張克楠 李興乾 張亞鋒 丁凱 趙茂華 龍吟 周昊澄 駱成棟 趙文彥

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2 上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

天地視頻/音頻通信是指載人航天器與地面通信站之間的通信。其主要功能是完成載人航天器天地視頻/音頻信息的傳輸[1]。在幾乎所有的載人航天任務(wù)和深空探測任務(wù)中,天地視頻/音頻通信都發(fā)揮了極為重要的作用。

目前,天地視頻/音頻通信是建立在天地一體化網(wǎng)絡(luò)之上的,通過天地一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)地面通信網(wǎng)和空間通信網(wǎng)的無縫連接[2]。在國外,“國際空間站”上已經(jīng)進(jìn)行了基于IP網(wǎng)絡(luò)的天地通信協(xié)議試驗[3],但并未作為任務(wù)系統(tǒng)投入使用。國內(nèi)對天地一體化網(wǎng)絡(luò)的研究從10余年前開始興起[4-10],并最終作為任務(wù)系統(tǒng)在天舟一號貨運(yùn)飛船上首次投入使用,在空間站建造階段經(jīng)過天舟一號至天舟五號的成功發(fā)射和在軌飛行得到充分驗證。由于載人航天器通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)在鏈路層差異較大,為實(shí)現(xiàn)二者融合需要建立天地一體化的信息傳輸系統(tǒng)。

本文提出一種天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計,采用基于國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)的IP技術(shù)(IP over CCSDS技術(shù))[11]屏蔽載人航天器通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)鏈路層的差異,實(shí)現(xiàn)載人航天器與地面站端到端的一體化通信;針對不同類型、不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù),采用靜態(tài)優(yōu)先級和輪詢調(diào)度策略相結(jié)合的調(diào)度方式實(shí)現(xiàn)信道資源的合理復(fù)用;采用里德-所羅門(RS)編碼、加擾、同步等一系列服務(wù)質(zhì)量(QoS)手段保證視頻/音頻通信質(zhì)量。地面測試和在軌飛行驗證結(jié)果表明:本文提出的天地視頻/音頻通信網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)天地之間視頻和音頻的流暢清晰傳輸。

1 天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計

天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)由載人航天器通信網(wǎng)和地面通信網(wǎng)組成,如圖1所示。載人航天器通信網(wǎng)由艙內(nèi)攝像機(jī)、艙外攝像機(jī)、無線收發(fā)設(shè)備、無線送受話器、以太網(wǎng)交換機(jī)、高速通信處理器、信號處理單元、中繼天線和儀表顯示器組成,其中,高速通信處理器是載人航天器通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。地面通信網(wǎng)由中繼衛(wèi)星和地面站組成。

注:PAL-D為逐行倒相-D;AOS為高級在軌系統(tǒng)。圖1 天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Space-ground video/audio communications network

艙內(nèi)攝像機(jī)可以同時輸出高清圖像和PAL-D模擬圖像,艙外攝像機(jī)可以在輸出低速圖像和高清圖像2種工作模式之間切換。低速圖像采用MPEG-4編碼,高清圖像采用H.264編碼。艙外攝像機(jī)將低速和高清圖像通過以太網(wǎng)交換機(jī)送至高速通信處理器,先由網(wǎng)絡(luò)主控模塊按照實(shí)時傳輸協(xié)議(RTP)/用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)/IP協(xié)議進(jìn)行封裝,然后再由AOS模塊按照IP over CCSDS協(xié)議組幀后送至信號處理單元進(jìn)行信道編碼和調(diào)制,最后通過中繼天線下傳。

艙內(nèi)攝像機(jī)將模擬圖像直接送至高速通信處理器視頻編解碼模塊中以H.264或MPEG-4編碼,再由網(wǎng)絡(luò)主控模塊按照RTP/UDP/IP協(xié)議順序進(jìn)行封裝,由AOS模塊按照IP over CCSDS協(xié)議進(jìn)行組幀,然后送至信號處理單元進(jìn)行信道編碼和調(diào)制,最后通過中繼天線下傳。

無線送受話器將話音源碼送至高速通信處理器話音編解碼模塊以高級音頻編碼(AAC)算法進(jìn)行編碼,再進(jìn)行加密,然后由網(wǎng)絡(luò)主控模塊按照RTP/UDP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝,再由AOS模塊按照IP over CCSDS協(xié)議組幀后送至信號處理單元進(jìn)行信道編碼和調(diào)制,最后通過中繼天線下傳。下行視頻/話音處理流程如圖2所示。

為配合下行圖像用于雙向視頻通話,地面站上行H.264編碼的標(biāo)清圖像。上行圖像碼流經(jīng)中繼天線接收后送至信號處理單元進(jìn)行解調(diào)和信道譯碼得到基帶信號;將基帶信號送至高速通信處理器AOS模塊按照IP over CCSDS協(xié)議進(jìn)行幀解析,然后送至網(wǎng)絡(luò)主控模塊按照IP/UDP/RTP協(xié)議順序進(jìn)行解析,取出視頻數(shù)據(jù)流;對視頻數(shù)據(jù)流按照H.264算法進(jìn)行解碼,再依次進(jìn)行數(shù)據(jù)幀處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模擬圖像重建,然后送至儀表顯示器顯示。上行視頻處理流程如圖3所示。

上行話音信號經(jīng)過信號處理單元解調(diào)和信道譯碼后送至高速通信處理器話音編解碼模塊,完成解密和解碼。解碼后的數(shù)據(jù)送到AOS模塊按照IP over CCSDS幀解析,然后送至網(wǎng)絡(luò)主控模塊按照IP/UDP/RTP協(xié)議順序進(jìn)行解析,取出音頻數(shù)據(jù)流;對音頻數(shù)據(jù)流按照AAC算法進(jìn)行解碼,然后送至航天員。上行話音處理流程如圖4所示。

天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)按照5層協(xié)議體系架構(gòu)組幀。應(yīng)用層采用支持圖像話音實(shí)時傳輸?shù)腞TP協(xié)議;傳輸層采用無連接的UDP協(xié)議;網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議;數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.3協(xié)議實(shí)現(xiàn)載人航天器通信網(wǎng)內(nèi)部有線通信,采用IP over CCSDS協(xié)議實(shí)現(xiàn)載人航天器通信網(wǎng)和地面通信網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)包傳輸。載人航天器通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)之間的物理層采用Ka頻段射頻鏈路。天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖5所示。

注:NRZ-L為非歸零電平碼;NRZ-M為非歸零傳號碼。圖2 下行視頻/話音處理流程Fig.2 Downlink video/audio processing procedure

圖3 上行視頻處理流程Fig.3 Uplink video processing procedure

圖4 上行話音處理流程Fig.4 Uplink audio processing procedure

圖5 天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Fig.5 Protocol stack of space-ground video/audio communications network

1.1 IP over CCSDS技術(shù)

神舟飛船天地數(shù)據(jù)傳輸未采用IP over CCSDS技術(shù),僅支持傳輸速率為32kbit/s的話音通信和傳輸速率為768kbit/s分辨率為352×288像素的低速圖像傳輸,不支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,存在數(shù)據(jù)速率較低且固定、數(shù)據(jù)類型單一且固定的不足。目前,地面通信網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),航天器上的計算機(jī)設(shè)備越來越多,采用IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)航天器設(shè)備之間的信息互連,既能夠充分利用成熟的IP技術(shù),統(tǒng)一設(shè)備間接口和交互協(xié)議,提高設(shè)備的通用性和靈活性;又可以統(tǒng)一天地間的通信協(xié)議,減少協(xié)議轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。本文提出的天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò),采用IP over CCSDS技術(shù)屏蔽載人航天器通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)鏈路層的差異,實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)終端的自由接入和天地網(wǎng)絡(luò)間端到端一體化通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型動態(tài)配置和數(shù)據(jù)速率動態(tài)配置。上行速率達(dá)到5Mbit/s,下行速率達(dá)到144Mbit/s,雙向時延550ms;可同時支持速率為7.68Mbit/s、分辨率為1920×1080像素的高清圖像傳輸和速率為1.92Mbit/s、分辨率為704×576像素的標(biāo)清圖像傳輸,以及速率為768kbit/s、分辨率為352×288像素的低速圖像傳輸和速率為192kbit/s的高質(zhì)量話音通信。IP over CCSDS技術(shù)通過CCSDS AOS協(xié)議傳輸IP數(shù)據(jù)包,在每個IP數(shù)據(jù)包包頭前插入CCSDS IP擴(kuò)展(IPE)字節(jié)封裝成CCSDS封裝包,然后在1個或者多個CCSDS AOS幀中傳輸這些封裝包。

CCSDS AOS幀格式如圖6所示。AOS幀數(shù)據(jù)域根據(jù)所承載的業(yè)務(wù)不同,采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

視頻/音頻數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的AOS幀數(shù)據(jù)域為多路復(fù)接協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU),MPDU的數(shù)據(jù)域為CCSDS封裝包(承載CCSDS封裝包導(dǎo)頭IPE與IP協(xié)議數(shù)據(jù)單元)或空閑封裝包,如圖7所示。MPDU導(dǎo)頭長16bit,其中:前5bit設(shè)置為保留域,填充全0;后11bit為首導(dǎo)頭指針,指向第1個完整的CCSDS封裝包的第1個字節(jié)所在位置,從0開始依次遞增。根據(jù)CCSDS封裝包導(dǎo)頭中包長度,就可以區(qū)分出每個獨(dú)立的CCSDS封裝包。如果MPDU數(shù)據(jù)域的第1個字節(jié)就是CCSDS封裝包的第1個字節(jié),則首導(dǎo)頭指針為全0;如果MPDU數(shù)據(jù)域中不包含CCSDS封裝包導(dǎo)頭,那么首導(dǎo)頭指針為全1;如果MPDU數(shù)據(jù)域全部為填充數(shù)據(jù),那么首導(dǎo)頭指針設(shè)為11111111110。

由于IP數(shù)據(jù)包長度約束為46～1500byte,而MPDU數(shù)據(jù)域長度為884byte,因此需要根據(jù)IP數(shù)據(jù)包的大小判斷是否將一個完整的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分割,并在多個AOS幀中傳輸。如果IP數(shù)據(jù)包無法填滿MPDU數(shù)據(jù)域,則在MPDU數(shù)據(jù)域中插入空閑數(shù)據(jù),以保持AOS幀的完整。

圖6 CCSDS AOS幀格式Fig.6 CCSDS AOS frame structure

圖7 MPDU幀格式Fig.7 MPDU frame structure

1.2 調(diào)度策略

天地一體化網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類繁多,依照數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)可以分為3類,為3類數(shù)據(jù)分配不同的虛擬信道。第1類是控制數(shù)據(jù),其特點(diǎn)是實(shí)時性要求高、可靠性要求高,數(shù)據(jù)流量低,但具有突發(fā)性;第2類是視頻/音頻數(shù)據(jù),其特點(diǎn)是實(shí)時性要求高,時延要求高,丟幀誤幀要求相對不高,數(shù)據(jù)流量比較固定;第3類是試驗數(shù)據(jù),其特點(diǎn)是實(shí)時性要求低,時延要求低,可靠性要求相對不高,數(shù)據(jù)流量大。由于天地間的信道容量有限,為提高信道資源利用率,需要制定合理的虛擬信道調(diào)度策略,以滿足3類數(shù)據(jù)的傳輸需求。虛擬信道調(diào)度實(shí)質(zhì)上可以等效為一個排隊模型,是消失制和等待制的混合模型,即在新數(shù)據(jù)幀到達(dá)時,如果已經(jīng)到達(dá)的數(shù)據(jù)幀正在被處理,則新到達(dá)的數(shù)據(jù)幀在緩存區(qū)未滿的條件下進(jìn)入緩存區(qū)內(nèi)等待輸出,否則就被丟棄。

最簡單的調(diào)度策略莫過于嚴(yán)格的周期輪詢(Strict Polling),例如3個虛擬信道按照…,1,2,3,1,2,3,…的順序輪流接受服務(wù);如果傳送幀數(shù)分別取為(1,1,1),則對3個虛擬信道是完全公平的,簡單表示為St(1,1,1),St代表嚴(yán)格的周期輪詢。此外,如果某一虛擬信道優(yōu)先級較高,可采用星輪轉(zhuǎn)(Star Polling)的方式,利用該方式強(qiáng)調(diào)其實(shí)時性,例如,虛擬信道2的優(yōu)先級較高,可按照…,2,1,2,3,2,1,2,3,…的順序輪流接受服務(wù),用S表示。以上是2種靜態(tài)調(diào)度方式,其特點(diǎn)是具有嚴(yán)格的周期性,因而實(shí)現(xiàn)簡單。但是在實(shí)際使用中,源包均是隨機(jī)到達(dá)的,而嚴(yán)格周期化的調(diào)度次序與源包的隨機(jī)到達(dá)幾乎完全不符,導(dǎo)致系統(tǒng)性能很難達(dá)到最優(yōu),因此需要進(jìn)一步研究動態(tài)調(diào)度的性能和可行性。動態(tài)調(diào)度有多種形式和原則,一般根據(jù)當(dāng)前的緩存容量或等待時間的要求進(jìn)行選擇。

本文提出的調(diào)度方式采用靜態(tài)優(yōu)先級和輪詢調(diào)度策略相結(jié)合的方式。虛擬信道調(diào)度過程需要對不同的虛擬信道設(shè)置不同的優(yōu)先級,承載控制數(shù)據(jù)的虛擬信道優(yōu)先級最高,其次為承載視頻/音頻數(shù)據(jù)的虛擬信道,承載試驗數(shù)據(jù)的虛擬信道優(yōu)先級最低,如表1所示。

表1 虛擬信道優(yōu)先級Table 1 Priority of virtual channels

調(diào)度模塊由多個輸入隊列和1個輸出隊列構(gòu)成,模塊首先對優(yōu)先級高的隊列進(jìn)行查詢,而對于同一優(yōu)先級的隊列則按一定順序查詢。接受查詢的隊列獲得服務(wù)機(jī)會,若該隊列中有數(shù)據(jù)包存在,則數(shù)據(jù)包被添加到輸出隊列;若該隊列無數(shù)據(jù),則繼續(xù)對下一個隊列進(jìn)行查詢,若在規(guī)定時限內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)沒有數(shù)據(jù)包,則填充空閑幀到輸出隊列。

曲靖市與文山州建立少數(shù)民族流動人口服務(wù)和管理協(xié)作機(jī)制 10月25日，曲靖市與文山州建立少數(shù)民族流動人口服務(wù)和管理協(xié)作機(jī)制。一是雙方建立少數(shù)民族流動人口流入地和流出地的信息溝通、情況通報制度；二是雙方協(xié)調(diào)本地區(qū)有關(guān)部門和有關(guān)縣（市、區(qū)），為少數(shù)民族流動人口提供必要的服務(wù)和適當(dāng)?shù)谋憷?；三是雙方著力維護(hù)少數(shù)民族流動人口合法權(quán)益；四是適時交流少數(shù)民族流動人口服務(wù)管理的做法和經(jīng)驗，共同促進(jìn)民族工作的開展。

1.3 QoS保證

為對抗噪聲干擾降低誤碼率,對AOS幀進(jìn)行信道編碼,采用RS(255,223)信道編碼算法為AOS幀加上校驗位,如圖8所示。使用RS(255,233)信道編碼算法后,在相同的信道誤碼率(1×10-6)條件下,丟幀率降低至不大于1×10-8。

為了避免出現(xiàn)全0、全1長碼,對圖8的AOS幀進(jìn)行加擾,采用偽隨機(jī)生成多項式生成偽隨機(jī)序列與AOS幀進(jìn)行異或。

為便于接收端確定幀頭位置進(jìn)行后續(xù)處理,在AOS幀頭前附加固定長度的同步碼塊,附加同步碼塊之后的幀格式如表2所示。接收端通過識別數(shù)據(jù)流中特定的同步碼塊實(shí)現(xiàn)同步,再通過進(jìn)一步的RS校驗確定同步。

圖8 加RS校驗位的AOS幀格式Fig.8 AOS frame structure with RS check bits

表2 加同步碼塊的幀格式Table 2 Frame structure with synchronization block

2 實(shí)例驗證

2.1 地面測試驗證

為驗證本文提出的設(shè)計方案,搭建了天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)地面測試系統(tǒng)(如圖9所示),用以太網(wǎng)交換機(jī)作為中心連接高速通信處理器、艙內(nèi)攝像機(jī)、交會對接攝像機(jī)、太陽翼攝像機(jī)、手機(jī)模擬航天器視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)。高速通信處理器接收以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)送的視頻/音頻IP數(shù)據(jù)包,封裝成AOS幀,將AOS幀發(fā)送至天地視頻/音頻通信設(shè)備,完成下行視頻/音頻數(shù)據(jù)傳輸。同時,從地面站上行AOS幀中解析出視頻/音頻IP數(shù)據(jù)包發(fā)送至以太網(wǎng)交換機(jī)。地面站網(wǎng)關(guān)完成和高速通信處理器相同的功能,使用圖像處理設(shè)備和話音處理設(shè)備分別完成下行圖像的解碼顯示和下行話音的解碼播放。在試驗過程中,圖像清晰丟幀率為0,誤碼率為0,測試結(jié)果如表3和表4所示。在進(jìn)行視頻傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)行雙向話音通話,話音清晰無卡頓,測試結(jié)果如表5所示。同時,對調(diào)度策略進(jìn)行測試,測試結(jié)果如表6所示。所有測試結(jié)果均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

圖9 天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)Fig.9 Testing system of space-ground video/audio communications network

表3 視頻傳輸測試結(jié)果Table 3 Video transmission testing results

表4 圖像指標(biāo)測試結(jié)果Table 4 Image quality testing results

表5 話音傳輸測試結(jié)果Table 5 Voice transmission testing results

表6 調(diào)度策略測試結(jié)果Table 6 Scheduling strategy testing results

2.2 在軌飛行驗證

本文提出的載人航天器天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到在軌飛行驗證。在天舟貨運(yùn)飛船與空間站核心艙交會對接過程中,艙內(nèi)攝像機(jī)和艙外攝像機(jī)通過中繼鏈路同時下傳高清圖像(如圖10～12所示)。所有圖像傳輸清晰流暢,無卡頓。

圖10 艙內(nèi)攝像機(jī)高清圖像Fig.10 High definition image shoot by cabin camera

圖11 太陽翼攝像機(jī)高清圖像Fig.11 High definition image shoot by solar wing camera

圖12 交會對接攝像機(jī)高清圖像Fig.12 High definition image shoot by docking camera

3 結(jié)束語

本文根據(jù)載人航天器天地數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),提出一種天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計。針對載人航天器通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)之間鏈路層的差異,使用IP over CCSDS技術(shù)構(gòu)建端到端一體化通信網(wǎng)絡(luò);提出一種靜態(tài)優(yōu)先級和輪詢調(diào)度相結(jié)合的調(diào)度方式提高信道資源利用率;采用RS編碼、加擾和同步一整套QoS措施,保證視頻/音頻傳輸質(zhì)量。在地面測試系統(tǒng)中對本文提出的天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試,結(jié)果表明:本文提出的天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)載人航天器與地面站之間的視頻/音頻通信,話音清晰視頻流暢,無誤碼且未發(fā)生丟包。本文提出的天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功應(yīng)用于天舟貨運(yùn)飛船,在天舟貨運(yùn)飛船與空間站核心艙交會對接過程中利用交會對接攝像機(jī)追蹤核心艙、觀察交會對接過程;利用太陽翼攝像機(jī)觀察太陽翼和中繼天線的工作情況;利用艙內(nèi)攝像機(jī)觀察貨運(yùn)飛船內(nèi)貨物情況,全過程視頻清晰流暢無卡頓。因此,在軌飛行充分驗證了天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)的可行性和有效性。由于天地往返傳輸時延對網(wǎng)絡(luò)性能的影響,本文提出的天地視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)目前只適用于低軌載人航天器,后續(xù)將針對遠(yuǎn)距離大時延對網(wǎng)絡(luò)性能的影響展開深入研究,探索適用于高軌載人航天器、深空探測的視頻/音頻通信網(wǎng)絡(luò)。