薛躍明 黃喆 張鳴之 石愛(ài)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(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)傳輸系統(tǒng)，解決衛(wèi)星音視頻通訊過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟包和信道網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題，并與已有遠(yuǎn)程會(huì)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(duì)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(duì)稱(chēng) 應(yīng)急

中圖分類(lèi)號(hào)：TN918.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)，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(wàn)千米的高空，其單向傳輸時(shí)延在230～270ms之間，往返時(shí)延長(zhǎng)達(dá)500ms以上，衛(wèi)星傳輸采用的TCP/IP協(xié)議由于延時(shí)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(duì)稱(chēng)性，比如，從衛(wèi)星到地面的前向鏈路會(huì)遠(yuǎn)大于反向鏈路。而且由于Internet應(yīng)用的不對(duì)稱(chēng)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?duì)稱(chēng)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(wú)論是平衡傳輸還是非平衡傳輸，都無(wú)法適應(yīng)這種傳輸比例大范圍內(nèi)變化的傳輸條件，都會(huì)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(lèi)似的通信，比如對(duì)于小型地球站其發(fā)送功率和天線(xiàn)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(duì)稱(chēng)系統(tǒng)研發(fā)需求

目前市場(chǎng)上能夠獲得的非對(duì)稱(chēng)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(duì)而已，然而經(jīng)過(guò)對(duì)多款設(shè)備實(shí)測(cè)，其實(shí)際碼流與設(shè)定值之間會(huì)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(shí)，會(huì)因?yàn)榫幋a流的不穩(wěn)定，致使衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織共同制定的，該標(biāo)準(zhǔn)最大的優(yōu)勢(shì)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(huà)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(huì)議等低延時(shí)情況下工作，能勝任視頻存儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)矢量，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的中值預(yù)測(cè)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(jiǎn)單易懂。

（6）H.264應(yīng)用環(huán)境場(chǎng)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(chǎng)合來(lái)選定自己的傳輸和播放速率.并可以進(jìn)行錯(cuò)誤處理，能夠更好地對(duì)丟包和誤碼進(jìn)行控制和處理。

（7）更強(qiáng)的糾錯(cuò)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(cuò)誤的必要工具。H.264技術(shù)自帶的糾錯(cuò)工具，能在網(wǎng)絡(luò)傳輸、特別是無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)沫h(huán)境中，實(shí)現(xiàn)快速的糾錯(cuò)。

（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(duì)語(yǔ)法元素的熵編碼，二是針對(duì)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(guó)內(nèi)外電子芯片生產(chǎn)廠(chǎng)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(mǎn)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(duì)稱(chēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“高清非對(duì)稱(chēng)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(shí)延抖動(dòng)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(huì)商系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加第二高清傳輸通道的開(kāi)通。

高清非對(duì)稱(chēng)傳輸系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)視頻編解碼系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出支持獨(dú)立控制的一套面對(duì)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(duì)稱(chēng)。設(shè)備體積150×150×25（mm），重量小于500g，以滿(mǎn)足便攜應(yīng)用需求。整個(gè)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(jià)。

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

高清非對(duì)稱(chēng)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(guó)應(yīng)急系統(tǒng)有實(shí)用價(jià)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(tái)的高清非平衡系統(tǒng)，系統(tǒng)需兼容應(yīng)急平臺(tái)已有的流媒體發(fā)布平臺(tái)。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(duì)稱(chēng)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(kāi)銷(xiāo)；目前各視音頻平臺(tái)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定。

5 系統(tǒng)研發(fā)成果

5.1 非對(duì)稱(chēng)傳輸發(fā)射板與接收板

非對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸及編碼的專(zhuān)用硬件設(shè)備。非對(duì)稱(chēng)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(lèi)型的高清視頻信號(hào)格式，可用一個(gè)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(duì)稱(chēng)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(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)和音頻信號(hào)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳送的場(chǎng)合。圖像清晰，亮度、對(duì)比度、飽和度、色度可調(diào)，網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性完美，時(shí)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欧绞健？蓪?shí)現(xiàn)穩(wěn)定的廣播級(jí)質(zhì)量的遠(yuǎn)程音視頻傳輸及編解碼；如圖3所示。

非對(duì)稱(chēng)傳輸發(fā)射板和接收板主要特點(diǎn)：

（見(jiàn)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(hào)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(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shí)：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(shí)性好，視頻、音頻同步性好，延時(shí)低于300ms。

5.2 系統(tǒng)板卡測(cè)試結(jié)果

將非對(duì)稱(chēng)傳輸發(fā)射板接入輕型衛(wèi)星集成終端測(cè)試位置位于北京房山；非對(duì)稱(chēng)傳輸發(fā)射板接入環(huán)境院應(yīng)急會(huì)商指揮車(chē)測(cè)試位置在房山門(mén)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(duì)非對(duì)稱(chēng)傳輸發(fā)射板（HDMI接口板）、非對(duì)稱(chēng)傳輸發(fā)射板（YPbPr接口板）、非對(duì)稱(chēng)傳輸接收板（HDMI接口板）和非對(duì)稱(chēng)傳輸接收板（YPbPr接口板）四塊板卡設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。在編碼速率大于1.2M，通道速率大于2M時(shí)，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(shí)圖像邊際不太清晰，總體圖像質(zhì)量能滿(mǎn)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(shí)圖像質(zhì)量顯明下降，甚至還不如標(biāo)清視頻的效果（測(cè)試結(jié)果如表1）。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目研發(fā)的高清非對(duì)稱(chēng)傳輸系統(tǒng)，利用衛(wèi)星傳輸?shù)姆菍?duì)稱(chēng)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(cè)試能夠與已有衛(wèi)星應(yīng)急會(huì)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。