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多天线场景下多媒体传输系统的研究

作　者: 刘小林
导　师: 吴枫; 李厚强
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 分集增益空间复用信源信道联合编码平稳降级/提升压缩采样/感知
分类号: TN919.8
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

当前,随着高速宽带无线技术的发展以及人们对多媒体信号应用需求的增长,多媒体无线通信领域的研究进入空间活跃的阶段。在无线通信的发展进程中,多天线技术是一种非常重要的实现高质量和高速率通信的技术,并被广泛应用于下一代移动通信系统中。相对于传统的单天线系统,多天线系统可以利用无线信道多径传播的固有特性,获取分集增益以提高传输信息的可靠性,或者获取复用增益来成倍提高数据传输速率。考虑到无线信道的高误比特率、带宽受限以及时变等特性,如何提高多媒体信号在无线信道特别是多天线场景下的传输质量是一个重要且有挑战性的研究课题。传统的多媒体无线传输系统普遍采用信源信道分离设计的级联编码方式。这种分离设计模式总是存在门限效应和趋平效应等问题,因而对易出错的无线信道传输缺乏鲁棒性。为了兼顾传输效率和可靠性,联合设计信源编码和信道编码的思想越来越受到人们的重视,并涌现出大量的相关工作。这些工作主要包含两大类：一类是基于信源分层的数字多媒体传输方案；另一类是基于模拟或者数模混合编码的传输方案。然而第一类分层编码方案只能支持非常有限的几个信源传输速率,因而其性能有很大的局限性；而已有的第二类方案主要针对单天线系统进行设计,无法直接有效地扩展到多天线系统中。考虑到模拟类型编码在复杂度和实现平稳系统性能方面的优势,本文提出针对具体多天线场景的基于模拟编码的多媒体无线传输方案。本文深入研究在三种不同类型的多天线场景下多媒体信号的传输问题,并设计相应的模拟编码方案。文中讨论的系统包括：MIMO-OFDM单播系统,用户接收天线数目存在差异的多天线广播系统,以及低成本的虚拟多天线系统。概括起来,本文的主要工作和创新点如下：(1)对于MIMO-OFDM链路下的视频单播系统,本文提出了一种新的线性的联合信源信道编解码方案。该方案在实现信源在信道中的分配时将去相关之后的独立信源子层和预处理之后的空间子信道匹配起来,并根据各空间子信道的增益及各信源层的能量分布优化发射功率在子信道之间的分配。文中提出的系统对编码后的系数采用伪模拟调制和传输。系统最终实现了在不同信源子层之间的精细不等保护,并使得接收端的重构性能随链路质量平稳降级／提升。(2)对于各用户有着不同接收天线数目的多天线图像广播系统,本文提出通过在多天线传输中融合压缩感知(CS)的技术来同时解决用户之间链路条件以及接收天线数目这两个维度上的差异性。在基于CS的传输框架中采用模拟调制直接传输图像系数的线性测量值,并在解码端采用CS解码算法实现信号的重构。在具体的系统设计和性能验证时,论文中首先研究从图像小波系数抽象出来的可压缩统计信号在这类系统中的传输。有关分析和仿真结果说明该方案下各类用户都可以正常解码,并且多根天线的用户能得到比单天线用户更高的速率。在考虑具体图像信号传输时,在对图像系数进行线性测量和CS重构的同时,设计了一种发射功率分配策略来优化端到端的图像传输和重构质量。实验结果证明该系统相比其它系统存在性能优势。(3)对于虚拟多天线场景下的分布不均匀的比特流的传输,本文提出了四种译码一转发的协作策略,并从理论上分析了它们各自的可达速率。这些策略的最大特点在于它们采用CS作为信道编码方式,并直接用模拟调制传输这些信源比特的多级的线性测量值。这里的虚拟多天线场景是由中继网络中多个低配置的单天线用户以分布式的方式形成的。而分布不均匀的比特流是传统多媒体信源编码得到的编码比特的一种建模,但是是二进制熵编码步骤之前的比特因而其中还保留了一些统计冗余。实验结果说明,这种基于CS的协作策略在系统传输的有效性以及对信道变化的适应能力方面有优势。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
表格  12-13
插图  13-15
第一章绪论  15-27
  1.1 背景介绍  15-19
    1.1.1 多天线系统  15-17
    1.1.2 多媒体无线通信  17-19
  1.2 国内外研究现状  19-24
    1.2.1 基于分层编码的联合编码  19-22
    1.2.2 模拟的或者数模混合的编码  22-24
  1.3 本文的内容安排和创新点  24-27
第二章多天线场景下的视频单播系统  27-57
  2.1 引言  27-32
    2.1.1 问题描述  27-29
    2.1.2 核心思想  29-32
  2.2 ParCast+系统设计  32-41
    2.2.1 总体框架  32-33
    2.2.2 信源去相关  33-35
    2.2.3 信道预处理  35-36
    2.2.4 系数的不等差错保护  36-39
    2.2.5 元数据的管理  39-40
    2.2.6 接收端的解码  40-41
  2.3 系统实现  41-44
    2.3.1 ParCast+系统实现  41-42
    2.3.2 对比实验方案  42-44
  2.4 实验结果  44-55
    2.4.1 实验设置  44-45
    2.4.2 Sora实验的微基准测试  45-46
    2.4.3 ParCast+系统的微基准测试  46-52
    2.4.4 不同视频单播系统的比较  52-55
  2.5 本章小结  55-57
第三章多天线场景下的图像广播系统  57-91
  3.1 引言  57-59
    3.1.1 问题描述  57-58
    3.1.2 核心思想  58-59
  3.2 压缩感知相关背景介绍  59-61
  3.3 可压缩信号模型的广播  61-73
    3.3.1 系统框架  61-63
    3.3.2 系统可行性分析  63-68
    3.3.3 实验结果  68-73
  3.4 图像广播系统  73-88
    3.4.1 系统设计  73-80
    3.4.2 实验结果  80-88
  3.5 本章小结  88-91
第四章虚拟多天线场景下协作中继网络中协作传输研究  91-109
  4.1 引言  91-93
    4.1.1 问题描述  91-92
    4.1.2 核心思想  92-93
  4.2 系统框架  93-98
    4.2.1 信道模型  93-94
    4.2.2 基于压缩感知的传输方案  94-96
    4.2.3 信息率理论极限  96-98
  4.3 基于压缩感知的协作方案  98-102
    4.3.1 r=1时的译码-转发策略  99-100
    4.3.2 r=0时的译码-转发策略  100-102
  4.4 实验结果  102-107
    4.4.1 系统性能评估  103-106
    4.4.2 与传统方案的比较  106-107
  4.5 本章小结  107-109
第五章总结和展望  109-113
  5.1 本文工作总结  109-111
  5.2 未来工作展望  111-113
参考文献  113-121
致谢  121-123
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  123

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