從通信系統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化看香農(nóng)三大定理的內(nèi)在聯(lián)系

1、從通信系統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化 看香農(nóng)三大定理的內(nèi)在聯(lián)系鄧姓四川大學電氣信息學院收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化香農(nóng)三大定理聯(lián)系【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng)【摘要】 現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)決定了各子層技術(shù)只能保證局部最優(yōu)的系統(tǒng) 性能，跨層優(yōu)化設計打破了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，對各子層的關(guān)鍵技術(shù)進行聯(lián) 合優(yōu)化，特別是通信系統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化以求達到全局最優(yōu)的系統(tǒng)性能。本文分析 了通信系統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化，并且在此基礎之上對運用于其中的香農(nóng)定理進行了分 析研究，然后闡述了香農(nóng)定理三大定理之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析了香農(nóng)定理與通信系 統(tǒng)理論構(gòu)建之間的關(guān)系，釋放數(shù)字時代背景下海量信息控制邊界的觀點。香農(nóng)定理 和控制論模型，越過了信息有效傳輸和信

2、息接收端點的物理通信范疇，散發(fā)出了悠 長的跨學科話語魅力。理”指出，可以找到這樣一種技 術(shù)，當數(shù)據(jù)傳輸速率不大于某個 最大傳輸?shù)乃俾蕰r，通過它可以 以任意小的錯誤概率傳輸信號。 同時香農(nóng)也給出了有噪聲信道的 最大傳輸速率與寬帶的關(guān)系。香農(nóng)在二十世紀四十年代初 奠定了通信的數(shù)字理論基礎。同 時香 農(nóng)三大定律 是信息論的基 礎，雖然沒有提出具體的編碼實 現(xiàn)方法，但是為通信信息的研究 指明了方向。他的“信道容量定1通信系統(tǒng)收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化 中三大定律的運用隨著數(shù)字通信、計算機網(wǎng)絡的 飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍應 用，多媒體通信已經(jīng)成為一種不可 避免的趨勢。但是視頻信息具有 確定性、直觀性、高效性等優(yōu)越性

3、 ， 于是視頻傳輸在通信系統(tǒng)中的優(yōu) 勢越來越明顯，占據(jù)了重要的地 位，然而傳送包含視頻信息的信號 需要較高的通信網(wǎng)絡。因此 ，在非 常有限的通信網(wǎng)絡條件下 ，最大限 度地做到通信系統(tǒng)接收的聯(lián)合優(yōu) 化。而信道編碼定理，從理論上解 決理想編碼器、譯碼器存在性問 題，也就是解決信道能傳送的最 大信息率的可能性和超過這個最 大值時的傳輸問題。并且信道編 碼理論證明信道由離散信道發(fā)展 到連續(xù)信道，從無記憶信道到有 記憶信道，從單用戶信道到多用 戶信道，從證明差錯概率可接近 于零到以指數(shù)規(guī)律逼近于零，正 在不斷完善，但尚未達到編碼定理所啟示的限度，尤其是關(guān)于有 噪聲多用戶信道，更顯得不足，于 是通信系統(tǒng)工

4、程師在香農(nóng)的信源 編碼和信道編碼分離理論所提出 的達到最優(yōu)編碼性能的基礎之上 開始研究信源/信道聯(lián)合編碼 (JOint Source Channel Coding， JSCC),它可以綜合考慮信源和信 道兩方面的條件，從而實現(xiàn)信息 傳輸性能的整體優(yōu)化。信源/信道 聯(lián)合編碼通過優(yōu)化分配信源的不 同部分之間與信源和信道之間的 比特率，使得通信系統(tǒng)網(wǎng)絡受限時，信息發(fā)出端到信息接收端的傳輸失真達到最小。例如在通信系統(tǒng)接收聯(lián)合優(yōu)化運用了一種了一種基于低密度奇偶校驗碼的SVC不等差錯保護的信源/信道聯(lián)合編 碼方案，就是以一個圖像組為基本 單位，首先通過計算各層率失真函 數(shù)得到各 幀的D-R包絡曲線，然 后

5、借助于聯(lián)合碼率分配算法采用二分搜索不斷調(diào)整拉格朗日乘子優(yōu)化分配有限比特給每個質(zhì)量 層，使得在滿足碼率約束的條件下，信號發(fā)出端到與信息接收 端 失真率最小，從而優(yōu)化通信 系統(tǒng) 的整體性能。在通信系統(tǒng)接收聯(lián)合優(yōu)化中 還可以利用分級技術(shù)，它是一種有 效的抗衰落技術(shù)，他可以大大提高 多徑衰落信道下信號傳輸?shù)目煽?性，它是充分利用傳輸中多徑信號 的能量，以改善信號傳輸與接收的 可靠性。為了在接收端得到幾乎相 互獨立的不同路徑，可以通過空 域、頻域、時域的不同角度、不同方 法與措施來實現(xiàn)。時間分集就是對 于一個隨機衰落的信號而言，當取樣時間間隔足夠大時， 兩個取樣點 間衰落是不相關(guān)的，當發(fā)射端將待 發(fā)信號

6、每隔一定的時間間隔重復 發(fā)送時，接收端就可以得到多條獨 立的分集支路，從而進行時間分集 接收，這樣就可以減少接收天線的 數(shù)目。在分集接收中， 對于接收端 從不同的分集之路所獲得的信號， 可以用不同形式的合并技術(shù)來獲 得分集增益，如選擇分集就是順序 檢測所有分集的信號，并且選擇信 噪比(可以根據(jù)香農(nóng)定律計算得出）最高的那一路作為合并器的輸 出。選擇式合并分集的接收端是N個分集之路的接收機，利用選擇Rf邏輯選擇中最大信噪比SNRf大于 某個門限值的支路作為輸出，顯然，選擇式合并的平均輸出信噪比為：NSNR= SNR，n為分集數(shù)目，K=i = 1移;又稱為合并增益。在通信系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化時還應該采用延長

7、非連續(xù)接收時間間隔的方法，也就是當覆蓋區(qū)中沒有活動用戶時，通信網(wǎng)絡系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)，只保持一部分必要的通信。采用延長非連續(xù)接收時間間隔的方法同樣也可以減少傳輸?shù)膮⒖夹盘枺≧S），同時可以通過功率調(diào)整節(jié)省不需要傳輸參考信號的能量，但是在這種情形下，用戶只能需要通過測量同步控制信道來補償由于參考信號減少導致的同步問題，這種優(yōu)化方案通常只適用于沒有活動用戶的情況。還有通信系統(tǒng)優(yōu)化時在活動狀態(tài)下的基站天線端口數(shù)目是固定的，用戶的設備可通過讀取控制信息來監(jiān)測天線的數(shù)目信息。物理廣播信道的循環(huán)冗余碼校驗比特是根據(jù)基站發(fā)射天線的配置來進行加密編碼的，天線數(shù)目更改通知的一種合適方法是采用系統(tǒng)信息（si更

8、改通知 機制，基地天線 的數(shù)目可以 在下一個 通信系 統(tǒng)信息更改 周期 開始時進行更改，并且出于節(jié)能角 度的考慮，天線的數(shù)目需要經(jīng)常改 變。如果通信系統(tǒng)接收站在沒有通知用戶的情況下更改了天線的數(shù) 目，用戶將無法準確接收必要的控制信息和數(shù)據(jù)信息，會影響用戶的 正常通信。2香農(nóng)三大定律的內(nèi)在聯(lián)系香農(nóng)三大定理是信息論的基礎 理論，是存在性定理，雖然并沒有提 供具體的編碼實現(xiàn)方法，但為通信 信息的研究指明了方向?？勺冮L無 失真信源編碼定理，采用無失真最 佳信源編碼可使得用于每個信源符 號的編碼位數(shù)盡可能地小，但它的 極限是原始信源的熵值，但是超過 了這一極限就不可能實現(xiàn)無失真的 譯碼。有噪信道編碼定理，是當信道 的信息傳輸率不超過信道容量時， 采用合適的信道編碼方法，可以實 現(xiàn)任意高的傳輸可靠性，但是若信 息傳輸率超過了信道容量，就不可 能實現(xiàn)可靠的傳輸。而保真度準則 下的信源編碼定理，或稱有損信源 編碼定理，只要碼長足夠長，總可以 找到一種信源編碼，使編碼后的信 息傳輸率略大于率失真函數(shù)，而碼 的平均失真度不大于給定的允許失 真度。香農(nóng)三大定律結(jié)合起來就構(gòu) 成了現(xiàn)代信息論的基礎理論，三大 理論之間相輔相成，相互聯(lián)系