基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法.pdf

《基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法.pdf（12页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 102427395 A (43)申请公布日 2012.04.25 C N 1 0 2 4 2 7 3 9 5 A *CN102427395A* (21)申请号 201110254287.7 (22)申请日 2011.08.31 H04J 14/00(2006.01) H04J 13/10(2011.01) (71)申请人北京邮电大学 地址 100876 北京市海淀区西土城路10号 (72)发明人尹霄丽 涂泾伦 陈雨露 戴宇航 原全新 (54) 发明名称 基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛 选方法 (57) 摘要 本发明提供了一种基于模拟退火算法的光码 分多址混沌码。

2、字筛选方法，该方法包括自相关筛 选、构造互相关矩阵、构造目标函数、设定降温策 略和迭代优化码字五个步骤。本发明可以有效的 降低光码分多址(OCDMA)系统的比特误码率，提 高OCDMA系统的误码特性，将码字选择最优化，降 低OCDMA系统中各个用户之间的互相干扰，更好 的支持多用户通信。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 CN 102427404 A 1/1页 2 1.一种基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法，其特征是所述方法包括以 下顺序执行的步骤： 步骤1：自相关筛选； 步骤2：构造。

3、互相关矩阵； 步骤3：构造目标函数； 步骤4：设定降温策略； 步骤5：迭代优化码字。 2.根据权利要求1所述的基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法，其特征 是所述步骤1的具体内容包括： 码字自相关筛选用穷举法生成所有可能的码字，根据混沌码字的自相关特性，其自相 关旁瓣数值不应过大，设定旁瓣数值门限，对生成的码字进行自相关筛选；所述旁瓣数值门 限，即根据光码分多址系统的比特误码率所要求旁瓣数值的最大值。 3.根据权利要求1所述的基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法，其特征 是所述步骤2的具体内容包括： 对步骤1中进行自相关筛选后生成的N 1 个码字，计算各个码字序列之间的互相关方。

4、 差，首先构成方差矩阵，再依据互相关筛选门限，方差矩阵中数值小于互相关筛选门限的位 置设为1，否则设为0，由此得到N 1 行N 1 列的互相关矩阵；所述互相关筛选门限根据实际情 况进行设置；所述N 1 为大于0的正整数。 4.根据权利要求1所述的基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法，其特征 是所述步骤3的具体内容包括： 在筛选出的N 1 个码字中进一步查找出N 2 个码字，根据该N 2 个码字设定目标函数的计 算方法，定义目标函数的表达式，构建目标函数；所述N 2 个码字即所需的码字数目；所述N 2 为大于0小于N 1 的正整数。 5.根据权利要求1所述的基于模拟退火算法的光码分多址混。

5、沌码字筛选方法，其特征 是所述步骤4的具体内容包括： 设定降温策略，给定初始温度值，降温后的温度为原温度的倍数k，每次降温进行g次 以下迭代优化操作，温度值用于在迭代优化中控制以一定概率接收使目标函数恶化的值的 概率；所述k为大于0小于1的小数；所述g为正整数；所述使目标函数恶化表示目标函数 值下降；所述概率与温度值相关，且随着温度值的下降而减小。 6.根据权利要求1所述的基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法，其特征 是所述步骤5的具体内容包括： 新旧替换、计算目标函数差值和判断是否接受； 其中，新旧替换将随机生成互相关矩阵的一个行号，得到一个码字，再在步骤1中生成 的码字中随机选取一。

6、个新的码字，用后者替换前者； 计算替换后的目标函数值，与替换前的目标函数值对比，然后计算替换后与替换前的 目标函数差值； 判断是否接受新的码字，如果目标函数差值大于0，则接受；如果目标函数差值小于0， 则以一定概率接受；所述一定概率与温度值相关，且随着温度值的下降而减小；目标函数 值为1时迭代过程终止。 权 利 要 求 书CN 102427395 A CN 102427404 A 1/5页 3 基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法 技术领域 0001 本发明涉及光通信技术，特别是一种基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛 选方法。 背景技术 0002 光码分多址(OCDMA)技术是将码。

7、分多址通信技术和光纤通信技术相结合的一种 新型通信方式，结合了两种通信方式的技术特点，具有很强的技术优势和广阔的应用前景。 OCDMA技术通过使用不同的地址码序列来区分用户，将许多接入用户同步(或异步)地复用 到相同的频带和时隙上，实现多个接入用户共享同一光纤信道和提高系统的总容量。因此， OCDMA技术是充分挖掘光纤潜在传输能力，扩大接入网系统容量的一种有效技术。 0003 OCDMA技术具有以下几个方面的特点： 0004 (1)不需网际范围的同步，网络设计灵活，系统误码率仅依赖于被激活的接入用户 总数，是一种软限制； 0005 (2)可实现异步通信，允许用户无延时随机接入，可支持变比特率传。

8、输和突发性业 务； 0006 (3)每个接入用户充分利用了整个系统的时域和频域资源，增加新用户容易； 0007 (4)易于实现真正透明的全光网络，信道的统计复用增益高； 0008 (5)较好的抗干扰和保密特性。 0009 构造性能优良的光地址码是实现光码分多址通信的关键技术之一。目前已报道的 超结构光纤光栅(SSFBG)相位编码OCDMA系统中使用的双极性地址码通常为m序列、Gold 序列、Kasami序列等由线性移位寄存器生成的序列。混沌序列由非线性映射生成，其对初 值具有敏感依赖性，可以提供较上述码字数量更多的可能码字。由于混沌序列具有良好的 相关特性和类随机特性，故其在无线CDMA编/解。

9、码和保密通信等领域得到了广泛关注。是 否可以将混沌序列用于OCDMA编/解码是一个需要研究的问题。由于OCDMA系统和无线 CDMA系统在调制方式和编码方法上存在差异，故两种系统对码字的需求也有所不同。例如 在无线CDMA通信系统中，数据信息采用BPSK等相位调制方式，信号为双极性的(取值为1 或-1)，码片信号同样为双极性的，但是在OCDMA系统中，数据信息采用开关键控调制方式， 信号为单极性的(取值为0或1)，相位编码的码片信号可以看作是双极性的。为了提高系 统的性能，需要根据OCDMA系统的特点对混沌序列做出优选。 0010 为了解决上述问题，本发明提出了一种基于模拟退火算法的光码分多址。

10、混沌码字 筛选方法 发明内容 0011 本发明的目的在于提供一种能够有效的支持多用户通信方式，降低各个用户之间 的干扰，进而降低光码分多址通信系统的比特误码率并提高其通信质量。 0012 本发明的技术方案是：一种基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法， 说 明 书CN 102427395 A CN 102427404 A 2/5页 4 其特征是所述方法包括以下顺序执行的步骤： 0013 步骤1：自相关筛选； 0014 步骤2：构造互相关矩阵； 0015 步骤3：构造目标函数； 0016 步骤4：设定降温策略； 0017 步骤5：迭代优化码字。 0018 所述步骤1的具体内容包括： 001。

11、9 码字自筛选用穷举法生成所有可能的码字，根据混沌码字的自相关特性，其自相 关旁瓣数值不应过大，设定旁瓣数值门限，对生成的码字进行自相关筛选；所述旁瓣数值门 限，即根据光码分多址系统的比特误码率所要求旁瓣数值的最大值。 0020 所述步骤2的具体内容包括： 0021 对步骤1中进行自相关筛选后生成的N 1 个码字，计算各个码字序列之间的互相关 方差，首先构成方差矩阵，再依据互相关筛选门限，方差矩阵中数值小于互相关筛选门限的 位置设为1，否则设为0，由此得到N 1 行N 1 列的互相关矩阵；所述互相关筛选门限根据实际 情况进行设置；所述N 1 为大于0的正整数。 0022 所述步骤3的具体内容包。

12、括： 0023 在筛选出的N 1 个码字中进一步查找出N 2 个码字，根据该N 2 个码字设定目标函数 的计算方法，定义目标函数的表达式，构建目标函数；所述N 2 个码字即所需的码字数目；所 述N 2 为大于0小于N 1 的正整数。 0024 所述步骤4的具体内容包括： 0025 设定降温策略，给定初始温度值，降温后的温度为原温度的倍数k，每次降温进行 g次以下迭代优化操作，温度值用于在迭代优化中控制以一定概率接收使目标函数恶化的 值的概率；所述k为大于0小于1的小数；所述g为正整数；所述使目标函数恶化表示目标 函数值下降；所述概率与温度值相关，且随着温度值的下降而减小。 0026 所述步骤5。

13、的内容包括： 0027 新旧替换、计算目标函数差值和判断是否接受； 0028 其中，新旧替换将随机生成互相关矩阵的一个行号，得到一个码字，再在步骤1中 生成的码字中随机选取一个新的码字，用后者替换前者； 0029 计算替换后的目标函数值，与替换前的目标函数值对比，然后计算替换后与替换 前的目标函数差值； 0030 判断是否接受新的码字，如果目标函数差值大于0，则接受；如果目标函数差值小 于0，则以一定概率接受；所述一定概率与温度值相关，且随着温度值的下降而减小；目标 函数值为1时迭代过程终止。 0031 本发明采用基于模拟退火算法进行光码分多址混沌码字筛选方法，具有如下显著 优点： 0032 。

14、1)本发明可以有效的降低系统的比特误码率，提高OCDMA系统的误码特性。 0033 2)本发明能够将码字选择最优化，降低OCDMA系统中各个用户之间的互相干扰， 更好的支持多用户通信。 0034 3)本发明有望于用于二维光地址码的构造以及多速率系统。 说 明 书CN 102427395 A CN 102427404 A 3/5页 5 0035 4)本发明采用结构较简单的算法，复杂度不高，实用性比较强。 附图说明 0036 为了更清楚的说明本发明所提出的技术，下面将对本发明实施例中所需要使用的 附图作简单的介绍，显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普 通技术人员来讲，在不。

15、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。 0037 图1是基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法原理流程图； 0038 图2是互相关矩阵表示图； 0039 图3是光码分多址原理示意图； 0040 图4是光码分多址系统误码率曲线图； 0041 图5是本发明采用的模拟退火算法原理流程图。 具体实施方式 0042 下面将结合本发明中的附图，对本发明基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字 筛选方法进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于。

16、本发明的保护范围。 0043 图1示出了基于模拟退火算法的光码分多址混沌码字筛选方法原理流程图，所述 方法可由自相关筛选101、构造互相关矩阵102、构造目标函数103、设定降温策略104，新旧 替换105、计算目标函数差值106和判断是否接受107执行的7个步骤组成。 0044 步骤1：自相关筛选101。 0045 混沌序列码长越长，自相关特性越好，但是其自相关的峰值最接近的一个(对)旁 瓣很大。当码长N511时，自相关旁瓣一般均大于120。在无线CDMA系统中，由于存在着 多径效应，自相关旁瓣数值越大，将会产生更大的多用户干扰。但是在OCDMA系统中，不存 在着多径效应，对自相关的筛选条件。

17、也可以适度放宽。 0046 以筛选20个码长N511的码字为例。首先产生1000个各不相同的初值，由每 个初值经混沌映射公式迭代生成一个码长为2000的序列，取每个序列的最后的511位数值 作为原始序列，可以取150160之间的数作为旁瓣数值门限，经自相关筛选后序列个数大 约降为原来的30，筛选后的序列数为N 1 。 0047 步骤2：构造互相关矩阵102。 0048 在光码分多址系统中，码字之间的互相关特性对系统的误码率特性影响较大。互 相关方差描述的是用户之间干扰的平均程度，其数值越小，用户之间的干扰越小，互相关的 方差为 0049 0050 0051 说 明 书CN 102427395 。

18、A CN 102427404 A 4/5页 6 0052 0053 0054 0055 其中C k，0 表示第k个码字和第0个码字的互相关函数，利用式(1)，计算经过自相 关筛选的序列之间的互相关方差，将其作为方差矩阵的元素。对角线上的元素对应的是自 相关，将其设为0；互相关筛选门限可以根据实际情况来设置，本例中设为155。对应方差矩 阵中小于互相关门限的位置设置为1，否则设置为0，由此得到互相关矩阵，如图2所示。 0056 步骤3：构造目标函数103。 0057 构造目标函数。在筛选出的N 1 10个码字中进一步查找出N 2 4个码字，设目 标码组为M(i，j)，这是相关矩阵的N 2 个行和。

19、列交叉点构成的子矩阵，则目标函数定义为 0058 0059 目标函数的最大值为1，将其作为迭代终止条件。 0060 步骤4：设定降温策略104。 0061 设定降温策略，用T表示模拟退火算法的温度，初始值取1/N 2 ，降温方案为T(t) 0.98T(t-1)(t表示降温序号)，每次降温后迭代1000次。 0062 步骤5：新旧替换105。 0063 随机生成码字矩阵的一个行号，得到一个码字，再在步骤1中生成的码字中随机 选取一个码字，用后者替换前者。 0064 步骤6：计算目标函数差值106。 0065 计算替换后的目标函数值，与替换前的目标函数值对比，然后计算替换后与替换 前的目标函数差值。

20、 0066 EE new -E old (3) 0067 步骤7：判断是否接受107。 0068 判断是否接受改变。这是一个寻找最大值的优化问题，故按照下面的原则接受改 变： 0069 若E0，接受新码字； 0070 若E0，以概率exp(E/T)接受新码字。 0071 每次降温后重复步骤5、步骤6与步骤7，当目标函数值趋于1或完成预定的迭代 次数算法终止。 0072 图3是光码分多址原理示意图。 0073 光脉冲发生器301产生超短光脉冲，输出至光电调制器303；用户数据发生器302 产生伪随机比特序列，输出至光电调制器303；光电调制器303用于将用户数据调制到光信 号上，输出至编码器30。

21、4；编码器304产生携带期望用户信息特征的光脉冲序列，输出至耦 合器306；其他用户数据305携带其他用户数据信息，输出至耦合器306；耦合器306用于将 不同用户的数据信息耦合在一起，输出至光纤信道307；光纤信道307传输用户数据；解码 器308将需求的用户数据从接受信息中解出，输出至光电检测器309；光电检测器309用于 说 明 书CN 102427395 A CN 102427404 A 5/5页 7 将光信号转换为电信号，输出用户数据310。 0074 图4是光码分多址系统误码率曲线图，从图4可以看到，使用混沌序列的系统具有 更好的误码率特性，并且使用经过筛选后的码组与使用未经筛选的。

22、码组相比，其具有更好 的误码率特性。在10-9的光通信误码率极限条件下，使用混沌序列的系统比使用Gold序 列的系统支持的用户数提高了约20。 0075 图5是本发明采用的模拟退火算法原理流程图。 0076 步骤501：确定互相关矩阵； 0077 步骤502：确定初始温度T 0 ，以及降温速度k值； 0078 步骤503：随机选出新码字，计算新目标函数值J new ； 0079 步骤504：计算目标函数差值objJ new -J old ； 0080 步骤505：判断目标函数差值是否大于0，若大于0则进入步骤406；若小于0则进 入步骤407； 0081 步骤506：接受新码字； 0082 步。

23、骤507：以一定概率exp(obj/T)接受新码字； 0083 步骤508：判断是否达到迭代次数g，若没有达到迭代次数，则返回步骤403；若达 到迭代次数，则进入步骤409； 0084 步骤509：判断是否满足终止条件，即目标函数值是否为1，若不为1，则进入步骤 410；若为1，则进入步骤411； 0085 步骤510：降低温度，重置迭代次数，返回步骤403； 0086 步骤511：结束。 0087 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 凡在本发明的精神和原则之内，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范 围内，所做的任何修改、等同、替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 102427395 A CN 102427404 A 1/5页 8 图1 说 明 书 附 图CN 102427395 A CN 102427404 A 2/5页 9 图2 说 明 书 附 图CN 102427395 A CN 102427404 A 3/5页 10 图3 说 明 书 附 图CN 102427395 A CN 102427404 A 4/5页 11 图4 说 明 书 附 图CN 102427395 A CN 102427404 A 5/5页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102427395 A 。