一种高斯信源的分布式压缩转发系统及其优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高斯信源的分布式压缩转发系统及其优化方法，该系统中，信源发送模拟高斯信号，在中继器进行分布式压缩编码，并进行数字传输。考虑在加性高斯白噪声信道下，各个中继的接收信噪比符合一定的比例关系，接收端对不同中继信号的接收信噪比不同，提出了该系统的理论分析框架。对多中继的分布式信源编码问题，采用CEO理论建立多中继网络的率失真函数，得到各个中继的传输速率，结合Shannon信道容量理论，将中继压缩后的传输速率与中继到接收端的信道容量建立联系，给出了系统的优化设计方程，提出一种最优求解算法。在总功率受限条件下，在信源和中继网络之间基于信噪比进行功率分配，使得系统接收端的信噪比性能达到最大。

【技术实现步骤摘要】
一种高斯信源的分布式压缩转发系统及其优化方法
本专利技术公开了一种高斯信源下多中继网络的分布式压缩转发系统设计方法，属于无线通信的

技术介绍
无线中继技术能够有效地对抗信道衰落、扩大无线网络覆盖范围、提髙系统容量，增加分集增益，提高信息的可靠性，改善通信质量，广泛应用于各类无线通信系统。如卫星通信和微波中继通信系统就是经典的无线中继通信系统。移动通信中采用中继站扩大信号覆盖范围，提高系统的容量，现已成为移动通信系统的关键技术。此外，无线传感器网络在军情侦察，环境监控，智能家居，医疗健康状况的检测和监控等方面的普及和广泛应用使得对模拟中继网络的研究具有越来越重要的意义。目前的中继网络研究主要以数字中继网络为主。传统的数字中继转发策略主要有以下几种：放大转发，中继节点将接收到的信源信号直接进行功率放大，然后再转发到目的节点；译码转发，中继节点将接收到的信号先进行解调并译码恢复出原始信息，再用一定的编码方式重新编码，发送到目的节点；编码转发，在编码协作模式下，将码字分成两部分，源节点信息在码字的第一部分传输给中继节点和目的节点，校验位在码字的第二部分通过源节点或者中继节点传输，通过事先确定好的编码方案进行协作，实现信源与目的节点之间信息的传输。在放大转发策略下，信源节点S将模拟信号x(t)发送出去，经AWGN信道传输，第i个中继节点接收到的信号为yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,L其中nri(t)表示第i个中继节点处的高斯白噪声，中继接收功率中继节点将接收到的信号yri(t)直接进行放大处理，再发送到目的节点D，令功率放大因子为经中继放大后，不考虑信道衰减，接收端收到来自第i个中继节点的信号为ydi(t)＝βyri(t)+ndi(t),i＝1,2,...,L其中ndi(t)为接收端接收来自第i个中继节点信号时的高斯噪声，接收到的信号的功率为Pr。目前，针对模拟信号在多中继网络传输中的的工作很少，分布式信源编码的CEO问题针对信源与噪声均服从高斯分布的情况，描述了在一定的失真约束条件下，中继节点进行分布式信源编码后的率失真区域和码率。针对信源信息X(t)无法被信息处理中心直接观测到的情况，处理中心通过L个中继节点相互独立地对信源信息进行观测，中继节点观测到添加噪声后的信源信号为Yri(t),i＝1,2,...,L，每个中继节点相互独立地对接收到的信源信息进行分布式信源编码，将信息压缩后，再统一发送到处理中心，发送的总速率为R。处理中心将接收到的信号进行联合译码后得到信源信息X(t)的估计将X(t)和Yri(t)用n个采样点来描述为定义平均失真为定义总的传输速率R和失真度d的关系对(R,d)是可达的，如果存在相应的中继分布式编码方案与处理中心的解码方案使得令表示所有可达对(R,d)的集合，则率失真函数定义为关于传感器网络中分布式信源编码的CEO问题只研究了中继进行分布式压缩编码之后的率失真区域和码率问题，没有对整个通信网络的传输性能进行研究和设计。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提出了一种高斯信源的分布式压缩转发系统优化方法，对整个通信网络的传输性能进行研究和设计。在本专利技术提供的高斯信源的分布式压缩转发系统中，信源发送模拟高斯信号，在中继器进行分布式压缩编码，并进行数字传输。考虑在加性高斯白噪声信道下，各个中继的接收信噪比符合一定的比例关系，接收端对不同中继信号的接收信噪比不同，提出了该系统的理论分析框架。对多中继的分布式信源编码问题，采用CEO理论建立多中继网络的率失真函数，得到各个中继的传输速率，并结合Shannon信道容量理论，将中继压缩后的传输速率与中继到接收端的信道容量建立联系，给出了系统的优化设计方程，并提出一种最优迭代求解算法。在总功率受限条件下，在信源和中继网络之间基于信噪比进行功率分配，使得系统接收端的信噪比性能达到最大。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：信源S发送模拟信号X(t)，服从的高斯分布，信源与接收端之间无直接传输信道，通过L个中继节点Ri(i＝1,2,...,L)将接收到的模拟信号进行分布式压缩编码，转化成数字信号后发送到目的节点，实现信源与目的节点D之间的通信。考虑其在加性高斯白噪声(AWGN)信道下的传输，不考虑衰减的影响，中继节点Ri接收到的信号为Yri(t)＝X(t)+Nri(t),i＝1,2,...,LNri(t)表示第i个中继节点处的高斯白噪声。各个中继的接收信噪比γi符合一定的比例关系：令γi＝aiγ，接收端对不同中继信号的接收信噪比ηi均不同，每个中继节点处都设置一个信源编码器，将接收到的混合了噪声的模拟信号Yri(t)进行分布式信源编码，对数据进行压缩。将信号进行抽样，量化和压缩编码，转化成数字信号Y′ri(t)，再发送到目的节点D，实现中继到接收端的数字化传输。对多中继的分布式信源编码问题，采用CEO理论建立多中继网络的率失真函数，得到各个中继的传输速率，并结合Shannon信道容量理论，将中继压缩后的传输速率与中继到接收端的信道容量建立联系，给出了系统的优化设计模型如下其中γd为中继处的量化信噪比，γi为中继Ri接收信源信号的信噪比，ηi为接收端接收中继Ri信号的信噪比，ρ为总的信噪比约束。在总的信噪比约束条件下，在信源和中继网络之间基于信噪比进行功率分配，使得中继的量化信噪比γd最大，即接收端将收到的数字信号进行解码后得到的信噪比性能达到最大。针对上述的分布式压缩转发系统设计模型，提出了一种最优求解算法。令各个中继的发送速率Ri(d)正好等于中继到接收端的信道容量即使得约束方程中第一个约束条件取等号进一步得到的优化模型为其中具体迭代求解步骤如下：a.判断当前比例{ai}下区间是否为空。若跳至步骤b；否则跳至步骤c。b.求解当前模型下γd的最大值并保存对应的{γd，s,L}值。并判断求得的γd是否为约束条件1在区间内的最大值，若不是则跳至步骤c；若是则跳至步骤d。c.去掉一个中继节点。计算和的大小，若则去掉中继节点R1，返回步骤a；否则去掉中继节点RL，返回步骤a；d.判断迭代过程中得到的γd的最大值及其对应的{γd，s,L}即为最优分配方案。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：针对高斯信源在多中继网络中的传输，给出了一种分布式压缩转发系统模型及优化方法。采用CEO理论建立多中继网络的率失真函数，得到各个中继的传输速率，并结合Shannon信道容量理论，将中继压缩后的传输速率与中继到接收端的信道容量建立联系，给出了系统的优化设计方程，并提出一种最优求解算法。在总功率受限条件下，在信源和中继网络之间基于信噪比进行功率分配，使得系统接收端的信噪比性能达到最大，能得到更好的传输性能。附图说明图1是本专利技术提供的高斯信源的分布式压缩转发系统示意图；图2是优化得到的系统接收端信噪比随总信噪比约束的变化图；图3是优化得到的系统接收端信噪比随中继个数的变化图。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高斯信源的分布式压缩转发系统，其特征在于，信源S发送模拟信号X(t)，服从

【技术特征摘要】
1.一种高斯信源的分布式压缩转发系统，其特征在于，信源S发送模拟信号X(t)，服从的高斯分布，所述信源与接收端之间无直接传输信道，通过L个中继节点Ri(i＝1,2,...,L)将接收到的模拟信号进行分布式压缩编码，转化成数字信号后发送到目的节点，实现信源与目的节点D之间的通信。2.根据权利要求1所述的一种高斯信源的分布式压缩转发系统，其特征在于，所述高斯信号在加性高斯白噪声(AWGN)信道下的传输，中继节点Ri接收到的信号为Yri(t)＝X(t)+Nri(t),i＝1,2,...,LNri(t)表示第i个中继节点处的高斯白噪声；其中，各个中继的接收信噪比γi符合比例关系：令γi＝aiγ，每个中继节点处都设置一个信源编码器，将接收到的混合了噪声的模拟信号Yri(t)进行分布式信源编码，对数据进行压缩。3.根据权利要求2所述的一种高斯信源的分布式压缩转发系统，其特征在于，在各个中继节点将接收到的模拟信号Yri(t)进行抽样，量化和压缩编码，转化成数字信号再发送到目的节点D，实现中继到接收端的数字化传输。4.一种高斯信源的分布式压缩转发系统优化方法，其特征在于，信源发送模拟高斯信号，在中继器进行分布式压缩编码，并进行数字传输；在加性高斯白噪声信道下，对多中继的分布式信源编码问题，采用CEO理论建立多中继网络的率失真函数，得到各个中继的传输速率；并结合Shannon信道容量理论，将中继压缩后的传输速率与中继到接收端的信道容量建立联系，并提出一种最优求解算法，使得在总功率受限条件下，在信源和中继网络之间基于信噪比进行功率分配，系统接收端的信噪比性能达到最大。5.根据权利要求4所述的一种高斯信源的分布式压缩转发系统优化方法，其特征在于，所述系统的优化设计模型如下：Max:γd

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞丹，徐大专，许生凯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32