基于不等错误保护策略的最小化图像无线传输能耗方法与流程

本发明涉及图像无线传输领域，尤其涉及一种OFDM系统的传输方案。
背景技术：
：图像等多媒体数据传输时一般会需要更大的带宽与速率，在宽带高速无线传输更容易受符号间干扰和频率选择衰落影响，OFDM技术能很好的解决高速传输中的符号间干扰，将宽带频率选择性信道划分成了许多窄带平坦衰落信道，进而提高了频谱利用效率。OFDM即正交频分复用技术，它的基本原理就是通过发送端的正交分离技术将信道划分为若干个两两相互正交的子信道，并将高速的数据流通过串并变换转换到这些子信道上进行低速传输。这样每个子信道中的带宽会相对减小，因而符号周期会相对增加，这样则可以减轻多径时延对OFDM系统的影响。图1为OFDM的系统框图。发送端将经过编码后的数据，串行输入后先经过串/并转换，实现数据流的多路分离，然后经过快速傅立叶反变换(InverseFastFourierTransform,IFFT)后进行并串转换，接着加入保护时间间隔，即整个系统信号的循环前缀，经过模数变换后，将其变频至高频区将信号发射出去。数据经过多径衰落信道后到达接收端，接收端执行相反的过程：接收信号先经过下变频，模数转换，然后去除整个系统信号的循环前缀，再进行串/并信号转换、快速傅里叶变换(FastFourierTransform,FFT)解调，并/串信号转换，还原得到信宿序列。图像等多媒体数据包含大量的冗余，为有效地利用有限的资源，数据压缩是必不可少的。与一般的数据相比，压缩的多媒体信息具有三个显著特点：(1)不相等的重要性；(2)错误扩散；(3)错误容忍。针对压缩多媒体数据的特征，对数据的不同部分采取不等错误保护(UnequalErrorProtection,UEP)策略可以获得一定的性能增益。现有的针对基于UEP的图像高能效无线传输方法主要存在两方面的不足：一方面在文献[AlajelKM,XiangWei,WangYafeng.Unequalerrorprotectionschemebasedhierarchical16-QAMfor3-Dvideotransmission[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2012,58(3):731-738.]和文献[TangZhenhua,QinTuanfa,LiuWenyu.Energy-minimizedadaptiveresourceallocationforimagetransmissionoverwirelesschannel[C]//2010InternationalConferenceonIntelligentControlandInformationProcessing(ICICIP).Dalian:IEEEPress,2010:398-403.]中，传输系统采用了复杂的纠错编码对数据进行信道编码，该方法减少了失真，但消耗了更多的能耗，并且降低了有效数据的传输速率。而本文未对图像数据帧进行信道编码，避免了信道编码产生的能耗。同时还通过子载波信道选择，将对图像质量影响重要的数据放在状态较好的信道中传输；另一方面，针对编码后的图像数据流，或将其按视觉重要性分成几部分分别传输，如文献[王飒爽,戴居丰,一种基于OFDM系统的无线图像的有效传输方法[J].电路与系统学报,2006,11(4):121-124.]和文献[ZhuHuiling.AdaptiveResourceManagementBasedonUnequalErrorProtectioninOFDMSystems[C]//2010IEEE71stVehicularTechnologyConference(VTC2010-Spring).Taipei:IEEEPress,2010:1-5.]，或将渐进式编码流的编码块分组传输，如文献[ShayeganniaM,HajshirmohammadiA,MuhaidatS,etal.TransmissionofJPEG2000imagesoverfrequencyselectivechannelswithunequalpowerallocation[J].IETImageProcessing,2013,7(7):33-41.]和文献[ShayeganniaM,HajshirmohammadiA,MuhaidatS.UsinganadaptiveUPAschemewithachannel-awareOFDMtechniqueforwirelesstransmissionofJPEG2000images[C]//201225thIEEECanadianConferenceonElectrical&ComputerEngineering(CCECE).Montreal:IEEEPress,2012:1-5.]。两种方式均对没有考虑对编码图像数据流的错误抑制，由于压缩码流采用了可变长编码，错误容易在码流中扩散，进而影响后面系数的解码。本文提出的方法中考虑了错误抑制，在数据帧中插入了重同步标记和分隔符以抑制错误的扩散。技术实现要素：本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于最小化系统的传输能耗不等错误保护策略的最小化图像无线传输能耗方法。本发明的技术方案如下：一种基于不等错误保护策略的最小化图像无线传输能耗方法，其包括以下步骤：步骤1、获取原始图像数据，并将原始图像数据经JPEG基线系统编码器进行压缩编码得到压缩码流；步骤2、对经步骤1编码后的压缩码流进行比特流分割，将压缩码流中低频的DC系数和高频的AC系数分离出来，得到低频系数数据和高频系数数据；步骤3、将低频系数数据和高频系数数据封装成若干个固定格式的图像数据帧，并给帧中的不同部分分配不同的发射功率，其中数据帧中的帧头包括重同步标记；步骤4、发送端通过导频来估计OFDM系统中各个的子载波信道的信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)，接收端将子载波信道状态信息CSI反馈给发送端，同时发送端根据CSI对子载波信道按信道增益大小从大到小排序；步骤5、发送端根据步骤4排序后的子载波信道及CSI对发射功率进行调整，最后将发送图像数据帧时，将数据帧中的头部和高频数据放在较高信道增益的信道中传输。进一步的，所述步骤3将低频系数数据和高频系数数据封装成若干个图像数据帧，所述图像数据帧的格式为：帧头低频系数分隔位高频系数，其中帧头和低频系数属于高保护等级数据，用HP表示，分隔位和高频系数属于低保护等级数据，用LP表示，其中帧头信息主要包括重同步标记，以及HP和LP在帧中的索引值。进一步的，所述步骤3中为图像数据帧中的不同部分分配不同的发射功率。具体包括：针对数据帧中的HP和LP数据，发射功率分别为PtHP和PtLP，在AWGN信道下，HP和LP的误比特率表示如下peHP=Q(2·PtHPN0)---(6)]]>peLP=Q(2·PtLPN0)---(7)]]>其中N0表示信道噪声功率，Q(x)表示随机变量比x大的概率。进一步的，在AWGN信道条件下，建立有质量约束的能耗最小化问题P1的数学模型为min{PtHP,PtLP}Etotal=Esc+EtranssujecttoDtotal≤D0---(8)]]>其中Esc表示压缩处理能耗，Esc表示传输能耗，D0表示图像的失真约束值。针对上面的能耗优化问题P1，我们利用带约束的拉格朗日乘数法来求解最优的功率值和进一步的，上述优化问题是在AWGN信道的假设条件下求得的，然而所考虑的传输信道为频率选择性衰落信道。根据下面两个式子来调整每个子载波符号中比特数据的发射功率来补偿因衰落对数据的失真的影响。假设信道的衰落系数在一个图像数据帧的传输过程保持不变，对于第k个数据帧，假设通过信道估计获得信道衰减系数向量为h，且ht是第t个子载波信道的衰落因子，则映射到该子载波上传输的数据帧中的HP数据或LP数据的发送功率为PtHP(k)=PtHP*|[ht]|2+α,k∈[1,K],t∈[1,T]---(9)]]>PtLP(k)=PtLP*|[htk]|2+α,k∈[1,K],t∈[1,T]---(10)]]>其中α是一个固定的小值，为了避免由于衰落因子过小而造成结果无限大，从而影响结果的准确性，本文中将设置成0.01。本发明的优点及有益效果如下：本方案首先分析了JPEG图像的失真模型和能耗模型；进一步，基于一个采用OFDM技术的传输系统模型，通过将JPEG数据流封装成帧，在帧中插入重同步标记以抑制错误的扩散，并对数据帧的不同部分分配不同的传输功率，满足一定质量约束条件下，最小化系统的传输能耗。附图说明图1是现有技术的OFDM收发机框架；图2图像无线传输系统模型；图3图像数据帧格式；图4不同失真约束值下UPA与EPA传输图像总能耗图5两种方法的图像传输的能耗值对比表1传输系统仿真参数具体实施方式下面结合附图对本发明的优点及效果做进一步说明。传输系统模型如图2所示，系统的第一部分是JPEG编码器，原始图像数据经JPEG基线系统编码后，再对压缩码流进行分割，把低频部分(即DC系数)和高频部分(即AC系数)分成两个子压缩码流。由于压缩码流采用了可变长编码，错误容易在码流中扩散，进而影响后面系数的解码。本文采用重同步标记来提高其对错误扩散的抑制能力。然后将低频数据和高频数据封装成一个个图像数据帧，并分配不同发射功率。图像数据帧格式如图3所示，其中头部和低频系数对图像的失真影响更大，属于高保护等级数据，后面用HP表示；另外分隔位和高频系数属于低保护等级数据，后面用LP表示。其中头部信息主要包括重同步标记，以及HP和LP在帧中的索引值。考虑发送端在图像无线传输中压缩和传输两阶段的能耗。传输系统采用JPEG编码器对原始图像数据进行信源编码，处理过程主要包括DCT变换、量化和熵编码。由于不调整压缩的相关参数，所以将压缩处理能耗Esc固定为常数。传输阶段的能耗主要包括电路和功率放大器能耗。假定电路功率为Pel，功率放大器功率为Pam，物理层的比特速率为Rb，那么传输每个比特的能耗表示为Eb=(Pel+Pam)·1Rb---(11)]]>其中，Pam与发射功率Pt的关系如下Pam＝Pt/η(12)其中，η为功率放大器的能量转换效率。假设一幅图像经过信源编码后被拆分封装成K个图像数据帧。每个数据帧中，HP和LP的长度分别为LHP，LLP。则传输所有图像数据帧的总能耗可以表示为Etrans=Σk=1K[(Pel+Pt,kHPη)·LHPRb+(Pel+Pt,kLPη)·LLPRb]---(13)]]>图像的失真包括压缩编码失真和传输失真，其中压缩编码失真是由量化造成的，DCT系数经量化后精度下降，从而实现了数据压缩。传输失真也由两部分构成：HP数据失真、LP数据失真。若HP数据中发生至少一个比特错误，则整个帧均被丢弃，并解码为零。若仅LP出现错误，则仅丢弃帧的高频系数，该部分数据全部解码为零。设Xn,m和分别表示图像的第n个8×8块的第m分量在发送端量化前和接收端解码后DCT系数，Eb{·}表示块中所有系数分量的平均失真，设Dn表示图像中第n块的端到端失真，可以表示为Dn=Eb{E[(Xn,m-X~n,m)2]}(n∈[1,N],m∈[1,64])---(14)]]>其中，N表示输入图像中8×8块的总数。设图像数据帧中头部信息长度为H，低频系数长度为LDC，分割标记位长度为LRST，高频系数长度为LAC。则图像数据帧中HP数据中至少有一个比特错误的概率PHP可以表示为PHP=1-(1-peHP)LDC+H---(15)]]>其中，表示图像数据帧中HP数据的误比特率，它与发射功率和信道状态有关。设表示图像数据帧中LP数据的误比特率，则LP中至少出现一个比特错误的概率PLP为PLP=(1-peHP)LDC+H·[1-(1-peLP)LAC+LRST]---(16)]]>综上则因HP和LP数据发生错误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)2]·PHP(m∈[1,64])---(17)]]>DnLP=Eb{En[(Xn,v-X~n,v)2]}=Eb[(Xn,v-0)2]·PLP(v∈[2,64])---(18)]]>因此，传输整幅图像的失真可以表示为Dtotal=1NΣn=1N(DnHP+DnLP)---(19)]]>针对数据帧中的HP和LP数据，发射功率分别为和通过为不同的数据分配不同的发射功率，提供差异化的保护策略，在满足接收端对图像质量要求的同时，最小化传输整幅图像所需的总能耗。综上可知，本文提出的具有质量约束的能耗最小化问题P1的数学模型为min{PtHP,PtLP}Etotal=Esc+EtranssujecttoDtotal≤D0---(20)]]>接下来，针对上面的能耗优化问题P1，我们利用带约束的拉格朗日乘数法来求解该问题。设最优的功率值分别为的和拉格朗日乘数为λ，则问题P1的拉格朗日函数表示为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)2]·PHP+Eb[(Xn,v)2]·PLP))---(21)]]>由于问题P1中目标函数是线性的，且约束条件为凸函数，所以P1是凸优化问题。假设上式的最优拉格朗日乘数为λ*，则λ*也是问题P1的对偶问题P2的最优解，P2可以表示为min{L~(λ)}s.t.λ≥0---(22)]]>则拉格朗日对偶函数表示为L~(λ)=max{PtHP,PtLP}{L(PtHP,PtHP;λ)}---(23)]]>根据凸优化理论，是一个关于λ的凸函数。所以可以根据梯度法来优化最佳的拉格朗日乘数λ*，表示如下λ*=λ*+ϵλ(1NΣn=1N(Eb[(Xn,m)2]·PHP)+Eb[(Xn,m)2]·PLP)-D0)---(24)]]>其中，ελ是个任意接近零的正实值。由于L(λ)是关于λ的凸函数，上式迭代会在最优值λ*处收敛。然后将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)]]>最后通过上式可以获得最佳的传输功率和上述优化问题是在AWGN信道的假设条件下求得的，然而所考虑的传输信道为频率选择性衰落信道。另外在OFDM系统中，由于其存在许多子信道，对于子信道的信道状态，就要考虑到无线信道衰落对系统传输数据的影响。无线信道衰落不仅影响到系统传输数据所需的总功率，还会影响到系统分配给每个数据帧的功率。通过发送导频序列来估计信道的状态信息，发送端根据反馈的CSI获得各个子载波信道的衰减系数。然后，根据下面的两个公式来调整每个子载波符号中比特数据的发射功率来补偿因衰落对数据的失真的影响。假设信道的衰落系数在一个图像数据帧的传输过程保持不变，对于第k个数据帧，假设通过信道估计获得信道衰减系数向量为h，且ht是第t个子载波信道的衰落因子，则映射到该子载波上传输的数据帧中的HP数据或LP数据的发送功率为PtHP(k)=PtHP*|[ht]|2+α,k∈[1,K],t∈[1,T]---(27)]]>PtLP(k)=PtLP*|[htk]|2+α,k∈[1,K],t∈[1,T]---(28)]]>其中α是一个固定的小值，为了避免由于衰落因子过小而造成结果无限大，从而影响结果的准确性，本文中将设置成0.01。上述两个式子表明实际的分配功率将随着信道衰落因子的变化而变化，当无线信道的衰落较大时，将分配更多的功率。所以，一旦信道衰落的因素被补偿，则系统在衰落信道环境下的性能和在AWGN信道中是一样的效果。将提出的方法不等功率分配方法(UPA)与典型的平等功率分配方法(EqualPowerAllocation,EPA)，以及文献[ShayeganniaM,HajshirmohammadiA,MuhaidatS,etal.TransmissionofJPEG2000imagesoverfrequencyselectivechannelswithunequalpowerallocation[J].IETImageProcessing,2013,7(7):33-41.](后面用sha-UPA代替)中的方法进行比较，实验中，采用了一幅512×512大小的灰度级标准测试图像(Lena)用于图像无线传输的实验，其他仿真相关参数如表1所示。表1传输系统仿真参数由图4可知，随着图像传输失真约束值Do值的增大，两种方法传输图像的总能耗均逐渐减少，同时本文所采用的UPA方法的能耗值小于EPA方法。当Do值逐步增大时，对传输图像的接收质量要求越来越低，故需要分配给数据帧中HP和LP数据的发射功率值也逐渐减少，传输总能耗值也逐渐减少。图5给出了本文方法与文献[sha-UPA]中所采用的UPA方法，在不同信道条件下传输图像的能耗对比。由图5可知，两种方法的图像传输的能耗均随失真约束值D0增大而逐步减小，在一定的失真约束值D0下，本文方法传输图像的总能耗始终小于文献中的方法。一方面是因为文献[sha-UPA]中没有未考虑子信道的分配，若子载波信道衰减较大，需要更大的功率调整，进而消耗更多的能耗。而本文通过将HP数据放置在信道衰减相对较小的子载波信道上，避免了过大的功率调整；另一方面，本文方法在数据帧中插入了重同步标记，避免了错误的扩散，进而减少了图像的失真。在D0值一定时，系统的径数越多，传输图像的能耗也增大。当径数增大时，径数越多接收端接收到的多路信号可能会产生较大的衰减，故发送端需要对发送功率进行更大的调整。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。当前第1页1 2 3