衛(wèi)星動中通視頻傳輸可用性

徐學(xué)梅，李嘉穎

(1．中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2．軍事科學(xué)院，北京 100141)

0 引言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可在運動中實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的實時多媒體傳輸[1-2]。而在多媒體業(yè)務(wù)中，視頻占據(jù)非常重要的地位，人類通過視覺獲取的信息約占其總信息量的70%，視頻信息具有直觀、可靠等一系列優(yōu)越性，但也具有誤碼敏感度、實時性要求高的特點[3]，這與移動衛(wèi)星信道帶寬受限、誤碼率較高形成了尖銳的矛盾。

無線信道具有帶寬受限、易錯及時變的特點，數(shù)據(jù)在傳輸過程中會發(fā)生錯誤或者丟失[4]，提高視頻編碼算法的抗誤碼能力是保證視頻傳輸魯棒性的一個重要方面。

根據(jù)衛(wèi)星移動信道特點、針對視頻信號對實時性要求高的問題，采用分層編碼技術(shù)[5-8]，使視頻編碼同時具有良好的魯棒性和帶寬的自適應(yīng)性，并且能在信道環(huán)境惡化的情況下，使接收視頻質(zhì)量逐漸變化，提高衛(wèi)星移動信道下視頻傳輸?shù)目捎眯浴?/p>

1 衛(wèi)星移動信道特性分析

1.1 多普勒頻移

(1)

(2)

這種包絡(luò)和相位都被寄生調(diào)制的信號被稱為衰落信號。由于相位是隨機(jī)過程，因此，接收信號從單個頻率變成了窄帶頻譜，稱為多普勒頻移。多普勒頻移的大小與移動站的運動速率和信號頻率有關(guān)，該多普勒頻移的倒數(shù)稱為相干時間。當(dāng)符號周期大于無線信道的相干時間時，波形就會產(chǎn)生失真，產(chǎn)生時間選擇性衰落，也就是上述的瑞利衰落；當(dāng)符號周期大于相干時間時，衰落將呈現(xiàn)非時間選擇性，也就是慢衰落[11]。

為了使移動信道不呈現(xiàn)瑞利衰落，必須使符號周期小于相干時間，即：符號周期T<相干時間，

(3)

式中，υ為移動臺的移動速度，λ為載波信號波長。

在實際應(yīng)用中，移動臺運動速度不是很大，視頻基帶信號周期較小。所以高軌衛(wèi)星移動信道受多普勒頻移的影響很小，可忽略不計。

1.2 多徑衰落

無線移動信道的主要特性就是多徑傳播，接收機(jī)會收到直射、反射和折射的合成信號，每個信號到達(dá)接收機(jī)的時延不同。根據(jù)傅里葉變換的時移性，時域延時引起對應(yīng)的頻域中所有頻率分量都落后1個相位：

如果信號f(t)的頻譜函數(shù)為F(ω),那么

f(t-t0)=e-jωt0F(ω)，
f(t-t0-τ)=e-jω(t0+τ)F(ω)。

(4)

當(dāng)存在上述兩徑信號時，移動信號的傳遞函數(shù)為：

e-jωt0(1+e-jωτ)。

(5)

式(5)表明信號模型可以由一個無失真?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)和傳遞函數(shù)為(1+e-jωτ)的另一個網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成?？梢姷?個網(wǎng)絡(luò)對不同的頻率呈現(xiàn)不同的衰減，稱為頻率選擇性衰落[12]。該衰落與相對時延差有關(guān)，第2個網(wǎng)絡(luò)的相鄰傳輸零點之間的頻率間隔即為移動信道的相關(guān)帶寬，它是信道最大時延的倒數(shù)。當(dāng)信號帶寬大于相關(guān)帶寬時，將產(chǎn)生頻率選擇性衰落，造成符號間干擾。當(dāng)信號的傳輸信號帶寬小于相關(guān)帶寬時，就不會造成符號間串?dāng)_，此時的信道也就成了平衰落的信道。

為了使移動信道不呈現(xiàn)頻率選擇性衰落，必須使信號帶寬小于相關(guān)帶寬。這嚴(yán)重影響了信息速率的提高，必須采取抗衰落技術(shù)。目前的調(diào)制解調(diào)技術(shù)都有比較成熟的抗衰落技術(shù)，而且，由于衛(wèi)星天線波束相對較窄，使用時一直對著所使用的衛(wèi)星，所以多徑影響也很小。

1.3 陰影效應(yīng)分析

電波在傳播路徑上遇到植被、建筑物及起伏地形等遮擋時會產(chǎn)生電磁場的陰影，構(gòu)成接收天線處場強(qiáng)中值的變化，從而引起信號衰落，稱為陰影效應(yīng)[13]。移動站會不可避免地穿過橋梁、涵洞、山區(qū)和森林，途徑高樓林立的城市。隨著傳播環(huán)境的變化，移動站的信號接收電平會起伏變化。衰落嚴(yán)重時信號接收電平達(dá)到門限以下，導(dǎo)致接收錯誤甚至通信中斷。衰落程度與環(huán)境、天線仰角和移動速度相關(guān)。通常情況下，在同一區(qū)域行駛時，天線仰角越高，光學(xué)遮蔽度越小，信號衰減也就越小。

圖1～圖3分別給出了動中通車載站在無遮擋區(qū)、輕遮擋地區(qū)和較重遮擋區(qū)行駛時，信號電平跌落情況的實際測試結(jié)果。

比較圖1～圖3可以看出，動中通車載站行駛在有遮擋區(qū)域時，信號的電平衰落瞬時值較大，車載站的天線和功率受限，導(dǎo)致系統(tǒng)余量受限，不足以克服陰影效應(yīng)的影響，因此，對視頻傳輸?shù)目捎眯杂绊戄^大。在動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，需針對陰影效應(yīng)設(shè)計抗衰落措施，提高系統(tǒng)和視頻傳輸?shù)目捎眯浴?/p>

圖1 動中通車載站行駛在無遮擋區(qū)時 接收信號電平頻譜圖

圖2 動中通車載站行駛在較輕遮擋區(qū)時 接收信號電平頻譜圖

圖3 動中通車載站行駛在較重遮擋區(qū)時 接收信號電平頻譜圖

2 視頻抗誤碼技術(shù)研究

對于固定衛(wèi)星通信動中通系統(tǒng)而言，多普勒頻移和多徑干擾的影響比較小，關(guān)鍵因素是陰影效應(yīng)。對抗陰影效應(yīng)的常見辦法有2種，第1種是為發(fā)送功率留余量，通過自適應(yīng)功率控制補(bǔ)償信號衰落；第2種是誤碼重傳。由于功率和天線受限，第1種辦法不足以解決所有問題，第2種辦法實現(xiàn)簡單，時延較大，不適用于固有時延較大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。受信道影響最為明顯的業(yè)務(wù)就是實時性要求最高的視頻業(yè)務(wù)，通過采用分層編碼和分層傳輸技術(shù)提高非可靠信道視頻傳輸?shù)目捎眯訹14-15]。

2.1 分層編碼技術(shù)

分層編碼技術(shù)就是將原始的視頻序列編碼成多個數(shù)據(jù)流，所有數(shù)據(jù)流接收成功后可聯(lián)合解碼獲得最高的圖像質(zhì)量。每個數(shù)據(jù)流的級別可以相同，也可以不同，相同時，每層可獨立解碼；不同時分為基本層和增強(qiáng)層[16]2種?；緦又挥?個，增強(qiáng)層可以有多個?；緦有畔?nèi)容等級高，是增強(qiáng)層的基礎(chǔ)，增強(qiáng)層是基本層的補(bǔ)充，用來提高重構(gòu)視頻質(zhì)量，圖4為3層編碼框架。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)就采用了這種分層編碼技術(shù)。

圖4 3層分層編碼框架

2.2 分層傳輸技術(shù)

分層傳輸技術(shù)關(guān)鍵就是基于分層編碼的傳輸技術(shù)[17-18]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通常將視頻流作為透明數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，不考慮分層的特點，業(yè)務(wù)速率不會隨系統(tǒng)的帶寬而變化。

對于衛(wèi)星動中通系統(tǒng)而言，存在大小站組網(wǎng)的問題，小站型業(yè)務(wù)接收和發(fā)送能力都比較低，所以選擇不同等級的多層編碼算法的視頻編解碼體制，采用兩級編碼。在發(fā)送端解析視頻幀信息，分離出基本層信息，進(jìn)行編碼保護(hù)，保障基本層碼流的傳輸可靠性；分離出增強(qiáng)層信息，根據(jù)用戶的帶寬能力選擇傳輸?shù)膶蛹按a率，讓用戶恢復(fù)出不同質(zhì)量與分辨率的視頻信號。

3 視頻分層傳輸?shù)脑囼烌炞C

3.1 試驗環(huán)境搭建

試驗采用一套動中通車載站和一套固定衛(wèi)星通信站來實現(xiàn)，兩站型上均具有3層編碼的視頻處理設(shè)備，采用標(biāo)準(zhǔn)視頻測試數(shù)據(jù)流進(jìn)行試驗。部分試驗參數(shù)如下：

① 通信衛(wèi)星：亞太5號衛(wèi)星；

② 通信頻段：Ku頻段；

③ 動中通車載站天線口徑：0.8 m；

④ 固定衛(wèi)星通信站天線口徑：4.5 m；

⑤ 傳輸速率：2 048 kbps。

試驗中，動中通車載站在一條選定的路面上反復(fù)行駛，這條選定的路面包括平坦路面、顛簸路面、有樹木遮擋區(qū)域以及無樹木遮擋區(qū)域，行駛中將標(biāo)準(zhǔn)視頻流經(jīng)分層編碼后，經(jīng)衛(wèi)星傳輸?shù)焦潭ㄐl(wèi)星通信站，在固定衛(wèi)星通信站上經(jīng)分層解碼后，將視頻信息恢復(fù)出來。

3.2 試驗結(jié)果及分析

3.2.1 試驗結(jié)果

① 動中通車載站在平坦路面無遮擋區(qū)域，以80 km/h行駛條件下的測試結(jié)果，此時視頻傳輸效果如圖5所示。

圖5 動態(tài)視頻測量結(jié)果1

② 動中通顛簸路面無樹木遮擋區(qū)域，以60 km/h行駛條件下的測試結(jié)果，此時視頻傳輸效果如圖6所示。

圖6 動態(tài)視頻測試結(jié)果2

③ 動中通顛簸路面有樹木遮擋區(qū)域，以60 km/h行駛條件下的測試結(jié)果，此時視頻傳輸效果如圖7所示。

圖7 動態(tài)視頻測試結(jié)果3

3.2.2 試驗結(jié)果分析

動中通車載站在平坦路面無遮擋區(qū)域以80 km/h行駛條件下進(jìn)行視頻傳輸時，由于傳輸環(huán)境好，因此誤碼率很低，接收端能夠?qū)⒒緦蛹?個增強(qiáng)層全部收到，傳輸后視頻與原始視頻主觀上差別不明顯。

動中通顛簸路面無樹木遮擋區(qū)域，以60 km/h行駛條件下進(jìn)行視頻傳輸時，由于車輛快速行駛在顛簸路面上，所以會帶來一定跟蹤損失，這種損失會造成誤碼增大，此時接收端只能將受到主要保護(hù)的基本層及重點保護(hù)的增強(qiáng)層1收到，而將基本保護(hù)的增強(qiáng)層2舍去，視頻質(zhì)量還可以接受，能夠保持視頻的完整性。

動中通顛簸路面有樹木遮擋區(qū)域，以60 km/h行駛條件下進(jìn)行視頻傳輸時，由于車輛在顛簸路面上快速行駛的同時還會受到樹木的部分遮擋，此時傳輸誤碼很大，此時接收端只能將受到主要保護(hù)的基本層收到，而將重點保護(hù)的增強(qiáng)層1和基本保護(hù)的增強(qiáng)層2全部舍去，視頻質(zhì)量盡管很差，但仍能夠保持其連續(xù)性。

視頻的分層傳輸雖然對視頻傳輸?shù)聂敯粜詻]有直接的貢獻(xiàn)，卻非常有利于提高視頻編碼對信道狀況的適應(yīng)能力。

4 結(jié)束語

與數(shù)據(jù)文件的傳輸不同，視頻業(yè)務(wù)要求實時傳輸，可以容忍一定程度的誤碼。分析和試驗結(jié)果表明，對于使用移動衛(wèi)星信道傳輸視頻業(yè)務(wù)時，可以采用分層傳輸方式來提高系統(tǒng)可用性。分層編碼結(jié)合不等的錯誤保護(hù)，可以構(gòu)成一種有效抗誤碼措施。分層編碼還可以靈活調(diào)整編碼速率，用戶可以根據(jù)信道的容量與需求，接收一個或多個分層，從而恢復(fù)出不同質(zhì)量與分辨率的視頻信號。