基于压缩感知的图像稳健传输机制研究

摘要

随着无线通信技术和移动互联网的快速发展，无线通信流量呈爆发式增长，特别是以图像视频为代表的高带宽需求业务更是给如今的无线网络带来了巨大压力。另外实际无线信道的时变性和广播场景下用户信道的异构性使得传统的数字传输面临着悬崖效应。数字传输系统的这种悬崖效应不仅影响广播效率和公平性，还严重影响了用户体验。近年来，为了避免悬崖效应，伪模拟传输技术引起了众多学者的关注。不同于传统的数字传输，伪模拟传输技术去除了量化、熵编码和信道编码等操作，利用一系列线性处理使整个系统失真随信道质量线性变化，具有良好的自适应性，即为用户提供匹配其信道质量的接收性能。
　　尽管伪模拟传输技术在无线图像视频传输中具有很好的特性，但其在实际应用中仍有许多问题需要解决。其中一个常见的问题就是带宽不足环境下的带宽匹配问题。由于伪模拟传输方案中传输的系数块具有不同的重要性，单纯通过丢弃部分系数块来保证带宽匹配并不是最优的。本文第一个研究点针对这个问题，考虑图像本身在变换域稀疏的特性，利用压缩感知进行信源压缩，从而传输更多的系数块。另外为了提高传输性能，我们提出了基于系数块权重的带宽分配方案，并通过功率分配算法最小化系统传输失真。最后在各种信道条件和不同带宽压缩比下的仿真表明，本文提出的方案比其他伪模拟传输方案具有更好的传输性能，从而验证了我们方案的有效性和优越性。
　　另外虽然伪模拟传输可以很好地避免悬崖效应，实现匹配信道质量的稳健传输，但是针对目前无线广播系统中存在的用户设备天线异构问题，其还面临着一些挑战。随着多天线技术的普及，不同用户设备具有不同数目的天线，因此伪模拟传输不仅要适应信道变化还要适应天线数目的差异。针对此问题，我们提出了结合压缩感知的伪模拟传输方案，基本思路是利用空间复用方法在发送端传输系数块的线性测量值，在解码端利用压缩感知重建算法实现重构。这样，单天线用户仍可以通过重建算法进行信号重构，另外用户配备的天线数目越多，其接收的测量值也越多，重建质量也会相应提高。考虑图像变换域部分系数块稀疏性差、重建失真较大的问题，我们将这类系数块直接进行空间复用，在解码端通过最小均方误差重建出来。基于此，我们提出了一个系数块分类策略，并分析了整个系统的重建失真，最后通过功率分配算法最小化了系统总失真。与其他方案的仿真对比表明，我们提出的方案不仅可以实现更好的传输性能，还使得用户的接收质量在匹配其信道条件的同时，也与其天线数目相匹配。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 伪模拟传输技术研究现状

1．3 论文主要内容和结构

1．3．3．文章主要结构

第2章 伪模拟传输及压缩感知理论

2．1 伪模拟传输原理

2．1．1．发送端

2．1．2．解码端

2．2 压缩感知理论

2．2．1．测量矩阵

2．2．2．重建算法

2．3 基于压缩感知的伪模拟图像传输

2．4 本章小结

第3章 带宽受限环境下基于压缩感知的图像稳健传输

3．1 引言

3．2 系统方案

3．2．1．方案设计

3．2．2．信源处理

3．2．3．功率失真优化

3．3 失真分析

3．3．1．功率失真分析

3．3．2．块丢弃失真分析

3．4 仿真与性能分析

3．4．1．实验方法

3．4．2．不同信噪比下的仿真性能对比

3．4．3．不同带宽压缩比下的仿真性能对比

3．4．4．块丢弃策略性能对比

3．5 本章小结

第4章 天线异构环境下基于压缩感知的无线图像传输

4．1 引言

4．2 基本思路

4．3 系统方案

4．3．1．系数块分类

4．3．2．失真分析

4．3．3．功率失真优化

4．4 仿真与性能分析

4．4．1．单用户眭能对比

4．4．2．多用户性能对比

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果