CN116667973B - 模拟联合信源信道编码的数据传输方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，并公开了一种模拟联合信源信道编码的数据传输方法、装置及设备，方法包括：S1，产生随机序列；S2，在S‑K映射中，利用预设的映射曲线对所述随机序列进行带宽压缩编码，获得信源符号，即为全分辨率星座点；S3，采用基于k‑means聚类的星座设计方法，将所述全分辨率星座点映射到有限星座点；其中，所述有限星座点的位置根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整；S4，将所述有限星座点通过加性高斯白噪声信道传输。本发明的有限星座点的位置能根据编码后输出的信源符号自行进行调整，且有限星座点的概率分布接近于全分辨率星座点的概率分布，防止当星座点的分辨率大幅下降时出现急剧的性能下降。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及模拟联合信源信道编码的数据传输方法、装置及设备。
背景技术
在传统通信系统中，信源编码和信道编码可以在不牺牲整体性能的前提下进行独立优化设计，在各自性能最优化的情况下满足整体系统最优化。但是这个最优化的前提是给定无限复杂度和无限传输时延的基础上。然而即使在这个前提下，分离编码在多用户场景或非遍历信源中达到的系统性能也不是最优的。
同时随着现代通信系统对时延、带宽的要求愈加严格，相对于联合信源信道而言，分离编码是次优的。同时，在传统通信系统中，传输模拟信源信息之前需要将它们通过抽样、量化、编码三个步骤转化为数字信号以便于在数字通信中进行传输。数字通信的主要优势在于先进的量化和误差控制方案，然而它有两个显著的缺点：
第一，数字通信为了实现良好的性能，通常会导致复杂度、延迟高；
第二，数字系统对变化的信道条件的稳健性有限，当信道信噪比（ChannelSignal-to-Noise Ratio,CSNR）增加到超出系统设计的范围，性能会出现饱和现象；当CSNR低于系统设计范围时，系统性能很难随着CSNR的下降实现 "优雅的退化"，并且在某些情况下模拟通信是最佳的。例如，当没有带宽压缩或扩展时，在加性高斯白噪声信道上直接传输未编码的高斯样本性能最好。在这个意义上，高斯信源与高斯信道完美匹配。因此，将信源符号直接转换为信道符号的模拟联合信源信道编码（Analog Joint Source-ChannelCoding，AJSCC）已被提出作为基于分离信源信道编码的传统数字系统的替代方案。
在传统的AJSCC系统中，通常是将模拟信源符号以某种映射方式直接映射到信道空间。在映射过程中，可以选用不同的映射曲线，但是由于噪声的影响，使用不同的映射曲线系统性能也将有所不同，而由F. Hekland等人在“Shannon-Kotel’nikov mappings injoint source-channel coding”【IEEE Trans. Commun., vol.57, no. 1, pp. 95-104,Jan. 2009.】中提出的S-K映射就是其中的一种映射方式。通常在带宽受限的信道上，为了满足带宽要求而丢弃了大量数据块，而使用S-K映射可以在不增加带宽要求的情况下增加可以发送的块的数量。在S-K映射中，通过将模拟信源投射到填满空间的曲线（阿基米德螺旋曲线）中进行N:1压缩，然后将从曲线原点到投射点的长度作为编码信号传送到信道中。
然而，AJSCC编码器的输出值是连续的，这意味着进行信道传输的数据集合无限大。理论上来讲，不同的数据对应的不同的射频线路，这在应用中是非常复杂的，因此设计用于传输这种全分辨率星座点的射频链是困难和昂贵的。按照传统通信的思路，需要在过信道前将这些数据经过一些调制的方式做调整，最常见的是使用正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。QAM的星座点是有限且有规律分布的，且它对全分辨率星座进行等距离量化以此划定N个相同尺寸的区间，属于各自区间的点统一映射到区间内的同一个点中。然而在AJSCC系统中模拟信源信息经过S-K映射后输出的点并不是均匀分布的，因此对于均匀量化的QAM映射来说，不能保持系统的高性能以及最佳量化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模拟联合信源信道编码的数据传输方法、装置及设备，可以适应各种类型的无线信道，从而降低数据传输和接收的复杂度。
本发明实施例提供了一种模拟联合信源信道编码的数据传输方法，其包括以下步骤：
S1，产生随机序列；
S2，在S-K映射中，利用预设的映射曲线对所述随机序列进行带宽压缩编码，获得信源符号，即为全分辨率星座点；
S3，采用基于k-means聚类的星座设计方法，将所述全分辨率星座点映射到有限星座点；其中，所述有限星座点的位置根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整，使得所述有限星座点的星座分布与所述全分辨率星座点的分布类似；
S4，将所述有限星座点通过加性高斯白噪声信道传输。
优选地，所述随机序列服从方差为的高斯分布。
优选地，所述映射曲线为阿基米德螺旋曲线；则步骤S2具体包括：
S21，令和/>表示随机序列中的两个符号，记信源矢量X=（/>,/>）；
S22，将所述信源矢量X近似到阿基米德螺旋曲线上的最近点，从而完成了由二维信号到一维信号的压缩；其中最近点()到阿基米德螺旋曲线原点的距离y表示为：
。
优选地，步骤S3具体包括：
S31，对所述全分辨率星座点指定k个聚类数目，并初始化聚类中心点集J= {J1,J2,...,Jk}；
S32，计算所述全分辨率星座点的除去中心点集后的每个剩余数据点到各个簇中心点的欧式距离d，按距离最近原则分到对应的簇中；
S33，在分配完成后，对各个簇中的数据点取平均值，形成该簇新一轮的聚类中心；
S34，判断新的聚类中心是否满足不再变化或者趋于收敛；如果满足，则停止迭代，得到最终的聚类中心点集，转到步骤S35；否则，转到步骤S33；
S35，将位于各自簇中的数据点映射为该簇最终聚类中心点，获得有限星座点。
优选地，每个剩余数据点到各个簇中心点的欧式距离d的计算公式为：
其中， Y是剩余数据点，Ci是第i个聚类中心，m是剩余数据点的维度，Yj、Cij为剩余数据点Y和聚类中心Ci的第j个维度的属性值。
优选地，在步骤S4之后，还包括：
S5，分别计算所述加性高斯白噪声信道输出的各信道符号与所述有限星座点的欧式距离，取距离最近的星座点作为该信道符号逆映射的信号值；
S6，利用所述映射曲线对逆映射的信号值进行译码
优选地，步骤S6具体为：
使用最大似然估计法进行解码，对星座逆映射后的信号值z利用阿基米德螺旋曲线转换为二维坐标，解码后的信号由一维长度值转换为二维信号输出，如下式所示:
。
本发明实施例还提供了一种模拟联合信源信道编码的数据传输装置，其包括：
信源产生单元，用于产生随机序列；
编码单元，用于在S-K映射中，利用预设的映射曲线对所述随机序列进行带宽压缩编码，获得信源符号，即为全分辨率星座点；
映射单元，用于采用基于k-means聚类的星座设计方法，将所述全分辨率星座点映射到有限星座点；其中，所述有限星座点的位置根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整，使得所述有限星座点的星座分布与所述全分辨率星座点的分布类似；
传输单元，用于将所述有限星座点经过加性高斯白噪声信道传输。
本发明实施例还提供了一种模拟联合信源信道编码的数据传输设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的模拟联合信源信道编码的数据传输方法。
与现有技术相比，本实施例能适用于不同星座映射阶数，且相比于传统的QAM调制系统，本发明考虑了编码输出的信号的非均匀特性，能够根据数据的分布自动调整聚类分布，达到了性能的最优化；本实施例拥有更低的复杂度，更易于在容量有限的设备进行数据传输和接收，并设计出合适的天线与射频链。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的模拟联合信源信道编码的数据传输方法的流程示意图；
图2是使用的阿基米德螺旋曲线实现2:1带宽压缩编码的示意图；
图3（a）是随机序列经过2:1带宽压缩编码后的输出值位置图；
图3（b）是随机序列经过2:1带宽压缩编码后的概率示意图；
图4是随机序列经过2:1带宽压缩后进行传统16QAM星座映射后的星座点分布位置示意图；
图5是随机序列经过2:1带宽压缩后进行不规则星座（4-bits）映射后的星座点分布位置示意图；
图6是随机序列经过2:1带宽压缩后进行不规则星座（8-bits）映射后的星座点分布位置示意图；
图7是本实施例与传统的使用QAM映射的基于S-K映射的AJSCC系统的性能比较仿真结果图；
图8是本发明第二实施例提供的模拟联合信源信道编码的数据传输装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明方案作进一步的阐述。
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种模拟联合信源信道编码的数据传输方法，其可由模拟联合信源信道编码的数据传输设备（以下简称传输设备）来实现，特别的，由所述设备内的一个或者多个处理器来执行，以实现以下步骤：
S1，产生随机序列。
在本实施例中，所述随机序列可为服从方差为的高斯分布，但不限于此。
S2，在S-K映射中，利用映射曲线对所述随机序列进行编码，完成带宽压缩或者带宽扩展，获得信源符号，即为全分辨率星座点。
在本实施例中，在模拟信源信道联合编码中，模拟信源符号直接以某种映射方法映射到信道空间。在映射过程中，可以选用不同的映射曲线。其中，特别的，在本发明实例中选用的是阿基米德螺旋曲线，但其他的映射曲线也在本发明的保护范围之内。
在本实施例中，通过阿基米德螺旋曲线可以实现2:1的带宽压缩。
具体地，令和/>表示随机序列中的两个符号，记信源矢量X=（/>,/>），然后将该二维的信源矢量X近似到阿基米德螺旋曲线上的最近点，从而获得一维的信源符号，即为编码器所输出的全分辨率星座点。
其中，所述最近点到阿基米德螺旋曲线原点的距离y表示为：
其中，是阿基米德螺旋曲线的相邻两个螺旋臂之间的距离，/>为经验常数，约等于0.16，如图2所示，即完成了由二维信号到一维信号的压缩。
S3，采用基于k-means聚类的星座设计方法，将所述全分辨率星座点映射到有限星座点；其中，所述有限星座点的位置根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整，使得所述有限星座点的星座分布与所述全分辨率星座点的分布类似。
在本实施例中，采用基于k-means聚类的星座设计方法，对步骤S2中编码完成的一维的全分辨率星座点进行星座映射，从而将全分辨率星座点量化为有限星座点，具体的映射方案如下：
S31，对所述全分辨率星座点指定k个聚类数目，并初始化聚类中心点集J= {J1,J2,...,Jk}。
在本实施例中，这里的k个聚类数目可以是随机指定的，也可以是根据全分辨率星座点的点信号来指定，具体视实际需要而设置。
S32，计算所述全分辨率星座点的除去聚类中心点集后的每个剩余数据点到各个簇中心点的欧式距离d，按距离最近原则分到对应的簇中。
其中，全分辨率星座点可视为一个数据点集，其去掉聚类中心点集后就得到剩余数据点集。每个聚类中心对应一个簇，每个剩余数据点到聚类中心点集各个点的距离d如下式所示：
其中，Y表示剩余数据点，Ci是第i个聚类中心，m是剩余数据点的维度，Yj、Cij为剩余数据点Y和聚类中心Ci的第j个维度的属性值。
根据距离的计算结果，将各个剩余数据点按距离最近的原则分配到对应的簇中。
S33，在分配完成后，对各个簇中的数据点取平均值，形成该簇新一轮的聚类中心。
在本实施例中，通过对各个簇中的数据点取平均值形成该簇新一轮的聚类中心和簇，然后计算每个簇的误差平方和SSE：
S34，判断新的聚类中心是否满足不再变化或者趋于收敛；如果满足，则停止迭代，得到最终的聚类中心点集，转到步骤S35；否则，转到步骤S33；
S35，将位于各自簇中的数据点映射为该簇最终的聚类中心点，获得有限星座点。
在本实施例中，重复上述过程，当SSE数值不再发生改变或者趋于收敛时，停止迭代，得到最终的聚类中心点。
此时位于各自簇中的数据点映射为该簇最终的聚类中心点，即获得有限星座点，映射后的星座点分布概率如表1所示，映射后的星座点分布位置如图3所示。
表1 不规则星座映射方法在CSNR=10dB的星座点分布概率
从图3（a）-（b）可以看出，所述有限星座点的位置是根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整的，且所述有限星座点的星座分布与所述全分辨率星座点的分布类似，如此可以防止当星座点的分辨率大幅下降时系统出现急剧的性能下降。
S4，将所述有限星座点经过加性高斯白噪声信道传输。
在本实施例中，在将所述有限星座点经过加性高斯白噪声信道传输后，在解码端分别计算所述加性高斯白噪声信道输出的各信道符号与所述有限星座点的欧式距离，取距离最近的星座点作为该信道符号逆映射的信号值，最后再利用所述映射曲线对逆映射的信号值进行译码。
具体地，在解码端使用最大似然估计法进行解码，对星座逆映射后的信号值z利用阿基米德螺旋曲线转换为二维坐标，解码的目的是从接收到的符号/>中获得对信源符号X的估计。解码后的信号由一维长度值转换为二维信号/>输出，如下式所示:
其中，将待估计的参数X看成是变量，计算得到生成观测数据的概率函数，并找到能最大化概率函数的二维信号/>。
为了便于对本发明的理解，下面将通过如下仿真对本发明做进一步说明：
本实施例与传统的使用QAM映射的基于S-K映射的AJSCC系统的性能比较仿真结果如图4至图7所示。可以看出，在不同映射阶数下，本实施例的性能均大大优于传统的QAM映射，这表明本实施例的星座设计是有效的，即本实施例通过增加一个聚类中心点集J= {J1,J2,...,Jk}实现了系统的性能优化。此仿真结果证明了本实施例能有效地降低了模拟信源传输的复杂度，更适用于实际系统设备的实现。
请参阅图8，本发明第二实施例本发明实施例还提供了一种模拟联合信源信道编码的数据传输装置，其包括：
信源产生单元210，用于产生随机序列；
编码单元220，用于在S-K映射中，利用预设的映射曲线对所述随机序列进行带宽压缩编码，获得信源符号，即为全分辨率星座点；
映射单元230，采用基于k-means聚类的星座设计方法，将所述全分辨率星座点映射到有限星座点；其中，所述有限星座点的位置根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整，使得所述有限星座点的星座分布与所述全分辨率星座点的分布类似；
传输单元240，用于将所述有限星座点经过加性高斯白噪声信道传输。
本发明第三实施例还提供了一种模拟联合信源信道编码的数据传输设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的模拟联合信源信道编码的数据传输方法。
在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，电子设备或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种模拟联合信源信道编码的数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，产生随机序列；所述随机序列服从方差为的高斯分布；
S2，在S-K映射中，利用预设的映射曲线对所述随机序列进行带宽压缩编码，获得信源符号，即为全分辨率星座点；所述映射曲线为阿基米德螺旋曲线；则步骤S2具体包括：
S21，令和/>表示随机序列中的两个符号，记信源矢量X=（/>,/>）；
S22，将所述信源矢量X近似到阿基米德螺旋曲线上的最近点，从而完成了由二维信号到一维信号的压缩；其中最近点()到阿基米德螺旋曲线原点的距离y表示为：
其中，是阿基米德螺旋曲线的相邻两个螺旋臂之间的距离，/>为经验常数；
S3，采用基于k-means聚类的星座设计方法，将所述全分辨率星座点映射到有限星座点；其中，所述有限星座点的位置根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整，使得所述有限星座点的星座分布与所述全分辨率星座点的分布类似；
S4，将所述有限星座点通过加性高斯白噪声信道传输。
2.根据权利要求1所述的模拟联合信源信道编码的数据传输方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31，对所述全分辨率星座点指定k个聚类数目，并初始化聚类中心点集J= {J1,J2,...,Jk},Ji（i=1,2,...,k）表示第i个聚类中心；
S32，计算所述全分辨率星座点的除去中心点集后的每个剩余数据点到各个簇中心点的欧式距离d，按距离最近原则分到对应的簇中；
S33，在分配完成后，对各个簇中的数据点取平均值，形成该簇新一轮的聚类中心；
S34，判断新的聚类中心点是否满足不再变化或者趋于收敛；若满足，则停止迭代，得到最终的聚类中心点集，转到步骤S35；否则，转到步骤S33；
S35，将位于各自簇中的数据点映射为该簇最终聚类中心点，获得有限星座点。
3.根据权利要求2所述的模拟联合信源信道编码的数据传输方法，其特征在于，每个剩余数据点到各个簇中心点的欧式距离d的计算公式为：
其中， Y是剩余数据点，Ci是第i个聚类中心的数据点，m是剩余数据点的维度，Yj、Cij为剩余数据点Y和聚类中心Ci的第j个维度的属性值。
4.根据权利要求1所述的模拟联合信源信道编码的数据传输方法，其特征在于，在步骤S4之后，还包括：
S5，分别计算所述加性高斯白噪声信道输出的各信道符号与所述有限星座点的欧式距离，取距离最近的星座点作为该信道符号逆映射的信号值；
S6，利用所述映射曲线对逆映射的信号值进行译码。
5.根据权利要求4所述的模拟联合信源信道编码的数据传输方法，其特征在于，步骤S6具体为：
使用最大似然估计法进行解码，对星座逆映射后的信号值z利用阿基米德螺旋曲线转换为二维坐标，解码后的信号由一维长度值转换为二维信号输出/>，如下式所示:
其中，为观测数据的概率函数。
6.一种模拟联合信源信道编码的数据传输装置，其特征在于，包括：
信源产生单元，用于产生随机序列；所述随机序列服从方差为的高斯分布；
编码单元，用于在S-K映射中，利用预设的映射曲线对所述随机序列进行带宽压缩编码，获得信源符号，即为全分辨率星座点；所述映射曲线为阿基米德螺旋曲线；则编码单元具体用于：
令和/>表示随机序列中的两个符号，记信源矢量X=（/>,/>）；
将所述信源矢量X近似到阿基米德螺旋曲线上的最近点，从而完成了由二维信号到一维信号的压缩；其中最近点()到阿基米德螺旋曲线原点的距离y表示为：
其中，是阿基米德螺旋曲线的相邻两个螺旋臂之间的距离，/>为经验常数；
映射单元，用于采用基于k-means聚类的星座设计方法，将所述全分辨率星座点映射到有限星座点；其中，所述有限星座点的位置根据所述全分辨率星座点的分布自适应调整，使得所述有限星座点的星座分布与所述全分辨率星座点的分布类似；
传输单元，用于将所述有限星座点经过加性高斯白噪声信道传输。
7.一种模拟联合信源信道编码的数据传输设备，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如权利要求1至5任意一项所述的模拟联合信源信道编码的数据传输方法。
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Also Published As
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