更規則)。変更するモデルセット400の構成は、レイヤセット220のレイヤ数であってもよいし、レイヤセット230のレイヤ数であってもよいし、その両方であってもよい。
モデルセット400が適切な構成(例えば、生成器200がレイヤセット220及びレイヤセット230において最適な数のレイヤを有する。)に収束できるような変更ルールを予め適切に設定しておくことが好ましい。変更ルールの例としては、「損失が閾値未満になるまでレイヤセット230のレイヤ数を繰り返し増加させ、その後、レイヤセット220のレイヤ数の減少が損失の増加につながるポイントまで、レイヤセット220のレイヤ数を繰り返し減少させる。」がある。
生成器200の変更(ステップ212)は、歪み補償器140をできるだけ単純化し、かつ高精度化するために行われる。具体的には、光送信機はそれぞれ固有の特性を有している可能性があるため、全ての光送信機に対して最適な、歪み補償器140の構成(重みやレイヤの数)はない。歪み補償器140の複雑さを考慮することなく、多数の重みやレイヤを備えた生成器200を静的に構成することも可能である。しかしながら、生成器200の複雑さが高いほど、生成器200の訓練にはより多くの計算時間と資源が必要となる。加えて、それはまた、歪み補償器140の効率を低下させる。
生成器200を繰り返し変更することによれば、生成器200は、その高精度を維持しながら、可能な限り単純になるように徐々に調整される。これにより、光送信部112の特性に応じて歪み補償器140の構成をカスタマイズすることができ、少ない計算時間と資源で正確に歪み補償を行うことができる。
ステップS212の後、再度ステップ204を実行する。具体的には、ステップ210で終了条件が満たされたと判定されるまで、ステップ204~ステップS212を繰り返し実行される。
<パラメータ情報の出力:S108>
出力部2080は、パラメータ情報20を出力する(S108)。パラメータ情報20は、生成器200の訓練可能なパラメータを含む。上述したように、訓練された生成器200の訓練可能なパラメータは、歪み補償器140に適用することができる。
パラメータ情報20は、生成器200のハイパーパラメータも含むことができる。特に、上述したように、生成器200の構成が変更ルールに基づいて変更された場合、出力部2080は、変更ルールに基づいて変更されたパラメータ(例えば、レイヤセット220及び230のレイヤ数)もパラメータ情報20に含む。この場合、歪み補償器140は、パラメータ情報20で指定されたレイヤ数を有するように構成される。
パラメータ情報20の出力方法は様々である。例えば、パラメータ情報20は、訓練装置2000からアクセス可能な記憶装置に格納される。その他にも例えば、パラメータ情報20は、別のコンピュータ(例えば、パラメータ情報20を使用して歪み補償器140を構成するコンピュータ)に送信される。
<パラメータ情報20の別の使用法>
パラメータ情報20は、歪み補償器140を構成するだけでなく、光送信部112の数学モデルを生成するためにも使用することができる。この場合、訓練データセット10は、第1送信シンボル列を入力データ12として含み、第2送信シンボル列又は任意にスケールされたバージョンの第2送信シンボル列をグラウンドトゥルースデータ14として含むように、生成することができる。この種類の入力データ12に基づいて、生成器200は、第1送信シンボルから第2送信シンボルを生成するように(言い換えると、元の信号から歪んだ信号を生成するように)訓練される。したがって、訓練された生成器200の訓練可能なパラメータを使用して、光送信112のモデルを生成することができる。
訓練装置2000は、モデルセット400に対して GAN 的な訓練を行うので、生成器200を正確に訓練することができる。このように、訓練可能なパラメータを光送信部112の数理モデルのパラメータとして用いることで、光送信部112の数理モデルを正確に生成することができる。
光送信部112の数理モデルを生成した後、訓練装置2000は、光送信部112を利用せずに、第2送信シンボル列を生成することができる。具体的には、訓練装置2000は、第1送信シンボル列を、実際の光送信部112ではなく、光送信部112の数理モデルに入力することにより、第2送信シンボル列を得ることができる。
数理モデルから出力される第2送信シンボル列を用いて、歪み補償器140に適したパラメータを含むパラメータ情報20を生成することができる。具体的には、訓練装置2000は、数理モデルに入力される第1送信シンボル列と、第1送信シンボル列が数理モデルに入力されることに応じて数理モデルから出力される第2送信シンボルとに基づいて、訓練データセット10を生成する。このとき、モデルセット400の訓練に適した訓練データセット10が生成され、歪み補償器140のパラメータが生成される。そして、訓練装置2000は、ここで生成された訓練データセット10を用いてモデルセット400の訓練を実行し、訓練された生成器200のパラメータを含むパラメータ情報20を生成して出力する。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願開示は上記実施形態に限定されるものではない。本願開示の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
プログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された1又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群(又はソフトウェアコード)を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、random-access memory(RAM)、read-only memory(ROM)、フラッシュメモリ、solid-state drive(SSD)又はその他のメモリ技術、CD-ROM、digital versatile disc(DVD)、Blu-ray(登録商標)ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
<付記>
(付記1)
少なくとも一つのプロセッサと、
命令を格納する記憶要素を含み、
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記命令を実行することにより、
送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得し、前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、
前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得し、
前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成し、
前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行し、前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、
前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力する、訓練装置。
(付記2)
前記パラメータ情報に含まれる前記生成器の前記訓練可能なパラメータは、前記送信機内の前記光送信部の前に配置されるプレ補償器に適用されるべき、又は前記受信機内の光受信部の後に配置されるポスト補償器に適用されるべきパラメータとして出力され、前記光受信部は、前記送信機によって送信された前記光送信信号を受信して、前記受信した信号をシンボルの列に変換する、付記1に記載の訓練装置。
(付記3)
前記訓練データの生成は、
前記第2送信シンボル列に基づいて、前記光送信信号に含まれる歪みの反転信号を生成し、
前記第1送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記歪みの前記反転信号が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記1又は2に記載の訓練装置。
(付記4)
前記訓練データの生成は、前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記1又は2に記載の訓練装置。
(付記5)
前記訓練データの生成は、自身のゲインで正規化された前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記1又は2に記載の訓練装置。
(付記6)
前記生成器は、線形活性化関数を持つレイヤの第1のセットと、非線形活性化関数を持つレイヤの第2のセットを含む、付記1から5いずれか一項に記載の訓練装置。
(付記7)
前記生成器と前記識別器の前記セットの前記訓練は、前記レイヤの第1のセットに含まれるレイヤの数の変更、前記レイヤの第2のセットに含まれるレイヤの数の変更、又はこれらの双方を含む、付記6に記載の訓練装置。
(付記8)
前記生成器は、前記レイヤの第1のセットの最後のレイヤと、前記レイヤの第2のセットの最後のレイヤとを接続するスキップ接続を含む、付記6又は7に記載の訓練装置。
(付記9)
前記少なくとも1つのプロセッサは、さらに、
前記パラメータ情報に含まれる前記訓練可能なパラメータが適用されるべき、前記光送信部の数理モデルを取得し、
前記第1送信シンボル列を前記数理モデルに入力することで、前記第2送信シンボル列を生成し、
前記数理モデルに入力される前記第1送信シンボル列と、前記数理モデルから出力される前記第2送信シンボル列とに基づいて、前記入力データと前記グラウンドトゥルースデータが含まれる第2の訓練データセットを生成し、
前記第2の訓練データセットを用いて、前記生成器と前記識別器の前記セットの前記訓練を実行し、
前記第2の訓練データセットを用いて訓練された前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれる前記パラメータ情報を出力する、付記1から8いずれか一項に記載の訓練装置。
(付記10)
送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得し、前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、
前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得し、
前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成し、
前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行し、前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、
前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力することを含む、コンピュータによって実行される制御方法。
(付記11)
前記パラメータ情報に含まれる前記生成器の前記訓練可能なパラメータは、前記送信機内の前記光送信部の前に配置されるプレ補償器に適用されるべき、又は前記受信機内の光受信部の後に配置されるポスト補償器に適用されるべきパラメータとして出力され、前記光受信部は、前記送信機によって送信された前記光送信信号を受信して、前記受信した信号をシンボルの列に変換する、付記10に記載の制御方法。
(付記12)
前記訓練データの生成は、
前記第2送信シンボル列に基づいて、前記光送信信号に含まれる歪みの反転信号を生成し、
前記第1送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記歪みの前記反転信号が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記10又は11に記載の制御方法。
(付記13)
前記訓練データの生成は、前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記10又は11に記載の制御方法
(付記14)
前記訓練データの生成は、自身のゲインで正規化された前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記10又は11に記載の制御方法。
(付記15)
前記生成器は、線形活性化関数を持つレイヤの第1のセットと、非線形活性化関数を持つレイヤの第2のセットを含む、付記10から14いずれか一項に記載の制御方法。
(付記16)
前記生成器と前記識別器の前記セットの前記訓練は、前記レイヤの第1のセットに含まれるレイヤの数の変更、前記レイヤの第2のセットに含まれるレイヤの数の変更、又はこれらの双方を含む、付記15に記載の制御方法。
(付記17)
前記生成器は、前記レイヤの第1のセットの最後のレイヤと、前記レイヤの第2のセットの最後のレイヤとを接続するスキップ接続を含む、付記15又は16に記載の制御方法。
(付記18)
前記パラメータ情報に含まれる前記訓練可能なパラメータが適用されるべき、前記光送信部の数理モデルを取得することと、
前記第1送信シンボル列を前記数理モデルに入力することで、前記第2送信シンボル列を生成することと、
前記数理モデルに入力される前記第1送信シンボル列と、前記数理モデルから出力される前記第2送信シンボル列とに基づいて、前記入力データと前記グラウンドトゥルースデータが含まれる第2の訓練データセットを生成することと、
前記第2の訓練データセットを用いて、前記生成器と前記識別器の前記セットの前記訓練を実行することと、
前記第2の訓練データセットを用いて訓練された前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれる前記パラメータ情報を出力することとをさらに含む、付記10から17いずれか一項に記載の制御方法。
(付記19)
送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得し、前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、
前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得し、
前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成し、
前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行し、前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、
前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力することをコンピュータに実行させるプログラムを格納する非一時的なコンピュータ可読媒体。
(付記20)
前記パラメータ情報に含まれる前記生成器の前記訓練可能なパラメータは、前記送信機内の前記光送信部の前に配置されるプレ補償器に適用されるべき、又は前記受信機内の光受信部の後に配置されるポスト補償器に適用されるべきパラメータとして出力され、前記光受信部は、前記送信機によって送信された前記光送信信号を受信して、前記受信した信号をシンボルの列に変換する、付記19に記載の記憶媒体。
(付記21)
前記訓練データの生成は、
前記第2送信シンボル列に基づいて、前記光送信信号に含まれる歪みの反転信号を生成し、
前記第1送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記歪みの前記反転信号が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記19又は20に記載の記憶媒体。
(付記22)
前記訓練データの生成は、前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記19又は20に記載の記憶媒体。
(付記23)
前記訓練データの生成は、自身のゲインで正規化された前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成することを含む、付記19又は20に記載の記憶媒体。
(付記24)
前記生成器は、線形活性化関数を持つレイヤの第1のセットと、非線形活性化関数を持つレイヤの第2のセットを含む、付記19から23いずれか一項に記載の記憶媒体。
(付記25)
前記生成器と前記識別器の前記セットの前記訓練は、前記レイヤの第1のセットに含まれるレイヤの数の変更、前記レイヤの第2のセットに含まれるレイヤの数の変更、又はこれらの双方を含む、付記24に記載の記憶媒体。
(付記26)
前記生成器は、前記レイヤの第1のセットの最後のレイヤと、前記レイヤの第2のセットの最後のレイヤとを接続するスキップ接続を含む、付記24又は25に記載の記憶媒体。
(付記27)
前記プログラムは、
前記パラメータ情報に含まれる前記訓練可能なパラメータが適用されるべき、前記光送信部の数理モデルを取得することと、
前記第1送信シンボル列を前記数理モデルに入力することで、前記第2送信シンボル列を生成することと、
前記数理モデルに入力される前記第1送信シンボル列と、前記数理モデルから出力される前記第2送信シンボル列とに基づいて、前記入力データと前記グラウンドトゥルースデータが含まれる第2の訓練データセットを生成することと、
前記第2の訓練データセットを用いて、前記生成器と前記識別器の前記セットの前記訓練を実行することと、
前記第2の訓練データセットを用いて訓練された前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれる前記パラメータ情報を出力することと、をさらにコンピュータに実行させる、付記19から26いずれか一項に記載の記憶媒体。
10 訓練データセット
12 入力データ
14 グラウンドトゥルースデータ
20 パラメータ情報
50 中間光受信部
100 光通信システム
110 送信機
112 光送信部
120 受信機
122 光受信部
130 光ファイバ
140 歪み補償器
200 生成器
210 入力レイヤ
220 第1レイヤセット
230 第2レイヤセット
240 出力レイヤ
300 識別器
400 モデルセット
1000 コンピュータ
1020 バス
1040 プロセッサ
1060 メモリ
1080 ストレージデバイス
1100 入出力インタフェース
1120 ネットワークインタフェース
2000 訓練装置
2020 取得部
2040 生成部
2060 訓練実行部
2080 出力部

Claims (10)

  1. 信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得する取得部を有し、
    前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、
    前記取得部は、前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列をさらに取得し、
    前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成する生成部と
    前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行する訓練実行部を有し、
    前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、
    前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、
    前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力する出力部を有する、訓練装置。
  2. 前記パラメータ情報に含まれる前記生成器の前記訓練可能なパラメータは、前記送信機内の前記光送信部の前に配置されるプレ補償器に適用されるべきパラメータとして出力されるか、又は前記受信機内の光受信部の後に配置されるポスト補償器に適用されるべきパラメータとして出力され、
    前記光受信部は、前記送信機によって送信された前記光送信信号を受信して、前記受信した信号をシンボルの列に変換する、請求項1に記載の訓練装置。
  3. 記生は、
    前記第2送信シンボル列に基づいて、前記光送信信号に含まれる歪みの反転信号を生成し、
    前記第1送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記歪みの反転信号が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成する、請求項1又は2に記載の訓練装置。
  4. 記生は、前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成する、請求項1又は2に記載の訓練装置。
  5. 記生は、自身のゲインで正規化された前記第2送信シンボル列が前記入力データとして含まれ、かつ、前記第1送信シンボル列が前記グラウンドトゥルースデータとして含まれる前記訓練データセットを生成する、請求項1又は2に記載の訓練装置。
  6. 前記生成器は、線形活性化関数を持つレイヤの第1のセットと、非線形活性化関数を持つレイヤの第2のセットを含む、請求項1から5いずれか一項に記載の訓練装置。
  7. 前記生成器と前記識別器の訓練は、前記レイヤの第1のセットに含まれるレイヤの数の変更、前記レイヤの第2のセットに含まれるレイヤの数の変更、又はこれらの双方を含む、請求項6に記載の訓練装置。
  8. 前記生成器は、前記レイヤの第1のセットの最後のレイヤと、前記レイヤの第2のセットの最後のレイヤとを接続するスキップ接続を含む、請求項6又は7に記載の訓練装置。
  9. 送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得することを含み
    前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、
    前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得することと
    前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成することと
    前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行することと、を含み
    前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、
    前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、
    前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力することを含む、コンピュータによって実行される制御方法。
  10. 送信機に含まれる光送信部に入力されるべきシンボルの列である第1送信シンボル列を取得することをコンピュータに実行させ
    前記光送信部は、前記第1送信シンボル列を取得し、前記第1送信シンボル列を光送信信号に変換し、前記光送信信号を受信機へ送信し、
    前記光送信信号を復調することによって得られるシンボルの列である第2送信シンボル列を取得することと
    前記第1送信シンボル列及び前記第2送信シンボル列に基づいて、入力データとグラウンドトゥルースデータが含まれる訓練データセットを生成することと
    前記訓練データセットを用いて生成器と識別器のセットの訓練を実行することとを前記コンピュータに実行させ、
    前記生成器は、前記識別器によって前記グラウンドトゥルースデータであると判定されるべきデータを生成するように訓練され、
    前記識別器は、前記グラウンドトゥルースデータと前記生成器によって生成された前記データとを区別するように訓練され、
    前記生成器の訓練可能なパラメータが含まれるパラメータ情報を出力することを前記コンピュータに実行させるプログラム。
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