薛擎天，徐于洋，左曉亞，朱云周，周　虎，李　波，閆中江

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安，710072； 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

浮標(biāo)無(wú)線通信中的聯(lián)合信源信道編碼性能

薛擎天1，徐于洋2，左曉亞1，朱云周2，周虎1，李波1，閆中江1

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安，710072； 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

浮標(biāo)無(wú)線通信系統(tǒng)可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息第一時(shí)間進(jìn)行傳送與分析。但其工作環(huán)境具有資源有限、時(shí)變等特點(diǎn)，基于分離原則的編碼很難適用于這種復(fù)雜情況。基于此，文中分析了浮標(biāo)無(wú)線通信中不同信源特性，并分別針對(duì)傳感器信息和圖像視頻信息提出了2種基于不等差錯(cuò)保護(hù)和LDPC碼的信源信道聯(lián)合編碼方法。仿真結(jié)果表明，所提方法可以在提高系統(tǒng)傳輸效率的同時(shí)，顯著提高了對(duì)傳感器的重要數(shù)據(jù)和圖像視頻的恢復(fù)能力，保證了傳輸可靠性，為海軍綜合作戰(zhàn)能力的提升提供參考。

浮標(biāo)無(wú)線通信； 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境； 不等差錯(cuò)保護(hù)； 信源信道聯(lián)合編碼

0　引言

由于布放使用靈活、成本低廉、接收水聲信號(hào)時(shí)本體噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線/水聲通信浮標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水面?zhèn)鹘y(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與水下信息節(jié)點(diǎn)雙向通信較好的解決方案［1］。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息對(duì)武器裝備的特性發(fā)揮、目標(biāo)特性的獲取、人員戰(zhàn)斗力的提升以及戰(zhàn)法的選擇等都起到重要的保障作用。環(huán)境因素已成為提高海上戰(zhàn)斗力，發(fā)揮武器裝備性能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在［2］。同時(shí)，信息化戰(zhàn)爭(zhēng)不僅需要海量的信息，而且要求實(shí)時(shí)、快速的信息傳輸能力和抗干擾的通信對(duì)抗能力。

海面無(wú)線通信系統(tǒng)的工作場(chǎng)景如圖1所示，聲吶浮標(biāo)將探測(cè)到的目標(biāo)方位等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息發(fā)送給上空的飛機(jī)或海面艦船，飛機(jī)與艦船對(duì)接收到的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息進(jìn)行處理分析，并依此對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊。

圖1　海面無(wú)線浮標(biāo)通信系統(tǒng)Fig. 1　Buoy wireless communication system on sea surface

然而由于海況的復(fù)雜性，海面浮標(biāo)通信系統(tǒng)具有資源有限、時(shí)變、異質(zhì)、易受干擾和誤碼率高等特點(diǎn)?；诜蛛x原則的編碼已經(jīng)無(wú)法在這種復(fù)雜情況下保證通信的可靠性與實(shí)時(shí)性［3］，導(dǎo)致飛機(jī)、艦船等作戰(zhàn)單位無(wú)法及時(shí)收到信息，從而延誤作戰(zhàn)時(shí)機(jī)，對(duì)戰(zhàn)局產(chǎn)生無(wú)法估量的影響。

而聯(lián)合編碼將信源編碼與信道編碼結(jié)合在一起考慮，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化，比傳統(tǒng)將最優(yōu)的信源編碼方案與最優(yōu)的信道編碼方案相級(jí)聯(lián)的方法更加有效。因此聯(lián)合編碼可以保證戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息實(shí)時(shí)可靠的傳輸，對(duì)掌握戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)、贏得戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)具有重要意義。

1　浮標(biāo)無(wú)線通信信源特性分析

浮標(biāo)無(wú)線通信中主要傳輸?shù)男旁礊閭鞲衅餍畔⒑蛨D像視頻信息［4］。

1.1傳感器數(shù)據(jù)

傳感器信息冗余度低，以數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)幀的不同部分具有不同的重要程度。

1.2圖像視頻數(shù)據(jù)

與文字等其他信息相比，圖像信源具有以下特點(diǎn): 空間域上，圖像具有很強(qiáng)的相關(guān)性； 頻率域上，圖像低頻分量多，高頻分量少。同時(shí)，圖像最終要由人們通過(guò)視覺(jué)來(lái)感知，而人眼視覺(jué)系統(tǒng)的特性使得人對(duì)圖像邊緣和低頻部分的信息比較敏感［5］。

變換編碼是一種利用圖像與人眼視覺(jué)系統(tǒng)特性進(jìn)行壓縮的編碼，它將空間域里描述的圖像經(jīng)過(guò)變換，在變換域中進(jìn)行描述，達(dá)到改變能量分布的目的，將圖像能量在空間域的分散分布變?yōu)樵谧儞Q域的能量相對(duì)集中的分布［6］。常用的正交變換，其變換域通常就是某種頻率域，因此，在變換域中可以方便地按照?qǐng)D像的頻率特性或人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)特性對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行量化［7］。因此文中針對(duì)圖像信源采用小波變換編碼的方法。

2　基于不等差錯(cuò)保護(hù)和LDPC碼的信源信道聯(lián)合編碼方案

2.1LDPC編譯碼

低密度奇偶校驗(yàn)（low density parity check，LDPC）編碼: LDPC碼本質(zhì)上是一種線性分組碼，所以其編碼后的碼字x滿足: H·xT=0。由于隨機(jī)構(gòu)造產(chǎn)生的校驗(yàn)矩陣H具有非系統(tǒng)碼形式，因此編碼時(shí)先將H進(jìn)行列變換，把H變換成M×N的左矩陣I和M×（N-M）的右矩陣Q。再將x分成M個(gè)校驗(yàn)比特p和N-M個(gè)系統(tǒng)比特s，則有

得到

因此得到校驗(yàn)位

由校驗(yàn)比特p和系統(tǒng)比特s便可得到編碼后的碼字x。

根據(jù)消息迭代過(guò)程中傳送消息的不同形式，可以將LDPC的譯碼方法分為硬判決譯碼和軟判決譯碼［8］。若在譯碼過(guò)程中傳遞的是二進(jìn)制比特信息，為硬判決譯碼方法； 若在譯碼過(guò)程中傳遞的是與后驗(yàn)概率相關(guān)的信息，則為軟判決譯碼方法。硬判決譯碼計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但性能稍差； 軟判決譯碼計(jì)算比較復(fù)雜，但性能較好［9］。

置信度傳播（belief propagation，BP）算法是LDPC碼常用的軟判決譯碼方法之一。BP算法的主要譯碼步驟: 1） 初始化先驗(yàn)概率； 2） 由變量節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率更新校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)； 3） 由更新后的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)概率更新變量節(jié)點(diǎn)； 4） 更新偽后驗(yàn)概率；5） 根據(jù)偽后驗(yàn)概率進(jìn)行譯碼嘗試，若譯碼成功，則結(jié)束譯碼，若譯碼失敗則返回步驟2），直到譯碼成功或者達(dá)到譯碼最大迭代次數(shù)，結(jié)束迭代并結(jié)束譯碼。

比特翻轉(zhuǎn)（bit flipping，BF）算法是LDPC碼主要的硬判決譯碼方法之一。BF算法的主要譯碼步驟: 1） 對(duì)接收到的信息進(jìn)行硬判決； 2） 計(jì)算每個(gè)校驗(yàn)方程，若全部滿足，則譯碼成功，結(jié)束譯碼，反之進(jìn)行步驟3）； 3） 翻轉(zhuǎn)參與不滿足校驗(yàn)方程個(gè)數(shù)最多的比特，并返回步驟2）。重復(fù)上述步驟直到得出結(jié)果滿足校驗(yàn)方程或達(dá)到最大迭代次數(shù)，結(jié)束譯碼。

2.2傳感器信息

針對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的特性，只能按照實(shí)際需求人為地劃分?jǐn)?shù)據(jù)信息的重要程度。

假設(shè)海面浮標(biāo)通信系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)幀格式Fig. 2　Data frame format

包頭包含數(shù)據(jù)不同部分的重要等級(jí)及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的信息，以數(shù)據(jù)信息具有2種重要等級(jí)為例，用重要信息和非重要信息表示2種重要等級(jí)的信息。在接收到數(shù)據(jù)后，接收機(jī)從數(shù)據(jù)包頭中解析出數(shù)據(jù)幀各部分的長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)重要程度，將數(shù)據(jù)劃分為不同重要等級(jí)的幾個(gè)部分，如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)劃分Fig. 3　Data division

仿真中，采用人為地將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行不同等級(jí)重要性劃分的方法。例如將要傳送的2 kb數(shù)據(jù)，前1 kb劃分為重要信息，后1 kb劃分為非重要信息。

由包頭信息將數(shù)據(jù)進(jìn)行重要性劃分后，對(duì)前1 kb重要信息采用低碼率的LDPC編碼，提高重要信息的可靠性； 對(duì)后1 kb非重要信息采用高碼速率的LDPC編碼，減少冗余，提高傳輸效率。總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4　傳感器信息的信源信道聯(lián)合編碼總體框圖Fig. 4　Overall block diagram of joint source-channel coding for sensor information

2.3圖像視頻信息

針對(duì)傳輸圖像視頻信息提出一種無(wú)線信道中采用LDPC碼的聯(lián)合信源信道編碼方案，其主要思想是信源部分采用小波變換編碼方法，信道部分采用LDPC碼編碼對(duì)小波變換后的重要信息進(jìn)行低速率編碼保護(hù)，來(lái)提高系統(tǒng)抗突發(fā)錯(cuò)誤的能力。

圖5給出了總體設(shè)計(jì)框圖，原始圖像信息經(jīng)過(guò)小波變換信源編碼，將信源信息劃分為不同重要程度的信息，LDPC碼信道編碼對(duì)重要信息進(jìn)行低速率編碼保護(hù)。小波變換與LDPC碼的特點(diǎn)決定了兩者非常適合對(duì)圖像信息進(jìn)行聯(lián)合編碼。首先，圖像經(jīng)小波變換編碼后，其左上角的低頻信息對(duì)碼流中的差錯(cuò)非常敏感，因此必須在傳輸中對(duì)其進(jìn)行低速率信道編碼保護(hù)，以加強(qiáng)其抗噪聲干擾的能力。其次，小波變換把原始圖像信息分割成了重要性不同的部分，便于信道編碼時(shí)區(qū)分重要信息與非重要信息。

圖5　圖像視頻信息的信源信道聯(lián)合編碼總體框圖Fig. 5　Overall block diagram of joint source-channel coding for image and video information

由于圖像的自身特點(diǎn)，其大部分信息集中在低頻信息中，因而低頻信息在圖像的重建過(guò)程中非常重要，一旦這些低頻信息經(jīng)過(guò)信道后出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么將急劇影響接收端重建圖像的質(zhì)量，重建的圖像甚至?xí)o(wú)法辨識(shí)。因此，文中對(duì)圖像信息在信道編碼時(shí)采用不等差錯(cuò)保護(hù)方法，即對(duì)圖像恢復(fù)質(zhì)量影響大的數(shù)據(jù)采用低速率的編碼保護(hù)，對(duì)圖像恢復(fù)質(zhì)量影響非常小的數(shù)據(jù)不進(jìn)行傳輸，這樣在幾乎不影響圖像質(zhì)量的前提下既壓縮了所傳圖像的信息，又提高了所傳信息的可靠性。

筆者跟隨馬來(lái)西亞木材理事會(huì)組織的考察團(tuán)在2018年10月走訪了位于霹靂州的BKB Hevea 地板生產(chǎn)廠、位于雪蘭莪的Finesse Moulding 相框生產(chǎn)廠、Weng Meng集團(tuán)木門(mén)生產(chǎn)廠和Hup Chong家具生產(chǎn)廠。這幾家工廠雖然是挑選出來(lái)的大廠，但是通過(guò)考察對(duì)馬來(lái)西亞林業(yè)產(chǎn)業(yè)有了很多真實(shí)的感受。

原始圖像經(jīng)過(guò)基于小波變換的信源編碼后，圖像信息進(jìn)行了重新分布，文中將編碼后輸出的信息劃分為重要信息與非重要信息，然后對(duì)重要信息采用低速率的LDPC碼進(jìn)行信道編碼。編碼后的比特流經(jīng)過(guò)調(diào)制送入信道。接收端對(duì)重要分信息進(jìn)行信道解碼，之后再小波變換解碼，恢復(fù)圖像信息。

3　聯(lián)合編碼仿真

3.1傳感器信息

分別將經(jīng)過(guò)不等差錯(cuò)保護(hù)的數(shù)據(jù)誤碼率與非聯(lián)合編碼的數(shù)據(jù)誤碼率進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6　傳感器信息的不等差錯(cuò)保護(hù)與非聯(lián)合編碼誤碼率對(duì)比Fig. 6　Bit error rate（BER） comparison between unequal error protection and non-joint coding for sensor information

具體仿真方法如下:

1） 產(chǎn)生一段信息位為512的二進(jìn)制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行等差錯(cuò)保護(hù)處理，碼率1/2，即添加冗余為512，碼長(zhǎng)為1 024，通過(guò)加性高斯白噪聲信道 （additive white Gaussian noise，AWGN），BP譯碼得到誤碼率，即圖6中“非聯(lián)合編碼”曲線；

2） 同樣的512個(gè)信息位，假設(shè)其分為256個(gè)重要信息與另外256個(gè)相對(duì)不重要信息，再對(duì)其進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)處理。對(duì)于重要信息位，選擇4/9碼率，即添加冗余位320； 對(duì)于相對(duì)不重要信息位，選擇2/3碼率，即添加冗余位128。總碼長(zhǎng)為960，通過(guò)AWGN信道BP譯碼分別得到兩部分信息各自的誤碼率，對(duì)應(yīng)圖中2條“不等差錯(cuò)保護(hù)”曲線。

在此例中，采用非聯(lián)合編碼的編碼效率為512/1 024=0.5，而不等差錯(cuò)保護(hù)編碼效率更高，為512/960=0.533。

當(dāng)接收端對(duì)重要信息誤碼率有較高要求時(shí)，不等差錯(cuò)保護(hù)聯(lián)合信源信道編碼有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2圖像視頻信息

在進(jìn)行LDPC編碼前對(duì)圖像采用小波變換編碼將圖像的信息進(jìn)行重構(gòu)，將原始信息按照重要性劃分為具有不同重要性的部分。接著對(duì)編碼器輸出碼流經(jīng)信道編碼時(shí)采用不等差錯(cuò)保護(hù)方法，即對(duì)圖像恢復(fù)質(zhì)量影響大的數(shù)據(jù)采用碼率較低的LDPC碼進(jìn)行保護(hù)，而對(duì)圖像恢復(fù)質(zhì)量影響小的數(shù)據(jù)放棄信道編碼保護(hù)，不進(jìn)行傳輸。將一張256×256的“cameraman”圖像（見(jiàn)圖7）先進(jìn)行小波變換，信息按照重要程度進(jìn)行組合，左上角部分即為整張圖片中最重要的信息，如圖8所示。

圖7　原始圖像Fig. 7　Original image

圖8　小波變換后圖像Fig. 8　Image after wavelet transform

對(duì)變換后的圖像進(jìn)行編碼，依然按照非聯(lián)合編碼與不等差錯(cuò)保護(hù)的2種策略進(jìn)行LDPC編碼，經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制與AWGN信道傳輸。

非聯(lián)合編碼對(duì)圖像的所有部分均按照（1 024，512）的LDPC碼進(jìn)行編碼傳輸。

不等差錯(cuò)保護(hù)對(duì)變換后圖像的左上角4個(gè)信息塊以及右上、左下及右下3個(gè)大信息塊中的關(guān)鍵信息按（1 536，512）高冗余LDPC編碼保護(hù)，而對(duì)剩下的信息不進(jìn)行發(fā)送。

對(duì)于1張256×256的圖像，未使用聯(lián)合編碼所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為256×256×8×2=1 048 576 bit； 使用基于不等差錯(cuò)保護(hù)的聯(lián)合編碼所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為128×128×8×3+1 536=394 752 bit。聯(lián)合編碼所傳數(shù)據(jù)量為非聯(lián)合編碼的394 752/1 048 576=37.6%。

得到2種經(jīng)過(guò)不同編碼策略的信息在不同接收信噪比下的恢復(fù)圖像效果，以信噪比是5 dB和6.5 dB時(shí)為例，如圖9～圖12所示。

圖9　5 dB下非聯(lián)合編碼的恢復(fù)圖像Fig. 9　Image of non-joint coding restored in 5 dB

圖10　6.5 dB下非聯(lián)合編碼的恢復(fù)圖像Fig. 10　Image of non-joint coding restored in 6.5 dB

峰值信噪比（peak signal to noise ratio，PSNR）是最普遍、最廣泛使用的評(píng)鑒畫(huà)質(zhì)的客觀量測(cè)法。其數(shù)學(xué)公式為

圖11　5 dB下不等差錯(cuò)保護(hù)的恢復(fù)圖像Fig. 11　Image of unequal error protection restored in 5 dB

圖12　6.5 dB下不等差錯(cuò)保護(hù)的恢復(fù)圖像Fig. 12　Image unequal error protection restored in 6.5 dB

式中: PSNR的單位為dB，其值越大，代表失真越少。不同信噪比條件下非聯(lián)合編碼與不等差錯(cuò)保護(hù)的恢復(fù)圖像的PSNR值如表1所示。

表1　非聯(lián)合編碼和不等差錯(cuò)保護(hù)對(duì)照表Table 1　Comparison between non-joint coding and unequal error protection

仿真結(jié)果顯示，不論是圖像的主觀判斷還是客觀的PSNR，不等差錯(cuò)保護(hù)的性能均優(yōu)于非聯(lián)合編碼的性能，且傳輸效率更高。

4　結(jié)束語(yǔ)

文中分別針對(duì)浮標(biāo)無(wú)線通信中的傳感器信息參考文獻(xiàn)：

和圖像視頻信息，提出了2種基于不等差錯(cuò)保護(hù)的信源信道聯(lián)合編碼。仿真結(jié)果顯示，針對(duì)傳感器信息，文中所提方法可以在提高傳輸效率的同時(shí)，給予重要信息更好的信道編碼保護(hù)。而針對(duì)圖像視頻信息，文中所提方法可以大大提升圖像視頻的恢復(fù)性能，且系統(tǒng)的傳輸效率更高。因此，上述方法有利于保障戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，有助于海軍綜合作戰(zhàn)能力的提升。

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（責(zé)任編輯: 許妍）

Characterization of Joint Source-channel Coding in Buoy Wireless Communication

XUE Qing-tian1，XU Yu-yang2，ZUO Xiao-ya1，ZHU Yun-zhou2，ZHOU Hu1，LI Bo1，YAN Zhong-jiang1
（1. School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China； 2. The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710075，China）

Buoy wireless communication system can transmit and analyze battlefield environment information in time. But its working environment has limited resources，time-varying characteristics，and so on. Coding based on the principle of separation is not suitable for this complicated situation. This paper analyzes the characteristics of different sources in buoy wireless communication，and proposes two joint source-channel coding methods based on unequal error protection and low density parity check（LDPC） coding for sensor information and image/video information，respectively. Simulation results show that the proposed methods can significantly improve the restorability of important sensor data and image/video information while improving the efficiency of transmission，and ensure the transmission reliability. This study may help to enhance integrated operational capability of Chinese Navy.

buoy wireless communication； battlefield environment； unequal error protection； joint source-channel coding

TJ63； TN911

A

1673-1948（2015）02-0134-05

2014-09-27；

2014-10-23.

水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（914OC230104130C23006）.

薛擎天（1992-），男，在讀碩士，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信.