一種用于衛(wèi)星傳輸?shù)母咔宸菍ΨQ傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛躍明 黃喆 張鳴之 石愛軍 馬娟

摘要：利用衛(wèi)星通訊傳輸系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)信息信道較大的不對稱性，在H.264編碼的基礎(chǔ)上，研發(fā)適用與應(yīng)急衛(wèi)星通訊的高清非對稱傳輸系統(tǒng)，解決衛(wèi)星音視頻通訊過程中的數(shù)據(jù)丟包和信道網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，并與已有遠(yuǎn)程會商應(yīng)急指揮系統(tǒng)集成，取得較好的效果，大大提高衛(wèi)星帶寬資源的利用率，并對系統(tǒng)在衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通訊 非對稱 應(yīng)急

中圖分類號：TN918.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0020-02

1 概述

由于衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，以及Internet需求的驅(qū)動，衛(wèi)星通信下轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)通信的全面需求，由于通信衛(wèi)星都在位于地球赤道上約3萬千米的高空，其單向傳輸時延在230～270ms之間，往返時延長達(dá)500ms以上，衛(wèi)星傳輸采用的TCP/IP協(xié)議由于延時導(dǎo)致了TCP端確認(rèn)信息的延遲。

許多衛(wèi)星系統(tǒng)在雙向的數(shù)據(jù)信道音有較大帶寬不對稱性，比如，從衛(wèi)星到地面的前向鏈路會遠(yuǎn)大于反向鏈路。而且由于Internet應(yīng)用的不對稱性，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信中，不平衡傳輸現(xiàn)象非常嚴(yán)重，即傳輸?shù)姆菍ΨQ現(xiàn)象。以3W瀏覽為例，一般上下行信道的數(shù)據(jù)量差異為1∶5至1∶10，如果應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)多媒體，那么這種比例將達(dá)到1∶1000至1∶100000，任何現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，無論是平衡傳輸還是非平衡傳輸，都無法適應(yīng)這種傳輸比例大范圍內(nèi)變化的傳輸條件，都會造成傳輸信道的浪費(fèi)或成本的大幅度提高。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中也存在類似的通信，比如對于小型地球站其發(fā)送功率和天線的口徑限制了上行鏈路的傳輸速率，因此有可能上行鏈路比下行鏈路傳輸?shù)乃俾市〉亩唷?/p>

2 高清非對稱系統(tǒng)研發(fā)需求

目前市場上能夠獲得的非對稱傳輸接收板帶寬占用（即視頻碼流）不穩(wěn)定，事實(shí)上帶寬占用恒定也只是相對而已，然而經(jīng)過對多款設(shè)備實(shí)測，其實(shí)際碼流與設(shè)定值之間會有較大的誤差，以至于在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用這些設(shè)備時，會因?yàn)榫幋a流的不穩(wěn)定，致使衛(wèi)星通信系統(tǒng)對超出衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)定的部分碼流進(jìn)行甩包處理，最終造成收視端出現(xiàn)馬賽克或者丟幀甚至失同步；如圖1所示。

3 H.264編碼技術(shù)特點(diǎn)

H.264作為新一代的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是由ITU和ISO/IEC兩大國際標(biāo)準(zhǔn)組織共同制定的，該標(biāo)準(zhǔn)最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，且能夠很好的適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但H.264編碼復(fù)雜度也是最高的。

H.264標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)如下：

（1）編碼的效率較以往技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大幅提高：和MPEG-2及MPEG-4ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。

（2）在較差的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠提供高質(zhì)量的視頻畫面：H.264能夠在低碼率情況下提供高質(zhì)量的視頻圖像，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應(yīng)用亮點(diǎn)。

（3）跟以往的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比較適應(yīng)能力更強(qiáng)：H.264既可適應(yīng)在視頻會議等低延時情況下工作，能勝任視頻存儲或視頻流服務(wù)器環(huán)境中的工作。

（4）采用混合編碼結(jié)構(gòu)，有利于編碼效率的提高：H.264在編碼框架上還是沿用以往的MC-DCT結(jié)構(gòu)，即運(yùn)動補(bǔ)償加變換編碼的混合結(jié)構(gòu)，因此它保留了一些先前標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，如不受限制的運(yùn)動矢量，對運(yùn)動矢量的中值預(yù)測等。

（5）和H.263等技術(shù)編碼相比，編碼選項(xiàng)更少，使編碼更加簡單易懂。

（6）H.264應(yīng)用環(huán)境場合較以往技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更加廣泛：H.264編碼技術(shù)可以根據(jù)工作場合來選定自己的傳輸和播放速率.并可以進(jìn)行錯誤處理，能夠更好地對丟包和誤碼進(jìn)行控制和處理。

（7）更強(qiáng)的糾錯能力：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。H.264技術(shù)自帶的糾錯工具，能在網(wǎng)絡(luò)傳輸、特別是無線傳輸?shù)沫h(huán)境中，實(shí)現(xiàn)快速的糾錯。

（8）H.264編碼復(fù)雜程度更深：H.264的熵編碼主要包含兩部分：一是針對語法元素的熵編碼，二是針對量化后殘差系數(shù)的熵編碼方法，編碼復(fù)雜程度是H.263標(biāo)準(zhǔn)的2倍以上。

據(jù)此，本系統(tǒng)以H.264為基礎(chǔ)，綜合分析國內(nèi)外電子芯片生產(chǎn)廠商的技術(shù)資料，從信源處理、壓縮（解壓縮）編碼計(jì)算、板塊管理、電源管理、通信服務(wù)等各方面優(yōu)選出滿足項(xiàng)目要求的芯片，組合成新的項(xiàng)目目標(biāo)板卡。

4 高清非對稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“高清非對稱傳輸系統(tǒng)”在目前使用的產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)，確?？稍诂F(xiàn)有系統(tǒng)中有效使用。系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的高清視頻壓縮算法，有效兼容MPEG2/4、H.264等圖像編碼處理技術(shù)，在時延抖動處理、恒碼流控制技術(shù)方面需有效結(jié)合衛(wèi)星信道傳輸?shù)淖钚录夹g(shù)特點(diǎn)，在可實(shí)用的帶寬內(nèi)完成在目前會商系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加第二高清傳輸通道的開通。

高清非對稱傳輸系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)視頻編解碼系統(tǒng)開發(fā)出支持獨(dú)立控制的一套面對面的傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)非平衡的定向交叉工作；如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)視頻分辨率達(dá)到720P以上，接口設(shè)計(jì)定位為SDI和分量接口，帶寬使用要求為1.5MHz，碼流控制不高于2Mbp，鏈路控制要求非對稱。設(shè)備體積150×150×25（mm），重量小于500g，以滿足便攜應(yīng)用需求。整個設(shè)備的功耗降低小于5瓦，芯片布置密度大大提高，減少散熱片等額外負(fù)擔(dān)，降低設(shè)備體積重量不以犧牲可靠性為代價。

控制軟件的初步開發(fā)要求做到中心網(wǎng)管式，可控制通道建立和拆除，自動識別及匹配通道參數(shù)，集中管理。

高清非對稱傳輸系統(tǒng)具備在有限帶寬內(nèi)進(jìn)行傳輸高清的控制技術(shù)，在全國應(yīng)急系統(tǒng)有實(shí)用價值，系統(tǒng)最終目標(biāo)為具備經(jīng)濟(jì)性的適合應(yīng)急衛(wèi)星平臺的高清非平衡系統(tǒng)，系統(tǒng)需兼容應(yīng)急平臺已有的流媒體發(fā)布平臺。系統(tǒng)控制管理軟件，有設(shè)備管理、操作權(quán)限、點(diǎn)播、直撥、錄制、流媒體發(fā)布等功能。

高清非對稱傳輸系統(tǒng)采用先進(jìn)的編碼算法，碼流低且穩(wěn)定，減少帶寬開銷；目前各視音頻平臺的算法以地面通信應(yīng)用為基本點(diǎn)，在保證視音頻質(zhì)量的前提下，要求通信鏈路帶寬較大情況下，尋找一種只犧牲大動態(tài)圖像質(zhì)量的低比特率算法，減少衛(wèi)星鏈路造成的甩包丟包，實(shí)現(xiàn)帶寬占用的相對穩(wěn)定。

5 系統(tǒng)研發(fā)成果

5.1 非對稱傳輸發(fā)射板與接收板

非對稱傳輸發(fā)射板和接收板是依據(jù)本項(xiàng)目的項(xiàng)目目標(biāo)研發(fā)的用于非對稱信號網(wǎng)絡(luò)傳輸及編碼的專用硬件設(shè)備。非對稱傳輸發(fā)射板兼容YPbPr（色差分量接口）、HDMI（高清晰度多媒體接口）兩種類型的高清視頻信號格式，可用一個YPbPr接口或HDMI接口輸入，另外還配備音頻輸入輸出接口、以太網(wǎng)輸入接口以及用于設(shè)備調(diào)試與管理的UART串行接口，非對稱傳輸發(fā)射板可將YPbPr接口或HDMI接口輸入及音頻輸入的音視頻信號經(jīng)過硬件編碼后在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。該產(chǎn)品填補(bǔ)業(yè)內(nèi)空白，可廣泛用于YPbPr、HDMI信號和音頻信號遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳送的場合。圖像清晰，亮度、對比度、飽和度、色度可調(diào)，網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時性完美，時延小于300ms，音視頻準(zhǔn)確同步。支持單播、組播及廣播傳輸?shù)韧ㄐ欧绞?。可?shí)現(xiàn)穩(wěn)定的廣播級質(zhì)量的遠(yuǎn)程音視頻傳輸及編解碼；如圖3所示。

非對稱傳輸發(fā)射板和接收板主要特點(diǎn)：

（見圖4）高清晰、低碼流：采用H264高效解碼算法（可支持解碼格式H264、MPEG4、JPEG），實(shí)現(xiàn)了720P信號高清晰、低碼流的傳輸與解碼。支持多種YPbPr、HDMI分辨率，最大支持1280x1024分辨率，可實(shí)現(xiàn)電腦屏幕的網(wǎng)絡(luò)傳輸；同時兼容720P輸入等；且實(shí)現(xiàn)輸入分辨率自適應(yīng)功能多種通信方式：可通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進(jìn)行配置；支持單播、組播及廣播傳輸?shù)韧ㄐ诺脱訒r：系統(tǒng)采用高性能DSP處理芯片，編碼效率及傳輸效率更高，實(shí)時性好，視頻、音頻同步性好，延時低于300ms。

5.2 系統(tǒng)板卡測試結(jié)果

將非對稱傳輸發(fā)射板接入輕型衛(wèi)星集成終端測試位置位于北京房山；非對稱傳輸發(fā)射板接入環(huán)境院應(yīng)急會商指揮車測試位置在房山門頭溝永定河附近；輕型衛(wèi)星集成終端上行衛(wèi)星帶寬分別設(shè)為2Mbps和1.5Mbps對非對稱傳輸發(fā)射板（HDMI接口板）、非對稱傳輸發(fā)射板（YPbPr接口板）、非對稱傳輸接收板（HDMI接口板）和非對稱傳輸接收板（YPbPr接口板）四塊板卡設(shè)備進(jìn)行測試。在編碼速率大于1.2M，通道速率大于2M時，所傳圖像清晰、視頻流暢，盡管在編碼速率為1.2M通道速率為1.5M時圖像邊際不太清晰，總體圖像質(zhì)量能滿足衛(wèi)星應(yīng)急高清傳輸?shù)囊?，?dāng)編碼速率為1.2M通道速率為1.5M及以下，時圖像質(zhì)量顯明下降，甚至還不如標(biāo)清視頻的效果（測試結(jié)果如表1）。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目研發(fā)的高清非對稱傳輸系統(tǒng)，利用衛(wèi)星傳輸?shù)姆菍ΨQ性，能根據(jù)接收發(fā)射業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量靈活控制雙向通道碼流速率，最大限度利用有限的衛(wèi)星帶寬資源進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，經(jīng)應(yīng)用測試能夠與已有衛(wèi)星應(yīng)急會商系統(tǒng)集成，優(yōu)化衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸鏈路，在應(yīng)急衛(wèi)星通訊領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。