基于無線網(wǎng)絡的機載數(shù)字視頻遙測傳輸技術(shù)

張魯濱，胡晉銘，范秉宇，李 宏

（1.海軍駐閻良地區(qū)航空軍事代表室；2.中國飛行試驗研究院，西安 710089）

0 引言

飛行試驗是在真實飛行環(huán)境下進行的各種試驗，存在著極大的風險，需要進行實時遙測監(jiān)控。由于視頻信息能以直觀、準確的形式顯示飛機內(nèi)部各系統(tǒng)的工作情況，特別是飛機平顯和告警板畫面能給技術(shù)人員和地面指揮員提供更加友好的視覺效果，對保證飛行安全、提高試飛效率具有其他形式所不可替代的作用。因此，試飛測試視頻信息的實時遙測監(jiān)控成為確保現(xiàn)代飛機試飛安全，縮短試飛數(shù)據(jù)處理周期的有效手段之一，在國內(nèi)外飛行試驗中起著重要的作用。近年來，飛機視頻數(shù)據(jù)的采集與實時遙測傳輸逐漸成為各型號試飛的基本要求，廣泛應用于新型號試飛任務中。

目前國內(nèi)在飛行試驗、靶場靶試和無人機偵察中視頻畫面的遙測傳輸監(jiān)控采用對模擬CCIR 標準視頻信號進行FM 直接調(diào)制后無線傳輸，遙測的實際上是模擬信號，相比數(shù)字信號的PCM 遙測傳輸，有很大的缺點：一是抗干擾能力差；二是傳輸帶寬大，緊張的頻點資源利用率低，目前飛行試驗一架飛機只能監(jiān)測一路視頻信號；三是現(xiàn)行傳輸體制不便于保密。

同時由于遙測傳輸?shù)氖悄M制式視頻，受CCIR視頻信號6 MHz 帶寬的限制，沒有擴充的余地，無法滿足目前在試新型號和未來型號試飛中，對高分辨率帶寬高達100 MHz 以上的多功能平顯信號的實時遙測需求。[1]

飛行試驗對多目標的視頻遙測目前采用的是頻分體制，即對多個目標分配不同的射頻點頻。為防止多個頻率信號互相干擾，通常相鄰點頻之間必須留有足夠的保護間隔，隨著飛行目標數(shù)的增加，需要占用的射頻帶寬成正比急劇增加。國際電聯(lián)分配給遙測用S 頻段頻率范圍是2 200～2 400 MHz，按照現(xiàn)有的頻率劃分體制，只能提供不超過8個PCM遙測頻率點，不超過4個視頻遙測頻點使用。采用頻分體制不僅在有限的頻帶內(nèi)可支持的目標數(shù)有限，同時給飛行試驗射頻資源的合理分配帶來極大困難。由于飛行任務多，遙測頻率已成為多架飛機數(shù)據(jù)和視頻實時監(jiān)控的制約瓶頸。目前的遙測體制，難以滿足未來型號聯(lián)合試飛多架次，每架次多路視頻的遙測監(jiān)控需要。

近年來無線網(wǎng)絡的發(fā)展和廣泛應用，受到飛行試驗遙測傳輸界的重視。國際遙測年會（ITC）從2003年開始，專門設了一個IEEE 802.11的專題。A380 等大型飛機機載航空總線采用了AFDX的網(wǎng)絡總線，機載測試系統(tǒng)也通過網(wǎng)絡進行聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集。飛行試驗機載測試系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)均已朝網(wǎng)絡化方向發(fā)展，機載測試數(shù)據(jù)和視頻圖像到地面的網(wǎng)絡化傳輸，成為必然趨勢。在網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)中，機載遙測是整個網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，該節(jié)點應能完成傳統(tǒng)PCM、視頻、1553B 總線等數(shù)據(jù)流記錄功能外，并能以網(wǎng)絡方式遙測傳輸其他節(jié)點采集的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，具有數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)靈活的特點，減少了傳統(tǒng)的PCM 遙測傳輸需要對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)重新編碼和視頻FM 調(diào)制等環(huán)節(jié)，可節(jié)省大量專用測試設備。[2-5]

為了在有限的無線網(wǎng)絡帶寬上實現(xiàn)多路數(shù)字視頻的實時遙測傳輸，滿足飛行試驗遙測監(jiān)控對實時性和視頻質(zhì)量的技術(shù)要求，需要解決以下幾方面的技術(shù)問題。

1 無線局域網(wǎng)的單向傳輸發(fā)送的實現(xiàn)

目前飛行試驗遙測設備是單向傳輸?shù)?，并不支持?shù)據(jù)的雙向傳輸，實際飛行試驗遙測數(shù)據(jù)傳輸，也是從機載到地面的單向傳輸。而無線網(wǎng)是雙向的，即使是UDP 方式，至少接收方要向發(fā)送方提交發(fā)送數(shù)據(jù)請求和收到數(shù)據(jù)的情況信息，實際上也是雙向的。在物理鏈路不支持雙向傳輸?shù)那闆r下，要實現(xiàn)真正的單向傳輸，必須對UDP 協(xié)議進行相應的修改，形成新的協(xié)議，實現(xiàn)預定的遠距離單向傳輸目標。作為單工系統(tǒng)的發(fā)送方，要把原有系統(tǒng)的接收功能給去掉，這時可能采取的方法有：

1）在硬件層把接收到的包丟掉；

2）修改Wlan 驅(qū)動層把包丟掉；

3）在網(wǎng)絡層把包丟掉；

4）在應用層把包丟掉。

根據(jù)OSI網(wǎng)絡模型的定義知道，要在網(wǎng)絡層和應用層把接收到的數(shù)據(jù)包丟掉這是不可能的。所以最終采取在Wlan 驅(qū)動層把數(shù)據(jù)包給丟掉，在接收端必須把發(fā)送功能給屏蔽掉。但是由于在接收到數(shù)據(jù)后，硬件層會自動產(chǎn)生ACK 告知發(fā)送端已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)，這就違背了單向傳輸，變成雙向，所以必須在硬件層把發(fā)送ACK的功能給屏蔽掉。由于沒有了ACK 返回到發(fā)送端，這時如果不采取一定的措施將會導致發(fā)送端不斷地重發(fā)數(shù)據(jù)包，導致系統(tǒng)不可用，所以還必須在發(fā)送端進行一定的處理。經(jīng)過試驗，把發(fā)送端等待ACK 超時重傳的功能給屏蔽掉，這樣單向無線網(wǎng)絡系統(tǒng)就可以正常運行了。

理論和實踐證明：單向無線網(wǎng)絡系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1）單向網(wǎng)橋比雙向網(wǎng)橋的信道利用率高，由于單向網(wǎng)橋接收端不發(fā)送數(shù)據(jù)，不可能產(chǎn)生功率對信道進行干擾；

2）由于單向網(wǎng)橋不需要在網(wǎng)橋之間預先建立物理關(guān)聯(lián)，因此在數(shù)據(jù)中斷、恢復中有較高的效率，適合廣播式的數(shù)據(jù)傳輸；

3）單向網(wǎng)橋接收端不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，可以降低接收端設備的功耗，適合電池供電。同時有較高的隱蔽性。

2 視頻壓縮技術(shù)

視頻圖像數(shù)字化后，如果不進行壓縮，數(shù)據(jù)量極其巨大，每路D1分辨率的視頻數(shù)據(jù)量將達到250 Mb/s，利用現(xiàn)有遙測和無線網(wǎng)絡技術(shù)是無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通信的，因此，在傳輸前必須進行數(shù)據(jù)實時壓縮。

傳統(tǒng)的壓縮編碼建立在香農(nóng)（shannon）信息論的基礎上，它以經(jīng)典的集合論為基礎，用統(tǒng)計概率模型來描述信源，但是它未能考慮信息接收者的主觀特性，以及事件本身的具體含義、重要程度和引起的后果。圖像/視頻編碼的發(fā)展歷程實際是以香農(nóng)信息論為出發(fā)點不斷完善的過程。長期以來，基于像素的方法一直是視頻編碼的主流方法。根據(jù)該編碼技術(shù)（如預測編碼、變換編碼、熵編碼以及運動補償?shù)龋┲贫ǖ膲嚎s編碼國際標準如 MPEG1、MPEG2 以及JPEG 等獲得了舉世公認的巨大成功。它從消除圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)冗余出發(fā)，沒有考慮人眼視覺特性對編碼圖像的影響。20世紀80年代初人們就認識到這種基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的第一代編碼技術(shù)的不足，特別是在低速率編碼視頻時有嚴重的局限性，因此稱為低層壓縮編碼方法。

20世紀80年代中后期，相關(guān)學科的迅速發(fā)展和新學科的不斷出現(xiàn)為視頻編碼的發(fā)展注入了新的活力，同時關(guān)于人類的視覺生理、心理特性的研究成果也拓寬了人們的視野。M.Kunt 于1985年提出了利用人眼視覺特性的第二代圖像編碼的思想，這時圖像編碼的實體不在是像素或像素塊，而是按其內(nèi)容進行全新的技術(shù)。由于將其內(nèi)容與交互性作為MPEG4的中心，MPEG4 不在對低碼率范圍做出特別要求。

小波編碼是近年來隨著小波分析的研究而提出的一種具有很好發(fā)展前景的視頻編碼方法。作為一種多分辨率的分析方法，由于小波分析具有很好的時域和空域局部特性，特別適合按照人眼視覺系統(tǒng)特性設計圖像/視頻編碼方案，也非常有利于圖像/視頻信號的分層傳輸。實驗證明，圖像的小波編碼，在壓縮比和編碼質(zhì)量方面優(yōu)于傳統(tǒng)的DCT變換編碼。

目前常用的視頻編碼技術(shù)主要有 MJPEG、MPEG1/2、MPEG4（SP/ASP）、H.264/AVC 等幾種。對于飛行試驗視頻監(jiān)控來說最為關(guān)心的主要有：清晰度、帶寬、穩(wěn)定性。采用不同的壓縮技術(shù)，將在很大程度影響以上幾大要素。[6-8]

MJPEG（Motion JPEG）壓縮技術(shù)，主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來的技術(shù)，它的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮。MJPEG 壓縮技術(shù)可以獲取清晰度很高的視頻圖像，可以動態(tài)調(diào)整幀率、分辨率。但由于沒有考慮到幀間變化，造成大量冗余信息被重復存儲，因此單幀視頻的占用空間較大。

MPEG1 標準主要針對CIF 標準分辨率（NTSC制為352×240；PAL 制為352×288）的視頻進行壓縮，壓縮位率主要目標為1.5 Mb/s。較MJPEG技術(shù)，MPEG1 在實時壓縮、每幀數(shù)據(jù)量、處理速度上有顯著的提高。但MPEG1 也有較多不利地方：波特率還是過大、清晰度不夠高和網(wǎng)絡傳輸困難。MPEG2在MPEG1 基礎上進行了擴充和提升，和MPEG1向下兼容，主要針對存儲媒體、數(shù)字電視等應用領域。MPEG2 視頻相對MPEG1 提升了分辨率，滿足了用戶高清晰的要求，但由于壓縮性能沒有多少提高，使得波特率還是太大，也不適和網(wǎng)絡傳輸。

MPEG4 視頻壓縮算法相對于MPEG1/2 在低比特率壓縮上有著顯著提高，在CIF（352×288）或者更高清晰度（720×576）情況下的視頻壓縮，無論從清晰度還是從存儲量上都比MPEG1/2 具有更大的優(yōu)勢，也更適合網(wǎng)絡傳輸。另外MPEG4可以方便地動態(tài)調(diào)整幀率、比特率，以降低存儲量。

H.264是ITU_T的視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC的活動圖像專家組（MPEG）聯(lián)合制定的新的視頻編碼標準，其目的是為了在低比特率下獲得很好的圖像壓縮效果并能適應不同的網(wǎng)絡環(huán)境。H.264 能提供比MPEG4 更高的壓縮性能，使圖像的數(shù)據(jù)量減少30%～50%，基本編碼框架仍然采用基于塊的運動補償和變換編碼的混合編碼架構(gòu)。繼承了許多優(yōu)秀的編碼技術(shù)同時又采用了很多全新的編碼技術(shù)：幀內(nèi)預測，可變大小的圖像分塊，多預測參考幀，1/4 像素精度的運動估計，殘差圖像的整數(shù)變換編碼等。H.264 壓縮標準，不只是視頻壓縮效率比以往的標準有顯著提高，其具備的分層編碼技術(shù)、錯誤約束機制、錯誤掩蓋技術(shù)及高效的比特流切換技術(shù)（bit-stream switching），也使得該標準特別適合應用于IP 網(wǎng)以及移動傳輸網(wǎng)。根據(jù)H.264的系列優(yōu)點，在無線圖像編碼方案中采用H.264 編碼方式。

3 無線傳輸環(huán)境下的編碼技術(shù)

無線信道不同于有線信道，無線環(huán)境下，信道的多徑干擾、衰落、帶寬受限都會造成數(shù)據(jù)的出錯和丟失。由于H.264 壓縮算法在空間上進行壓縮外，在時間上也有相關(guān)性，如果不對壓縮后的數(shù)據(jù)包進行合理的編碼后進行傳輸，就會造成誤碼擴散，視頻編碼的研究非常關(guān)鍵。如果傳輸?shù)拇a流本身就具有一定的適應帶寬變化的能力，有一定的抗錯誤能力（魯棒性），那么整個系統(tǒng)的實現(xiàn)將變得相對簡單了。因此，現(xiàn)代視頻編碼在尋求高壓縮率的同時也考慮編碼后碼流的可擴展性（可伸縮性），使得編碼視頻流可以在帶寬受限或者信道不可靠的情況下也能進行可靠有效的傳輸。

誤碼擴散問題可以在應用層和網(wǎng)絡層來解決。在網(wǎng)絡層，重傳是一種常用的方法，但重傳不僅需要反饋信道，還往往無法滿足飛行試驗對視頻傳輸實時性的要求，同時由于在飛行試驗中采用的是單向無線網(wǎng)絡，通過重傳方法是不現(xiàn)實的。在現(xiàn)有的很多基于MPEG4的實時視頻傳輸系統(tǒng)中，往往通過自適應幀刷新（frame refresh）來防止誤碼的擴散，使得發(fā)生誤碼的碼流具有自愈的能力，但是自適應幀刷新也需要反饋信道來支持，故而不能采取這項技術(shù)。

可擴展編碼（scalable coding）被認為是在無線網(wǎng)絡、因特網(wǎng)等異構(gòu)的網(wǎng)絡環(huán)境中傳輸視頻的首選方案?？蓴U展編碼又稱為分級編碼，是將視頻信息編碼成多個不同性質(zhì)的碼流，其中包括一個基本層和多個增強層?；緦犹峁┑氖且曨l信號的基本信息，可以獨立解碼恢復出基本質(zhì)量的視頻信號。而增強層提供的是視頻信號細節(jié)信息，它不可以單獨解碼，與基本層結(jié)合起來可以增強視頻的重建效果，如空間分辨率、質(zhì)量、幀率等。

可擴展編碼和傳統(tǒng)編碼的區(qū)別在傳統(tǒng)的視頻編碼中，編碼器只產(chǎn)生單一的壓縮視頻流，解碼端對該視頻流進行完整解碼后可以獲得原始視頻流并進行回放。在可擴展分層編碼中，編碼器輸出多層碼流，不同層代表不同的時域分辨率、空間分辨率或者質(zhì)量分辨率。這些不同層的碼流在多個邏輯信道中傳輸，接收端依據(jù)具體的信道帶寬、系統(tǒng)處理能力等接收不同數(shù)量、不同級別的描述符和分層碼流以得到不同級別的重構(gòu)圖像。

4 解碼器丟失檢測和錯誤掩蓋

解碼器檢測分組丟失的方法如下：整幅圖像是否丟失通過檢測每個片的幀號來確定，幀號在片頭中傳輸。一方面，解碼器跟蹤視編碼層，預先從編碼器端接收到幀號；另一方面，在一幅圖像開始的時候，解碼器設置宏塊解碼映射表并且預置所有的宏塊都被丟失。如果解出的片的幀號等于預期幀號，解碼器解整個片并且更新映射表；如果解出的片的幀號大于預期幀號，可以推斷出前一幅圖像的所有片都已被解碼。然后，分析宏塊解碼映射表，如果圖像中的片并不全是正確的宏塊，則有片的丟失，接著對丟失的片進行錯誤掩蓋；如果解出的片的幀號大于預期幀號加1，推斷出解碼器丟失了一幅圖像，需插入掩蓋的圖像到參考圖像的緩沖區(qū)，然后解碼器重置宏塊解碼映射表并解下一幅圖像。

對錯誤的掩蓋，采用幀內(nèi)圖像的平均加權(quán)像素值算法。如果一個宏塊沒有被正確接收，就用周圍宏塊像素值進行恢復，如果一個丟失的宏塊有至少兩個被正確解碼的相鄰宏塊，則在掩蓋過程中只使用這些宏塊，否則，使用之前被掩蓋的周圍宏塊。在一個宏塊中，被掩蓋的每個像素值是通過最佳相鄰宏塊的最近邊緣像素值的加權(quán)和形成的。

5 試驗驗證

5.1 地面試驗

試驗地選擇于通視性良好、中間無遮擋的空曠區(qū)域進行，采用了IEEE 802.11b 無線通信協(xié)議，單向無線網(wǎng)橋輸出信號直接推動8 W 功率放大器，發(fā)射天線采用S波段發(fā)射天線（增益0 dB），搭建了一套車載活動節(jié)點，模擬飛機移動節(jié)點。接收端使用了成品高增益定向無線網(wǎng)天線（增益24 dB）和單向無線網(wǎng)橋，工作頻率選擇在靠近S波段的無線網(wǎng)1 信道（2 412 MHz），使用修改的單向UDP 協(xié)議和點到點傳輸方式，進行點到點單向遠距離傳輸技術(shù)研究和地面?zhèn)鬏斣囼灐?/p>

試驗共進行了兩次，第一次試驗是在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收相距9 km的情況下進行的。在?15 dB 衰減的情況下，用24 dB 增益的定向天線，傳輸一路圖像分辨率為720×576的數(shù)字彩色圖像，傳輸質(zhì)量良好。第二次試驗則選擇傳輸距離為24 km，在?4 dB衰減的情況下，傳輸兩路相同分辨率的數(shù)字彩色圖像，通信良好，圖像連續(xù)清晰，無圖像間斷。

對無線網(wǎng)絡的傳輸延遲也進行了測試，在發(fā)射和接收計算機上都插入GPS時碼卡，通過在傳輸?shù)拿恳粋€數(shù)據(jù)包上打上GPS時間標記，接收計算機收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包后，立即讀取本機時碼卡上的GPS時間，同數(shù)據(jù)包上的時間數(shù)據(jù)進行比較，計算數(shù)據(jù)傳輸延遲時間。通過試驗和計算分析，網(wǎng)絡延遲小于10 ms，完全滿足機載實時監(jiān)控對數(shù)據(jù)時間實時性的要求。

5.2 飛行試驗

結(jié)合某型機試飛任務，我們對單向無線網(wǎng)傳輸方案進行了飛行試驗搭載驗證。把原地面試驗設備改裝到某運輸機上，利用機上已改裝在機體前下腹的S波段視頻圖像遙測發(fā)射天線，改發(fā)無線網(wǎng)數(shù)據(jù)信號。地面接收端設備和地面試驗時使用的試驗設備完全相同。

視頻發(fā)送程序?qū)⒈粶y飛機上的圖像和聲音經(jīng)過采集編碼后，通過無線網(wǎng)橋發(fā)送端發(fā)出，經(jīng)過功率放大器放大后通過機載天線發(fā)射，視頻接收程序接收到數(shù)據(jù)包后將視頻圖像和聲音解碼恢復并實時顯示，同時將接收到的數(shù)據(jù)存盤。

在第一次飛行試驗中，發(fā)現(xiàn)當飛機飛到8 km時，信號時段時續(xù)有，接收到片段數(shù)據(jù)后，無法解碼還原出圖像。通過分析研究，這是由于地面定向天線用的試驗天線，采用的是人工跟蹤，當飛機飛遠以后，無法可靠穩(wěn)定地把飛機跟蹤到接收天線波束中心，造成數(shù)據(jù)丟失嚴重，當數(shù)據(jù)包過大時，網(wǎng)絡無法有效地得到完整的數(shù)據(jù)包。把網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)包的大小由4 kB 改為0.5 kB后，在第二次試驗時，從飛機起飛到30 km 有效跟蹤時，接收到完整數(shù)據(jù)包的能力大大提高，可解碼恢復并顯示出連續(xù)的圖像信號，并在202 km時，得到一段連續(xù)穩(wěn)定的圖像信號，圖像質(zhì)量良好，并且聲音和圖像同步接收，取得了良好的飛行試驗結(jié)果。

飛行試驗結(jié)果與地面試驗估算相吻合，只要接收天線能跟蹤上飛機，中間無遮擋，通信鏈路良好，就可保證視頻圖像不丟幀，圖像清楚，傳輸距離可以達到200 km 以上，可滿足大多數(shù)飛行試驗的距離要求。

6 結(jié)束語

采用單向無線網(wǎng)絡進行遙測傳輸?shù)募夹g(shù)，實現(xiàn)了飛行試驗測試數(shù)據(jù)和多路視頻圖像從機上到地面監(jiān)控指揮中心間的單向、遠距離遙測傳輸，開創(chuàng)了一條網(wǎng)絡化的、經(jīng)濟實用的新的遙測傳輸技術(shù)途徑，大大簡化遙測傳輸設備，降低遙測傳輸成本，使有限的頻率資源得以充分利用。通過實時接收獲得的測試數(shù)據(jù)和多路圖像在地面對空中飛行進行實時監(jiān)控和指揮，可以最大限度地減少試飛風險，提高試飛效率，節(jié)約試飛成本。同時在建立多機聯(lián)合試飛、無人機試飛數(shù)據(jù)鏈等方面，均有廣闊的應用前景，并將帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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