分布式信源编码理论及应用的研究分析 信号学专业.docx

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1、分布式信源编码理论及应用的研究无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，与其他的无线网络相比，无线传感器网络中传感器节点的能量有限而且不能够实时更新，因此传感节点的信息处理能力和无线通信的容量都受到了很大的影响，为了克服这些限制，需要设计能耗较低的通信协议和算法，其中，在编码时采用分布式信源编码(DiStribUtedSoUrCeCOding,DSC)技术就是一种有效地解决方法。分布式信源编码利用多个信源之间的相关性，进行独立编码减少传送的信息速率，并通过联合译码提高信息传输的整体有效性。DSC技术的作为无线传感器数据传送中的关键技术，对于其研究也越来越成熟，而对DSC的应用也扩展到了无线

2、摄像机网络等领域，成为了一种具有高效压缩性和优秀译码性能的信源编码。本文就分布式信源编码算法与应用进行仿真研究。本文讨论了Turbo码在分布式信源编码中的应用，通过仿真来对Turbo码应用到分布式信源编码中的性能进行分析。关键词：分布式信源编码DSCTUrbO码ResearchontheTheoryandApp1icationsofDistributedSourceCoding(Co11egeofEngineering,SouthChinaAgricu1tura1University,Guangzhou510642,China)Abstract:Wire1esssensornetwork,WS

3、Nisanewwire1essnetworkwhichIntegratessensor,embeddedcomputing,networkingandwire1esscommunicationtechno1ogytogatherandprocessinformation.Contrasttootherwire1essnetworks,thenodesinWSNispower-1imited,thus,theinformationprocessperformanceandthecommunicatingcapacityisgreat1yaffected.Toovercomesuchconstra

4、ints,a1owpower-consumingcommunicationprotoco1ora1gorithmisneeded.UsingDistributedSourceCoding,DSCduringinformationencodingisoneoftheeffectivewaystoso1vetheprob1em.DSCreducesthetransmittedratebyindependent1yencodinginformationusingthecorre1ationofsources,andimprovetheovera11effectivenessofthewho1etra

5、nsmitprocessbyjointdecoding.Asoneofthekeytechno1ogyinWSNinformationtransmission,theresearchonDSCisgettingmoreandmoremu1ture,andtheapp1icationofDSCisa1soexpandingtotherea1mssuchaswire1esscameranetworketc.,whichmakesitawi1d1yusesourcecodingwithhighcompressionrateandoutstandingdecodingperformance.Thist

6、hesisfocusesontheresearchesondistributedsourcecodinga1gorithmsandapp1ications.ThispaperdiscussesthedistributedsourcecodingusingTurboandana1yzestheperformanceofDistributedSourceCodingusingTurbowiththeemu1ationresu1ts.Keywords:DistributedSourceCodingDSCTurbo1前言O1.1 课题研究背景及意义O1.2 论文研究内容12分布式信源编码理论基础11.

7、1 分布式信源编码介绍11.2 分布式信源编码原理11.2.1 信源编码原理21.2.2 S1epian-Wo1f编码原理21.2.3 Wyner-Ziv编码原理41.3 分布式信源编码的实现方法51.3.1 利用校验子的分布式信源编码51.3.2 使用校验位的分布式信源编码63 基于Turbo码的分布式编码63.1 TUrbo码的提出63.2 TUrbO码的特征63.3 TUrbo码的编码原理73.3.1 并行级联卷积码73.3.2 串行级联卷积码83.3.3 混合级联卷积码83.3.4 TUrbO码编码器中交织器的设计83.4 Turbo码的译码原理94 Turbo码作为信道码在分布式信源

8、编码中的应用104.1 编码器的设计104.2 解码器的设计114.3 仿真实现124.3.1 MatIab程序设计语言概述124.3.2 程序仿真结果145 总结18参考文献19附录21致谢错误!未定义书签。1刖百1.1 课题研究背景及意义近年来，无线传感器网络（WSN：Wire1essSensorNetwork）引起人们的广泛关注和研究，在军事、环境以及医疗等领域都得到很好的利用。集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。无线传感器网络与传统的无线网络（如W1AN和蜂窝移动电话网络）有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管

9、理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，使得传感器节点的信息处理和传输能力受到了很大的限制，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题（任丰原等，2003）o为了克服这些限制需要设计能耗较低的通信协议和算法，分布式信源编码（DSC：DistributedSourceCoding）为此提供了解决的方案。与传统的编码技术相比，分布式信源编码将独立信源的数据统计相关性转移到解码端考虑，有效地将编码端的复杂度转移到解码端，并能获

10、得较高的编码效率。当前分布式信源编码技术在国外已经成为重要的研究内容，在国内也开始受到越来越多的研究者关注（王万良等，2009）o分布式信源编码是对信息互相关联但不互相通信的信源的一种信息压缩方式。和其他信源编码不同的是，分布式信源编码使用的是信道码。分布式信源编码是指针对一组相关信源编码，各个信源进行独立编码，编码后的信号送到解码端进行联合解码。这种编码方法大大降低了对编码端的计算能力的要求，并且在解码时考虑了各个信源之间的信息冗余，提高了编码效率，把编码端的复杂度转移到了解码端，极大降低了编码端的工作量，因此非常适合于WSN中减少传感器节点的消耗（陈睿，2009）,不仅如此，对于处理视频、

11、图像的大数据量的应用中也是至关重要。随着网络和无线技术的发展，以分布式信源编码技术为理论基础的分布式视频编码越来越受到人们的重视。在传统的视频压缩方案中，编码端通过帧间预测来利用相邻帧之间的相关性，从而实现数据压缩。由于帧间预测要用到复杂的运动估计和运动补偿算法，因此编码器通常要比解码器复杂5-10倍。随着移动多媒体通信及无线视频传感器网络等新技术的出现，对编解码器的配置方案提出了完全不同的要求，即编码器要力求简单，而解码器可以复杂。这时压缩要在存储和运算能力都较弱的摄像机中进行，因此希望编码器尽量简单；而解码器在基站，可采用较复杂的算法结构(史萍，2007)在这种情况下，编码端复杂度较低的分

12、布式视频编码技术的研究越来越得到了重视。1.2 论文研究内容本文主要介绍了分布式信源编码理论基础，及Turbo信道码编码、解码原理，并且对Turbo码应用于分布式信源编码中进行了仿真和性能分析，并结合仿真研究了参数变化对编码性能的影响。2分布式信源编码理论基础2.1 分布式信源编码介绍作为信息论的一个分支，早在1973年DavidS1epian和JackK.WO1f就利用信息燧提出针对于两个信息互相关联信源无损压缩的理论极限，称之为斯理篇-伍夫界限(S1epian-Wo1fbound)o他们证明了两个互不通信的信息相关的信源压缩可以达到有互相通信的压缩效率，从而奠定了分布式信源编码的理论基础。

13、分布式信源编码是对信息互相关联但不互相通信的信源的一种信息压缩方式。和其他信源编码不同的是，分布式信源编码使用的是信道码。分布式信源编码是指针对一组相关信源编码，各个信源进行独立编码，编码后的信号送到解码端进行联合解码。这种编码方法大大降低了对编码端的计算能力的要求，并且在解码时考虑了各个信源之间的信息冗余，提高了编码效率，把编码端的复杂度转移到了解码端，极大降低了编码端的工作量。分布式信源编码的主要应用领域有传感器网络(SenSornetwork)和图像，视频，多媒体压缩。其最主要的特点有两条，第一，编码计算非常简单，解码相对比较复杂；第二，互不通信的信息相关的信源压缩可以达到有互相通信的压

14、缩效率。2.2 分布式信源编码原理早在1973年，DaVidS1epian和JackK.WOIf就从理论上提出了在无损压缩时相关信源的独立编码和联合解码同样有效，从而奠定了DSC的理论基础。于1976年，A.Wyner和J.Ziv在考虑高斯信源的有损压缩时得到了类似的结果，提出了联合高斯信源的有损编码方案。2.2.1 信源编码原理信源编码是以提高通信的有效性为目的的编码，通常通过压缩信源的冗余度来实现。信源编码采用的方法一般是压缩每个信源符号的平均比特数或信源的码率。同样多的信息用较少的码率来传送，使单位时间内传送的平均信息量增加，从而提高通信的有效性。信源编码的基本途径有两个：使序列中的各个

15、符号尽可能相互独立，即解除相关性;使编码中各个符号出现的概率尽可能地相等，即概率均匀化。信源编码的基础是信息论中的两个编码定理：无失真编码定理和限失真编码定理。无失真信源编码是一种可逆性编码，即编码后的码字序列再经解码处理后，可无失真地恢复出原来的消息或消息序列。显然对于离散信源来说才有可能实现这种可逆编码,所以无失真信源编码仅适用于离散信源。限失真信源编码不能构成可逆编码，即编码后的码字序列经解码(反变换)处理后，所恢复的消息序列与发送端的原消息序列存在一定的失真。这种编码适用于连续信源模拟信号的编码。2.2.2 S1ePian-WOIf编码原理S1epian-Wo1f编码适用于离散信源的分

16、布式信源编码。S1epian-Wo1f定理指出对每个信源分别进行编码，再进行联合译码，其性能与所有信源联合编码是一致的，只要满足在n个信源中任取k个信源的和速率不小于这k个信源以剩余的n-k个信源为条件的燧(当k=n时，即要求总的和速率不小于n个信源的联合燧)。假设X和Y是一组具有相关性的离散无记忆信源，根据信源编码定理，要实现无损压缩编码，只需要编码速率大于信源端。在两个相关信源能够进行通信的情况下，如图1所示，对信源X和Y进行联合编码，则其和速率只要大于联合燧H(X,Y),就能实现无差别的编码。例如，先将信源Y的序列以速率H(Y)进行压缩，然后在信源X的编码端完全获取信源Y的信息的条件下，对信源X以速率H(X1Y)进行压缩编码。图1传统信源编码结构但