本發(fā)明屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及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)及設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

無線中繼技術(shù)能夠有效地對抗信道衰落、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)。移動通信中采用中繼站擴(kuò)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(guān)鍵技術(shù)。此外，無線模擬傳感網(wǎng)絡(luò)在軍情偵察，環(huán)境監(jiān)控，智能家居，醫(yī)療健康狀況的檢測和監(jiān)控等方面的普及和廣泛應(yīng)用使得對模擬中繼網(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)點將接收到的信源信號直接進(jìn)行功率放大，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點；譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，中繼節(jié)點將接收到的信號先進(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；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(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)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(luò)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(jìn)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(jìn)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(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進(jìn)行聯(lián)合譯碼后得到信源信息x(t)的估計

接收端對信源發(fā)送的信息不能進(jìn)行直接的觀察和接收，只能通過l個中繼節(jié)點來實現(xiàn)對信源信息的估計。這就類似于一位ceo想知道某個數(shù)據(jù)序列的具體信息，但他無法直接觀察到，于是雇傭l個可以直接監(jiān)視該序列的代理人，通過他們各自獨立的描述來獲取序列的信息，所以稱之為ceo問題。

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(guān)系對(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(r,d)的集合，則率失真函數(shù)定義為

關(guān)于模擬傳感網(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，沒有對整個傳感通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能進(jìn)行研究和設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述背景技術(shù)的不足，提出了一種模擬高斯信源通過多中繼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)由信源到多中繼網(wǎng)絡(luò)的模擬傳感網(wǎng)絡(luò)和多中繼器到目的用戶的通信網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。采用分布式信源編碼的ceo理論，并結(jié)合shannon信道容量理論，建立了壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的理論方法。在總功率受限條件下，對模擬傳感網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行最優(yōu)功率分配，使信噪比性能達(dá)到最大，相比于傳統(tǒng)放大轉(zhuǎn)發(fā)策略具有更好的信噪比性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

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)及設(shè)計方法，包括信源s、中繼節(jié)點ri和接收端d，其中i＝1,2…l，l表示中繼節(jié)點的個數(shù)，所述信源s與接收端d之間無直接傳輸通道，通過中繼節(jié)點ri實現(xiàn)通信，信源s與中繼節(jié)點ri構(gòu)成模擬傳感網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點ri與接收端d構(gòu)成數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)；

所述中繼節(jié)點ri處設(shè)置有信源編碼器，所述信源編碼器將接收到的混合了高斯白噪聲的模擬信號yri(t)進(jìn)行抽樣、量化和壓縮編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號y′ri(t)，各個中繼節(jié)點ri再以相同的發(fā)送功率pr將數(shù)字信號y′ri(t)發(fā)送到接收端d，實現(xiàn)中繼節(jié)點ri到接收端d的數(shù)字化傳輸；

對傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式信源編碼問題，采用分布式信源編碼中的ceo理論建立多中繼網(wǎng)絡(luò)的率失真函數(shù)，并結(jié)合shannon信道容量理論，將模擬傳感網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，從而在總功率受限條件下，在傳感器網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行功率分配，使信噪比性能達(dá)到最大。

進(jìn)一步的，所述信源s發(fā)送信源s上傳感器獲得的模擬信號x(t)，所述中繼節(jié)點ri接收到混合了高斯白噪聲的模擬信號為yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l，nri(t)表示第i個中繼節(jié)點ri處的高斯白噪聲；

在失真度d允許范圍內(nèi)，中繼節(jié)點ri進(jìn)行分布式信源編碼后的總率失真函數(shù)表達(dá)式為：

其中為高斯信源x(t)的平均功率。

進(jìn)一步的，各個中繼節(jié)點接收信號的信噪比γsr和發(fā)送功率pr均相同，因此經(jīng)量化壓縮后信號的發(fā)送速率也相同，則每個中繼節(jié)點ri量化后的率失真函數(shù)為

其中γd表示量化信噪比，rl(d)即為單個中繼節(jié)點ri對接收信號進(jìn)行量化壓縮后的最小傳輸速率。

進(jìn)一步的，結(jié)合shannon信道容量理論，將模擬傳感網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，中繼節(jié)點ri的發(fā)送速率應(yīng)小于中繼節(jié)點ri到接收端d的信道容量cl，即

γrd表示接收端d接收信號的信噪比，設(shè)中繼節(jié)點ri和接收端d接收信號的總功率約束為px+lpr＝p，其中p表示中繼節(jié)點和接收端d接收信號的總功率，px表示yri(t)中的信號分量的功率，將px+lpr＝p轉(zhuǎn)化為信噪比約束為γsr+lγrd＝γ。

進(jìn)一步的，在總功率受限條件下，滿足模擬傳感網(wǎng)絡(luò)壓縮后的傳輸速率小于數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)中的信道容量，使得量化信噪比γd最大的優(yōu)化問題可采用如下約束優(yōu)化模型：

max:γd

在模擬傳感網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行功率分配，使信噪比性能達(dá)到最大，其中，γ為總的信噪比約束；所述約束優(yōu)化模型的最優(yōu)解滿足下面的二元方程組：

已知l和總的信噪比約束γ的值，解方程組即可得到使得量化信噪比γd最大的中繼節(jié)點ri和接收端d信噪比分配方案γsr和γrd，及對應(yīng)的量化信噪比的最大值(γd)max。

進(jìn)一步的，所述接收端d設(shè)置有天線和聯(lián)合解碼器，天線將來自各個中繼節(jié)點ri的數(shù)字信號y′ri(t)進(jìn)行最大比合并接收后得到信號yd(t)，將信號yd(t)傳給聯(lián)合解碼器進(jìn)行聯(lián)合譯碼，經(jīng)聯(lián)合解碼器聯(lián)合解碼后，即可恢復(fù)出信源信息

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提出的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)相比模擬中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)在低信噪比區(qū)域的信噪比性能要好得多，具有很強(qiáng)的抗干擾性能。此外，在高信噪比區(qū)域，隨著總的信噪比約束的增大，提高倍數(shù)還會逐漸增大。這對于模擬信源在多中繼網(wǎng)絡(luò)中的傳輸給出了更好的轉(zhuǎn)發(fā)方案，并且在發(fā)送功率資源有限的情況下，相比于傳統(tǒng)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略，能得到更好的傳輸性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明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)示意圖；

圖2是壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)與放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)接收端信噪比隨中繼個數(shù)的變化比較示意圖；

圖3是壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)與放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)接收端信噪比隨總功率約束的變化比較示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

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，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

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)及設(shè)計方法，包括信源s、中繼節(jié)點ri和接收端d，其中i＝1,2…l，l表示中繼節(jié)點的個數(shù)，信源s與接收端d之間通過中繼節(jié)點ri實現(xiàn)通信，信源s與中繼節(jié)點ri構(gòu)成模擬傳感網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點ri與接收端d構(gòu)成數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。

信源s受環(huán)境限制直接發(fā)送信源s上傳感器獲得的模擬信號x(t)，模擬信號x(t)為服從正太分布的高斯信源，通過l個中繼節(jié)點ri(i＝1,2,...,l)將接收到的模擬信號x(t)進(jìn)行壓縮，并將壓縮后的模擬信號x(t)轉(zhuǎn)發(fā)到接收端d，實現(xiàn)信源s與接收端d之間的通信。信源s直接發(fā)送信源s上傳感器獲得的模擬信號x(t)，模擬信號x(t)為服從正太分布的高斯信源。

在不考慮信道衰減的影響情況下，中繼節(jié)點ri接收到的模擬信號為yri(t)＝x(t)+nri(t),i＝1,2,...,l，其中yri(t)表示混合了高斯白噪聲的模擬信號，nri(t)表示第i個中繼節(jié)點處的高斯白噪聲，所有的nri(t),i＝1,2,...,l獨立同分布，服從的分布。

中繼節(jié)點ri處設(shè)置有信源編碼器，信源編碼器將接收到的混合了高斯白噪聲的模擬信號yri(t)進(jìn)行分布式信源編碼，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，信源編碼器將信號進(jìn)行抽樣，量化和壓縮編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號y′ri(t)，各個中繼節(jié)點ri再以相同的發(fā)送功率pr將數(shù)字信號y′ri(t)發(fā)送到接收端d，實現(xiàn)中繼節(jié)點ri到接收端d的數(shù)字化傳輸。

接收端d設(shè)置有天線和聯(lián)合解碼器，天線將來自各個中繼節(jié)點ri的數(shù)字信號y′ri(t)進(jìn)行最大比合并接收后得到信號yd(t)，將信號yd(t)傳給聯(lián)合解碼器進(jìn)行聯(lián)合譯碼。經(jīng)聯(lián)合解碼器聯(lián)合解碼后，即可恢復(fù)出信源信息

首先信源s發(fā)送的是模擬信號，而不是數(shù)字信號。其次，在中繼節(jié)點ri進(jìn)行模擬信源的分布壓縮編碼，并進(jìn)行數(shù)字傳輸。最后，由于傳輸?shù)氖悄M信號，因此，系統(tǒng)性能評價的指標(biāo)是信噪比，而不是數(shù)字通信系統(tǒng)中的誤碼率。

本發(fā)明提出該系統(tǒng)的理論分析框架，對模擬傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式信源編碼問題，采用分布式信源編碼的ceo理論建立多中繼網(wǎng)絡(luò)的率失真函數(shù)，在失真度d允許范圍內(nèi)，中繼節(jié)點ri進(jìn)行分布式信源編碼后的總率失真函數(shù)表達(dá)式為：

其中，為高斯信源的平均功率，則中繼節(jié)點進(jìn)行分布式信源編碼后的量化信噪比可表示為令γsr表示中繼節(jié)點ri接收信號的信噪比，令γrd表示接收端d接收信號的信噪比，則γsr、γrd可表示為

其中px表示yri(t)中的信號分量的功率，且表示高斯白噪聲的平均功率，將r(d)轉(zhuǎn)化成與信噪比的關(guān)系式為

即r(d)為所有中繼節(jié)點ri對接收到的模擬信號進(jìn)行分布式信源編碼后總體的最小傳輸速率。又因為各個中繼節(jié)點ri處的接收信噪比γsr和發(fā)送功率pr均相同，經(jīng)量化壓縮后的信號發(fā)送速率也相同，則每個中繼節(jié)點ri量化后的率失真函數(shù)為

rl(d)即為單個中繼節(jié)點ri對接收信號進(jìn)行量化壓縮后的最小傳輸速率。

而中繼節(jié)點ri到接收端d的信息傳輸則看作是一個數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點ri將處理后的數(shù)字信號y′ri(t)發(fā)送出去，經(jīng)awgn信道到達(dá)接收端d。根據(jù)shannon信道容量理論，將模擬傳感網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，為保證接收端能無失真地恢復(fù)出中繼節(jié)點ri發(fā)送的符號序列，中繼節(jié)點ri的發(fā)送速率應(yīng)小于中繼節(jié)點ri到接收端d的信道容量cl，若中繼節(jié)點ri到接收端d的信噪比為γrd，則高斯信道的容量cl可表示為

為保證接收端d能無失真地恢復(fù)中繼節(jié)點ri發(fā)送的數(shù)字信號，需滿rl≤cl。即

其中γrd為中繼節(jié)點ri到接收端d的信噪比。設(shè)中繼節(jié)點ri和接收端d接收信號的總功率約束為px+lpr＝p，其中p表示中繼節(jié)點ri和接收端d接收信號的總功率約束，將px+lpr＝p轉(zhuǎn)化為信噪比約束為γsr+lγrt＝γ。

由于中繼節(jié)點ri到接收端d發(fā)送的信號為數(shù)字信號，接收端d正確譯碼后得到的信號為中繼節(jié)點ri發(fā)送的數(shù)字信號y′r(t)，因此接收端d用于衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)為yr′(t)相對于信源信息x(t)的量化信噪比γd。因此，在總信噪比約束條件下，結(jié)合shannon信道容量理論，滿足模擬傳感網(wǎng)絡(luò)壓縮后的傳輸速率小于數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)中的信道容量，使得量化信噪比γd最大的優(yōu)化問題可采用如下約束優(yōu)化模型：

max:γd

可進(jìn)一步簡化為：

max:γd

對上式進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)谝粋€約束條件取等號時，表示中繼節(jié)點ri的傳輸速率正好等于信道容量，最大限度地利用到了信道資源。為求解使得系統(tǒng)性能最優(yōu)的功率分配方案，必定是在等號成立時取得。即優(yōu)化問題的γd和γsr滿足下式

γd為γsr的函數(shù)，當(dāng)γsr在區(qū)間[0,γ]內(nèi)取值時，求γd的最大值。分析在區(qū)間[0,γ]兩端，當(dāng)信源s節(jié)點到中繼節(jié)點ri的信噪比γsr趨于零時，說明信源s到中繼節(jié)點ri的信道狀態(tài)很差，無法正確傳送到中繼節(jié)點ri。當(dāng)信源s節(jié)點到中繼節(jié)點ri的信噪比γsr趨于γ時，中繼節(jié)點ri到接收端d的信噪比γrd趨于零，接收端d無法正確恢復(fù)出信息序列。因此在區(qū)間兩端，系統(tǒng)的傳輸性能最差，在區(qū)間[0,γ]中，γd應(yīng)為γsr的凸函數(shù)，γd的最大值點應(yīng)為導(dǎo)函數(shù)為零點，即滿足

在(1)式兩邊分別對γsr求導(dǎo)，得

因此，優(yōu)化問題的最優(yōu)解滿足下面的二元方程組

已知l和γ的值，解方程組即可得到使得量化信噪比γd最大的中繼節(jié)點ri和接收端d信噪比分配方案γsr和γrd，及對應(yīng)的量化信噪比的最大值(γd)max。

本發(fā)明提出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)模型，提出了該分布式壓縮轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的理論分析框架，提出了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計理論方法。在總功率受限條件下，進(jìn)行功率分配，使信噪比性能達(dá)到最大。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。