在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種無線通信技術領域的方法，尤其是一種以網絡輸出最優為目 的的圖像數據編碼打包、數據包路由調度的算法，具體涉及在多跳無線網絡中基于壓縮感 知技術傳輸圖像信號的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無線網絡技術的發展、移動設備的普及，人們對的移動數據服務的需求日益 增長。因而大數據、實時性的移動數據傳輸越來越多的受到關注。這個話題不僅在學術上 得到了廣泛的研究，在工業應用領域的應用也頗受重視。有效地利用現有資源為用戶提供 實時性更好、容量更大的移動數據服務是一個亟待解決的重要課題。
[0003] -方面，隨著數據量的增加、網絡負荷的加重，數據包的路由調度問題將會變得越 來越復雜。相對于文字信號而言，圖像信號(如圖片、視頻等）的數據量更大、實時性要求更 高，而圖像信號恰恰是提升用戶體驗不可或缺的一部分，對傳輸圖像信號的傳輸需求將會 日益增加。另一方面，之前的發明大多只考慮了信源端編碼、接收端解碼的問題，或者只考 慮了數據包在網絡中的路由調度問題。一套編碼解碼和路由調度互相適配的算法，在編碼 和傳輸中優化圖像信號的傳輸性能，可以改善網絡傳輸效果、提高網絡傳輸能力。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種方法來解決在多跳無線網絡中 的傳輸圖像信號的問題。本發明綜合考慮了圖像信號傳輸中的編碼解碼和路由調度問題， 并具有很強的可實現性，能被廣泛地運用到現在的無線網絡傳輸中。本發明能幫助我們提 高網絡傳輸能力，有效改善圖像信號傳輸實時性和傳輸效果。
[0005] 根據本發明提供的在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法，包 括如下步驟：
[0006] 第一步，編碼器利用壓縮感知方式將原信號打包成若干個信息量相當、重要性相 同的描述包；
[0007] 第二步，計算每條傳輸鏈路的傳輸效益；
[0008] 第三步，根據傳輸鏈路的傳輸效益確定需要建立的鏈路連接；
[0009] 第四步，按調度方案建立傳輸鏈路并開始傳輸描述包。
[0010] 優選地，所述步驟1，具體為：
[0011] 首先，編碼器對大小為N'XN'的原圖像信號F進行M(M<N)次采樣，得到采樣值ym，其中，N=N'XN'，F= [Fi;j] (i，j<N'），Fi;j為原始圖像對應點上的值；采樣的實質是 測量原圖像信號F=[匕」]在采樣矩陣cj5'm(m= 1，2，...，M)上的投影
[0012] ym =F，小'm
[0013]其中，m= 1，2,. . .，M表示了采樣次數，原圖像信號F= [FJ和采樣矩陣 的大小都為N'XN' ；
[0014] 將二維圖像信號F= [Fi，j]按列對疊成一維列向量x= [Xi，…xN]，（n= l，2，...，N)，其中N=N'XN'；并且將二維采樣矩陣cj5'nl按列轉置并堆疊為一維行向量
【主權項】
1. 一種在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法，其特征在于，包括 如下步驟： 第一步，編碼器利用壓縮感知方式將原信號打包成若干個信息量相當、重要性相同的 描述包； 第二步，計算每條傳輸鏈路的傳輸效益； 第三步，根據傳輸鏈路的傳輸效益確定需要建立的鏈路連接； 第四步，按調度方案建立傳輸鏈路并開始傳輸描述包。
2. 根據權利要求1所述的在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法， 其特征在于，所述步驟1，具體為： 首先，編碼器對大小為Ν' XN'的原圖像信號F進行M(M<N)次采樣，得到采樣值ym， 其中，N = Ν' XN'，F = [FiJ (i，j彡Ν'），Fiij為原始圖像對應點上的值；采樣的實質是測 量原圖像信號F= [FiJ在采樣矩陣Φ'π(πι= 1，2，...，Μ)上的投影 ym = <F, Φ ' m> 其中，m = 1，2,. . .，M表示了采樣次數，原圖像信號F = [Fi:j]和采樣矩陣的大 小都為Ν' X Ν' ； 將二維圖像信號F= [FiJ按列對疊成一維列向量X= [X1，…χΝ]，（η= 1，2，...，Ν)， 其中Ν = Ν' ΧΝ' ；并且將二維采樣矩陣φ'π按列轉置并堆疊為一維行向量Φπ，則有 ym = <F, Φ',,) = Φ,,,χ ； 將7">堆成大小為1父1的矩陣7，[
;將采樣矩陣小111的倒置Φπ τ按行堆成大 小為MXN矩陣Φ，即
，則有 y = Φχ 其中，采樣矩陣Φ是一個服從±1等概同分布（i. i. d.)的隨機矩陣； 然后，編碼器將采樣值ym及其對應的采樣矩陣Φ ' m的信息打包成為一個描述包； 采樣矩陣Φ的信息是發送端和接收端共享的，即采樣矩陣Φ是預存在發送端的解 碼器和接收端的解碼器中的，編碼器在打包描述包的時候只需要在描述包中指出采樣矩陣 Φ ' π對應的采樣次數m即可。
3. 根據權利要求1所述的在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法， 其特征在于，所述步驟二，具體為： (1)計算鏈路的傳輸需求因子 設某一時刻t，對于包含發送節點Nt和接收節點隊的鏈路1，發送節點Nt緩存中的描 述包集合為uNt，接收節點隊緩存中的描述包集合為U1^假設每個節點最多只能轉發同一 個接收到的描述包一次；那么，節點緩存中將會有兩種不同的描述包：一種是節點接收到 的并且已經轉發過的描述包，稱為灰包；另一種是節點接收到的但尚未轉發過的描述包，稱 為白包；記發送節點Nt緩存中的灰包、白包的集合分別為，則有 % =WLK 若建立鏈路1，則可供傳輸的數據包是那些屬于集合U=而不屬于集合Un的描述包的 集合；鏈路1可供傳輸的數據包的集合Up為 Up ^UN( } 考慮到鏈路傳輸容量，則每個傳輸時隙中鏈路1可以傳輸的數據包個數P為 p=min(|UP|, q(l)) 其中，q(I)表不一個傳輸時隙中鏈路1可以傳輸的描述包個數，IUpI表不集 合Up中包含的描述包的個數； 若建立鏈路1，在接收節點處復原圖像的均方根誤差的減少量ARMS為 ARMS = fms(\UNi \)-fms(\UXi \+p) 其中，函數fK"s(·)即為壓縮感知復原圖像的均方根誤差RMS與用于復原的采樣值個 數的關系； 定義該時刻t鏈路1的傳輸需求因子TDF(I)為 TDF(I) = ARMS = fM{S(\UNr \)-fms(\UNt \+p) 鏈路的傳輸需求因子衡量了鏈路即將傳輸的數據包的重要性； (2) 計算鏈路的傳輸供應因子； (3) 計算鏈路的傳輸收益、傳輸成本 定義鏈路1的傳輸收益Revenue(I)為鏈路傳輸需求因子Revenue(I)與傳輸供應因子 TSF(I)之積； Revenue(I) =TDF(I) · TSF(I) 定義鏈路1的傳輸成本Cost (1)為1的干擾集合中鏈路的傳輸收益，即
其中，鏈路1的干擾集合Sint(I)為因鏈路1帶來的干擾而無法正常工作的鏈路集合， 即 Sint(I) = UintUint ^ I. Dis (Nt (Iint), Nr (I)) < r, Dis (Nr (Iint), Nt(I)) < r} 其中，Nt⑴為鏈路1的發送節點，隊⑴為鏈路1的接收節點，Dis (Na，Nb)為兩節點Na、 Nb之間的地理距離或信道質量，r為節點的干擾半徑或信道質量的閾值，Iint表示對于鏈路 1會造成干擾的鏈路； (4) 得到鏈路的傳輸效益 鏈路1的傳輸效益Utility (1)定義為
4.根據權利要求3所述的在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法， 其特征在于，所述計算鏈路的傳輸供應因子，具體為： 首先計算各中繼節點的節點權重，具體為： (a) 每個中繼節點的節點性能值Q初始化為0,節點權重值W初始化為0,節點到接收端 節點的跳數H初始化為正無窮；接收端節點的Q為正無窮，W為正無窮，H為0 ; (b) 依次遍歷除接收端節點以外的所有節點Ni,若有與節點Ni直接相連的節點Nj滿足
Q(Ni) -min(q(Ni, Nj), Q(Nj)) H(Ni) - l+H(Nj) 即當Ni以％為傳輸下一跳，并且節點Ni得到更優的節點權重值時，則更新節點Ni的節 點性能值Q、節點權重值W和節點到接收端節點的跳數H ;其中，q⑴=q(Ni，Np表示以Ni為 發送節點、Nj為接收節點的鏈路1在一個傳輸時隙中可以傳輸的描述包個數,W(N i)表不表 示節點Ni的權重值，Q (Ni)表示表示節點Ni的性能值，H(Ni)表示表示節點Ni到接收端節點 的跳數； (c) 重復（b)直至所有節點的節點性能值Q、節點權重值W和節點到接收端節點的跳數 H在一次遍歷中不再變化；得到各節點的節點權重值W ; 節點權重衡量了每個中繼節點向接收端傳輸數據的能力； 對于接收節點為隊的鏈路1，鏈路1傳輸供應因子TSF(I)定義為 TSF(I)=W(Nr) 其中，W(Nr)表示節點Nr的權重值。
5. 根據權利要求1所述的在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法， 其特征在于，所述第三步，具體為： (1) 開始時，傳輸效益為正的鏈路都被劃分為可能會被建立的鏈路，加入到將會被建立 的鏈路的集合U EstLink 中 ? (2) 找出傳輸效益最大的鏈路Imax，然后從UEstUnk除去對鏈路Imax產生干擾的其他鏈路 Sint(Imax);并且將鏈路Imax的傳輸效益歸零，即Utility(I max) = 0 ; (3) 重復（2)直到UEstUnk中的鏈路互不干擾，即V/p/2 g &(/2)，則UEstUnk為該 時隙調度方案要建立的鏈路集合。
6. 根據權利要求1所述的在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法， 其特征在于，在所述第四步中，接收端根據實際情況對已收到的描述包進行解碼。
7. 根據權利要求6所述的在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號 的方法，其特征在于，在所述第四步中，若在時間t，接收端接收到K個對應采樣次數 為（Ii 1, k2,. . .，K}的描述包，其中沐為，…，夂丨_<=丨1，2,3，...，從丨·；設描述包中包含的米樣 值為，按采樣次數堆疊為八….VjJ，對應的采樣矩陣為 <…名Γ;復原原信號，即求解優化問題 min TV(F) s. t. yr = ΦΓνΡ 其中，列向量％是二維圖像信號F按列堆疊而成的，TV(F)表示Vf對應的二維原始圖 像F的總變差。
【專利摘要】本發明提供了一種在多跳無線網絡中基于壓縮感知技術傳輸圖像信號的方法，包括步驟：第一步，編碼器利用壓縮感知方式將原信號打包成若干個信息量相當、重要性相同的描述包；第二步，計算每條傳輸鏈路的傳輸效益；第三步，根據傳輸鏈路的傳輸效益確定需要建立的鏈路連接；第四步，按調度方案建立傳輸鏈路并開始傳輸描述包。本發明綜合考慮了圖像信號傳輸中的編碼解碼和路由調度問題，并具有很強的可實現性，能被廣泛地運用到現在的無線網絡傳輸中，進而提高網絡傳輸能力，有效改善圖像信號傳輸實時性和傳輸效果。
【IPC分類】H04W28-06, H04W72-12, H04N19-25, H04W40-20
【公開號】CN104735721
【申請號】CN201310724064
【發明人】黃新, 駱喆, 王新兵, 田軍
【申請人】上海交通大學, 富士通株式會社
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2013年12月24日