[發明專利]用于中繼網絡的欠采樣量化轉發方法

有效

• 申請號: 201410444286.2
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104184554B
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 徐文波;翟靜;林家儒
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04W28/06;H04W88/04
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司11018
• 代理人: 夏憲富

技術領域

本發明涉及一種用于中繼網絡的欠采樣量化轉發方法，屬于信號采樣和中繼轉發的技術領域。

背景技術

在協作通信網絡中，每個用戶不但發送自己的信息，而且協助轉發其合作伙伴的信息，多個用戶可以共享天線及其他網絡資源，以虛擬天線陣列的形式來獲得分集增益，能夠用于蜂窩系統、無線Ad hoc網絡和無線傳感網絡等多種環境。基于協作中繼網絡的信道模型，已提出多種典型的中繼轉發模式，包括有：放大轉發、譯碼轉發、編碼協同和壓縮轉發等。

采用壓縮轉發(Compress-and-Forward,CF)時，中繼節點對接收信號進行量化或壓縮，再通過中繼-信宿鏈路發送。現有CF的實現可以分為兩類：一是利用中繼端接收信號與信宿端接收信號之間的相關性，采取Wyner-Ziv(WZ)編碼來實現壓縮；二是利用這種相關性，實現冗余差錯保護，獲取信號分集。WZ編碼的復雜性使得CF實現難度很高，實際所采用的方案設計多屬于第二類。其中，量化轉發(Quantize-and-Forward,QF)則屬于第二類，QF對中繼的接收信號觀測值(或者由觀測值計算所得信號)進行離散化處理，也由此引入了一定的失真。在信宿端，根據中繼轉發信號和直傳鏈路信號，進行信源端原始信號的恢復。

目前的協作通信網絡大都采用傳統的信號獲取和處理過程，主要包括采樣、壓縮、傳輸和解壓縮四個部分，其中的采樣過程必須遵循奈奎斯特采樣定理，即系統的采樣率必須大于信號最高頻率的兩倍。由于協作通信網絡存在大量的節點交互過程，這一傳統的信號處理方式將造成整個網絡數據流量異常龐大，不僅抬高了實際硬件實現的成本，還增加了功耗。并且在信號壓縮中，先對信號進行某種變換，如離散余弦變換或小波變換等，然后對少數幅度較大的系數進行壓縮編碼，舍棄其他較小的系數；這種先采樣后壓縮的形式浪費了大量的處理資源。

根據香農采樣定理，當模擬限帶信號的采樣率不低于奈奎斯特采樣率時，可以根據離散時間采樣值恢復該模擬信號。然而，壓縮感知理論指出，當模擬信號稀疏或者在某個基上稀疏時，通過采集少量的信號投影值就可以實現信號的準確或近似重構。壓縮感知技術突破了傳統數據信號處理模式，直接獲取信號的壓縮表示，從而略去了對大量無用信息的采樣，即壓縮感知能夠將數據采集和數據壓縮兩步操作合二為一。該技術的本質為：如果信號x∈R^N是稀疏的(R代表實數域，R^N代表實N維向量空間)，即x能夠表示為N個正交基的線性組合：其中，稀疏基為Ψ＝(ψ₁,...,ψ_N),系數向量為θ＝(θ₁,...,θ_N)^T，且||θ||₀≤K，K<<N，其中，向量θ的范數運算代表范數||θ||₀代表向量θ中非零元素的個數。所以，信號x可以僅用θ的K個非零系數來表征，即對該信號x以低于奈奎斯特速率的采樣頻率進行采樣(稱為欠采樣/壓縮采樣)，采用測量矩陣Φ∈R^M×N獲取壓縮采樣的測量值：y＝Φx＝ΦΨθ＝Ωθ，其中Ω＝ΦΨ為壓縮采樣結構的等效測量矩陣，y∈R^M，M＜N，M代表y的維數，N代表x的維數。

當測量矩陣Φ滿足受限等距特性(Restricted Isometry Property，RIP)準則時，即對于任意具有嚴格K-稀疏的向量x，矩陣Φ都能保證如下不等式成立：

如果y的維數M滿足M≥C·K·log(N/K)，C為常數，則測量值y^M可以以高概率完全表征信號x的所有信息(K＜M＜N)，即基于y^M能夠以某種恢復算法準確地恢復稀疏信號。現有研究對多種矩陣進行了分析，發現隨機矩陣、快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)矩陣、貝努利隨機矩陣等都以高概率滿足RIP準則。目前，相關文獻已提出多種恢復算法，如l₁-范數優化和經驗風險最小化方法等。壓縮感知理論已經有了比較廣泛的應用，例如在圖像獲取、傳感網絡、信道估計以及認知無線電等方面。

一方面，對協作中繼網絡的已有研究大都集中在中繼節點的轉發方式、接收端處對協作節點信息的處理方式、系統性能分析等方面，沒有考慮信號的稀疏特性，使得各節點所操作的數據量過大；雖然協作中繼系統的壓縮轉發模式也實現了在中繼節點的信號壓縮，但該機制是基于信號間的相關性來進行壓縮，尚未完全開發信號特征。