浮標無線通信中的聯合信源信道編碼性能

薛擎天，徐于洋，左曉亞，朱云周，周　虎，李　波，閆中江

（1. 西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安，710072； 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

浮標無線通信中的聯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. 西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安，710072； 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

浮標無線通信系統可以對戰場環境信息第一時間進行傳送與分析。但其工作環境具有資源有限、時變等特點，基于分離原則的編碼很難適用于這種復雜情況?；诖?，文中分析了浮標無線通信中不同信源特性，并分別針對傳感器信息和圖像視頻信息提出了2種基于不等差錯保護和LDPC碼的信源信道聯合編碼方法。仿真結果表明，所提方法可以在提高系統傳輸效率的同時，顯著提高了對傳感器的重要數據和圖像視頻的恢復能力，保證了傳輸可靠性，為海軍綜合作戰能力的提升提供參考。

浮標無線通信； 戰場環境； 不等差錯保護； 信源信道聯合編碼

0　引言

由于布放使用靈活、成本低廉、接收水聲信號時本體噪聲小等優點，無線/水聲通信浮標是實現水面傳統通信網絡與水下信息節點雙向通信較好的解決方案［1］。

戰場環境信息對武器裝備的特性發揮、目標特性的獲取、人員戰斗力的提升以及戰法的選擇等都起到重要的保障作用。環境因素已成為提高海上戰斗力，發揮武器裝備性能優勢的關鍵所在［2］。同時，信息化戰爭不僅需要海量的信息，而且要求實時、快速的信息傳輸能力和抗干擾的通信對抗能力。

海面無線通信系統的工作場景如圖1所示，聲吶浮標將探測到的目標方位等戰場環境信息發送給上空的飛機或海面艦船，飛機與艦船對接收到的戰場環境信息進行處理分析，并依此對目標進行打擊。

圖1　海面無線浮標通信系統Fig. 1　Buoy wireless communication system on sea surface

然而由于海況的復雜性，海面浮標通信系統具有資源有限、時變、異質、易受干擾和誤碼率高等特點?；诜蛛x原則的編碼已經無法在這種復雜情況下保證通信的可靠性與實時性［3］，導致飛機、艦船等作戰單位無法及時收到信息，從而延誤作戰時機，對戰局產生無法估量的影響。

而聯合編碼將信源編碼與信道編碼結合在一起考慮，實現系統的整體優化，比傳統將最優的信源編碼方案與最優的信道編碼方案相級聯的方法更加有效。因此聯合編碼可以保證戰場環境信息實時可靠的傳輸，對掌握戰場主動權、贏得戰場先機具有重要意義。

1　浮標無線通信信源特性分析

浮標無線通信中主要傳輸的信源為傳感器信息和圖像視頻信息［4］。

1.1傳感器數據

傳感器信息冗余度低，以數據幀的格式進行傳輸，數據幀的不同部分具有不同的重要程度。

1.2圖像視頻數據

與文字等其他信息相比，圖像信源具有以下特點: 空間域上，圖像具有很強的相關性； 頻率域上，圖像低頻分量多，高頻分量少。同時，圖像最終要由人們通過視覺來感知，而人眼視覺系統的特性使得人對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系統特性進行壓縮的編碼，它將空間域里描述的圖像經過變換，在變換域中進行描述，達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為在變換域的能量相對集中的分布［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圖像的頻率特性或人類視覺系統特性對變換系數進行量化［7］。因此文中針對圖像信源采用小波變換編碼的方法。

2　基于不等差錯保護和LDPC碼的信源信道聯合編碼方案

2.1LDPC編譯碼

低密度奇偶校驗（low density parity check，LDPC）編碼: LDPC碼本質上是一種線性分組碼，所以其編碼后的碼字x滿足: H·xT=0。由于隨機構造產生的校驗矩陣H具有非系統碼形式，因此編碼時先將H進行列變換，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個校驗比特p和N-M個系統比特s，則有

得到

因此得到校驗位

由校驗比特p和系統比特s便可得到編碼后的碼字x。

根據消息迭代過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］。若在譯碼過程中傳遞的是二進制比特信息，為硬判決譯碼方法； 若在譯碼過程中傳遞的是與后驗概率相關的信息，則為軟判決譯碼方法。硬判決譯碼計算比較簡單，但性能稍差； 軟判決譯碼計算比較復雜，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） 初始化先驗概率； 2） 由變量節點的先驗概率更新校驗節點； 3） 由更新后的校驗節點概率更新變量節點； 4） 更新偽后驗概率；5） 根據偽后驗概率進行譯碼嘗試，若譯碼成功，則結束譯碼，若譯碼失敗則返回步驟2），直到譯碼成功或者達到譯碼最大迭代次數，結束迭代并結束譯碼。

比特翻轉（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） 對接收到的信息進行硬判決； 2） 計算每個校驗方程，若全部滿足，則譯碼成功，結束譯碼，反之進行步驟3）； 3） 翻轉參與不滿足校驗方程個數最多的比特，并返回步驟2）。重復上述步驟直到得出結果滿足校驗方程或達到最大迭代次數，結束譯碼。

2.2傳感器信息

針對傳感器數據的特性，只能按照實際需求人為地劃分數據信息的重要程度。

假設海面浮標通信系統中傳輸的數據幀格式如圖2所示。

圖2　數據幀格式Fig. 2　Data frame format

包頭包含數據不同部分的重要等級及數據長度的信息，以數據信息具有2種重要等級為例，用重要信息和非重要信息表示2種重要等級的信息。在接收到數據后，接收機從數據包頭中解析出數據幀各部分的長度及數據重要程度，將數據劃分為不同重要等級的幾個部分，如圖3所示。

圖3　數據劃分Fig. 3　Data division

仿真中，采用人為地將數據信息進行不同等級重要性劃分的方法。例如將要傳送的2 kb數據，前1 kb劃分為重要信息，后1 kb劃分為非重要信息。

由包頭信息將數據進行重要性劃分后，對前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。總體設計框圖如圖4所示。

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

2.3圖像視頻信息

針對傳輸圖像視頻信息提出一種無線信道中采用LDPC碼的聯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碼編碼對小波變換后的重要信息進行低速率編碼保護，來提高系統抗突發錯誤的能力。

圖5給出了總體設計框圖，原始圖像信息經過小波變換信源編碼，將信源信息劃分為不同重要程度的信息，LDPC碼信道編碼對重要信息進行低速率編碼保護。小波變換與LDPC碼的特點決定了兩者非常適合對圖像信息進行聯合編碼。首先，圖像經小波變換編碼后，其左上角的低頻信息對碼流中的差錯非常敏感，因此必須在傳輸中對其進行低速率信道編碼保護，以加強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，便于信道編碼時區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，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程中非常重要，一旦這些低頻信息經過信道后出現錯誤，那么將急劇影響接收端重建圖像的質量，重建的圖像甚至會無法辨識。因此，文中對圖像信息在信道編碼時采用不等差錯保護方法，即對圖像恢復質量影響大的數據采用低速率的編碼保護，對圖像恢復質量影響非常小的數據不進行傳輸，這樣在幾乎不影響圖像質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。

筆者跟隨馬來西亞木材理事會組織的考察團在2018年10月走訪了位于霹靂州的BKB Hevea 地板生產廠、位于雪蘭莪的Finesse Moulding 相框生產廠、Weng Meng集團木門生產廠和Hup Chong家具生產廠。這幾家工廠雖然是挑選出來的大廠，但是通過考察對馬來西亞林業產業有了很多真實的感受。

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

3　聯合編碼仿真

3.1傳感器信息

分別將經過不等差錯保護的數據誤碼率與非聯合編碼的數據誤碼率進行對比，如圖6所示。

圖6　傳感器信息的不等差錯保護與非聯合編碼誤碼率對比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） 產生一段信息位為512的二進制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）數字信號，對其進行等差錯保護處理，碼率1/2，即添加冗余為512，碼長為1 024，通過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“非聯合編碼”曲線；

2） 同樣的512個信息位，假設其分為256個重要信息與另外256個相對不重要信息，再對其進行不等差錯保護處理。對于重要信息位，選擇4/9碼率，即添加冗余位320； 對于相對不重要信息位，選擇2/3碼率，即添加冗余位128?？偞a長為960，通過AWGN信道BP譯碼分別得到兩部分信息各自的誤碼率，對應圖中2條“不等差錯保護”曲線。

在此例中，采用非聯合編碼的編碼效率為512/1 024=0.5，而不等差錯保護編碼效率更高，為512/960=0.533。

當接收端對重要信息誤碼率有較高要求時，不等差錯保護聯合信源信道編碼有明顯的優勢。

3.2圖像視頻信息

在進行LDPC編碼前對圖像采用小波變換編碼將圖像的信息進行重構，將原始信息按照重要性劃分為具有不同重要性的部分。接著對編碼器輸出碼流經信道編碼時采用不等差錯保護方法，即對圖像恢復質量影響大的數據采用碼率較低的LDPC碼進行保護，而對圖像恢復質量影響小的數據放棄信道編碼保護，不進行傳輸。將一張256×256的“cameraman”圖像（見圖7）先進行小波變換，信息按照重要程度進行組合，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

對變換后的圖像進行編碼，依然按照非聯合編碼與不等差錯保護的2種策略進行LDPC編碼，經過BPSK調制與AWGN信道傳輸。

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

不等差錯保護對變換后圖像的左上角4個信息塊以及右上、左下及右下3個大信息塊中的關鍵信息按（1 536，512）高冗余LDPC編碼保護，而對剩下的信息不進行發送。

對于1張256×256的圖像，未使用聯合編碼所傳輸的數據為256×256×8×2=1 048 576 bit； 使用基于不等差錯保護的聯合編碼所傳輸的數據為128×128×8×3+1 536=394 752 bit。聯合編碼所傳數據量為非聯合編碼的394 752/1 048 576=37.6%。

得到2種經過不同編碼策略的信息在不同接收信噪比下的恢復圖像效果，以信噪比是5 dB和6.5 dB時為例，如圖9～圖12所示。

圖9　5 dB下非聯合編碼的恢復圖像Fig. 9　Image of non-joint coding restored in 5 dB

圖10　6.5 dB下非聯合編碼的恢復圖像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、最廣泛使用的評鑒畫質的客觀量測法。其數學公式為

圖11　5 dB下不等差錯保護的恢復圖像Fig. 11　Image of unequal error protection restored in 5 dB

圖12　6.5 dB下不等差錯保護的恢復圖像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合編碼與不等差錯保護的恢復圖像的PSNR值如表1所示。

表1　非聯合編碼和不等差錯保護對照表Table 1　Comparison between non-joint coding and unequal error protection

仿真結果顯示，不論是圖像的主觀判斷還是客觀的PSNR，不等差錯保護的性能均優于非聯合編碼的性能，且傳輸效率更高。

4　結束語

文中分別針對浮標無線通信中的傳感器信息參考文獻：

和圖像視頻信息，提出了2種基于不等差錯保護的信源信道聯合編碼。仿真結果顯示，針對傳感器信息，文中所提方法可以在提高傳輸效率的同時，給予重要信息更好的信道編碼保護。而針對圖像視頻信息，文中所提方法可以大大提升圖像視頻的恢復性能，且系統的傳輸效率更高。因此，上述方法有利于保障戰場環境信息傳輸的實時性和可靠性，有助于海軍綜合作戰能力的提升。

［1］周建清，郭中源，賈寧，等. 無線/水聲通信浮標技術研究及其現狀［J］. 應用聲學，2012，31（6）: 445-455.

Zhou Jian-qing，Guo Zhong-yuan，Jia Ning，et al. Studies and Implementations of Radio/acoustic Communication Buoy［J］，Applied Acoustics，2012，31（6）: 445-455.

［2］李歡. 面向作戰保障的海戰場環境信息集成與應用關鍵技術研究［D］. 長沙: 國防科學技術大學，2009.

［3］雷永俊. 采用LDPC碼的聯合信源信道編碼研究［D］.哈爾濱: 哈爾濱工業大學，2007.

［4］朱明壘. 小型海洋資料浮標數據采集系統的設計［D］.青島: 中國海洋大學，2012.

［5］董衛軍. 基于小波變換的圖像處理技術研究［D］. 西安:西北大學，2006.

［6］何小海. 圖像通信［M］. 西安: 西安電子科技大學出版社，2005.

［7］姚琳潔. 無線信道中圖像的聯合信源信道編碼研究［D］.太原: 太原理工大學，2013.

［8］李志斌. LDPC碼及其在聯合分布式信源信道編碼中的應用［D］. 太原: 太原科技大學，2013.

［9］魏萌. 信源信道聯合編碼算法的研究［D］. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學，2014.

（責任編輯: 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實驗室開放基金資助項目（914OC230104130C23006）.

薛擎天（1992-），男，在讀碩士，研究方向為無線通信.