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1、南京邮电大学 硕士学位论文 压缩感知在无线通信中的应用研究 姓名：欧庆波 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：宋荣方 2011 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 I 摘要摘要 谁掌握了更多的信息谁就掌控了未来。现实确实如此，信息技术的迅速发展已成为不可 阻挡的趋势，而其中的数据传输作为信息交流的桥梁更是重中之重。为了缓解人们对信息的 巨量需求而对信号采样、传输和存储的巨大压力，使无线通信系统具有更大的系统容量、更 高的传输速率以及更低的设备损耗，同时满足用户的服务质量要求，我们需要研究一系列提 高无线数据传输性能的技术措施，如数据压缩技术、数据融合、数据存储转发方式等。 本文
2、研究了认知无线电、无线传感网系统中的数据压缩及传输新方案。该方案将压缩感 知分别应用在频谱感知和无线传感网上，极大的降低系统所需传输的数据量，优化了系统时 延、容量、耗能等性能。仿真结果表明了压缩感知技术可在有效减少系统需处理及传输的数 据量的同时保证近乎完美地重建信号，降低节点耗能、数据传输时延及系统负担等，大幅度 的提高了系统性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 II Abstract People will control the future if they own more information. It is true that the rapid development o
3、f information technology has become an irresistible trend, and the data transmission within the domain has a top priority as the bridge of information exchange. As the massive demands for information and the pressure for signal sampling, transport and storage, we need to develop a series of measures
4、 such as data compression, data fusion, data storage and forwarding to make wireless communication system have a greater system capacity, higher transfer rates and lower equipment loss while meeting the users QoS. The paper studies a new scheme for data compression and transmission in cognitive radi
5、o, wireless sensor network systems. The new scheme applies the compressed sensing to spectrum sensing and wireless sensor network, and the scheme will reduce amount of data for information transmission and optimize the system performance such as system delay, capacity and energy consumption. The sim
6、ulations show that the compressed sensing technology can keep perfect reconstruction of the signal while reducing the required amount of data to be processed and transmitted, and therefore energy consumption, time delay and system loss. 2 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除
7、了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： _ 日期： _ 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 论文的公布（包括刊登）授
8、权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 研究生签名：_ 导师签名： 日期：_ _ 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 谁掌握了更多的信息谁就掌控了未来，在这个处于飞速发展的信息革命和创新时代，无 线通信技术的长足发展逐渐影响和改变着整个信息技术世界的发展，作为信息交流桥梁的数 据传输更是发展的重中之重。在信息大爆炸的今天，人们需要传输的信息越来越多，这对无 线通信系统的信号采样、传输、存储以及硬件要求方面都提出了新的挑战，因此如何缓解这 种压力又能有效提取承载在信号中的有用信息便成为无线传输系统中急需处理的问题之一， 为了缓解压力使得信息技术的发展跟得上人们对
9、信息的需求，我们研究一系列提高无线数据 传输性能的技术措施，如数据压缩技术、数据融合、数据存储转发方式等，以使无线通信系 统具有更大的系统容量、更高的传输速率以及更低的设备损耗，同时满足用户的服务质量要 求。 1.1 研究背景与意义 研究背景与意义 随着人们对信息需求量的增加，携带信息的信号带宽越来越宽，以香农采样定理为基础 的信号处理框架要求的采样速率和处理速度也越来越高，因而对宽带信号处理的困难在日益 加剧。在实际应用中，为了降低存储、处理和传输的成本，人们常采用压缩方式以较少的比 特数表示信号，大量的非重要的数据被抛弃。但高速采样再压缩的过程浪费了大量的采样资 源。 基于上述问题， 近年
10、来提出了一种新的理论压缩感知1234(Compressed Sensing,CS)。 该理论指出只要信号在某一个正交空间具有稀疏性，就能以较低的频率采样信号，而且可以 以高概率重构该信号，从而在保证传输质量的情况下大幅度的缓解了大数据量传输的压力。 1.1.1 频谱感知概念 认知无线电5678(cognitive radio, CR)是一个 “可以感知无线环境并相应改变其频谱使用 方式的系统” 。认知用户(次用户 cognitive radio user，CRU)借助认知无线电技术主动搜索 频谱以寻找可用的频谱空洞，然后利用这些频谱空洞进行有效的通信；在通信过程中实时动 态进行传输参数控制，避
11、免与主用户(primary user, PU)形成干扰。在信息化发展及其迅速的今 天，用于通信的频谱资源尤为重要，但是实际频谱利用测量表明许多已经分配的频段在空间 和时间上并没有被充分利用。这一结果令人不禁对当前频谱分配模式的合理性感到质疑，由 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 2 此可见频谱的缺乏主要是由于陈旧的频谱分配系统，而并非频谱本身的缺乏，因此能够探测 频谱空穴的频谱感知910111213技术便应运而生。 频谱感知的任务是检测某感兴趣的频段是否存在主用户信号，判断该频段是否处于空闲 状态，从而决定该频段是否可用，这要求频谱检测具有较高的可靠性，因为感知用户的频谱 接入权比主
12、用户低。另外，因为认知用户是借用主用户的频谱，不能对主用户的正常工作造 成干扰，因此认知用户在使用该频段过程中还要持续检测外部环境，一旦主用户再次出现， 感知用户要快速检测到它的出现并以最快的速度为其腾出信道。 1.1.2 无线传感网概念 无线传感网络1415161718(wireless sensor network, WSN)综合了传感器、嵌入式计算、现 代网络及无线通信、分布式信息处理等技术,可以使人们在任何时间、地点和任何环境下获取 大量详实可靠的信息,从而真正实现“无处不在”的计算理念。无线传感网络是新一代的传感 网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各
13、个领域带来深远 影响。 无线传感网是由一组传感器以 Ad Hoc 方式构成的无线网络， 其目的是协作地感知、 采集 和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。在传感器网络的许多应用 中，一个重要任务就是从分散的数据中提取一些相关信息，并通过无线技术传送到一个遥远 的目标，称为数据融合中心。有了这么多类型的数据获取和传输到融合中心节点，无线传感 器网络面临的最大的技术挑战就是节点能量损耗，带宽和信号失真。 1.1.3 压缩感知的应用意义 压缩感知理论与传统奈奎斯特采样定理不同，它指出，只要信号是可压缩的或在某个变 换域是稀疏的，那么就可以用一个与变换基不相关的观测矩阵将变换所得高
14、维信号投影到一 个低维空间上，然后通过求解一个优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构出原信 号，可以证明这样的投影包含了重构信号的足够信息。在该理论框架下，采样速率不决定于 信号的带宽，而决定于信息在信号中的结构和内容。 压缩感知理论的特性有稀疏(Sparsity)、不相关(Incoherence)、随机性(Randomness)、非自 适应(Non-Adaptivity)、非线性(Non-Linearity)、不可微(Indifferentiability)。从这些词语可以看 出，压缩传感理论是对传统理论的颠覆。这种颠覆最令人振奋的表现，就是它突破了香农采 样定理的极限，能以随机采样的
15、方式用更少的数据采样点（平均采样间隔低于采样定理的极 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 3 限） ，来完美地恢复原始信号。由此可见直接信息采样特性使得压缩感知理论具有巨大的吸引 力和应用前景，随之出现的是相关的理论完善和实践成果. 应用研究已经涉及到众多领域, 如:CS 雷达19 、DCS(Distributed Compressed Sensing) 理论20 、无线传感网络21 、信号采 集设备的开发22 、医学信号处理23 、生物传感24 、Analog to Information2526 、光谱分析 27 、超谱信号处理60及遥感信号处理28等。本文即是将压缩感知理论应用在频谱感知及无 线传感网的数据传输过程上，探究应用压缩感知技术带来的性能优化。 1.2 本文主要工作及内容安排本文主要工作及内容安排 本文在应用压缩感知技术的前提下，首先介绍分析了已有的传统的数据压缩技术，比较 了两者效果的优缺点，然后将压缩感知先后应用于频谱感知及无线传感网，以达到减少两类 系统所需处理的数据量，极大的优化系统的性能。 本文内容安排如下： 第一章 简介了频谱感知、无线传感网、压缩感知理论的概念，并叙述了压缩感知理论的 实际应用意义。 第
