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        面向高速移動(dòng)場景的高速公路視頻采集和自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2024-05-06 08:11:46周方正
        電子設(shè)計(jì)工程 2024年9期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)頻數(shù)據(jù)包信道

        周方正

        (廣州市道路研究院有限公司,廣東廣州 511431)

        高速移動(dòng)場景給高速公路視頻的高質(zhì)量采集及自動(dòng)化傳輸帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-3],多普勒頻移、快時(shí)變信道衰落問題是影響高速公路視頻傳輸質(zhì)量的重要因素[4-6],因此提高高速公路視頻采集和自動(dòng)化傳輸質(zhì)量是當(dāng)前亟待解決的問題[7-8]。

        孫楠等人利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù),完成了標(biāo)準(zhǔn)視頻流的快速傳輸,但該系統(tǒng)無法適用于高速移動(dòng)場景[9];王毅等人采用Hi3559+FPGA 硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸,在一定程度上改善了視頻傳輸效果,但未考慮時(shí)變信道衰落等因素的影響,導(dǎo)致系統(tǒng)視頻傳輸性能不突出[10]。為此,文中設(shè)計(jì)了面向高速移動(dòng)場景下的高速公路視頻采集和自動(dòng)化傳輸系統(tǒng),以降低時(shí)變信道衰落及多普勒頻移等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效果的影響,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量采集與傳輸。

        1 視頻采集和自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)

        1.1 采集和自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)整體架構(gòu)

        圖1 所示為高速公路視頻采集和自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)整體架構(gòu),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由四部分構(gòu)成:

        圖1 采集和自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

        1)數(shù)據(jù)采集層由紅外傳感器、線圈傳感器、聲光熱傳感器及高清定焦、快球攝像機(jī)設(shè)備構(gòu)成。

        2)數(shù)據(jù)處理層主要是處理采集的高速公路視頻圖像信息,由預(yù)處理和圖像增強(qiáng)兩模塊構(gòu)成。

        3)數(shù)據(jù)傳輸層是通過無線數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)調(diào)用基于BEM-wiener 的信道估計(jì)算法將高速公路視頻信息實(shí)時(shí)、快速上傳給數(shù)據(jù)中心,以滿足時(shí)變信道下高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸要求[11-12]。

        4)數(shù)據(jù)應(yīng)用層通過對(duì)視頻信息進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)高速公路路況路段突發(fā)事件等的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

        1.2 基于FPGA的視頻采集模塊設(shè)計(jì)

        高速公路視頻是實(shí)現(xiàn)后續(xù)路況、異常事件監(jiān)測的基礎(chǔ),為提高視頻采集質(zhì)量,數(shù)據(jù)采集層基于FPGA 技術(shù)設(shè)計(jì)采集模塊[13-15],采集模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。攝像機(jī)一經(jīng)通電,I2C 總線即開始執(zhí)行攝像機(jī)ADV 解碼芯片的初始化處理工作,再采集高清攝像機(jī)AV 模擬信號(hào),對(duì)信號(hào)作轉(zhuǎn)換處理,獲得滿足ITU656 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)。

        圖2 基于FPGA的采集模塊基本結(jié)構(gòu)

        1.3 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)策略

        基于GSM-R 的高速公路視頻信息傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示,該網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)匯接網(wǎng)絡(luò)TMSC 和移動(dòng)本地網(wǎng)MSC 構(gòu)成。設(shè)計(jì)傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí),僅需將移動(dòng)匯接網(wǎng)TMSC 部署于高速公路沿線的部分大區(qū)域中,以網(wǎng)狀網(wǎng)方式相連[16]。該設(shè)計(jì)方式可有效提升傳輸質(zhì)量,也可縮減技術(shù)投資成本。

        圖3 GSM-R視頻信息傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        在高速公路視頻信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中,構(gòu)成移動(dòng)本地網(wǎng)的重要設(shè)備除了網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心GMSC 以及歸屬位置寄存器之外,還包括移動(dòng)交換中心MSC,MSC 配置時(shí)需遵循以下規(guī)則:

        1)在基于GSM-R 的高速公路視頻信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中,高速公路沿線數(shù)個(gè)區(qū)域僅需配置一個(gè)MSC,在配置時(shí)需將地理環(huán)境因素考慮在內(nèi)。

        2)在高速公路沿線大區(qū)域范圍內(nèi),交換設(shè)備的配置要依據(jù)大容量規(guī)則,傳輸任務(wù)較低的移動(dòng)本地網(wǎng)不再配置獨(dú)立MSC 設(shè)備。

        3)MSC 要盡可能部署在高速公路路段監(jiān)控中心或數(shù)據(jù)中心。

        1.4 面向高速移動(dòng)場景下的信道估計(jì)

        假定無線數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)中的信道路徑總量為L,其分布在高速公路的多個(gè)點(diǎn)上,對(duì)于傳輸信道路徑l(l=0,1,…,L-1),其時(shí)域沖擊響應(yīng)可通過下式進(jìn)行計(jì)算:

        式中,路徑l上的時(shí)延為τl;信道總時(shí)延為τ;采樣點(diǎn)編號(hào)為n,總采樣點(diǎn)數(shù)為N;多普勒頻移為vl,其既與信道有關(guān),也與車速有關(guān);GFDM 符號(hào)的采樣時(shí)間間隔為tsymbol,總采樣時(shí)長為t。路徑l的增益與初始相位為al。設(shè)定GFDM 符號(hào)的時(shí)間間隔需高于路徑時(shí)延大小,即tsymbol>τl,則傳輸信道路徑的頻域沖擊響應(yīng)可通過下式確定:

        式中,子載波總數(shù)表示為K,第k個(gè)子載波上傳輸?shù)母咚俟芬曨l信息表示為ak。

        在高速移動(dòng)場景下,接收機(jī)在時(shí)間點(diǎn)n獲得的GFDM 信號(hào)可通過下式進(jìn)行描述:

        式中,高速公路視頻信息在無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信道傳輸時(shí)受到的加性高斯白噪聲干擾用wn表示;此時(shí)傳輸路徑的信道參數(shù)表示為hl[n],其表示時(shí)域上的信道沖激響應(yīng),n代表時(shí)刻;子載波頻率下的高速公路視頻信息序列表示為x[n]。

        面向高速移動(dòng)場景傳輸時(shí),傳輸信道表現(xiàn)為在GFDM 符號(hào)時(shí)間間隔內(nèi)快速改變,其頻域信道矩陣不再是對(duì)角矩陣,傳統(tǒng)方法已無法實(shí)現(xiàn)傳輸信道的精準(zhǔn)估計(jì)。因此,采用BEM-wiener 信道估計(jì)算法,在BEM 確定導(dǎo)頻符號(hào)信道估計(jì)值的基礎(chǔ)上,用四階滑動(dòng)頻域維納濾波確定各導(dǎo)頻時(shí)隙數(shù)字符號(hào)后,利用二階滑動(dòng)時(shí)域維納濾波作內(nèi)插處理,獲得其他數(shù)據(jù)符號(hào)的信道估計(jì)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)場景下視頻自動(dòng)化傳輸信道選擇。

        高速公路視頻傳輸時(shí),根據(jù)信道時(shí)域改變的關(guān)聯(lián)性特點(diǎn),BEM 模型能夠利用具有正交性的基函數(shù)實(shí)現(xiàn)信道沖擊響應(yīng)的擬合處理,通過確定每條時(shí)延路徑下的基函數(shù)系數(shù),即可完成快速時(shí)變信道沖擊響應(yīng)的確定。在瑞利信道下,NL個(gè)沖擊響應(yīng)值可通過(Q+1)L個(gè)系數(shù)進(jìn)行擬合,傳輸至接收機(jī)的視頻GFDM 時(shí)域信號(hào)描述如下:

        式中,導(dǎo)頻、數(shù)據(jù)符號(hào)分別為xPilot、xData,導(dǎo)頻符號(hào)是已知的、預(yù)先插入到發(fā)送信號(hào)中的特殊符號(hào),以在接收端估計(jì)信道的沖激響應(yīng)。導(dǎo)頻符號(hào)通常具有已知的調(diào)制方式和頻率,用于提供參考信號(hào)以進(jìn)行信道補(bǔ)償和等化。數(shù)據(jù)符號(hào)是要傳輸?shù)膶?shí)際信息的符號(hào),其可被編碼、調(diào)制與導(dǎo)頻符號(hào)一起組成GFDM符號(hào);高斯白噪聲干擾為w;每個(gè)導(dǎo)頻GFDM 符號(hào)均由P個(gè)子符號(hào)構(gòu)成,其中子符號(hào)p(p=1,2,…,P)的頻域可由下式確定:

        式中,對(duì)于子符號(hào)p,其頻域解調(diào)脈沖響應(yīng)為Gp,接收的高速公路視頻信號(hào)為Xp,噪聲為W。

        通過下式描述GFDM 導(dǎo)頻接收矢量:

        對(duì)于GFDM 符號(hào)塊,其在Ts采樣周期內(nèi)的最大多普勒頻域標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果通過下式描述:

        式中,CP 符號(hào)的長度表示為NCP,GFDM 信號(hào)長度為N,標(biāo)準(zhǔn)化處理后的多普勒頻移為fdTs。

        無線傳輸信道能夠分離的延遲路徑總量為L;利用一組基函數(shù)的線性組合可實(shí)現(xiàn)信道抽頭l在高速公路視頻幀中的改變的描述,信道中不能夠分離的路徑通過q(q=0,1,…,Q)表示。利用BEM 模型實(shí)現(xiàn)GFDM 符號(hào)塊信道估計(jì),在時(shí)間點(diǎn)n下,信道抽頭l的信道增益計(jì)算公式為:

        根據(jù)多普勒頻移大小確定BEM 模型階數(shù)Q+1的值。子符號(hào)p通過下式確定:

        式中,bp,q=[bq,I+0,bq,I+1,…,bq,I+N-1],基擴(kuò)展矩陣表示為I=N+NCP,由此可確定GFDM 導(dǎo)頻符號(hào)塊頻域描述公式:

        式中,第q個(gè)路徑的頻域解調(diào)脈沖響應(yīng)表示為Gq。

        確定導(dǎo)頻符號(hào)信道估計(jì)結(jié)果后,與濾波矩陣λ相乘,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)符號(hào)信道估計(jì)值的確定。

        2 仿真實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

        以某高速公路為研究對(duì)象,該高速始于A 地止于B 地,總長度348 km,全路段共有24 個(gè)收費(fèi)站、5個(gè)服務(wù)區(qū)、一個(gè)監(jiān)控中心以及7 個(gè)監(jiān)控分中心。將所提系統(tǒng)應(yīng)用到高速公路視頻采集與自動(dòng)化傳輸中,驗(yàn)證所提系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

        2.2 系統(tǒng)采集性能分析

        應(yīng)用所提系統(tǒng)采集該高速公路沿線各路段視頻圖像信息,結(jié)果如圖4 所示。分析圖4 可知,所提系統(tǒng)采集的視頻圖像畫面清晰,色彩飽和度高,未出現(xiàn)圖像邊緣不清、扭曲等問題;同時(shí)包含更多的場景信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提系統(tǒng)具有高速公路視頻采集功能,視頻采集效果較好。

        圖4 高速公路視頻采集結(jié)果分析

        2.3 數(shù)據(jù)包接收成功概率分析

        數(shù)據(jù)包接收概率是衡量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能的重要指標(biāo),選擇文獻(xiàn)[9-10]系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知,隨高速公路車輛運(yùn)行速度的增大,各系統(tǒng)接收成功概率呈不斷降低趨勢,當(dāng)車輛運(yùn)行速度較低時(shí),各系統(tǒng)在高速公路視頻數(shù)據(jù)包傳輸上均達(dá)到較好的效果,接收成功概率較高,當(dāng)運(yùn)行速度超過80 km/h 后,兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包接收成功概率呈現(xiàn)出大幅下降趨勢,數(shù)據(jù)傳輸劣勢越發(fā)凸顯,其中文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)接收成功概率最低,傳輸性能最差;所提系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸,當(dāng)車輛運(yùn)行速度達(dá)到150 km/h 時(shí),接收成功概率依然可達(dá)到0.90 左右,說明該系統(tǒng)可應(yīng)對(duì)高速移動(dòng)場景下快時(shí)變信道衰落以及多普勒頻移大等問題,確保數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

        圖5 接收成功概率關(guān)系分析

        2.4 數(shù)據(jù)傳輸性能分析

        設(shè)定車輛運(yùn)行速度為100 km/h 和160 km/h 兩種高速移動(dòng)場景,基于這兩種場景,測試在不同信噪比下的誤比特率(BER),結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知,隨系統(tǒng)信噪比的增大,BER 指標(biāo)不斷減小。在相同移動(dòng)場景、同一系統(tǒng)信噪比條件下,文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)的BER 值始終最高,所提系統(tǒng)的BER 值最低。相比于移動(dòng)場景一,移動(dòng)場景二下各系統(tǒng)BER 值均有不同程度的增長,其中文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)的BER 指標(biāo)值增長最大,所提系統(tǒng)的BER 指標(biāo)值變化最小。所提系統(tǒng)通過精準(zhǔn)估計(jì)時(shí)變信道,降低了信道多普勒頻移及信道頻繁切換帶來的子載波干擾,使數(shù)據(jù)傳輸性能獲得提升。

        圖6 各系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能對(duì)比分析

        2.5 數(shù)據(jù)包傳輸效果測試

        對(duì)任意五個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的高速公路視頻同時(shí)采集,采集時(shí)間為5 s,獲得70 個(gè)高速公路視頻數(shù)據(jù)包,應(yīng)用所提系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)中心,分析數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果,驗(yàn)證所提系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性,結(jié)果如表1 所示。由表1可知,應(yīng)用所提系統(tǒng)進(jìn)行傳輸,數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間最多不超過2.5 s,最大丟包率為1.25%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速公路視頻的有效傳輸,數(shù)據(jù)傳輸效果突出。

        表1 數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)果

        3 結(jié)束語

        將所提系統(tǒng)應(yīng)用到某高速公路視頻采集與傳輸中,通過分析高速公路視頻圖像采集結(jié)果及不同高速移動(dòng)場景下的數(shù)據(jù)傳輸效果,研究其實(shí)際應(yīng)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速公路視頻采集,視頻圖像清晰、視野寬闊,包含更多的場景信息;高速公路視頻傳輸效果突出,數(shù)據(jù)包接收成功率可達(dá)到0.9 左右,不同高速移動(dòng)場景下,BER 指標(biāo)值均最低,數(shù)據(jù)包傳輸速率高。

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