一種基于遺傳算法的任意模式精確轉換方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及模分復用光纖通信領域，更具體的說，設及一種適用于模分復用光纖 通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡的任意模式精確轉換方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型信息技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡流量呈現(xiàn)指數(shù) 性的增長，對帶寬的需求也急速增加。在爆炸式增長的數(shù)據(jù)流量驅動下，作為骨干網(wǎng)、城域 網(wǎng)W及接入網(wǎng)的關鍵技術，光纖通信一直朝大容量和長距離的方向發(fā)展。隨著波長、幅度、 相位、偏振等物理維度的相繼利用，普通單模光纖曾經很好地解決當時的容量需求問題。然 而，由于物理機制的制約，普通單模光纖即將達到香農容量極限，已經不能滿足未來網(wǎng)絡流 量的需求。為了進一步提升光纖通信的容量，人們開始探究空間該一新的物理維度?；?多模/少模光纖（Multi-Mode/Few-ModeFiber,MMF/FM巧的模分復用技術應運而生，逐漸 成為當前光纖通信領域的研究熱點。
[0003] 模式轉換是模分復用技術的關鍵。當前國際上模式轉化的方案主要集中在基模和 高階模的相互轉換中。支持高階模的轉換方案主要有基于空間頻譜濾波的模場半徑匹配方 法W及基于模擬退火算法的任意模式精確轉換方法。前者在空間頻域上通過模場半徑匹配 的方法實現(xiàn)一些高階模之間的轉換，但轉換的模式有限；后者通過模擬退火算法實現(xiàn)任意 模式精確轉換，但收斂比較慢。
[0004] 本發(fā)明提出一種基于遺傳算法的任意模式精確轉換方法，通過引入遺傳算法的快 速收斂特性，實現(xiàn)任意模式精確轉換。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對模分復用光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡，利用遺傳算法的快速收斂 特性，提出一種基于遺傳算法的任意模式精確轉換方法。
[0006] 本發(fā)明通過傅里葉光學分析法在理論上分析模式轉換過程，在4f系統(tǒng)的空間頻 率域變換平面上基于遺傳算法計算SLM的相位型傳遞函數(shù)，實現(xiàn)任意模式精確轉換。本發(fā) 明對傳統(tǒng)的遺傳算法進行了改進，在編碼方面采用了更利于反映問題的固有結構的矩陣編 碼，同時對矩陣編碼下的遺傳算法的變異操作上，引入了模擬退火算法進行改進，使得遺傳 算法容易陷入局部最優(yōu)的缺點得到彌補。
[0007] 本發(fā)明在實現(xiàn)過程中，具體包括：
[000引根據(jù)本發(fā)明，關鍵是基于遺傳算法求解模式轉換過程中的精確相位型模式傳遞函 數(shù)。本發(fā)明的步驟如下：
[0009] 1、分析4f系統(tǒng)實現(xiàn)模式轉換的轉換過程；
[0010] 2、初步求解SLM的模式轉換傳遞函數(shù)；
[0011] 3、對模式轉換傳遞函數(shù)進行矩陣編碼，產生初始種群；
[0012] 4、計算轉換的目標模式與理想目標模式的相關系數(shù)，作為遺傳算法的適應度指 標；
[0013] 5、對適應度進行判決，若滿足優(yōu)化條件，則結束優(yōu)化過程，得到最優(yōu)的模式轉換傳 遞函數(shù)，否則進入遺傳算法；
[0014] 6、選擇基因；
[0015] 7、對基因進行變異，同時引入模擬退火算法，避免陷入局部最優(yōu)解；
[0016] 8、對兩個個體的基金進行交叉；
[0017] 9、產生新一代群體；
[0018] 10、重復步驟4到步驟9,直到得到最優(yōu)模式轉換結果為止，結束遺傳算法。
【附圖說明】
[0019] 通過下面結合附圖進行的對實施例的描述，本發(fā)明的上述和/或其他目的和優(yōu)點 將會變得更加清楚，其中：
[0020] 圖1示出基于4f系統(tǒng)的模式轉換系統(tǒng)；
[0021] 圖2示出遺傳算法流程；
[0022] 圖3示出模式轉換遺傳算法抽象矩陣編碼基因圖；
[0023] 圖4示出模式轉換遺傳算法中的交叉操作；
[0024] 圖5示出模式轉換遺傳算法中的變異操作；
[00巧]圖6示出待轉換模式化1的理想圖樣（a)W及目標模式LP12。的理想圖樣化）；
[0026] 圖7示出初始相位（a)W及加載初始相位時得到的目標模式LPi2。的轉換圖樣 化）；
[0027] 圖8示出（a)經模式轉換遺傳算法優(yōu)化后的最佳轉換相位和化）加載最佳轉換相 位得到的目標模式LPi2。的轉換圖樣；
[002引圖9示出遺傳算法（GA)和模擬退火算法（SA)的轉換相似度隨時間變化曲線?！揪唧w實施方式】
[0029] 通過參照下面對示例性的非限定性的實施例和附圖的詳細描述，本發(fā)明的優(yōu)點和 特征W及實現(xiàn)本發(fā)明的方法可更易于理解。然而，本發(fā)明可多種不同的形式來實施，而 不應被解釋為受限于在此闡釋的實施例。此外，提供該些實施例從而該公開將是徹底的和 完全的，并將完整地將本發(fā)明的構思傳達給本領域技術人員，本發(fā)明將僅由所附權利要求 定義。在說明書中，相同的標號始終指示相同的部件。
[0030] 下面將結合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。
[0031] 圖1示意性示出了基于4f系統(tǒng)的模式轉換系統(tǒng)。本發(fā)明利用雙透鏡的共焦結構 來構成4f傅立葉變換系統(tǒng)，在傅立葉變換平面放置相位型SLM作為模式濾波器件。兩個透 鏡為空間傅里葉變換器，設置SLM為二進制相位型濾波器，其傳遞函數(shù)為T，每個像素的取 值為-n/2或者JT/2。待轉換模式用t/w,,.。表示，目標模式用。表示，系統(tǒng)輸出的轉換結 果用U。表示，那么有
[0032] (1)
[0033] 為了量化模式轉換的效果，引入相似度來表征轉換后的目標模式u。與理想的目標 模式的相關系數(shù)，即
[0034]
【主權項】
1. 一種基于遺傳算法的任意模式精確轉換方法，其特征在于包括以下內容： 基于遺傳算法求解待轉換模式轉換成目標模式的精確二進制相位型模式傳遞函數(shù)； 模式轉換系統(tǒng)中的仿真結果和結論。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于遺傳算法的任意模式精確轉換方法，其特征在于基于遺 傳算法求解待轉換模式轉換成目標模式的精確二進制相位型模式傳遞函數(shù)；本方法首次在 模分復用光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡的模式轉換中，采用了遺傳算法實現(xiàn)任意模式的精確轉換； 本發(fā)明對傳統(tǒng)的遺傳算法進行了改進，在編碼方面采用了更利于反映問題的固有結構的矩 陣編碼，同時對矩陣編碼下的遺傳算法的變異操作上，引入了模擬退火算法進行改進，使得 遺傳算法容易陷入局部最優(yōu)的缺點得到彌補，具體步驟為： (1) 、分析4f系統(tǒng)實現(xiàn)模式轉換的轉換過程； (2) 、初步求解SLM的模式轉換傳遞函數(shù)； (3) 、對模式轉換傳遞函數(shù)進行矩陣編碼，產生初始種群； (4) 、計算轉換的目標模式與理想目標模式的相關系數(shù)，作為遺傳算法的適應度指標； (5) 、對適應度進行判決，若滿足優(yōu)化條件，則結束優(yōu)化過程，得到最優(yōu)的模式轉換傳遞 函數(shù)，否則進入遺傳算法； (6) 、選擇基因； (7) 、對基因進行變異，同時引入模擬退火算法，避免陷入局部最優(yōu)解； (8) 、對兩個個體的基金進行交叉； (9) 、產生新一代群體； (10) 、重復步驟（4)到步驟（9)，直到得到最優(yōu)模式轉換結果為止，結束遺傳算法。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于遺傳算法的任意模式精確轉換方法，其特征在于模式轉 換系統(tǒng)中的仿真結果和結論，具體包括： 基于遺傳算法求得了任意模式轉換的精確二進制相位型模式傳遞函數(shù)； 任意模式轉換的精確轉換結果； 任意模式轉換的相關函數(shù)值R。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于遺傳算法的任意模式精確轉換方法。本發(fā)明提出的方法能夠在模分復用光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡中實現(xiàn)精確、靈活的任意模式轉換。本發(fā)明通過傅里葉光學分析法在理論上分析模式轉換過程，在4f系統(tǒng)的空間頻率域變換平面上基于遺傳算法計算SLM的相位型傳遞函數(shù)，實現(xiàn)任意模式精確轉換。本發(fā)明對傳統(tǒng)的遺傳算法進行了改進，在編碼方面采用了更利于反映問題的固有結構的矩陣編碼，同時對矩陣編碼下的遺傳算法的變異操作上，引入了模擬退火算法進行改進，使得遺傳算法容易陷入局部最優(yōu)的缺點得到彌補。結果表明，通過遺傳算法優(yōu)化后，各模式間相互轉換所得模式的相似度均可達0.84以上，相比單純的模擬退火算法，收斂速度明顯提高。
【IPC分類】H04J14-04
【公開號】CN104836631
【申請?zhí)枴緾N201510096959
【發(fā)明人】高立, 蘭名滎, 杜志超, 聶松, 蔡善勇, 喻松, 顧畹儀
【申請人】北京郵電大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年3月4日