在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)傳輸圖像信號的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的方法，尤其是一種以網(wǎng)絡(luò)輸出最優(yōu)為目 的的圖像數(shù)據(jù)編碼打包、數(shù)據(jù)包路由調(diào)度的算法，具體涉及在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感 知技術(shù)傳輸圖像信號的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、移動(dòng)設(shè)備的普及，人們對的移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)的需求日益 增長。因而大數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)性的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸越來越多的受到關(guān)注。這個(gè)話題不僅在學(xué)術(shù)上 得到了廣泛的研究，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用也頗受重視。有效地利用現(xiàn)有資源為用戶提供 實(shí)時(shí)性更好、容量更大的移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)是一個(gè)亟待解決的重要課題。
[0003] -方面，隨著數(shù)據(jù)量的增加、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的加重，數(shù)據(jù)包的路由調(diào)度問題將會(huì)變得越 來越復(fù)雜。相對于文字信號而言，圖像信號(如圖片、視頻等）的數(shù)據(jù)量更大、實(shí)時(shí)性要求更 高，而圖像信號恰恰是提升用戶體驗(yàn)不可或缺的一部分，對傳輸圖像信號的傳輸需求將會(huì) 日益增加。另一方面，之前的發(fā)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(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的路由調(diào)度問題。一套編碼解碼和路由調(diào)度互相適配的算法，在編碼 和傳輸中優(yōu)化圖像信號的傳輸性能，可以改善網(wǎng)絡(luò)傳輸效果、提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種方法來解決在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中 的傳輸圖像信號的問題。本發(fā)明綜合考慮了圖像信號傳輸中的編碼解碼和路由調(diào)度問題， 并具有很強(qiáng)的可實(shí)現(xiàn)性，能被廣泛地運(yùn)用到現(xiàn)在的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中。本發(fā)明能幫助我們提 高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，有效改善圖像信號傳輸實(shí)時(shí)性和傳輸效果。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明提供的在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)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(gè)信息量相當(dāng)、重要性相 同的描述包；
[0007] 第二步，計(jì)算每條傳輸鏈路的傳輸效益；
[0008] 第三步，根據(jù)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(diào)度方案建立傳輸鏈路并開始傳輸描述包。
[0010] 優(yōu)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(jìn)行M(M<N)次采樣，得到采樣值ym，其中，N=N'XN'，F(xiàn)= [Fi;j] (i，j<N'），F(xiàn)i;j為原始圖像對應(yīng)點(diǎn)上的值；采樣的實(shí)質(zhì)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(shù)，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(zhuǎn)置并堆疊為一維行向量
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)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(gè)信息量相當(dāng)、重要性相同的 描述包； 第二步，計(jì)算每條傳輸鏈路的傳輸效益； 第三步，根據(jù)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(diào)度方案建立傳輸鏈路并開始傳輸描述包。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)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(jìn)行M(M<N)次采樣，得到采樣值ym， 其中，N = Ν' XN'，F(xiàn) = [FiJ (i，j彡Ν'），F(xiàn)iij為原始圖像對應(yīng)點(diǎn)上的值；采樣的實(shí)質(zhì)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(shù)，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(zhuǎn)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(gè)服從±1等概同分布（i. i. d.)的隨機(jī)矩陣； 然后，編碼器將采樣值ym及其對應(yīng)的采樣矩陣Φ ' m的信息打包成為一個(gè)描述包； 采樣矩陣Φ的信息是發(fā)送端和接收端共享的，即采樣矩陣Φ是預(yù)存在發(fā)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(shí)候只需要在描述包中指出采樣矩陣 Φ ' π對應(yīng)的采樣次數(shù)m即可。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)傳輸圖像信號的方法， 其特征在于，所述步驟二，具體為： (1)計(jì)算鏈路的傳輸需求因子 設(shè)某一時(shí)刻t，對于包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)Nt和接收節(jié)點(diǎn)隊(duì)的鏈路1，發(fā)送節(jié)點(diǎn)Nt緩存中的描 述包集合為uNt，接收節(jié)點(diǎn)隊(duì)緩存中的描述包集合為U1^假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多只能轉(zhuǎn)發(fā)同一 個(gè)接收到的描述包一次；那么，節(jié)點(diǎn)緩存中將會(huì)有兩種不同的描述包：一種是節(jié)點(diǎn)接收到 的并且已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過的描述包，稱為灰包；另一種是節(jié)點(diǎn)接收到的但尚未轉(zhuǎn)發(fā)過的描述包，稱 為白包；記發(fā)送節(jié)點(diǎn)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?shù)臄?shù)據(jù)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?shù)臄?shù)據(jù)包的集合Up為 Up ^UN( } 考慮到鏈路傳輸容量，則每個(gè)傳輸時(shí)隙中鏈路1可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)P為 p=min(|UP|, q(l)) 其中，q(I)表不一個(gè)傳輸時(shí)隙中鏈路1可以傳輸?shù)拿枋霭鼈€(gè)數(shù)，IUpI表不集 合Up中包含的描述包的個(gè)數(shù)； 若建立鏈路1，在接收節(jié)點(diǎn)處復(fù)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(shù)fK"s(·)即為壓縮感知復(fù)原圖像的均方根誤差RMS與用于復(fù)原的采樣值個(gè) 數(shù)的關(guān)系； 定義該時(shí)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?shù)臄?shù)據(jù)包的重要性； (2) 計(jì)算鏈路的傳輸供應(yīng)因子； (3) 計(jì)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(yīng)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(fā)送節(jié)點(diǎn)，隊(duì)⑴為鏈路1的接收節(jié)點(diǎn)，Dis (Na，Nb)為兩節(jié)點(diǎn)Na、 Nb之間的地理距離或信道質(zhì)量，r為節(jié)點(diǎn)的干擾半徑或信道質(zhì)量的閾值，Iint表示對于鏈路 1會(huì)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(jù)權(quán)利要求3所述的在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)傳輸圖像信號的方法， 其特征在于，所述計(jì)算鏈路的傳輸供應(yīng)因子，具體為： 首先計(jì)算各中繼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)權(quán)重，具體為： (a) 每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)性能值Q初始化為0,節(jié)點(diǎn)權(quán)重值W初始化為0,節(jié)點(diǎn)到接收端 節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)H初始化為正無窮；接收端節(jié)點(diǎn)的Q為正無窮，W為正無窮，H為0 ; (b) 依次遍歷除接收端節(jié)點(diǎn)以外的所有節(jié)點(diǎn)Ni,若有與節(jié)點(diǎn)Ni直接相連的節(jié)點(diǎn)Nj滿足
Q(Ni) -min(q(Ni, Nj), Q(Nj)) H(Ni) - l+H(Nj) 即當(dāng)Ni以％為傳輸下一跳，并且節(jié)點(diǎn)Ni得到更優(yōu)的節(jié)點(diǎn)權(quán)重值時(shí)，則更新節(jié)點(diǎn)Ni的節(jié) 點(diǎn)性能值Q、節(jié)點(diǎn)權(quán)重值W和節(jié)點(diǎn)到接收端節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)H ;其中，q⑴=q(Ni，Np表示以Ni為 發(fā)送節(jié)點(diǎn)、Nj為接收節(jié)點(diǎn)的鏈路1在一個(gè)傳輸時(shí)隙中可以傳輸?shù)拿枋霭鼈€(gè)數(shù),W(N i)表不表 示節(jié)點(diǎn)Ni的權(quán)重值，Q (Ni)表示表示節(jié)點(diǎn)Ni的性能值，H(Ni)表示表示節(jié)點(diǎn)Ni到接收端節(jié)點(diǎn) 的跳數(shù)； (c) 重復(fù)（b)直至所有節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)性能值Q、節(jié)點(diǎn)權(quán)重值W和節(jié)點(diǎn)到接收端節(jié)點(diǎn)的跳數(shù) H在一次遍歷中不再變化；得到各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)權(quán)重值W ; 節(jié)點(diǎn)權(quán)重衡量了每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)向接收端傳輸數(shù)據(jù)的能力； 對于接收節(jié)點(diǎn)為隊(duì)的鏈路1，鏈路1傳輸供應(yīng)因子TSF(I)定義為 TSF(I)=W(Nr) 其中，W(Nr)表示節(jié)點(diǎn)Nr的權(quán)重值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)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(shí)，傳輸效益為正的鏈路都被劃分為可能會(huì)被建立的鏈路，加入到將會(huì)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(chǎn)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(fù)（2)直到UEstUnk中的鏈路互不干擾，即V/p/2 g &(/2)，則UEstUnk為該 時(shí)隙調(diào)度方案要建立的鏈路集合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)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(jù)實(shí)際情況對已收到的描述包進(jìn)行解碼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)傳輸圖像信號 的方法，其特征在于，在所述第四步中，若在時(shí)間t，接收端接收到K個(gè)對應(yīng)采樣次數(shù) 為（Ii 1, k2,. . .，K}的描述包，其中沐為，…，夂丨_<=丨1，2,3，...，從丨·；設(shè)描述包中包含的米樣 值為，按采樣次數(shù)堆疊為八….VjJ，對應(yīng)的采樣矩陣為 <…名Γ;復(fù)原原信號，即求解優(yōu)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(yīng)的二維原始圖 像F的總變差。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)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(gè)信息量相當(dāng)、重要性相同的描述包；第二步，計(jì)算每條傳輸鏈路的傳輸效益；第三步，根據(jù)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(diào)度方案建立傳輸鏈路并開始傳輸描述包。本發(fā)明綜合考慮了圖像信號傳輸中的編碼解碼和路由調(diào)度問題，并具有很強(qiáng)的可實(shí)現(xiàn)性，能被廣泛地運(yùn)用到現(xiàn)在的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，有效改善圖像信號傳輸實(shí)時(shí)性和傳輸效果。
【IPC分類】H04W28-06, H04W72-12, H04N19-25, H04W40-20
【公開號】CN104735721
【申請?zhí)枴緾N201310724064
【發(fā)明人】黃新, 駱喆, 王新兵, 田軍
【申請人】上海交通大學(xué), 富士通株式會(huì)社
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2013年12月24日