本發(fā)明公開了一種高斯信源下多中繼網(wǎng)絡的分布式壓縮轉發(fā)系統(tǒng)設計方法，屬于無線通信的技術領域。

背景技術：

無線中繼技術能夠有效地對抗信道衰落、擴大無線網(wǎng)絡覆蓋范圍、提髙系統(tǒng)容量，增加分集增益，提高信息的可靠性，改善通信質量，廣泛應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)。移動通信中采用中繼站擴大信號覆蓋范圍，提高系統(tǒng)的容量，現(xiàn)已成為移動通信系統(tǒng)的關鍵技術。此外，無線傳感器網(wǎng)絡在軍情偵察，環(huán)境監(jiān)控，智能家居，醫(yī)療健康狀況的檢測和監(jiān)控等方面的普及和廣泛應用使得對模擬中繼網(wǎng)絡的研究具有越來越重要的意義。

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

在放大轉發(fā)策略下，信源節(jié)點s將模擬信號x(t)發(fā)送出去，經(jīng)awgn信道傳輸，第i個中繼節(jié)點接收到的信號為

yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l

其中nri(t)表示第i個中繼節(jié)點處的高斯白噪聲，中繼接收功率中繼節(jié)點將接收到的信號yri(t)直接進行放大處理，再發(fā)送到目的節(jié)點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個中繼節(jié)點的信號為

ydi(t)＝βyri(t)+ndi(t),i＝1,2,...,l

其中ndi(t)為接收端接收來自第i個中繼節(jié)點信號時的高斯噪聲，接收到的信號的功率為pr。

目前，針對模擬信號在多中繼網(wǎng)絡傳輸中的的工作很少，分布式信源編碼的ceo問題針對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)點進行分布式信源編碼后的率失真區(qū)域和碼率。針對信源信息x(t)無法被信息處理中心直接觀測到的情況，處理中心通過l個中繼節(jié)點相互獨立地對信源信息進行觀測，中繼節(jié)點觀測到添加噪聲后的信源信號為yri(t),i＝1,2,...,l，每個中繼節(jié)點相互獨立地對接收到的信源信息進行分布式信源編碼，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進行聯(lián)合譯碼后得到信源信息x(t)的估計將x(t)和yri(t)用n個采樣點來描述為

定義平均失真為

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

令表示所有可達對(r,d)的集合，則率失真函數(shù)定義為

關于傳感器網(wǎng)絡中分布式信源編碼的ceo問題只研究了中繼進行分布式壓縮編碼之后的率失真區(qū)域和碼率問題，沒有對整個通信網(wǎng)絡的傳輸性能進行研究和設計。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提出了一種高斯信源的分布式壓縮轉發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化方法，對整個通信網(wǎng)絡的傳輸性能進行研究和設計。

在本發(fā)明提供的高斯信源的分布式壓縮轉發(fā)系統(tǒng)中，信源發(fā)送模擬高斯信號，在中繼器進行分布式壓縮編碼，并進行數(shù)字傳輸?？紤]在加性高斯白噪聲信道下，各個中繼的接收信噪比符合一定的比例關系，接收端對不同中繼信號的接收信噪比不同，提出了該系統(tǒng)的理論分析框架。對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)絡的率失真函數(shù)，得到各個中繼的傳輸速率，并結合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)化設計方程，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)絡之間基于信噪比進行功率分配，使得系統(tǒng)接收端的信噪比性能達到最大。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術方案：

信源s發(fā)送模擬信號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個中繼節(jié)點ri(i＝1,2,...,l)將接收到的模擬信號進行分布式壓縮編碼，轉化成數(shù)字信號后發(fā)送到目的節(jié)點，實現(xiàn)信源與目的節(jié)點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ri接收到的信號為

yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l

nri(t)表示第i個中繼節(jié)點處的高斯白噪聲。各個中繼的接收信噪比γi符合一定的比例關系：令γi＝aiγ，接收端對不同中繼信號的接收信噪比ηi均不同，每個中繼節(jié)點處都設置一個信源編碼器，將接收到的混合了噪聲的模擬信號yri(t)進行分布式信源編碼，對數(shù)據(jù)進行壓縮。將信號進行抽樣，量化和壓縮編碼，轉化成數(shù)字信號y′ri(t)，再發(fā)送到目的節(jié)點d，實現(xiàn)中繼到接收端的數(shù)字化傳輸。

對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)絡的率失真函數(shù)，得到各個中繼的傳輸速率，并結合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)化設計模型如下

其中γd為中繼處的量化信噪比，γi為中繼ri接收信源信號的信噪比，ηi為接收端接收中繼ri信號的信噪比，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)絡之間基于信噪比進行功率分配，使得中繼的量化信噪比γd最大，即接收端將收到的數(shù)字信號進行解碼后得到的信噪比性能達到最大。

針對上述的分布式壓縮轉發(fā)系統(tǒng)設計模型，提出了一種最優(yōu)求解算法。令各個中繼的發(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約束條件取等號

進一步得到的優(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.求解當前模型下γd的最大值并保存對應的{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.去掉一個中繼節(jié)點。計算和的大小，若則去掉中繼節(jié)點r1，返回步驟a；否則去掉中繼節(jié)點rl，返回步驟a；

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

本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下有益效果：

針對高斯信源在多中繼網(wǎng)絡中的傳輸，給出了一種分布式壓縮轉發(fā)系統(tǒng)模型及優(yōu)化方法。采用ceo理論建立多中繼網(wǎng)絡的率失真函數(shù)，得到各個中繼的傳輸速率，并結合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)化設計方程，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)絡之間基于信噪比進行功率分配，使得系統(tǒng)接收端的信噪比性能達到最大，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數(shù)的變化圖。

具體實施方式

下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本領域的技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術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發(fā)系統(tǒng)中，信源s發(fā)送模擬信號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個中繼節(jié)點ri(i＝1,2,...,l)將接收到的模擬信號進行分布式壓縮編碼，轉化成數(shù)字信號后發(fā)送到目的節(jié)點，實現(xiàn)信源與目的節(jié)點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ri接收到的信號為

yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l

nri(t)表示第i個中繼節(jié)點處的高斯白噪聲。各個中繼的接收信噪比γi符合一定的比例關系：令γi＝aiγ，接收端對不同中繼信號的接收信噪比ηi均不同，每個中繼節(jié)點處都設置一個信源編碼器，將接收到的混合了噪聲的模擬信號yri(t)進行分布式信源編碼，對數(shù)據(jù)進行壓縮。將信號進行抽樣，量化和壓縮編碼，轉化成數(shù)字信號y′ri(t)，再發(fā)送到目的節(jié)點d，實現(xiàn)中繼到接收端的數(shù)字化傳輸。

接收端處設置天線，將來自各個中繼節(jié)點的數(shù)字信號進行最大比合并接收，得到信號yd(t)，傳給解碼器，進行聯(lián)合譯碼。經(jīng)解碼器解碼后，即可恢復出信源信息x(t)。

將模擬高斯信源在多中繼網(wǎng)絡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內界，在失真度d允許范圍內，中繼節(jié)點進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個中繼節(jié)點的率失真函數(shù)為

不考慮衰減的影響，令表示中繼節(jié)點進行壓縮的量化信噪比，表示中繼節(jié)點ri的接收信噪比。將ri(d)轉化成與信噪比的關系為

ri(d)即為中繼節(jié)點ri對接收信號進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數(shù)字通信網(wǎng)絡，中繼節(jié)點將處理后的數(shù)字信號y′ri(t)通過天線發(fā)送出去，經(jīng)awgn信道到達接收端。根據(jù)shannon信道容量理論，只要保證每個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出原來的信息序列。令ηi表示接收端對中繼ri信號的接收信噪比，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中繼節(jié)點發(fā)送的數(shù)字信號，需滿足ri≤ci。即

設中繼節(jié)點和接收端接收信號的總信噪比約束為

則高斯信源的分布式壓縮轉發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)化設計模型如下

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

針對上述的分布式壓縮轉發(fā)系統(tǒng)設計模型，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約束條件取等號成立

進一步得到的優(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.求解當前模型下γd的最大值并保存對應的{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.去掉一個中繼節(jié)點。計算和的大小，若則去掉中繼節(jié)點r1，返回步驟a；否則去掉中繼節(jié)點rl，返回步驟a。

d.判斷迭代過程中得到的γd的最大值及其對應的{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。

實施例

如圖2所示，在中繼個數(shù)l為15，各中繼接收信噪比比例取1:l時，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，優(yōu)化得到的系統(tǒng)接收端信噪比與中繼個數(shù)的關系圖，表1為其對應的真正用到的中繼個數(shù)。

表1圖3對應的真正用到的中繼個數(shù)

以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。