CN112468159B - 一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法 - Google Patents
一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法,包括信源节点对图像进行DCT变换;信源节点对DCT变换后的高频信息与低频信息进行信源信道编码;信源节点将编码后的码流发送给中继节点与目的节点;中继节点接收来自信源节点的信息,译码恢复出原始的发送信息,并提取出低频信息;中继节点对所述低频信息进行二次信道编码,获得校验比特,并将其传送给目的节点;目的节点在接收到信源节点和中继节点的信息后,采用多模块联合迭代译码算法进行译码,以实现低功耗和高效的传输,提升系统性能,恢复图像质量在相同信噪比下质量更高,与原始图像基本一致,无明显失真,实现传输的高可靠性和高有效性。
Description
技术领域
本发明涉及通信数据传输与数据存储领域,具体而言,涉及一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法。
背景技术
中继传输与信道编译码技术的结合是现代通信系统中的研究热点之一,以信源特性为依据的通信系统设计,有望成为下一代无线通信的新趋势。其中,低密度校验(Low-density Parity-check,LDPC)码作为性能逼近香农极限的好码之一,已被应用于中继通信系统中。
联合信源信道的编码(Joint Source Channel Coding)是充分利用信源编码后的残留冗余信息的有效方案。当信源未被压缩或是信源编码未完全消除信源的冗余信息时,这部分冗余信息能够为接收端所利用,进一步抵抗信道噪声影响,改善系统整体性能。1977年,M.C.Elience首次提出了联合信源信道编译码的概念与架构。随后,各国研究者对JSCC技术展开了深入的研究探索,1991年,Sayood K等人首次将JSCC技术应用于图像传输领域。JSCC技术综合考虑了信源编码和信道编码各自的优势,最大程度的实现了通信系统传输效率与传输质量的折衷。
不等错误保护(Unequal Error Protection,UEP)能够针对不同重要性的数据采取不同强度的保护。在相同的信噪比条件下,UEP方案能够更合理的分配资源,从而获得比等保护方案更优越的性能。以图像传输为例,图像经过分块DCT变换之后,DCT系数将分为低频分量(包含直流分量)和高频分量。低频分量表示了一幅图像中最重要的信息,而高频分量描述的是图像的细节信息,属于图像的次要信息。UEP方案可以有效地保护图像信息中更重要的数据,提高重构图像的质量和通信的有效性。
近年来,国内外学者在中继系统编译码方面开展了大量的研究工作,但大多关于中继系统的编译码设计,都未考虑到输入信源本身的特性,因此这部分研究工作往往更适用于无冗余且具有相同重要性的信源。考虑到未来移动通信对于时延、成本、复杂度等资源的限制,在中继系统中将信源特性考虑进来,对实现高可靠和高效的多样化传输至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法,以解决上述存在的问题。
为实现上述目的,本发明第一实施例提供一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法,包括
信源节点对图像进行DCT变换;
信源节点对DCT变换后的高频信息与低频信息进行信源信道编码,获得编码码流;
信源节点将获得的编码码流发送给中继节点与目的节点;
中继节点接收来自信源节点的编码码流,译码恢复出原始的发送信息,从中提取出低频信息;
中继节点对所述低频信息进行二次信道编码,获得校验比特,并将其传送给目的节点;
目的节点在接收到信源节点和中继节点的信息后,采用多模块联合迭代译码算法进行译码。
进一步的,所述信源节点对DCT变换后的高频信息与低频信息进行信源信道编码,具体为:
所述信源节点将所述高频信息利用信源原模图LDPC码进行信源编码,获得压缩后的高频信息;
所述信源节点将所述压缩后的高频信息与低频信息合并,再利用第一信道原模图LDPC码进行信道编码。
更进一步的,所述高频信息利用信源原模图LDPC码进行信源编码,获得压缩后的高频信息;所述压缩后的高频信息与低频信息合并,再利用第一信道原模图LDPC码进行信道编码过程具体为:
所述信源节点对DCT变换后的高频信息与低频信息分别进行分帧处理,得到每一帧的高频信息比特流SH与低频信息比特流为SL;
所述信源节点采用编码速率为Rs的信源原模图LDPC码对SH进行信源编码,生成高频信息码字b,即b=HSSH;
进一步的,所述信源节点将获得的编码码流发送给中继节点与目的节点具体为通过广播信道发送。
进一步的,所述中继节点对所述低频信息进行二次信道编码,获得校验比特,并将其传送给目的节点具体为:
所述中继节点得到信道编码码字CR后,获得校验比特,将所述校验比特传输到目的节点。
进一步的,所述多模块联合迭代译码算法由信源译码器和第一信道译码器和第二信道译码器三部分组成,这三部分译码的过程均包括初始似然信息计算和变量节点与校验节点之间的似然信息传递,具体的迭代译码过程如下:
在所述信源译码器Hs中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递;
在所述第一信道译码器HC1中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递;
在所述第二信道译码器HC2中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递;
所述目的节点计算不同校验矩阵之间的似然信息传递;
所述目的节点计算所述信源译码器HS的变量节点的最终后验似然值L(Sv)、所述第一信道译码器HC1的变量节点后验似然信息L(c1v)与所述第二信道译码器HC2的变量节点的后验似然信息L(c2v);
所述目的节点对L(Sv)、L(c1v)与L(c2v)进行软判决译码,若后验似然信息大于0,则认为该比特信息为1,否则,则判决为0;对于信源译码器判决后得到的估计信息序列Us,如果满足则信源译码器译码成功,同理,将第一信道译码器HC1与第二信道译码器HC2判决后得到的估计信息序列分别进行校验;若三个译码器均校验成功,则停止迭代译码过程并输出最终的估计信息序列,否则,重复迭代译码直到满足校验方程或到达最大的迭代次数。
本发明的有益技术效果:
本发明将联合信源信道编码引入中继系统,在发送端针对经变换后图像信息的信源统计特性和重要性程度采取不同的传输保护策略,并采用3个原模图LDPC码进行编码;在接收端考虑不同传输策略下信源信息的不同表现形式,设计信源译码器、第一信道译码器与中继节点中的第二信道译码器三者之间互相迭代的多模块联合迭代译码方式,目的节点处的多模块联合迭代译码器设计,充分利用低频信息的信源统计特性、高频信息的编码残留冗余信息、中继节点带来的校验信息,通过似然信息在三个校验矩阵中的相互传递与更新,构成多模块联合迭代译码结构,在不断的迭代过程中提高译码器输出的预估码字似然信息的准确性,从而充分利用信源统计特性、信源压缩后的残留冗余信息与不同重要性,实现低功耗和高效的传输,以提升系统性能,恢复图像质量在相同信噪比下质量更高,与原始图像基本一致,无明显失真,实现传输的高可靠性和高有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法流程示意图。
图2为本发明实施例提供的一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法另一流程示意图。
图3为本发明实施例提供的码率为1/5的R4JA码原模图。
图4为本发明实施例提供的码率为2/3的AR3A码原模图。
图5为本发明实施例提供的多模块迭代联合译码示意图。
图6为本发明实施例提供的实施例与对比方案(1)、对比方案(2)的重构图像对比图。
图7为本发明实施例提供的实施例与对比方案(1)、对比方案(2)的重构图像PSNR值对比图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
如图1-2所示,本发明实施例提供了一种基于联合信源信道编码的方法,并包括如下步骤:
S11:信源节点S对图像进行DCT变换;
S12:信源节点S对DCT变换后的高频信息与低频信息进行信源信道编码,获得编码码流;
在本实施例中,所述信源节点S对DCT变换后得到的高频信息与低频信息分别进行分帧处理,得到每一帧的高频信息比特流SH与低频信息比特流为SL;所述信源节点S将具有较低熵值的高频信息利用信源原模图LDPC码进行信源编码,获得压缩后的高频信息,其中,所述信源节点S采用码率为Rs的信源原模图LDPC码对SH进行信源编码,例如,信源节点处的信源编码采用码率为1/5的R4JA码,如图3所示,生成高频信息码字b,即b=HSSH;所述信源节点S将所述压缩后的高频信息与具有较高熵值的低频信息合并,所述信源节点S合并低频信息与高频信息码字得到S*=[SL,b],并利用第一信道原模图LDPC码进行第一信道编码,即其中Gc1表示信源节点处信道编码采用的原模图LDPC码对应的生成矩阵,表示Gc1的转置,例如,此处第一信道编码可选择码率为2/3的AR3A码,如图4所示,其中空白圆圈代表删余节点,则系统总体传输速率约为1(39/40),包含中继传输信息。信源编码的原模图LDPC码基础矩阵设为BS,对应的校验矩阵设为HS(维数为ms×ns);信源节点S处的信道编码采用基础矩阵为BC1的第一信道原模图LDPC码,对应的校验矩阵和生成矩阵分别为HC1(维数为mc1×nc1)与GC1。当然需要说明的是,所述信源编码和第一信道编码也可以选择其他型号和码率,这些方案均在本发明的保护范围。
S13:信源节点S将获得的编码码流发送给中继节点R与目的节点D;
在本实施例中,所述信源节点S将获得的编码码流发送给中继节点R与目的节点D具体为通过广播信道发送。假设信源DCT变换与量化后,重点保护的低频信息占总信源信息的1/4,剩余3/4为非重点保护的高频信息。信源节点S到目的节点D与中继节点R到目的节点D的信道均为高斯白噪声信道,且设中继节点R到目的节点D的接收信噪比与信源节点到目的节点的接收信噪比相等。当然,需要说明的是,所述发送途径也可以是其他方式,这些方案均在本发明的保护范围。
S14:中继节点R接收来自信源节点的编码码流,译码恢复出原始的发送信息,从中提取出低频信息;
S15:中继节点R对所述低频信息进行二次信道编码,获得校验比特,并将其传送给目的节点;
在本实施例中,利用第二信道原模图LDPC码对提取出的低频信息进行信道编码,以实现不等保护,即其中CR表示信道编码码字,Gc2表示中继节点R处信道编码采用的原模图LDPC码对应的生成矩阵,表示Gc2的转置;得到信道编码码字CR后,删余信息比特,仅将校验比特传输到目的节点。中继节点R处采用基础矩阵为Bc2的第二原模图LDPC码进行信道编码,对应的校验矩阵和生成矩阵分别为Hc2(维数为mc2×nc2)与Gc2。通过对低频信息进行二次信道编码,以实现不等保护,例如,此处二次信道编码可选择码率为2/3的AR3A码,如图4所示,其中空白圆圈代表删余节点,则系统总体传输速率约为1(39/40),包含中继传输信息。当然需要说明的是,所述二次信道编码也可以选择其他型号和码率,这些方案均在本发明的保护范围。
S16:目的节点D在接收到信源节点S和中继节点R的信息后,采用多模块联合迭代译码算法进行译码。
在本实施例中,首先是对本算法中对14个符号变量(上标k表示译码过程中的第k次迭代)的定义:
在本实施例中,如图5,所述多模块联合迭代译码算法由信源译码器和第一信道译码器和第二信道译码器三部分组成,这三部分译码的过程均包括初始似然信息计算和变量节点与校验节点之间的似然信息传递,具体的迭代译码过程如下:
1)在所述信源译码器Hs中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递,具体的信源迭代译码Hs过程如下:
变量节点的初始似然信息计算公式:
其中,p表示高频信息二进制比特为1的概率;
变量节点与校验节点之间的似然信息传递:
2)在所述第一信道译码器HC1中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递,具体的信道译码器HC1迭代译码过程:
其中,p表示输入的低频信息二进制比特为1的概率;
变量节点与校验节点之间的似然信息传递:
3)在所述第二信道译码器HC2中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递,校验比特的信道初始信息计算:
其中,p表示高频信息二进制比特为1的概率;
信息比特的信道初始信息计算:
其中,p表示输入的低频信息二进制比特为1的概率;
变量节点与校验节点之间的似然信息传递:
4)计算不同校验矩阵之间的似然信息传递,具体算法如下;
5)计算所述信源译码器HS的变量节点的最终后验似然值L(Sv)、所述第一信道译码器HC1的变量节点后验似然信息L(c1v)与所述第二信道译码器HC2的变量节点的后验似然信息L(c2v);
6)对L(Sv)、L(c1v)与L(c2v)进行软判决译码,若后验似然信息大于0,则认为该比特信息为1,否则,则判决为0;对于信源译码器判决后得到的估计信息序列Us,如果满足则信源译码器译码成功,同理,将第一信道译码器HC1与第二信道译码器HC2判决后得到的估计信息序列分别进行校验;若三个译码器均校验成功,则停止迭代译码过程并输出最终的估计信息序列,否则,重复迭代译码直到满足校验方程或到达最大的迭代次数。目的节点D处的多模块联合迭代译码器设计,充分利用低频信息的信源统计特性、高频信息的编码残留冗余信息、中继节点带来的校验信息,通过似然信息在三个校验矩阵中的相互传递与更新,构成多模块联合迭代译码结构,在不断的迭代过程中提高译码器输出的预估码字似然信息的准确性。
为便于对本实施例的有益效果理解,因此设定两种方案作为本实施例的对比方案:由于本实施例在译码端引入了高频信源压缩后的冗余信息、低频分量的信源统计信息以及中继额外提供的校验信息,因此设定两种方案作为所提方案的对比:(1)仅引入高频信源压缩后的冗余信息;(2)引入高频分量压缩后的冗余信息与低频分量的信源统计信息。由于对比方案(1)与(2)中未采用中继节点,为了保证提出方案的总体传输速率与对比方案总体传输速率接近,对比方案(1)与(2)中的信道编码采用未删余的AR3A码,码率为4/7,即增加了在信源节点处传递的校验比特个数。如图6,分别给出了三幅测试图像(lena、pepper、x_ray)在三种不同方案下的重构图,同时还给出了原始灰度图像,其中,图(a)中给出的为三幅原始图像,图(b)与图(c)分别为对比方案(1)与对比方案(2)的重构图像,图(d)给出的为本实施例的重构图像。三幅图像的传输信噪比分别设为0dB、-0.5dB与-1.1dB。可以发现,本实施例算法重构的图像质量在不同信噪比下都明显优于其它方案传输的图像质量,与原始图像基本一致,无明显失真。而对比方案(2)恢复的三张图像只能显示基本轮廓,对比方案(1)中的三张重构图像完全出错,无法看出图像内容。参考恢复图像的PSNR值也可以得出同样的结论。参考图7,进一步给出了所提方案与对比方案(1)、对比方案(2)的重构图像在不同信噪比条件下的峰值信噪比(PSNR)对比。其中,实线为所提出的算法恢复图像的PSNR曲线。点划线和虚线分别代表对比方案(2)和对比方案(1)的恢复图像PSNR曲线。由图可得所提算法较两种对比算法有明显的性能增益。所提算法在信噪比为-0.8dB时,三幅恢复图像的PSNR均已经达到最高值,仅量化过程造成失真,传输无误,而两种对比方案的PSNR值较小。在同样的PSNR条件下,所提算法有较大的信噪比增益。以lena图和pepper图为例,在PSNR值都达到最高点时,本实施例算法较对比方案(2)分别有1.6dB和1.9dB的信噪比增益。
本实施例结果可进一步与文献《工业互联网低功耗数据链算法设计综述——联合信源信道编码设计的必要性、现实与前景》与文献《New results on radiography imagetransmission with unequal error protection using protograph double LDPCcodes》中所提出的联合信源信道不等保护编码方案对比,这两篇文献中,针对lena图,可在整体传输速率为0.43的条件下,在信噪比为0dB处达到最大PSNR值。而本实施例,在整体传输速率约为1的条件下,在信噪比为-0.9dB处得到PSNR=40.48。因此,本方案在传输速率更高的条件下,却只需更低的信噪比即可达到与这两篇文献中相同的PSNR。
此外,针对图像信源,若仅采用文献《Bilayer protograph codes for half-duplex relay channels》中的中继编码方案,只通过中继节点R译码转发的方式为目的节点D的译码端提供中继额外信息量,而不考虑信源特性与不等差错保护,以该文献中设计的2/3码率的信道码为例,在AWGN信道下的译码阈值为1.223dB。因此,在低于1.223dB的信噪比下,仅采用中继提供额外信息量,并不能正确译码。而本实施例在SNR为-0.8dB处,即可实现三幅图像的无误传输。
本实施例将联合信源信道编码引入中继系统,在发送端针对经变换后图像信息的信源统计特性和重要性程度采取不同的传输保护策略,并采用3个原模图LDPC码进行编码;在接收端考虑不同传输策略下信源信息的不同表现形式,设计信源译码器、第一信道译码器与中继节点中的第二信道译码器三者之间互相迭代的多模块联合迭代译码方式,目的节点D处的多模块联合迭代译码器设计,充分利用低频信息的信源统计特性、高频信息的编码残留冗余信息、中继节点带来的校验信息,通过似然信息在三个校验矩阵中的相互传递与更新,构成多模块联合迭代译码结构,在不断的迭代过程中提高译码器输出的预估码字似然信息的准确性,从而充分利用信源统计特性、信源压缩后的残留冗余信息与不同重要性,实现低功耗和高效的传输,以提升系统性能,恢复图像质量在不同信噪比下质量更高,与原始图像基本一致,无明显失真,实现传输的高可靠性和高有效性。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明,但所属领域的技术人员应该明白,在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内,在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化,均为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法,其特征在于,包括
信源节点对图像进行DCT变换;
信源节点对DCT变换后的高频信息与低频信息进行信源信道编码,获得编码码流,具体为:所述信源节点将所述高频信息利用信源原模图LDPC码进行信源编码,获得压缩后的高频信息;
所述信源节点将所述压缩后的高频信息与低频信息合并,再利用第一信道原模图LDPC码进行信道编码,具体为:所述信源节点对DCT变换后的高频信息与低频信息分别进行分帧处理,得到每一帧的高频信息比特流SH与低频信息比特流为SL;
所述信源节点采用编码速率为Rs的信源原模图LDPC码对SH进行信源编码,生成高频信息码字b,即b=HSSH;
信源节点将获得的编码码流发送给中继节点与目的节点;
中继节点接收来自信源节点的编码码流,译码恢复出原始的发送信息,从中提取出低频信息;
中继节点对所述低频信息进行二次信道编码,获得校验比特,并将其传送给目的节点;
目的节点在接收到信源节点和中继节点的信息后,采用多模块联合迭代译码算法进行译码;
所述多模块联合迭代译码算法由信源译码器和第一信道译码器和第二信道译码器三部分组成,这三部分译码的过程均包括初始似然信息计算和变量节点与校验节点之间的似然信息传递,具体的迭代译码过程如下:
在所述信源译码器Hs中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递;
在所述第一信道译码器HC1中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递;
在所述第二信道译码器HC2中计算初始似然信息和变量节点与校验节点之间的似然信息传递;
所述目的节点计算不同校验矩阵之间的似然信息传递;
所述目的节点计算所述信源译码器HS的变量节点的最终后验似然值L(Sv)、所述第一信道译码器HC1的变量节点后验似然信息L(c1v)与所述第二信道译码器HC2的变量节点的后验似然信息L(c2v);
所述目的节点对L(Sv)、L(c1v)与L(c2v)进行软判决译码,若后验似然信息大于0,则认为该比特信息为1,否则,则判决为0;对于信源译码器判决后得到的估计信息序列Us,如果满足UsHs T=0,则信源译码器译码成功,同理,将第一信道译码器HC1与第二信道译码器HC2判决后得到的估计信息序列分别进行校验;若三个译码器均校验成功,则停止迭代译码过程并输出最终的估计信息序列,否则,重复迭代译码直到满足校验方程或到达最大的迭代次数。
2.根据权利要求1所述的一种基于联合信源信道编码的不等错误保护方法,其特征在于,所述信源节点将获得的编码码流发送给中继节点与目的节点具体为通过广播信道发送。
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