本發(fā)明公開了一種高斯信源下多中繼網(wǎng)絡(luò)的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無線中繼技術(shù)能夠有效地對(duì)抗信道衰落、擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、提髙系統(tǒng)容量，增加分集增益，提高信息的可靠性，改善通信質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于各類無線通信系統(tǒng)。如衛(wèi)星通信和微波中繼通信系統(tǒng)就是經(jīng)典的無線中繼通信系統(tǒng)。移動(dòng)通信中采用中繼站擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍，提高系統(tǒng)的容量，現(xiàn)已成為移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍情偵察，環(huán)境監(jiān)控，智能家居，醫(yī)療健康狀況的檢測(cè)和監(jiān)控等方面的普及和廣泛應(yīng)用使得對(duì)模擬中繼網(wǎng)絡(luò)的研究具有越來越重要的意義。

目前的中繼網(wǎng)絡(luò)研究主要以數(shù)字中繼網(wǎng)絡(luò)為主。傳統(tǒng)的數(shù)字中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略主要有以下幾種：放大轉(zhuǎn)發(fā)，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信源信號(hào)直接進(jìn)行功率放大，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)；譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號(hào)先進(jìn)行解調(diào)并譯碼恢復(fù)出原始信息，再用一定的編碼方式重新編碼，發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)；編碼轉(zhuǎn)發(fā)，在編碼協(xié)作模式下，將碼字分成兩部分，源節(jié)點(diǎn)信息在碼字的第一部分傳輸給中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，校驗(yàn)位在碼字的第二部分通過源節(jié)點(diǎn)或者中繼節(jié)點(diǎn)傳輸，通過事先確定好的編碼方案進(jìn)行協(xié)作，實(shí)現(xiàn)信源與目的節(jié)點(diǎn)之間信息的傳輸。

在放大轉(zhuǎn)發(fā)策略下，信源節(jié)點(diǎn)s將模擬信號(hào)x(t)發(fā)送出去，經(jīng)awgn信道傳輸，第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為

yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l

其中nri(t)表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處的高斯白噪聲，中繼接收功率中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號(hào)yri(t)直接進(jìn)行放大處理，再發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)d，令功率放大因子為

經(jīng)中繼放大后，不考慮信道衰減，接收端收到來自第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)為

ydi(t)＝βyri(t)+ndi(t),i＝1,2,...,l

其中ndi(t)為接收端接收來自第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)的高斯噪聲，接收到的信號(hào)的功率為pr。

目前，針對(duì)模擬信號(hào)在多中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸中的的工作很少，分布式信源編碼的ceo問題針對(duì)信源與噪聲均服從高斯分布的情況，描述了在一定的失真約束條件下，中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式信源編碼后的率失真區(qū)域和碼率。針對(duì)信源信息x(t)無法被信息處理中心直接觀測(cè)到的情況，處理中心通過l個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立地對(duì)信源信息進(jìn)行觀測(cè)，中繼節(jié)點(diǎn)觀測(cè)到添加噪聲后的信源信號(hào)為yri(t),i＝1,2,...,l，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立地對(duì)接收到的信源信息進(jìn)行分布式信源編碼，將信息壓縮后，再統(tǒng)一發(fā)送到處理中心，發(fā)送的總速率為r。處理中心將接收到的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合譯碼后得到信源信息x(t)的估計(jì)將x(t)和yri(t)用n個(gè)采樣點(diǎn)來描述為

定義平均失真為

定義總的傳輸速率r和失真度d的關(guān)系對(duì)(r,d)是可達(dá)的，如果存在相應(yīng)的中繼分布式編碼方案與處理中心的解碼方案使得

令表示所有可達(dá)對(duì)(r,d)的集合，則率失真函數(shù)定義為

關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式信源編碼的ceo問題只研究了中繼進(jìn)行分布式壓縮編碼之后的率失真區(qū)域和碼率問題，沒有對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述背景技術(shù)的不足，提出了一種高斯信源的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化方法，對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

在本發(fā)明提供的高斯信源的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中，信源發(fā)送模擬高斯信號(hào)，在中繼器進(jìn)行分布式壓縮編碼，并進(jìn)行數(shù)字傳輸。考慮在加性高斯白噪聲信道下，各個(gè)中繼的接收信噪比符合一定的比例關(guān)系，接收端對(duì)不同中繼信號(hào)的接收信噪比不同，提出了該系統(tǒng)的理論分析框架。對(duì)多中繼的分布式信源編碼問題，采用ceo理論建立多中繼網(wǎng)絡(luò)的率失真函數(shù)，得到各個(gè)中繼的傳輸速率，并結(jié)合shannon信道容量理論，將中繼壓縮后的傳輸速率與中繼到接收端的信道容量建立聯(lián)系，給出了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方程，并提出一種最優(yōu)迭代求解算法。在總功率受限條件下，在信源和中繼網(wǎng)絡(luò)之間基于信噪比進(jìn)行功率分配，使得系統(tǒng)接收端的信噪比性能達(dá)到最大。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

信源s發(fā)送模擬信號(hào)x(t)，服從的高斯分布，信源與接收端之間無直接傳輸信道，通過l個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)ri(i＝1,2,...,l)將接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行分布式壓縮編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信源與目的節(jié)點(diǎn)d之間的通信?？紤]其在加性高斯白噪聲(awgn)信道下的傳輸，不考慮衰減的影響，中繼節(jié)點(diǎn)ri接收到的信號(hào)為

yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l

nri(t)表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處的高斯白噪聲。各個(gè)中繼的接收信噪比γi符合一定的比例關(guān)系：令γi＝aiγ，接收端對(duì)不同中繼信號(hào)的接收信噪比ηi均不同，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處都設(shè)置一個(gè)信源編碼器，將接收到的混合了噪聲的模擬信號(hào)yri(t)進(jìn)行分布式信源編碼，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。將信號(hào)進(jìn)行抽樣，量化和壓縮編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)y′ri(t)，再發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)d，實(shí)現(xiàn)中繼到接收端的數(shù)字化傳輸。

對(duì)多中繼的分布式信源編碼問題，采用ceo理論建立多中繼網(wǎng)絡(luò)的率失真函數(shù)，得到各個(gè)中繼的傳輸速率，并結(jié)合shannon信道容量理論，將中繼壓縮后的傳輸速率與中繼到接收端的信道容量建立聯(lián)系，給出了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如下

其中γd為中繼處的量化信噪比，γi為中繼ri接收信源信號(hào)的信噪比，ηi為接收端接收中繼ri信號(hào)的信噪比，ρ為總的信噪比約束。在總的信噪比約束條件下，在信源和中繼網(wǎng)絡(luò)之間基于信噪比進(jìn)行功率分配，使得中繼的量化信噪比γd最大，即接收端將收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼后得到的信噪比性能達(dá)到最大。

針對(duì)上述的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，提出了一種最優(yōu)求解算法。令各個(gè)中繼的發(fā)送速率ri(d)正好等于中繼到接收端的信道容量

即使得約束方程中第一個(gè)約束條件取等號(hào)

進(jìn)一步得到的優(yōu)化模型為

其中

具體迭代求解步驟如下：

a.判斷當(dāng)前比例{ai}下區(qū)間是否為空。若跳至步驟b；否則跳至步驟c。

b.求解當(dāng)前模型下γd的最大值并保存對(duì)應(yīng)的{γd，s,l}值。并判斷求得的γd是否為約束條件1在區(qū)間內(nèi)的最大值，若不是則跳至步驟c；若是則跳至步驟d。

c.去掉一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。計(jì)算和的大小，若則去掉中繼節(jié)點(diǎn)r1，返回步驟a；否則去掉中繼節(jié)點(diǎn)rl，返回步驟a；

d.判斷迭代過程中得到的γd的最大值及其對(duì)應(yīng)的{γd，s,l}即為最優(yōu)分配方案。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：

針對(duì)高斯信源在多中繼網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，給出了一種分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)模型及優(yōu)化方法。采用ceo理論建立多中繼網(wǎng)絡(luò)的率失真函數(shù)，得到各個(gè)中繼的傳輸速率，并結(jié)合shannon信道容量理論，將中繼壓縮后的傳輸速率與中繼到接收端的信道容量建立聯(lián)系，給出了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方程，并提出一種最優(yōu)求解算法。在總功率受限條件下，在信源和中繼網(wǎng)絡(luò)之間基于信噪比進(jìn)行功率分配，使得系統(tǒng)接收端的信噪比性能達(dá)到最大，能得到更好的傳輸性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的高斯信源的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)示意圖；

圖2是優(yōu)化得到的系統(tǒng)接收端信噪比隨總信噪比約束的變化圖；

圖3是優(yōu)化得到的系統(tǒng)接收端信噪比隨中繼個(gè)數(shù)的變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

如圖1，本發(fā)明提供的高斯信源的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中，信源s發(fā)送模擬信號(hào)x(t)，服從的高斯分布，信源與接收端之間無直接傳輸信道，通過l個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)ri(i＝1,2,...,l)將接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行分布式壓縮編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信源與目的節(jié)點(diǎn)d之間的通信?？紤]其在加性高斯白噪聲(awgn)信道下的傳輸，不考慮衰減的影響，中繼節(jié)點(diǎn)ri接收到的信號(hào)為

yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l

nri(t)表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處的高斯白噪聲。各個(gè)中繼的接收信噪比γi符合一定的比例關(guān)系：令γi＝aiγ，接收端對(duì)不同中繼信號(hào)的接收信噪比ηi均不同，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處都設(shè)置一個(gè)信源編碼器，將接收到的混合了噪聲的模擬信號(hào)yri(t)進(jìn)行分布式信源編碼，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。將信號(hào)進(jìn)行抽樣，量化和壓縮編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)y′ri(t)，再發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)d，實(shí)現(xiàn)中繼到接收端的數(shù)字化傳輸。

接收端處設(shè)置天線，將來自各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行最大比合并接收，得到信號(hào)yd(t)，傳給解碼器，進(jìn)行聯(lián)合譯碼。經(jīng)解碼器解碼后，即可恢復(fù)出信源信息x(t)。

將模擬高斯信源在多中繼網(wǎng)絡(luò)中的壓縮傳輸類比于分布式信源編碼的ceo問題，根據(jù)高斯ceo問題的berger-tung內(nèi)界，在失真度d允許范圍內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式信源編碼后的總率失真函數(shù)為：

為高斯信源的平均功率，為中繼ri的接收噪聲，利用拉格朗日乘子法求解得

第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的率失真函數(shù)為

不考慮衰減的影響，令表示中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓縮的量化信噪比，表示中繼節(jié)點(diǎn)ri的接收信噪比。將ri(d)轉(zhuǎn)化成與信噪比的關(guān)系為

ri(d)即為中繼節(jié)點(diǎn)ri對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行量化壓縮后的最小傳輸速率。根據(jù)約束條件還需滿足

而中繼到接收端的信息傳輸則看作是一個(gè)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點(diǎn)將處理后的數(shù)字信號(hào)y′ri(t)通過天線發(fā)送出去，經(jīng)awgn信道到達(dá)接收端。根據(jù)shannon信道容量理論，只要保證每個(gè)中繼信息的傳輸速率ri小于中繼到接收端的信道容量ci，接收端就能無失真地恢復(fù)出原來的信息序列。令ηi表示接收端對(duì)中繼ri信號(hào)的接收信噪比，則高斯信道的容量ci可表示為

為保證接收端能無失真地恢復(fù)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，需滿足ri≤ci。即

設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)和接收端接收信號(hào)的總信噪比約束為

則高斯信源的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如下

在總的信噪比約束條件下，在信源和中繼網(wǎng)絡(luò)之間基于信噪比進(jìn)行功率分配，使得中繼的量化信噪比γd最大，即接收端將收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼后得到的信噪比性能達(dá)到最大。

針對(duì)上述的分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，提出了一種最優(yōu)求解算法。為最大限度地利用到了信道資源，令各個(gè)中繼的發(fā)送速率ri(d)正好等于中繼到接收端的信道容量，即約束方程中第一個(gè)約束條件取等號(hào)成立

進(jìn)一步得到的優(yōu)化模型為

其中

具體迭代求解步驟如下：

a.判斷當(dāng)前比例{ai}下區(qū)間是否為空。若跳至步驟b；否則跳至步驟c。

b.求解當(dāng)前模型下γd的最大值并保存對(duì)應(yīng)的{γd，s,l}值。并判斷求得的γd是否為約束條件1在區(qū)間內(nèi)的最大值，若不是則跳至步驟c；若是則跳至步驟d。

c.去掉一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。計(jì)算和的大小，若則去掉中繼節(jié)點(diǎn)r1，返回步驟a；否則去掉中繼節(jié)點(diǎn)rl，返回步驟a。

d.判斷迭代過程中得到的γd的最大值及其對(duì)應(yīng)的{γd，s,l}即為最優(yōu)分配方案。

已知l和ρ的值，通過迭代即可得到使得量化信噪比γd最大的中繼選擇方案和信噪比分配方案γi和ηi。

實(shí)施例

如圖2所示，在中繼個(gè)數(shù)l為15，各中繼接收信噪比比例取1:l時(shí)，優(yōu)化得到的系統(tǒng)接收端信噪比與總的信噪比約束的關(guān)系圖；圖3為在總信噪比約束為10db，各中繼接收信噪比比例取1:l時(shí)，優(yōu)化得到的系統(tǒng)接收端信噪比與中繼個(gè)數(shù)的關(guān)系圖，表1為其對(duì)應(yīng)的真正用到的中繼個(gè)數(shù)。

表1圖3對(duì)應(yīng)的真正用到的中繼個(gè)數(shù)

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。