基於不等錯誤保護策略的最小化圖像無線傳輸能耗方法與流程

2023-05-07 11:42:41 1

本發明涉及圖像無線傳輸領域，尤其涉及一種OFDM系統的傳輸方案。
背景技術：
：圖像等多媒體數據傳輸時一般會需要更大的帶寬與速率，在寬帶高速無線傳輸更容易受符號間幹擾和頻率選擇衰落影響，OFDM技術能很好的解決高速傳輸中的符號間幹擾，將寬帶頻率選擇性信道劃分成了許多窄帶平坦衰落信道，進而提高了頻譜利用效率。OFDM即正交頻分復用技術，它的基本原理就是通過發送端的正交分離技術將信道劃分為若干個兩兩相互正交的子信道，並將高速的數據流通過串並變換轉換到這些子信道上進行低速傳輸。這樣每個子信道中的帶寬會相對減小，因而符號周期會相對增加，這樣則可以減輕多徑時延對OFDM系統的影響。圖1為OFDM的系統框圖。發送端將經過編碼後的數據，串行輸入後先經過串/並轉換，實現數據流的多路分離，然後經過快速傅立葉反變換(InverseFastFourierTransform,IFFT)後進行並串轉換，接著加入保護時間間隔，即整個系統信號的循環前綴，經過模數變換後，將其變頻至高頻區將信號發射出去。數據經過多徑衰落信道後到達接收端，接收端執行相反的過程：接收信號先經過下變頻，模數轉換，然後去除整個系統信號的循環前綴，再進行串/並信號轉換、快速傅立葉變換(FastFourierTransform,FFT)解調，並/串信號轉換，還原得到信宿序列。圖像等多媒體數據包含大量的冗餘，為有效地利用有限的資源，數據壓縮是必不可少的。與一般的數據相比，壓縮的多媒體信息具有三個顯著特點：(1)不相等的重要性；(2)錯誤擴散；(3)錯誤容忍。針對壓縮多媒體數據的特徵，對數據的不同部分採取不等錯誤保護(UnequalErrorProtection,UEP)策略可以獲得一定的性能增益。現有的針對基於UEP的圖像高能效無線傳輸方法主要存在兩方面的不足：一方面在文獻[AlajelKM,XiangWei,WangYafeng.Unequalerrorprotectionschemebasedhierarchical16-QAMfor3-Dvideotransmission[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2012,58(3):731-738.]和文獻[TangZhenhua,QinTuanfa,LiuWenyu.Energy-minimizedadaptiveresourceallocationforimagetransmissionoverwirelesschannel[C]//2010InternationalConferenceonIntelligentControlandInformationProcessing(ICICIP).Dalian:IEEEPress,2010:398-403.]中，傳輸系統採用了複雜的糾錯編碼對數據進行信道編碼，該方法減少了失真，但消耗了更多的能耗，並且降低了有效數據的傳輸速率。而本文未對圖像數據幀進行信道編碼，避免了信道編碼產生的能耗。同時還通過子載波信道選擇，將對圖像質量影響重要的數據放在狀態較好的信道中傳輸；另一方面，針對編碼後的圖像數據流，或將其按視覺重要性分成幾部分分別傳輸，如文獻[王颯爽,戴居豐,一種基於OFDM系統的無線圖像的有效傳輸方法[J].電路與系統學報,2006,11(4):121-124.]和文獻[ZhuHuiling.AdaptiveResourceManagementBasedonUnequalErrorProtectioninOFDMSystems[C]//2010IEEE71stVehicularTechnologyConference(VTC2010-Spring).Taipei:IEEEPress,2010:1-5.]，或將漸進式編碼流的編碼塊分組傳輸，如文獻[ShayeganniaM,HajshirmohammadiA,MuhaidatS,etal.TransmissionofJPEG2000imagesoverfrequencyselectivechannelswithunequalpowerallocation[J].IETImageProcessing,2013,7(7):33-41.]和文獻[ShayeganniaM,HajshirmohammadiA,MuhaidatS.UsinganadaptiveUPAschemewithachannel-awareOFDMtechniqueforwirelesstransmissionofJPEG2000images[C]//201225thIEEECanadianConferenceonElectrical&ComputerEngineering(CCECE).Montreal:IEEEPress,2012:1-5.]。兩種方式均對沒有考慮對編碼圖像數據流的錯誤抑制，由於壓縮碼流採用了可變長編碼，錯誤容易在碼流中擴散，進而影響後面係數的解碼。本文提出的方法中考慮了錯誤抑制，在數據幀中插入了重同步標記和分隔符以抑制錯誤的擴散。技術實現要素：本發明旨在解決以上現有技術的問題。提出了一種基於最小化系統的傳輸能耗不等錯誤保護策略的最小化圖像無線傳輸能耗方法。本發明的技術方案如下：一種基於不等錯誤保護策略的最小化圖像無線傳輸能耗方法，其包括以下步驟：步驟1、獲取原始圖像數據，並將原始圖像數據經JPEG基線系統編碼器進行壓縮編碼得到壓縮碼流；步驟2、對經步驟1編碼後的壓縮碼流進行比特流分割，將壓縮碼流中低頻的DC係數和高頻的AC係數分離出來，得到低頻係數數據和高頻係數數據；步驟3、將低頻係數數據和高頻係數數據封裝成若干個固定格式的圖像數據幀，並給幀中的不同部分分配不同的發射功率，其中數據幀中的幀頭包括重同步標記；步驟4、發送端通過導頻來估計OFDM系統中各個的子載波信道的信道狀態信息(ChannelStateInformation,CSI)，接收端將子載波信道狀態信息CSI反饋給發送端，同時發送端根據CSI對子載波信道按信道增益大小從大到小排序；步驟5、發送端根據步驟4排序後的子載波信道及CSI對發射功率進行調整，最後將發送圖像數據幀時，將數據幀中的頭部和高頻數據放在較高信道增益的信道中傳輸。進一步的，所述步驟3將低頻係數數據和高頻係數數據封裝成若干個圖像數據幀，所述圖像數據幀的格式為：幀頭低頻係數分隔位高頻係數，其中幀頭和低頻係數屬於高保護等級數據，用HP表示，分隔位和高頻係數屬於低保護等級數據，用LP表示，其中幀頭信息主要包括重同步標記，以及HP和LP在幀中的索引值。進一步的，所述步驟3中為圖像數據幀中的不同部分分配不同的發射功率。具體包括：針對數據幀中的HP和LP數據，發射功率分別為PtHP和PtLP，在AWGN信道下，HP和LP的誤比特率表示如下peHP=Q(2PtHPN0)---(6)]]>peLP=Q(2PtLPN0)---(7)]]>其中N0表示信道噪聲功率，Q(x)表示隨機變量比x大的概率。進一步的，在AWGN信道條件下，建立有質量約束的能耗最小化問題P1的數學模型為min{PtHP,PtLP}Etotal=Esc+EtranssujecttoDtotal≤D0---(8)]]>其中Esc表示壓縮處理能耗，Esc表示傳輸能耗，D0表示圖像的失真約束值。針對上面的能耗優化問題P1，我們利用帶約束的拉格朗日乘數法來求解最優的功率值和進一步的，上述優化問題是在AWGN信道的假設條件下求得的，然而所考慮的傳輸信道為頻率選擇性衰落信道。根據下面兩個式子來調整每個子載波符號中比特數據的發射功率來補償因衰落對數據的失真的影響。假設信道的衰落係數在一個圖像數據幀的傳輸過程保持不變，對於第k個數據幀，假設通過信道估計獲得信道衰減係數向量為h，且ht是第t個子載波信道的衰落因子，則映射到該子載波上傳輸的數據幀中的HP數據或LP數據的發送功率為PtHP(k)=PtHP*|ht|2+α,k1,K,t1,T---(9)]]>PtLP(k)=PtLP*|htk|2+α,k1,K,t1,T---(10)]]>其中α是一個固定的小值，為了避免由於衰落因子過小而造成結果無限大，從而影響結果的準確性，本文中將設置成0.01。本發明的優點及有益效果如下：本方案首先分析了JPEG圖像的失真模型和能耗模型；進一步，基於一個採用OFDM技術的傳輸系統模型，通過將JPEG數據流封裝成幀，在幀中插入重同步標記以抑制錯誤的擴散，並對數據幀的不同部分分配不同的傳輸功率，滿足一定質量約束條件下，最小化系統的傳輸能耗。附圖說明圖1是現有技術的OFDM收發機框架；圖2圖像無線傳輸系統模型；圖3圖像數據幀格式；圖4不同失真約束值下UPA與EPA傳輸圖像總能耗圖5兩種方法的圖像傳輸的能耗值對比表1傳輸系統仿真參數具體實施方式下面結合附圖對本發明的優點及效果做進一步說明。傳輸系統模型如圖2所示，系統的第一部分是JPEG編碼器，原始圖像數據經JPEG基線系統編碼後，再對壓縮碼流進行分割，把低頻部分(即DC係數)和高頻部分(即AC係數)分成兩個子壓縮碼流。由於壓縮碼流採用了可變長編碼，錯誤容易在碼流中擴散，進而影響後面係數的解碼。本文採用重同步標記來提高其對錯誤擴散的抑制能力。然後將低頻數據和高頻數據封裝成一個個圖像數據幀，並分配不同發射功率。圖像數據幀格式如圖3所示，其中頭部和低頻係數對圖像的失真影響更大，屬於高保護等級數據，後面用HP表示；另外分隔位和高頻係數屬於低保護等級數據，後面用LP表示。其中頭部信息主要包括重同步標記，以及HP和LP在幀中的索引值。考慮發送端在圖像無線傳輸中壓縮和傳輸兩階段的能耗。傳輸系統採用JPEG編碼器對原始圖像數據進行信源編碼，處理過程主要包括DCT變換、量化和熵編碼。由於不調整壓縮的相關參數，所以將壓縮處理能耗Esc固定為常數。傳輸階段的能耗主要包括電路和功率放大器能耗。假定電路功率為Pel，功率放大器功率為Pam，物理層的比特速率為Rb，那麼傳輸每個比特的能耗表示為Eb=(Pel+Pam)1Rb---(11)]]>其中，Pam與發射功率Pt的關係如下Pam＝Pt/η(12)其中，η為功率放大器的能量轉換效率。假設一幅圖像經過信源編碼後被拆分封裝成K個圖像數據幀。每個數據幀中，HP和LP的長度分別為LHP，LLP。則傳輸所有圖像數據幀的總能耗可以表示為Etrans=Σk=1K(Pel+Pt,kHPη)LHPRb+(Pel+Pt,kLPη)LLPRb---(13)]]>圖像的失真包括壓縮編碼失真和傳輸失真，其中壓縮編碼失真是由量化造成的，DCT係數經量化後精度下降，從而實現了數據壓縮。傳輸失真也由兩部分構成：HP數據失真、LP數據失真。若HP數據中發生至少一個比特錯誤，則整個幀均被丟棄，並解碼為零。若僅LP出現錯誤，則僅丟棄幀的高頻係數，該部分數據全部解碼為零。設Xn,m和分別表示圖像的第n個8×8塊的第m分量在發送端量化前和接收端解碼後DCT係數，Eb{·}表示塊中所有係數分量的平均失真，設Dn表示圖像中第n塊的端到端失真，可以表示為Dn=Eb{E(Xn,m-X~n,m)2}(n1,N,m1,64)---(14)]]>其中，N表示輸入圖像中8×8塊的總數。設圖像數據幀中頭部信息長度為H，低頻係數長度為LDC，分割標記位長度為LRST，高頻係數長度為LAC。則圖像數據幀中HP數據中至少有一個比特錯誤的概率PHP可以表示為PHP=1-(1-peHP)LDC+H---(15)]]>其中，表示圖像數據幀中HP數據的誤比特率，它與發射功率和信道狀態有關。設表示圖像數據幀中LP數據的誤比特率，則LP中至少出現一個比特錯誤的概率PLP為PLP=(1-peHP)LDC+H1-(1-peLP)LAC+LRST---(16)]]>綜上則因HP和LP數據發生錯誤所造成的失真值可以表示成DnHP=Eb{En(Xn,m-X~n,m)2}=Eb(Xn,m-0)2PHP(m1,64)---(17)]]>DnLP=Eb{En(Xn,v-X~n,v)2}=Eb(Xn,v-0)2PLP(v2,64)---(18)]]>因此，傳輸整幅圖像的失真可以表示為Dtotal=1NΣn=1N(DnHP+DnLP)---(19)]]>針對數據幀中的HP和LP數據，發射功率分別為和通過為不同的數據分配不同的發射功率，提供差異化的保護策略，在滿足接收端對圖像質量要求的同時，最小化傳輸整幅圖像所需的總能耗。綜上可知，本文提出的具有質量約束的能耗最小化問題P1的數學模型為min{PtHP,PtLP}Etotal=Esc+EtranssujecttoDtotal≤D0---(20)]]>接下來，針對上面的能耗優化問題P1，我們利用帶約束的拉格朗日乘數法來求解該問題。設最優的功率值分別為的和拉格朗日乘數為λ，則問題P1的拉格朗日函數表示為L(PtHP,PtLP,λ)=Etotal-λ(D0-Dtotal)=(Esc+Σk=1K(Pel+Pt,kHPη)LHPRb+(Pel+Pt,kLPη)LLPRb)-λ(D0-1NΣn=1N(Eb(Xn,m)2PHP+Eb(Xn,v)2PLP))---(21)]]>由於問題P1中目標函數是線性的，且約束條件為凸函數，所以P1是凸優化問題。假設上式的最優拉格朗日乘數為λ*，則λ*也是問題P1的對偶問題P2的最優解，P2可以表示為min{L~(λ)}s.t.λ0---(22)]]>則拉格朗日對偶函數表示為L~(λ)=max{PtHP,PtLP}{L(PtHP,PtHP;λ)}---(23)]]>根據凸優化理論，是一個關於λ的凸函數。所以可以根據梯度法來優化最佳的拉格朗日乘數λ*，表示如下λ*=λ*+λ(1NΣn=1N(Eb(Xn,m)2PHP)+Eb(Xn,m)2PLP)-D0)---(24)]]>其中，ελ是個任意接近零的正實值。由於L(λ)是關於λ的凸函數，上式迭代會在最優值λ*處收斂。然後將λ*代入下面的式子∂L(PtHP,PtLP;λ)∂PtHP|λ=λ*=0---(25)]]>∂L(PtHP,PtLP;λ)∂PtLP|λ=λ*=0---(26)]]>最後通過上式可以獲得最佳的傳輸功率和上述優化問題是在AWGN信道的假設條件下求得的，然而所考慮的傳輸信道為頻率選擇性衰落信道。另外在OFDM系統中，由於其存在許多子信道，對於子信道的信道狀態，就要考慮到無線信道衰落對系統傳輸數據的影響。無線信道衰落不僅影響到系統傳輸數據所需的總功率，還會影響到系統分配給每個數據幀的功率。通過發送導頻序列來估計信道的狀態信息，發送端根據反饋的CSI獲得各個子載波信道的衰減係數。然後，根據下面的兩個公式來調整每個子載波符號中比特數據的發射功率來補償因衰落對數據的失真的影響。假設信道的衰落係數在一個圖像數據幀的傳輸過程保持不變，對於第k個數據幀，假設通過信道估計獲得信道衰減係數向量為h，且ht是第t個子載波信道的衰落因子，則映射到該子載波上傳輸的數據幀中的HP數據或LP數據的發送功率為PtHP(k)=PtHP*|ht|2+α,k1,K,t1,T---(27)]]>PtLP(k)=PtLP*|htk|2+α,k1,K,t1,T---(28)]]>其中α是一個固定的小值，為了避免由於衰落因子過小而造成結果無限大，從而影響結果的準確性，本文中將設置成0.01。上述兩個式子表明實際的分配功率將隨著信道衰落因子的變化而變化，當無線信道的衰落較大時，將分配更多的功率。所以，一旦信道衰落的因素被補償，則系統在衰落信道環境下的性能和在AWGN信道中是一樣的效果。將提出的方法不等功率分配方法(UPA)與典型的平等功率分配方法(EqualPowerAllocation,EPA)，以及文獻[ShayeganniaM,HajshirmohammadiA,MuhaidatS,etal.TransmissionofJPEG2000imagesoverfrequencyselectivechannelswithunequalpowerallocation[J].IETImageProcessing,2013,7(7):33-41.](後面用sha-UPA代替)中的方法進行比較，實驗中，採用了一幅512×512大小的灰度級標準測試圖像(Lena)用於圖像無線傳輸的實驗，其他仿真相關參數如表1所示。表1傳輸系統仿真參數由圖4可知，隨著圖像傳輸失真約束值Do值的增大，兩種方法傳輸圖像的總能耗均逐漸減少，同時本文所採用的UPA方法的能耗值小於EPA方法。當Do值逐步增大時，對傳輸圖像的接收質量要求越來越低，故需要分配給數據幀中HP和LP數據的發射功率值也逐漸減少，傳輸總能耗值也逐漸減少。圖5給出了本文方法與文獻[sha-UPA]中所採用的UPA方法，在不同信道條件下傳輸圖像的能耗對比。由圖5可知，兩種方法的圖像傳輸的能耗均隨失真約束值D0增大而逐步減小，在一定的失真約束值D0下，本文方法傳輸圖像的總能耗始終小於文獻中的方法。一方面是因為文獻[sha-UPA]中沒有未考慮子信道的分配，若子載波信道衰減較大，需要更大的功率調整，進而消耗更多的能耗。而本文通過將HP數據放置在信道衰減相對較小的子載波信道上，避免了過大的功率調整；另一方面，本文方法在數據幀中插入了重同步標記，避免了錯誤的擴散，進而減少了圖像的失真。在D0值一定時，系統的徑數越多，傳輸圖像的能耗也增大。當徑數增大時，徑數越多接收端接收到的多路信號可能會產生較大的衰減，故發送端需要對發送功率進行更大的調整。以上這些實施例應理解為僅用於說明本發明而不用於限制本發明的保護範圍。在閱讀了本發明的記載的內容之後，技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發明權利要求所限定的範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp