一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统及其应用

摘要

一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统及其应用，属于图像编码和传输方法技术领域，解决数据传输可靠性及提高系统容量的技术问题，传输系统包括以下步骤：假设有一个基站和用户1、用户2。在发送端，用户1和用户2的期望信号，首先经过多描述编码各生成两个描述，随后基站为用户1分配总功率的p，为用户2分配总功率的p，同时要满足且；然后通过叠加编码将两用户的描述进行叠加。传输进入瑞丽衰落信道，基站通过两个正交子信道分别向用户1和用户2发送叠加信号。在接收端，使用串行干扰消除技术分别对用户1和用户2的接收信号进行解调，最终重建出期望图像。本发明仅明显提升了传输系统的鲁棒性和系统容量，还提高了用户公平性。

权利要求

1.一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，其特征在于包括以下步骤：Ⅰ.发送端信号处理：在下行的多描述编码的非正交多址图像传输系统中，假设发送端包括一个基站和两个用户，两个用户分别为距离基站远的用户1和距离基站近的用户2，发送端信号处理的步骤如下：a.多描述编码：

a1.分别读入用户1和用户2的图像序列x1和x2；

a2.使用MDC编码器对步骤a1获得的图像序列x1和x2编码，使得两个图像序列x1和x2对应生成两个描述x1,k和x2,k，其中k表示第k个子信道进行传输，k＝1或k＝2；

a3.将步骤a2得到的描述x1,k和x2,k分别进行信源编码，生成二进制比特流；

a4.对步骤a3生成的二进制比特流进行数字调制，调制成相应的符号；

b.功率分配：

根据用户1和用户2对应的信道状态信息h1,k和h2,k对步骤a4调制后的信号进行功率分配，其中h1,k和,h2,k分别为用户1和用户2的信道增益，并且h1,k＜h2,k；假设总功率为p，用户1分配的功率为αkp，用户2分配的功率为(1‑αk)p的，并且0＜αk＜1，αk＞(1‑αk)，完成用户1与用户2功率分配；

c.叠加编码：将步骤b功率分配后的信号进行叠加编码，得到叠加信号Xk，如公式(1)所示：d.OFDM调制：将步骤c叠加编码后获得的叠加信号进行OFDM调制，得到OFDM传输信号；

Ⅱ步骤Ⅰ多描述编码处理后的OFDM传输信号进入瑞利衰落信道，发射到接收端；

Ⅲ.接收端信号解码重建：接收端信号解码重建的过程与发送端信号处理的过程相反，包括以下步骤：S1.接收端将接收到的串行信号转换为并行接收信号，并行接收信号如公式(2)所示：y1＝h1,kXK+n1,k；

y2＝h2,kXK+n2,k； (2)

式中，h1,k和,h2,k为用户1和用户2的信道增益，n1,k和n2,k为信道噪声，Xk为叠加信号；

S2.将步骤S1获得的并行接收信号进行OFDM解调，得到OFDM解调信号；

S3.使用串行干扰消除接收机对步骤S2解调后的OFDM解调信号进行解码；

S4.将步骤S3串行干扰消除接收机解码后的图像进行信源解码；

S5.将步骤S4信源解码后的信号进行重建，完成基于多描述编码的非正交多址图像传输，得到期望图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，其特征在于：图像传输过程中基站的固定发射功率和速率为以下两种情形中的任一种：①.基站对于所述步骤b中瞬时的信道状态信息是未知的：基站采用固定发射功率和速率；

②.基站对于所述步骤b中瞬时的信道状态信息是已知的：基站根据固定发送功率的无线信道的变化调节传输速率。

3.根据权利要求2所述的一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，其特征在于：当基站对于瞬时的信道状态信息是未知的时，基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的中断概率如下：在基于多描述编码的非正交多址图像传输系统中，定义当用户1无法成功解码x1,k或用户2无法解码x2,k时，图像传输系统发生中断；用户1能够成功解码x1,k，须满足以下条件：其中R1为用户1的预定义目标传输速率， 为用户1接收子描述x1,k的实际接收速率；用户2能够成功解码x2,k，须满足以下两个条件：用户2成功解码x1,k，同时用户2成功解码x2,k，即 且 其中R2为用户2的预定义目标传输速率， 为用户2接收子描述x1,k的实际接收速率， 为用户2接收子描述x2,k的实际接收速率；

用户1和用户2的中断概率如公式(3)所示：

基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的总中断概率如公式(4)所示：PO＝P(O1)×P(Ο2)。 (4)

4.根据权利要求2所述的一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，其特征在于：当基站对于瞬时的信道状态信息是未知的时，基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的遍历速率如下：Ⅰ.用户1的遍历速率：从基站到用户1的传输遍历速率如公式(5)所示：Ⅱ.用户2的遍历速率：从基站到用户2的传输遍历速率如公式(6)所示：Ⅲ.遍历和速率：遍历和速率 为从基站到用户1的遍历速率 以及从基站到用户2的遍历速率 的总和，遍历和速率 如公式(7)所示：

5.如权利要求1所述的一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，其特征在于：用于要求不同信道带宽的场合以及对图像质量有可伸缩性的场合。

说明书

一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于图像编码和传输方法技术领域，具体涉及一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统及其应用。

背景技术

[0002] 随着移动互联网时代的到来，使得手机、平板和机器人等智能终端设备得到了全面的普及。如今，互联网社交也成为了必不可少的交流方式之一，从早期的社交软件QQ、微信、微博到抖音、快手等短视频软件。互联网社交的出现不仅加快了人与人之间信息交换的速度，更降低了远距离通信的成本。然而随着社交方式越来越多样化，使得图像、视频成为了互联网中最重要的载体之一。因为图像相比于文字和语音不但具有更快的读取速度，还能够携带更大的信息量，同时这也使得人们对于图像的质量要求越来越高。图像的分辨率也从最初的“高清”、“超高清”到“2K”、“4K”甚至具有特殊要求的图像达到了“8K”，然而图像分辨率提高的同时产生了海量的数据。而对于这些数据的获取、处理、存储以及传输则成为了通信传输系统的重要组成部分。

[0003] 由于信道本身存在的问题，例如网络异构性、网络拥塞、传输差错(丢包和误码)、端到端的时延、有限的频谱资源等等，严重影响了数据的传输可靠性。所以采取合适的传输控制措施，成为了保证数据通信质量的关键。因此，图像编码技术和图像传输技术的联合研究也成为了目前的研究热点之一。

[0004] 随着互联网应用的飞速发展，网络数据量也呈现指数级增长。因此4G网络已无法应对急剧增长的海量数据，从而第五代通信技术(5G)移动通信技术应运而生。它不仅可以满足海量终端的同时接入，还具有更高的传输速率和更低的端到端时延。目前国际公认的5G技术的全球连接总数可达1000亿，数据传输速率可以达到10‑20Gbps(是4G峰值速率的
10‑20倍)，用户体验数据速率达到1Gbps(是4G用户体验速率的100倍)，网络端到端的时延缩短至1ms(是4G的五分之一)，系统的频谱效率提高5‑10倍。

[0005] 然而，面对新一代无线网络的需求和移动通信技术的发展，使得有限的频谱资源越来越紧缺，而高频频谱资源尚未得到开发。所以在5G必须寻找更先进的技术来解决这些问题，而非正交多址技术(Non‑Orthogonal Multiple Access，NOMA)以其优异的频谱效率(Spectral Efficiency，SE)而被认为是5G网络中最有希望的候选方案。对于无线网络，其底层的物理连接称为无线接入技术，它是通过无线接入网络(Radio Access Network,RAN)实现的。RAN通过使用信道无线接入技术为移动终端提供核心网络连接。而设计合适的多址接入技术是提高系统容量的关键因素之一。

[0006] 互联网在发展宽度的同时也在发展维度，多种多路复用技术和多路转发技术被广泛应用，以最大化的发挥网络带宽价值。去中心化的互联网使得一个信息给多个用户共享，即多个用户向基站请求相同的的图像内容时，基站可在共享的资源上同时发送内容。因此，有效地利用了有限的频谱资源，同时显著降低了基站的发射功率。多描述编码技术(Multiple Description Coding，MDC)作为效率高容错性强的编码技术，不仅能够适应易错网络，还可以实现多路同时传输保证多个用户共享信息。作为一种常见的抗差错技术，MDC将一个图像编码成多个同等重要的描述，每个子描述独立的发送到接收端。在接收端，即使只接收到一个描述，也可以独立地进行解码和重构。同时，解码重建的效果会随着接收到的描述的数量的增加而得到完善。但是由于每个描述不仅包含自身的重要信息，还包含有助于恢复其他描述的冗余信息，因此在编码过程中会产生更大的数据量。

发明内容

[0007] 为了克服现有技术的不足，解决数据传输可靠性及提高系统容量的技术问题，本发明提供一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统及其应用。

[0008] 本发明的设计构思为：将非正交多址技术和多描述编码进行结合，利用非正交多址技术的频谱效率的高效性和具有更高的系统容量的优势结合多描述编码的高容错性，以构建一个可靠且稳定的传输网络。

[0009] 本发明通过以下技术方案予以实现。

[0010] 一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，包括以下步骤：

[0011] Ⅰ.发送端信号处理：在下行的多描述编码的非正交多址图像传输系统中，假设发送端包括一个基站和两个用户，两个用户分别为距离基站远的用户1和距离基站近的用户2，发送端信号处理的步骤如下：

[0012] a.多描述编码

[0013] a1.分别读入用户1和用户2的图像序列x1和x2；

[0014] a2.使用MDC编码器对步骤a1获得的图像序列x1和x2编码，使得两个图像序列x1和x2对应生成两个描述x1,k和x2,k，其中k表示第k个子信道进行传输，k＝1或k＝2；

[0015] a3.将步骤a2得到的描述x1,k和x2,k分别进行信源编码，生成二进制比特流；

[0016] a4.对步骤a3生成的二进制比特流进行数字调制，调制成相应的符号；

[0017] b.功率分配

[0018] 根据用户1和用户2对应的信道状态信息h1,k和h2,k对步骤a4调制后的信号进行功率分配，其中h1,k和,h2,k分别为用户1和用户2的信道增益，并且h1,k＜h2,k；假设总功率为p，用户1分配的功率为αkp，用户2分配的功率为(1‑αk)p的，并且0＜αk＜1，αk＞(1‑αk)，完成用户1与用户2功率分配；

[0019] c.叠加编码：将步骤b功率分配后的信号进行叠加编码，得到叠加信号Xk，如公式(1)所示：

[0020]

[0021] d.OFDM调制：将步骤c叠加编码后获得的叠加信号进行OFDM调制，得到OFDM传输信号；

[0022] Ⅱ步骤Ⅰ多描述编码处理后的OFDM传输信号进入瑞利衰落信道，发射到接收端；

[0023] Ⅲ.接收端信号解码重建：接收端信号解码重建的过程与发送端信号处理的过程相反，包括以下步骤：

[0024] S1.接收端将接收到的串行信号转换为并行接收信号，并行接收信号如公式(2)所示：

[0025] y1＝h1,kXK+n1,k

[0026] y2＝h2,kXK+n2,k(2)

[0027] 式中，h1,k和,h2,k为用户1和用户2的信道增益，n1,k和n2,k为信道噪声，Xk为叠加信号；

[0028] S2.将步骤S1获得的并行接收信号进行OFDM解调，得到OFDM解调信号；

[0029] S3.使用串行干扰消除接收机对步骤S2解调后的OFDM解调信号进行解码；

[0030] S4.将步骤S3串行干扰消除接收机解码后的图像进行信源解码；

[0031] S5.将步骤S4信源解码后的信号进行重建，完成基于多描述编码的非正交多址图像传输，得到期望图像。

[0032] 进一步地，系统性能：在基于多描述编码的非正交多址图像传输系统中，我们主要考虑两种传输场景：

[0033] ①.基站对于所述步骤b中瞬时的信道状态信息是未知的：基站采用固定发射功率和速率；

[0034] ②.基站对于所述步骤b中瞬时的信道状态信息是已知的：基站根据固定发送功率的无线信道的变化调节传输速率；

[0035] 在此基础上进一步分析了基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的中断概率和遍历速率。

[0036] 进一步地，当基站对于瞬时的信道状态信息是未知的时，基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的中断概率如下：

[0037] 在基于多描述编码的非正交多址图像传输系统中，定义当用户1无法成功解码x1,k或用户2无法解码x2,k时，图像传输系统发生中断；用户1能够成功解码x1,k，须满足以下条件： 其中R1为用户1的预定义目标传输速率， 为用户1接收子描述x1,k的实际接收速率；用户2能够成功解码x2,k，须满足以下两个条件：用户2成功解码x1,k，同时用户2成功解码x2,k，即 且 其中R2为用户2的预定义目标传输速率， 为用户2
接收子描述x1,k的实际接收速率， 为用户2接收子描述x2,k的实际接收速率；

[0038] 在子信道1上的数据传输速率， 为用户1在子信道1上的数据传输速率；

[0039] 用户1和用户2的中断概率如公式(3)所示：

[0040]

[0041] 基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的总中断概率如公式(4)所示：

[0042] PO＝P(O1)×P(Ο2)。 (4)

[0043] 进一步地，当基站对于瞬时的信道状态信息是未知的时，基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的遍历速率如下：

[0044] Ⅰ.用户1的遍历速率：从基站到用户1的传输遍历速率如公式(5)所示：

[0045]

[0046] Ⅱ.用户2的遍历速率：从基站到用户2的传输遍历速率如公式(6)所示：

[0047]

[0048] Ⅲ.遍历和速率：遍历和速率 为从基站到用户1的遍历速率 以及从基站到用户2的遍历速率 的总和，遍历和速率 如公式(7)所示：

[0049]

[0050] 一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，用于要求不同信道带宽的场合以及对图像质量有可伸缩性的场合。

[0051] 与现有技术相比本发明的有益效果为：

[0052] 1.本发明同时采用了多描述编码、功率分配算法、叠加编码以及穿行干扰消除技术，在本发明中，不仅明显提升了传输系统的鲁棒性和系统容量，还提高了用户公平性。

[0053] 2.与传统的图像传输方法相比，本发明的创新点及其优势体现在以下几点：

[0054] 1)多描述编码将一个图像序列编码成两个具有同等重要性的描述，在接收端收到的任何描述都可以相对于原始图像重建出粗糙但可接受的图像，并且随着接收到的描述的增加，重建的质量也在逐渐提高。从而有效地解决了传统信源编码在不可靠网络上进行传输时由于丢包和延时造成的质量严重下降的问题；

[0055] 2)在发送端，根据用户的信道状态信息为其分配不同的功率，使得信道较差的用户可以获得较多的功率，信道较好的用户获得较小的功率，通过调整功率分配比，来提高用户公平性，使得两用户都可以重建出较好质量的图像；

[0056] 3)通过使用叠加编码，有效的提高了频谱效率和系统吞吐量。

[0057] 3.本发明适合于要求不同的信道带宽和对图像质量有可伸缩性的应用场合。

附图说明

[0058] 图1为本发明的系统方案框架图；

[0059] 图2为本发明中多描述编码框架图；

[0060] 图3为本发明中串行干扰消除技术示意图；

[0061] 图4为本发明的数字传输系统框架图；

[0062] 图5为用户1和用户2关于不同功率分配因子的中断概率图；

[0063] 图6为用户1关于不同功率分配因子的遍历速率图；

[0064] 图7为用户2关于不同功率分配因子的遍历速率图；

[0065] 图8为不同压缩比下的PSNR性能图；

[0066] 图9为本发明与传统正交多址方案、传统非正交多址方案和多描述正交多址方案的中断概率的对比图；

[0067] 图10为本发明与传统正交多址方案、传统非正交多址方案和多描述正交多址方案的遍历和速率的对比图。

具体实施方式

[0068] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

[0069] 如图1至图4所示的一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，包括以下步骤：

[0070] Ⅰ.发送端信号处理：在下行的多描述编码的非正交多址图像传输系统中，假设发送端包括一个基站和两个用户，两个用户分别为距离基站远的用户1和距离基站近的用户2，发送端信号处理的步骤如下：

[0071] a.多描述编码

[0072] a1.分别读入用户1和用户2的图像序列x1和x2；

[0073] a2.使用MDC编码器对步骤a1获得的图像序列x1和x2编码，使得两个图像序列x1和x2对应生成两个描述x1,k和x2,k，其中k表示第k个子信道进行传输，k＝1或k＝2；

[0074] a3.将步骤a2得到的描述x1,k和x2,k分别进行信源编码，生成二进制比特流；

[0075] a4.对步骤a3生成的二进制比特流进行数字调制，调制成相应的符号；

[0076] b.功率分配

[0077] 根据用户1和用户2对应的信道状态信息h1,k和h2,k对步骤a4调制后的信号进行功率分配，其中h1,k和,h2,k分别为用户1和用户2的信道增益，并且h1,k＜h2,k；假设总功率为p，用户1分配的功率为αkp，用户2分配的功率为(1‑αk)p的，并且0＜αk＜1，αk＞(1‑αk)，完成用户1与用户2功率分配；

[0078] c.叠加编码：将步骤b功率分配后的信号进行叠加编码，得到叠加信号Xk，如公式(1)所示：

[0079]

[0080] d.OFDM调制：将步骤c叠加编码后获得的叠加信号进行OFDM调制，得到OFDM传输信号；

[0081] Ⅱ步骤Ⅰ多描述编码处理后的OFDM传输信号进入瑞利衰落信道，发射到接收端；

[0082] Ⅲ.接收端信号解码重建：接收端信号解码重建的过程与发送端信号处理的过程相反，包括以下步骤：

[0083] S1.接收端将接收到的串行信号转换为并行接收信号，并行接收信号如公式(2)所示：

[0084] y1＝h1,kXK+n1,k

[0085] y2＝h2,kXK+n2,k(2)

[0086] 式中，h1,k和,h2,k为用户1和用户2的信道增益，n1,k和n2,k为信道噪声，Xk为叠加信号；

[0087] S2.将步骤S1获得的并行接收信号进行OFDM解调，得到OFDM解调信号；

[0088] S3.使用串行干扰消除接收机对步骤S2解调后的OFDM解调信号进行解码；

[0089] S4.将步骤S3串行干扰消除接收机解码后的图像进行信源解码；

[0090] S5.将步骤S4信源解码后的信号进行重建，完成基于多描述编码的非正交多址图像传输，得到期望图像。

[0091] 进一步地，系统性能：在基于多描述编码的非正交多址图像传输系统中，我们主要考虑两种传输场景：

[0092] ①.基站对于所述步骤b中瞬时的信道状态信息是未知的：基站采用固定发射功率和速率；

[0093] ②.基站对于所述步骤b中瞬时的信道状态信息是已知的：基站根据固定发送功率的无线信道的变化调节传输速率；

[0094] 在此基础上进一步分析了基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的中断概率和遍历速率。

[0095] 进一步地，当基站对于瞬时的信道状态信息是未知的时，基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的中断概率如下：

[0096] 在基于多描述编码的非正交多址图像传输系统中，定义当用户1无法成功解码x1,k或用户2无法解码x2,k时，图像传输系统发生中断；用户1能够成功解码x1,k，须满足以下条件： 其中R1为用户1的预定义目标传输速率， 为用户1接收子描述x1,k的实际接收速率；；用户2能够成功解码x2,k，须满足以下两个条件：用户2成功解码x1,k，同时用户2成功解码x2,k，即 且 其中R2为用户2的预定义目标传输速率， 为用户
2接收子描述x1,k的实际接收速率， 为用户2接收子描述x2,k的实际接收速率；

[0097] 用户1和用户2的中断概率如公式(3)所示：

[0098]

[0099] 基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的总中断概率如公式(4)所示：

[0100] PO＝P(O1)×P(Ο2)。(4)

[0101] 进一步地，当基站对于瞬时的信道状态信息是未知的时，基于多描述编码的非正交多址图像传输系统的遍历速率如下：

[0102] Ⅰ.用户1的遍历速率：从基站到用户1的传输遍历速率如公式(5)所示：

[0103]

[0104] Ⅱ.用户2的遍历速率：从基站到用户2的传输遍历速率如公式(6)所示：

[0105]

[0106] Ⅲ.遍历和速率：遍历和速率 为从基站到用户1的遍历速率 以及从基站到用户2的遍历速率 的总和，遍历和速率 如公式(7)所示：

[0107]

[0108] 一种基于多描述编码的非正交多址图像传输系统，用于要求不同信道带宽的场合以及对图像质量有可伸缩性的场合。

[0109] 图5为用户1和用户2关于不同功率分配因子的中断概率图，从图中可以看出，仿真结果曲线与分析结果曲线完全拟合，且用户2的中断概率高于用户1。

[0110] 图6为用户1关于不同功率分配因子的遍历速率图，从图中可以看出，仿真结果曲线与分析结果曲线完全拟合，且随着功率分配比的提高，用户1的遍历速率在逐渐的提高。

[0111] 图7为用户2关于不同功率分配因子的遍历速率图，从图中可以看出，仿真结果曲线与分析结果曲线完全拟合，且随着功率分配比的提高，用户2的遍历速率在逐渐的减小。

[0112] 图8为不同压缩比下的PSNR性能图，从图中可以看出，随着压缩比的增大，PSNR在不断的变小，使用中心解码器的PSNR值要高于边路解码器，同时用户2的PSNR性能要优于用户1。

[0113] 图9为本发明的方案和传统正交多址方案、传统非正交多址方案和多描述正交多址方案的中断概率的对比图。从图中可以看出，本发明的的中断性能是最优的，并且传统正交多址方案的中断性能是最差的。

[0114] 图10为本发明的方案和传统正交多址方案、传统非正交多址方案和多描述正交多址方案的遍历和速率的对比图。从图中可以看出传统非正交多址方案的性能是最优的，但本发明与其性能差距并不明显。同时，在图9对中断概率进行对比图中，可以看出本发明方案在中断概率性能方面的优势要领先其他方案更多。所以这也表明，本发明牺牲了微弱的遍历速率的代价换取了更好的中断性能。

[0115] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。