端到端物联网前端信号压缩与重构方法及系统

本发明涉及信号处理，尤其涉及一种端到端物联网前端信号压缩与重构方法及系统。

背景技术：

1、随着物联网技术的飞速发展，前端设备数量激增，数据采集的场景更多，精度要求更高，导致了物联网前端信号采集任务变得异常繁重。海量的数据不仅给数据传输、存储带来了巨大压力，也在处理过程中造成了计算的压力，尤其是在资源受限的环境下，这些问题变得尤为突出。

2、为了解决这一问题，压缩感知技术被广泛应用，但这项技术是基于信号具有稀疏性的假设，意味着它并非适用于所有情况，因为物联网前端信号的稀疏性并不是普遍存在的。同时，深度学习技术也被应用到信号压缩领域，特别是编码器-解码器结构。然而，大多数压缩编码模型都存在参数过多的问题，这使得计算变得复杂，效率降低。同时为了进一步提升信号的压缩率和重构率，模型的参数还在不断增加，进一步加剧了模型的复杂性和计算负担。这种情况对于通常计算资源受限的物联网前端设备来说，显然是不利的。它们很难进行实时压缩，从而影响了整个物联网系统的运行效率。因此，如何在计算资源受限的情况下对物联网前端信号进行有效压缩的同时，实现高压缩信号的高质量重构，成为了当前亟待解决的问题。

3、上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供了一种端到端物联网前端信号压缩与重构方法及系统，旨在解决现有技术无法在计算资源受限的情况下对物联网前端信号进行有效压缩的同时，实现高压缩信号的高质量重构的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种端到端物联网前端信号压缩与重构方法，所述方法包括以下步骤：

3、构建端到端信号压缩与重构模型，所述端到端信号压缩与重构模型包括轻量压缩编码单元和多层转置重构解码单元；

4、将获取的物联网前端信号输入至前端处理器的所述轻量压缩编码单元进行压缩编码处理，以获得传输的压缩信号；

5、将所述传输的压缩信号输入至后端服务器的所述多层转置重构解码单元进行重构解码处理，以获得重构前端信号。

6、可选地，所述将获取的前端信号输入至前端处理器的所述轻量压缩编码单元进行压缩编码处理，以获得传输的压缩信号的步骤，包括：

7、对获取的物联网前端信号在前端处理器中通过所述轻量压缩编码单元的无偏置的卷积层进行特征提取处理，获得隐藏特征；

8、通过所述无偏置的卷积层对所述隐藏特征进行压缩处理，获得传输的压缩信号。

9、可选地，所述传输的压缩信号的表达式为：

10、j＝w3(w2(w1(x)))

11、式中，j为所述传输的压缩信号，x为所述物联网前端信号，w1、w2、w3分别为第一、二、三一维卷积层的权重矩阵。

12、可选地，所述将所述传输的压缩信号输入至所述后端服务器的多层转置重构解码单元进行重构解码处理，以获得重构前端信号的步骤，包括：

13、在后端服务器中通过所述多层转置重构解码单元的转置卷积模块将所述传输的压缩信号还原为重构样本；

14、将所述重构样本通过所述转置卷积模块和残差连接模块进行重构处理，获得重构前端信号；

15、其中，所述转置卷积模块由转置卷积对应的批归一化层、转置卷积对应的一维转置卷积层以及转置卷积对应的非线性激活函数组成，所述残差连接模块由残差连接对应的批归一化层、残差连接对应的第一一维转置卷积层、残差连接对应的非线性激活函数以及残差连接对应的第二一维转置卷积层组成。

16、可选地，所述重构前端信号的表达式为：

17、w＝ct5(sc3(ct4(sc2(ct3(sc1(ct2(ct1(j))))))))

18、式中，w为所述重构前端信号，j为所述传输的压缩信号，ct1、ct2、ct3、ct4、ct5分别为第一、二、三、四、五次通过转置卷积模块进行转置卷积处理，sc1、sc2、sc3分别为第一、二、三次通过残差连接模块进行残差连接处理。

19、此外，为实现上述目的，本发明还提出一种端到端物联网前端信号压缩与重构系统，所述端到端物联网前端信号压缩与重构系统包括：

20、模型构建模块，用于构建端到端信号压缩与重构模型，所述端到端信号压缩与重构模型包括轻量压缩编码单元和多层转置重构解码单元；

21、所述轻量压缩编码单元，用于对获取的物联网前端信号在前端处理器中进行压缩编码处理，以获得传输的压缩信号；

22、所述多层转置重构解码单元，用于对所述传输的压缩信号在后端服务器中进行重构解码处理，以获得重构前端信号。

23、可选地，所述轻量压缩编码单元，还用于对获取的物联网前端信号在前端处理器中通过所述轻量压缩编码单元的无偏置的卷积层进行特征提取处理，获得隐藏特征；

24、所述轻量压缩编码单元，还用于通过所述无偏置的卷积层对所述隐藏特征进行压缩处理，获得传输的压缩信号。

25、可选地，所述传输的压缩信号的表达式为：

26、j＝w3(w2(w1(x)))

27、式中，j为所述传输的压缩信号，x为所述物联网前端信号，w1、w2、w3分别为第一、二、三一维卷积层的权重矩阵。

28、可选地，所述多层转置重构解码单元，还用于在后端服务器中通过所述多层转置重构解码单元的转置卷积模块将所述传输的压缩信号还原为重构样本；

29、所述多层转置重构解码单元，还用于将所述重构样本通过所述转置卷积模块和残差连接模块进行重构处理，获得重构前端信号；

30、其中，所述转置卷积模块由转置卷积对应的批归一化层、转置卷积对应的一维转置卷积层以及转置卷积对应的非线性激活函数组成，所述残差连接模块由残差连接对应的批归一化层、残差连接对应的第一一维转置卷积层、残差连接对应的非线性激活函数以及残差连接对应的第二一维转置卷积层组成。

31、可选地，所述重构前端信号的表达式为：

32、w＝ct5(sc3(ct4(sc2(ct3(sc1(ct2(ct1(j))))))))

33、式中，w为所述重构前端信号，j为所述传输的压缩信号，ct1、ct2、ct3、ct4、ct5分别为第一、二、三、四、五次通过转置卷积模块进行转置卷积处理，sc1、sc2、sc3分别为第一、二、三次通过残差连接模块进行残差连接处理。

34、本发明中，构建端到端信号压缩与重构模型，所述端到端信号压缩与重构模型包括轻量压缩编码单元和多层转置重构解码单元；将获取的物联网前端信号输入至所述轻量压缩编码单元进行压缩编码处理，以获得压缩信号；将所述压缩信号输入至所述多层转置重构解码单元进行重构解码处理，以获得重构前端信号。本发明所提出的改进的编码器-解码器结构是考虑到物联网前端设备的计算资源受限，大规模计算难以实施，通过压缩编码单元轻量化处理，只使用卷积层的权重矩阵，在保持性能的同时，降低了端到端信号压缩与重构模型的复杂度和计算成本，同时采用深度卷积技术，使得模型结构更加简单，更适应前端信号的压缩。相对而言，后端服务器具备更多的计算资源，足以应对复杂的信号重构任务，因此，重构解码单元通过多层转置卷积层来逐步还原出原始信号的结构和内容，实现高压缩信号的高质量重构；此外，为了提升重构高压缩信号的稳定性，模型中还引入了残差连接模块，以更有效地提取关键特征。

35、本发明具有以下有益效果：

36、(1)考虑到前端信号的压缩和传输的计算资源受限，压缩编码部分只采用了卷积层的权重矩阵，减少了端到端信号压缩与重构模型的计算量和复杂度，同时采用了深度卷积，使得模型结构更加简单，计算效率极大提高，实现实时、高效的信号压缩。

37、(2)信号在后端服务器进行重构，重构解码部分通过多层转置卷积的叠加逐步还原出原始信号的结构和内容，同时残差连接的引入不仅提高了重构的精度，还增强重构高压缩信号的稳定性，且这一设计也充分利用了后端服务器的计算资源。

38、(3)端到端物联网前端信号压缩与重构模型中，前端压缩单元轻量且计算简单，便于计算资源受限的前端信号压缩，而重构编码单元模型复杂，极大提高了高压缩信号的重构率，使得模型有利于物联网前端信号的压缩和重构。