專利名稱：一種可生成指定性能序列編碼器的遺傳編程實(shí)現(xiàn)方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種可生成指定性能序列編碼器的遺傳編程實(shí)現(xiàn)方法。
而在新一代的移動(dòng)通信技術(shù)中，為了更有效地利用頻率資源，采用了碼分多址技術(shù)，這就需要性能很好地滿足特定要求的多址正交碼。同樣在其他方面，比如光通信領(lǐng)域，所要求碼的性能和其它通信方式又不一樣，我們就又需要生成此類碼的方法。
所以，找到一種較為通用的方法，較好地解決生成某種性能的序列這一類問題是有意義的。本發(fā)明找到了能較好的解決此類問題的一種通法，揭示了一種有效地生成此類編碼器的途徑。
目前現(xiàn)有的技術(shù)中，生成某種特定序列的方法一般是通過運(yùn)用數(shù)論理論來得到，或運(yùn)用代數(shù)學(xué)的理論來推得。比如偽隨機(jī)序列，它常常通過確定性的算法得到，而這個(gè)算法是程序員事先知道的，同時(shí)這種傳統(tǒng)方法需要隨機(jī)數(shù)的種子，所以輸出的隨機(jī)數(shù)是可再生的。因此通過確定性的方法得到的數(shù)隨機(jī)性能不好。再如，有人用非線性動(dòng)力學(xué)生成擴(kuò)頻碼，其性能一般不能達(dá)到極限。
總的來說，這些方法的主要缺點(diǎn)是(1)性能一般不能逼近其極限值；(2)生成的碼數(shù)量有限；(3)要解決一個(gè)問題，只能量身打造一個(gè)專用的方法，沒有通用性。
本發(fā)明的技術(shù)方案為(1)用一系列操作符和操作數(shù)隨機(jī)組成N個(gè)算式，每一個(gè)算式其實(shí)就是一個(gè)編碼器，其中N稱為群體規(guī)模數(shù)；
(2)對每一個(gè)編碼器有一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，也就是適應(yīng)度值，算出群體中N個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，其評價(jià)指標(biāo)由用戶指定，且有什么評價(jià)指標(biāo)就會生成什么編碼器；(3)以適應(yīng)度值為基礎(chǔ)，按照遺傳概率與適應(yīng)度值成正比的準(zhǔn)則算出每一個(gè)算式遺傳到下一代的概率。然后對此群體進(jìn)行遺傳變異操作演化出下一代群體。根據(jù)需要演化一定的代數(shù)，將最終群體中適應(yīng)度最高的算式作為最終結(jié)果。
本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施方案為1)它生成香農(nóng)意義下的最復(fù)雜序列編碼器，它采用的適應(yīng)度準(zhǔn)則為香農(nóng)準(zhǔn)則；2)生成CDMA中的多址正交碼，它采用的適應(yīng)度準(zhǔn)則為在一個(gè)碼組中找出自相關(guān)和互相關(guān)值中的最大值y，if y＞a，適應(yīng)度值＝0(a是一個(gè)可調(diào)的值)，else適應(yīng)度值＝香農(nóng)熵-y(控制0的個(gè)數(shù))。
由于采用了具有遺傳變異功能的遺傳編程方法，使本發(fā)明的方法搜索空間范圍很大，從而保證了結(jié)果有很好的性能。
由于遺傳編程的內(nèi)在隨機(jī)性，使得通過一次次運(yùn)行，可以得到性能優(yōu)秀且互不相似的編碼器。
由于適應(yīng)度指標(biāo)可由用戶指定，使得本發(fā)明的應(yīng)用范圍很廣。
由于采用香農(nóng)熵為適應(yīng)度準(zhǔn)則，可以得到信息論的準(zhǔn)則下最復(fù)雜的編碼器，所以此編碼器在信息加密、Monte Carlo隨機(jī)模擬、彩票號碼生成等方面有很大的應(yīng)用前景。
由于采用了移動(dòng)通信中對多址正交碼的要求作為適應(yīng)度準(zhǔn)則，可得到很好的多址正交碼組。
由于此方法的高度適應(yīng)性和通用性，使得本發(fā)明在通信的廣泛領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用價(jià)值，如衛(wèi)星通信和光通信中各種碼型的生成等。
圖3為本發(fā)明編程實(shí)現(xiàn)方法產(chǎn)生的編碼器輸出序列香農(nóng)熵隨著遺傳代數(shù)的變化曲線圖4為本發(fā)明編程實(shí)現(xiàn)方法在香農(nóng)準(zhǔn)則下產(chǎn)生的128位隨機(jī)序列編碼器輸出序列的自相關(guān)特性曲線圖5為本發(fā)明編程實(shí)現(xiàn)方法的多址正交碼自相關(guān)圖
(2)運(yùn)算符只限于{+，-，*，DIV，MOD}，其中DIV是整除運(yùn)算符。并且，由于要考慮到特殊情況，故規(guī)定n MOD 0＝1，n DIV 0＝1，這樣無論何時(shí)，進(jìn)化過程都會進(jìn)行下去。
(3)操作數(shù)只限于{0，1，2，3，j}，其中j是編碼器的輸入，可取值是自然數(shù)集，當(dāng)j從1取到N時(shí)便得到一個(gè)序列，雖然這個(gè)序列開始演化時(shí)并不只由0，1組成，但演化到一定代數(shù)，便會得到只輸出0，1的編碼器。比如我的一個(gè)結(jié)果(15代)為(二叉樹的先序遍歷序列)M++Dj+MDj2++MDj+13+Mj2MD+312-*0103M-+j31+++D0j*113M3-Dj213332畫成樹型如

圖1(由于紙面不夠，只能畫出一部分)。
由于我們要對一個(gè)編碼器群體進(jìn)行遺傳變異操作，那么首先我們必須隨機(jī)得到M個(gè)編碼器(M為群體的人口數(shù))，這是需要解決的的一個(gè)問題。
第二步，決定一個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度。這個(gè)評判標(biāo)準(zhǔn)是由用戶根據(jù)他們的需要給出的。我們現(xiàn)在以香農(nóng)熵為例來說明。
對每一個(gè)樹型編碼器，若沒有輸入節(jié)點(diǎn)J，那么此編碼器輸出是常數(shù)，我們將會看到此編碼器輸出序列香農(nóng)熵是零。若有輸入節(jié)點(diǎn)J，那么讓J從1連續(xù)取值到M(我的程序中取為5000)，便得到一系列輸出值，將這些值按順序存儲起來。
我應(yīng)用了香農(nóng)準(zhǔn)則(當(dāng)然也可用其他準(zhǔn)則)對定字長(h)的序列，有2h種可能，當(dāng)每一種序列出現(xiàn)的概率相等時(shí)，香農(nóng)熵最大，大小為h，即式子Eh＝-∑philog2phj達(dá)到最大值h。由于我們要優(yōu)化字長小于k(本程序中k取7)的所有序列，故定義適應(yīng)度函數(shù)為Etotal=Σk[-Σphjlog2phj].]]>不難知道，Etotal的香農(nóng)極限值為k(k+1)2]]>。這樣對一個(gè)給定的編碼樹就得到它的適應(yīng)度。然后按照“個(gè)體被遺傳的概率與它的適應(yīng)度成正比”的法則來選擇被遺傳的個(gè)體。隨著代數(shù)的增加，得到的編碼器的輸出序列的香農(nóng)熵會逼近極限值，也就是說，編碼器會在香農(nóng)意義下逼近最優(yōu)。(事實(shí)上到第3代時(shí)，得到的編碼器的輸出序列熵就達(dá)到25以上了，此后隨著代數(shù)的增加，熵以很慢的速度逼近極限值28)第三步，交叉和變異操作得到群體中每一個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度后，就要進(jìn)行一次遺傳變異操作來得到下一代群體。首先，由于適應(yīng)度標(biāo)志了一個(gè)個(gè)體對環(huán)境的適應(yīng)程度，適應(yīng)度大的個(gè)體對環(huán)境較適應(yīng)，它應(yīng)該更容易生存和遺傳到下一代中去。而這樣會帶來一個(gè)問題，適應(yīng)度大的個(gè)體有可能不被遺傳，而適應(yīng)度小的個(gè)體也有可能被遺傳(因?yàn)榫幊虒?shí)現(xiàn)時(shí)是通過隨機(jī)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的)，為了保持算法的穩(wěn)定性，我使適應(yīng)度排在前10％的個(gè)體一成不變的復(fù)制到下一代中，遺傳變異操作只對10％以后的個(gè)體進(jìn)行。
遺傳變異操作時(shí)，先按照如上所述的選擇準(zhǔn)則，選擇一對雙親(parents)，也就是說選定了兩棵樹，那么這兩個(gè)個(gè)體就要進(jìn)行交配，過程很清楚的顯示在圖2中需要注意的是，圖2(a)箭頭顯示的交叉點(diǎn)的位置也是隨機(jī)選擇的，以0.9的概率選擇操作符節(jié)點(diǎn)，以0.1的概率選擇操作數(shù)節(jié)點(diǎn)。此外，由于要減少程序的運(yùn)行時(shí)間，交叉操作時(shí)要保證得到的兩棵樹深度不超過15。為了擴(kuò)大算法的選擇范圍，有時(shí)需要進(jìn)行變異操作，正如現(xiàn)實(shí)的自然界中，生物的突變發(fā)生的概率很小，所以我的程序中規(guī)定了個(gè)體發(fā)生變異的概率為0.1。
下面具體討論一下變異的具體實(shí)現(xiàn)由于一棵樹中節(jié)點(diǎn)有兩種類型，運(yùn)算符和操作數(shù)，那么不難想象變異有兩種可能A.運(yùn)算符→操作數(shù)B.操作數(shù)→運(yùn)算符對情況A，原來運(yùn)算符節(jié)點(diǎn)下的左子樹和右子樹就要被刪除掉。對情況B，變異得到的運(yùn)算符節(jié)點(diǎn)必須新長出左右子樹，否則就是沒有意義的樹！而由于要減小程序運(yùn)行的規(guī)模，規(guī)定此情況中只長出兩個(gè)操作數(shù)節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步，變異節(jié)點(diǎn)的選擇和情況B中長出的左右子樹，也是具有隨機(jī)性的。
運(yùn)用此技術(shù)方案的運(yùn)行結(jié)果正如上文所說，本發(fā)明中，編碼器的適應(yīng)度指標(biāo)是由用戶指定的，用戶可根據(jù)需要自己改動(dòng)。以下以在香農(nóng)熵準(zhǔn)則下和在第三代移動(dòng)通信對多址碼的要求下的兩個(gè)具體實(shí)施方案分別給出運(yùn)行結(jié)果。
具體實(shí)施方案一以香農(nóng)熵為適應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行結(jié)果。
(1)圖3所示為一次運(yùn)行過程中，群體中性能最好的個(gè)體的輸出序列熵隨著遺傳代數(shù)的變化曲線。可見，算法的收斂速度是很快的。
(2)下面是與圖3同一次運(yùn)行中得到的128位隨機(jī)序列生成器(中序逆波蘭式)D1M-M+M+DM-2j2*Mj31Mj3j*13D-j13+DjM+M+*+jj1+M+-2jMj3j+j1+jM1+M*Mj311*2j+M+*33Mj3jDjM*13M-2jD+Dj3Dj33*Dj3M32j+M212此編碼器的輸出序列香農(nóng)熵達(dá)到27.9以上，在香農(nóng)意義下此編碼器是接近于最復(fù)雜的，而用Matlab軟件提供的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器香農(nóng)熵只有22左右，而用移位寄存器產(chǎn)生的m序列的香農(nóng)熵小于20。
(3)圖4所示為與圖3同一次運(yùn)行中利用遺傳編程實(shí)現(xiàn)的128位隨機(jī)序列編碼器的輸出序列自相關(guān)特性曲線。
具體實(shí)施方案二以第三代移動(dòng)通信中對編碼的要求為適應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行結(jié)果。
本發(fā)明的靈活性很大程度上在于，它能根據(jù)用戶的不同需要生成滿足不同標(biāo)準(zhǔn)的編碼器。比如我們需要輸出序列自相關(guān)旁瓣很小的編碼器，這種編碼器在通信技術(shù)中有廣泛應(yīng)用，主要由于移動(dòng)通信中抗多徑時(shí)延的需要。
通信技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信，但無線頻率資源有限，如何在有限的頻帶中傳輸盡量多的信息，這個(gè)技術(shù)問題的解決很大程度上在于編碼的性能。在CDMA技術(shù)中，通過把不同的信號用相互正交的碼組擴(kuò)頻，然后將這些信號在同一個(gè)頻段中發(fā)送。在沒有解碼時(shí)這些信號是混疊的，甚至淹沒在噪聲中。然后接收機(jī)用相關(guān)器可以在混疊的信號中選出使用特定碼型的信號。在CDMA系統(tǒng)中同一小區(qū)的許多用戶以及相鄰小區(qū)的許多用戶都工作在同一頻率上，因而在頻率的使用效率上來說它是一種最有效的多址方式，但CDMA中的多址干擾仍然對系統(tǒng)的容量起制約作用，因?yàn)殡S著同時(shí)工作用戶的不斷增多，多址干擾電平必然越來越大，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，接收信號的信噪比將變得無法忍受。
所以設(shè)計(jì)出生成一定長度的正交碼組，變得很重要。然而考慮到無線通信信道中存在著嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，所以我們需要自相關(guān)性能很好的正交碼組。這樣這種碼既可以抗多址干擾，又可以抗多徑時(shí)延，將極大改善通信的性能。
事實(shí)上正是由于一組碼之間的不完全正交，才有遠(yuǎn)近干擾，如果碼的互相關(guān)為零，不同地址碼之間除了太靠近基站而阻塞基站接收，并不對其他用戶造成干擾，就不需要良好的功率控制，系統(tǒng)將簡化許多。
如果碼間的互相關(guān)性只有在對齊時(shí)為零，相差一位就不為零，這就限制了SCDMA的性能，因?yàn)闊o線信道中存在多徑傳播。
綜上，我們需要這樣一種性能的多址碼組(1)這類碼的自相關(guān)旁瓣壓得盡量小(2)碼組內(nèi)的任兩組碼，互相關(guān)很小。
(3)碼的密度盡量高。
這樣適應(yīng)度指標(biāo)可以確定為在一個(gè)碼組中找出自相關(guān)和互相關(guān)值中的最大值y，if y＞a適應(yīng)度值＝0(a是一個(gè)可調(diào)的值)else適應(yīng)度值＝香農(nóng)熵-y(控制0的個(gè)數(shù))
以64位的碼組為例，給出一個(gè)正交碼組。00000000001000000000000001100000000000000000100100000000100000 (1)0000000001000000000000001100000000000000000001001000000001000000(2)0000000010000000000000011000000000000000000010010000000010000000(3)圖5所示為某個(gè)多址正交碼的自相關(guān)圖。此碼組內(nèi)碼與碼的互相關(guān)值控制在0，1之間。
當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中我們需要的碼長度要長得多，達(dá)到千位乃至萬位以上。光通信中甚至需要十萬位的低密度碼。只要計(jì)算機(jī)足夠快，比如說并行機(jī)，本發(fā)明也能夠勝任。
權(quán)利要求
1.用遺傳編程的方法生成滿足特定要求的編碼器，其特征在于采用以下方式(1)用一系列操作符和操作數(shù)隨機(jī)組成N個(gè)算式，每一個(gè)算式其實(shí)就是一個(gè)編碼器，其中N稱為群體規(guī)模數(shù)；(2)一個(gè)編碼器有一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，也就是適應(yīng)度值，算出群體中N個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，其評價(jià)指標(biāo)由用戶指定，且有什么評價(jià)指標(biāo)就會生成什么編碼器；(3)以適應(yīng)度值為基礎(chǔ)，按照遺傳概率與適應(yīng)度值成正比的準(zhǔn)則算出每一個(gè)算式遺傳到下一代的概率。然后對此群體進(jìn)行遺傳變異操作演化出下一代群體。根據(jù)需要演化一定的代數(shù)，將最終群體中適應(yīng)度最高的算式作為最終結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器生成方法，其特征在于生成香農(nóng)意義下的最復(fù)雜序列編碼器，它采用的適應(yīng)度準(zhǔn)則為香農(nóng)準(zhǔn)則。
3.權(quán)力要求1所述的編碼器生成方法，其特征在于生成CDMA中的多址正交碼，它采用的適應(yīng)度準(zhǔn)則為在一個(gè)碼組中找出自相關(guān)和互相關(guān)值中的最大值y，if y＞a，適應(yīng)度值＝0(a是一個(gè)可調(diào)的值)，else適應(yīng)度值＝香農(nóng)熵-y(控制0的個(gè)數(shù))。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可生成指定性能序列編碼器的遺傳編程實(shí)現(xiàn)方法。用遺傳編程的方法生成滿足特定要求的編碼器，它采用以下方式(1)用一系列操作符和操作數(shù)隨機(jī)組成N個(gè)算式，每一個(gè)算式其實(shí)就是一個(gè)編碼器，其中N稱為群體規(guī)模數(shù)；(2)一個(gè)編碼器有一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，也就是適應(yīng)度值，算出群體中N個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，其評價(jià)指標(biāo)由用戶指定，且有什么評價(jià)指標(biāo)就會生成什么編碼器；(3)以適應(yīng)度值為基礎(chǔ)，按照遺傳概率與適應(yīng)度值成正比的準(zhǔn)則算出每一個(gè)算式遺傳到下一代的概率。然后對此群體進(jìn)行遺傳變異操作演化出下一代群體。根據(jù)需要演化一定的代數(shù)，將最終群體中適應(yīng)度最高的算式作為最終結(jié)果。
文檔編號H03M13/00GK1391413SQ0213801
公開日2003年1月15日 申請日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者李曦田 申請人:李曦田