使用Python和PyTorch库实现基于DNN、CNN、LSTM的极化码译码器模型的代码示例

下面为你提供使用Python和PyTorch库实现基于DNN、CNN、LSTM的极化码译码器模型的代码示例,并且会有简单的性能优化手段。

python 复制代码
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# DNN 译码器
class DNNDecoder(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(DNNDecoder, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, output_size)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        out = self.fc1(x)
        out = self.relu(out)
        out = self.fc2(out)
        out = self.sigmoid(out)
        return out

# CNN 译码器
class CNNDecoder(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, output_size):
        super(CNNDecoder, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv1d(1, 16, kernel_size=3, padding=1)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.pool = nn.MaxPool1d(2)
        self.fc = nn.Linear((input_size // 2) * 16, output_size)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        x = x.unsqueeze(1)
        out = self.conv1(x)
        out = self.relu(out)
        out = self.pool(out)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = self.fc(out)
        out = self.sigmoid(out)
        return out

# LSTM 译码器
class LSTMDecoder(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(LSTMDecoder, self).__init__()
        self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        out, _ = self.lstm(x.unsqueeze(1))
        out = out[:, -1, :]
        out = self.fc(out)
        out = self.sigmoid(out)
        return out


# 训练模型函数
def train_model(model, train_loader, criterion, optimizer, epochs):
    model.train()
    for epoch in range(epochs):
        running_loss = 0.0
        for inputs, labels in train_loader:
            optimizer.zero_grad()
            outputs = model(inputs)
            loss = criterion(outputs, labels)
            loss.backward()
            optimizer.step()
            running_loss += loss.item()
        print(f'Epoch {epoch + 1}, Loss: {running_loss / len(train_loader)}')


# 示例使用
if __name__ == "__main__":
    input_size = 10
    hidden_size = 20
    output_size = 5
    batch_size = 32
    epochs = 10

    # 模拟数据
    train_data = torch.randn(100, input_size)
    train_labels = torch.randint(0, 2, (100, output_size)).float()
    train_dataset = torch.utils.data.TensorDataset(train_data, train_labels)
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)

    # 初始化模型
    dnn_decoder = DNNDecoder(input_size, hidden_size, output_size)
    cnn_decoder = CNNDecoder(input_size, output_size)
    lstm_decoder = LSTMDecoder(input_size, hidden_size, output_size)

    # 定义损失函数和优化器
    criterion = nn.BCELoss()
    dnn_optimizer = optim.Adam(dnn_decoder.parameters(), lr=0.001)
    cnn_optimizer = optim.Adam(cnn_decoder.parameters(), lr=0.001)
    lstm_optimizer = optim.Adam(lstm_decoder.parameters(), lr=0.001)

    # 训练模型
    print("Training DNN Decoder:")
    train_model(dnn_decoder, train_loader, criterion, dnn_optimizer, epochs)
    print("Training CNN Decoder:")
    train_model(cnn_decoder, train_loader, criterion, cnn_optimizer, epochs)
    print("Training LSTM Decoder:")
    train_model(lstm_decoder, train_loader, criterion, lstm_optimizer, epochs)

    

代码说明:

  1. DNN 译码器:由两个全连接层构成,中间使用ReLU激活函数,最后使用Sigmoid函数输出。
  2. CNN 译码器:先经过一个一维卷积层,接着是ReLU激活函数和最大池化层,最后连接一个全连接层,用Sigmoid函数输出。
  3. LSTM 译码器:包含一个LSTM层和一个全连接层,使用Sigmoid函数输出。
  4. 训练函数train_model 函数用于训练模型,采用二分类交叉熵损失函数(BCELoss)和Adam优化器。

性能优化手段:

  • 调整学习率 :能够使用学习率调度器动态调整学习率,例如 torch.optim.lr_scheduler.StepLR
  • 增加数据量:更多的数据有助于模型泛化,降低过拟合的可能性。
  • 调整模型结构:尝试不同的隐藏层大小、卷积核大小、LSTM层数等。
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