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分布式信源编码理论与应用研究

作　者: 薛国栋
导　师: 周炯槃
学　校: 北京邮电大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 无线传感器网络分布式信源编码通用编码不等差错保护联合信源信道编码相关性估计
分类号: TN911.21
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着计算机、通信、网络以及多媒体等技术领域的发展进步,如何有效地对数据进行压缩成为数据通信的一个基本组成部分,并得到了广泛的重视。值得注意的是,在无线信道中,能够提供对多媒体(包括语音、图像和数据等)业务的支持已成为二十一世纪通信系统发展的必然趋势。然而无线通信的实现势必要解决两大问题,其一是对信源进行高效的压缩以充分利用有限的信道带宽,即信源编码问题；其二是对压缩后的信息进行错误保护以抵御信道或网络所带来的误码或数据丢失,即信道编码问题。信源编码和信道编码所要解决的问题在一定意义上是相互矛盾的：一方面,信源编码压缩率的提高将导致压缩后的码流抗误码能力的降低,另一方面,提高码流的抗误码性能又要以牺牲压缩效率为代价。在对信源编码理论以及信道编码理论深入研究的基础上,本论文以无线传感器网络为研究背景,主要研究了在此应用环境下的分布式信源编码问题,即能够在获得与传统信源编码相同性能的前提条件下,提高编码效率、降低编码器复杂度的信源编码策略。另外,本论文还研究了用于无线信道中图像传输的联合信源信道编码问题,并与分布式信源编码问题相结合,向分布式联合信源信道编码方面做了一定的拓展研究。本文的主要工作和研究成果如下：1.在对分布式信源编码理论以及通用编码理论研究的基础上,着重研究了基于通用编码的分布式信源编码问题。针对分布式信源编码的特点,提出了基于通用编码思想的分布式译码算法,并从算法复杂度的角度进行了较为详细的分析和比较。2.针对无线传感器网络规模大、计算能力弱、能量受限等特点,提出了应用于该环境中的一种采用非对称分布式信源编码思想的不等差错保护方案。同传统的不等差错保护方案相比,此方案只需为多个信源节点设计一对编码器和译码器,从而极大的降低系统设计复杂度。另外,本方案还具有速率自适应的特点。3.对于上述不等差错保护方案进行了进一步的研究,同时考虑到延长整个无线传感器网络寿命的目的,深入研究了对称编码情况下的不等差错保护,并在此基础上提出了基于对称编码的不等差错保护系统结构。文中还将对称编码的系统结构扩展到对多信源进行不等差错保护的情况,实验结果表明：与非对称的系统结构相比,对称编码的情况能够获得相同的译码性能和不等差错保护能力,并同时兼具速率自由分配的优点。4.文中研究了联合信源信道编码问题,在传统的编码结构的基础上做出了一定的改进,提出了具有双层差错保护的联合信源信道编码方案。通过在信源编码器和信道编码器之间加入了对数据重新整理的模块,达到了译码端的自同步,从而解决了由信道噪声造成的各数据分块之间边界丢失的问题。将改进后的编码方法应用到无线信道的图像传输中,并取得了较好的图像恢复效果。5.综合分布式信源编码和联合信源信道编码的思想,研究了分布式联合信源信道编码问题。通过对分布式信源编码中基于Syndrome方法的研究,提出了基于Syndrome的分布式联合信源信道编码方法,而非采用传统上使用的基于Parity的方法。仿真中验证了该方法的有效性,在获得同Parity方法几乎相同的译码效果的条件下,文中提出的方法具有最优的编码效率。6.研究了分布式信源编码中的相关性估计问题,包括理论模型的建立以及两种相关性估计情况的分析,并着重对相关性低估时对译码性能的影响进行了较为详细的分析。

全文目录

摘要  6-9
ABSTRACT  9-16
第一章绪论  16-23
  1.1 信源编码回顾  16-18
  1.2 联合信源信道编码  18-20
  1.3 本文的研究内容和结构  20-23
第二章分布式信源编码基础  23-37
  2.1 分布式信源编码的理论基础  24-29
    2.1.1 Slepian-Wolf编码理论  25-28
    2.1.2 Wyner-Ziv编码理论  28-29
  2.2 Slepian-wolf实现方案  29-35
    2.2.1 DISCUS编码方案  29-31
    2.2.2 对称压缩方案  31-35
  2.3 Slepian-Wolf编码研究现状  35-37
第三章基于通用编码的分布式信源编码  37-47
  3.1 一些定义和性质  38-39
  3.2 最小熵译码器  39-40
  3.3 分布式信源编码的线性规划译码  40-46
    3.3.1 研究方法  41-42
    3.3.2 线性规划译码算法  42-45
    3.3.3 算法分析  45-46
  3.4 小结  46-47
第四章无线传感器网络中基于分布式信源编码的不等差错保护  47-68
  4.1 背景知识  48-49
  4.2 基于非对称分布式信源编码的不等差错保护  49-57
    4.2.1 线性规划介绍  51-53
    4.2.2 基于线性规划算法的速率自适应性质  53-54
    4.2.3 仿真结果  54-56
    4.2.4 小结  56-57
  4.3 基于对称分布式信源编码的不等差错保护  57-68
    4.3.1 采用任意线性信道码的对称分布式信源编码  60-62
    4.3.2 基于对称编码的系统结构  62-64
    4.3.3 向多信源对称编码的扩展  64
    4.3.4 仿真结果  64-67
    4.3.5 小节  67-68
第五章联合信源信道编码方案研究  68-92
  5.1 具有双层差错保护的联合信源信道编码方案  68-82
    5.1.1 问题描述  68-71
    5.1.2 容错算术编码  71-72
    5.1.3 容错熵编码(EREC)  72-74
    5.1.4 系统结构  74-77
    5.1.5 计算复杂度分析  77
    5.1.6 编码冗余分析  77-78
    5.1.7 仿真结果分析  78-81
    5.1.8 小结  81-82
  5.2 基于Syndrome的分布式联合信源信道编码  82-92
    5.2.1 分布式联合信源信道编码简介  82-83
    5.2.2 关于基于Syndrome方法和基于Parity方法的比较  83-86
    5.2.3 基于Syndrome方法的容错性分析  86-89
    5.2.4 仿真结果分析  89-90
    5.2.5 小结  90-92
第六章分布式信源编码中的相关性估计  92-100
  6.1 理论模型  93-96
  6.2 基于采样的编码结构及参数介绍  96-97
  6.3 低估情况下的译码错误分析  97-99
  6.4 小结  99-100
第七章结论及展望  100-102
在校期间主要科研项目及发表论文  102-104
致谢  104-105
参考文献  105-116

分布式信源编码理论与应用研究

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