数据传输论文

分布式信源编码的研究、应用及实现

摘要：

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。与其他的无线网络相比，无线传感器网络中传感器节点的能量有限而且不能够实时更新。因此传感节点的信息处理能力和无线通信的容量都受到了很大的影响。为了克服这些限制，需要设计能耗较低的通信协议和算法，其中，在编码时采用分布式信源编(Distributed Source Coding，DSC)技术就是一种有效地解决方法。分布式信源编码利用多个信源之间的相关性，进行独立编码减少传送的信息速率，并通过联合译码提高信息传输的整体有效性。DSC技术的作为无线传感器数据传送中的关键技术，对于其的研究也越来越成熟，而对DSC的应用也扩展到了无线摄像机网络等领域，成为了一种具有高效压缩性和优秀译码性能的信源编码。本文对分布式信源编码技术从理论到实现再到应用进行了重点研究。本文从以下几个方面对DSC进行了研究：首先介绍了分布式信源编码的理论基础——S1印ian．Wolf编码定理和Wyner-Ziv定理，从理论上说明了DSC的可行性；其次，分别说明了两种DSC 的实现方式，即基于校验子(Syndrome)的实现方式和基于校验位(Parity)的实现方式，详细地举例阐述了两种方式的实现方法和仿真测试结果；最后，文章还重点从平行多视角视频系统出发，说明分布式信源编码在无线摄像机网络这一领域的应用，在此，本文还引入了视差补偿和平行视差搜索技术，对基于不同建模方式的平行视差搜索方式进行了研究，找出了搜索质量和计算复杂度最优折中的视差搜索方式，并将此搜索方式应用于基于DSC的分布式视频系统PRISM中去以实现平行多视角视频系统。文章最后还对这一系统进行了仿真对比，对比结果表明，引入了平行视差搜索的平行多视角视频系统能更好地重建视频序列，同时，分布式信源编码在无线摄像机网络的应用效果得到验证。

关键词：无线传感器网络，分布式信源编码，分布式联合信源信道编

码，视差搜索，多视角视频系统，PRISM。

一、课题研究的背景及意义

1.1、课题背景

近年来，无线传感器网络(wsN：Wireless Sensor Network)引起人们的广泛关注和研究，在军事、环境以及医疗等领域都得到了很好的利用fI】。无线传感器网络是一种新型的无线网络，它能够实时地感知，获取所部署区域的信息，并把这些信息进行处理和传送到指定目的，具有十分广阔的应用前景。与其他的能够提供持续能量的无线网络相比，WSN中传感器节点的能量有限，且无法实时获得能量补充。这使得传感器节点的信息处理和传输能力受到了很大的限制。为了克服这些限制需要设计低能耗的通信协议和算法。在编码过程中采用分布式信源编码(DSC：Distributed Source Coding)为此提供了解决的办法。1.2 、课题的意义

在信息极度膨胀的当今世界，如何才能实现将信息无损地传输，如何才能将数据量极大的信息有效地传输，已经成为人们关注的问题，前者是对于信息的可靠性而言的，后者则是针对信息的有效性而言。以图像视频的处理和传输和信息采集技术为代表的信息处理传输技术，无论对于信息的有效性和可靠性的都有很高的要求。随着人们对于图像处理和信息采集关注度越来越高，新的编码技术以及对原有技术的进一步研究都有较快的发展，其中分布式信源编码就是应用前景最广泛的一种。

在图像处理方面，由于人们对图像的质量和传输都有很高的要求，主要表现在既要求质量尽可能高，又要求传输尽可能快。而传输的速度和图像的数据流大小关系十分密切，要想快速传输，在对图像的编码上就必须要用尽可能少的比特编码，使得图像压缩率尽可能高。而这一要求又恰恰与质量的要求相悖，根据信息论的原理，图像的质量越高，所需要的信息量就会越大，于是存储或传输所需的信息量越大。为了能在图像的质量和传输速度中找到一种最好的折中，就是信源编码的主要目的。分布式信源编码拥有信源编码的传输速度快，压缩率高等优点，同时由于译码端强大的计算能力，使得在译码端能准确地还原信源，保证信息传输的质量。

二、什么是信源编码

信源：指信息发生的来源。对通信系统而言，信源就是向其提供信息的人或机器。信源本身十分复杂，在通信中我们所关注的是信源输出后的信息的类型及其所包含的信息量。信源编码也称数据压缩，它是将信源输出信号有效地映射成

符号序列的过程，提高了信息传输的有效性，可进一步分为音频编码和视频编码。任意给定的信源都有一个表征其不确定性的称之为熵的量，它是无失真数据压缩的下限。信源编码定理指出：在允许一定的失真情况下，存在最小数量的比特描述独立分布的信源输出。模拟信号数字化后还不宜直接进行传输和存贮，在传输和存贮前要进行各种处理，这些处理包括为了提高传输效率的信源编码和为了提高信息传输可靠性的信道编码。信源编码的目的是进行数码率压缩，我国采用国际通用的MPEG-2视频、音频数码率压缩标准。

三、分布式信源编码

与其他的能够提供持续能量的无线网络相比，WSN中传感器节点的能量有限，且无法实时获得能量补充。这使得传感器节点的信息处理和传输能力受到了很大的限制。为了克服这些限制需要设计低能耗的通信协议和算法。在WSN这

种特定环境中，基于以上的需求，分布式信源编码能够提供一种解决的途径，根据DSC的原理，其需要对多个相关的传感器输出进行编码压缩，但这些传感器

并不需要通信。这些传感器发送编码压缩后的信息到Sink节点(类似簇头节点) 进行联合译码。DSC的以下两个特点使之可以匹配传感器节点的能量要求：1) 低能耗和低复杂度的编码器，这能够延长无线传感器节点的生存期；2)有效的高压缩率，因为数据的传送速率直接影响到节点的能量消耗。下面将以无线视频传感器网络为例说明无线传感器网络的特点：考虑一个无线视频传感器网络，其由多个视频传感器节点集群组成，每个集群除了有普通传感器节点之外，还有一个汇聚节点，同时有一个用于监控应用的基站节点。视频传感器节点用于获取并处理数据；汇聚节点将传送上来的数据进行融合并传送到外部网络。为了保证这种网络能够在长时间里无人操作地正常运行，视频传感器节点和汇聚节点需要严格限制它们的功耗，这样就导致了严重的系统限制。与此同时，传统的视频处理机制都是建立在已经诸如H．264等成熟的视频编码标准之上，而这些编码标准具有高的算法复杂度，而且绝大部分的计算都集中在编码器(即传感器节点)中处理，并不适合在传感器节点中使用。由上文可知，在WSN严格的功耗限制的基础上，需要一种在编码端具有低复杂度，而在解码端能正确译码的编码算法。而DSC 支持多对一的视频编码范例，这样相对于传统的一对多视频编码，有效的交换了编码器和解码器复杂度，在这种范例下，每个传感器节点用于编码的编码器的设