一種用于衛星傳輸的高清非對稱傳輸系統設計

薛躍明 黃喆 張鳴之 石愛軍 馬娟

摘要：利用衛星通訊傳輸系統雙向數據信息信道較大的不對稱性，在H.264編碼的基礎上，研發適用與應急衛星通訊的高清非對稱傳輸系統，解決衛星音視頻通訊過程中的數據丟包和信道網絡擁塞等問題，并與已有遠程會商應急指揮系統集成，取得較好的效果，大大提高衛星帶寬資源的利用率，并對系統在衛星通信應用領域進行了展望。

關鍵詞：衛星通訊 非對稱 應急

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

1 概述

由于衛星通信的快速發展，以及Internet需求的驅動，衛星通信下轉向數據通信的全面需求，由于通信衛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500ms以上，衛星傳輸采用的TCP/IP協議由于延時導致了TCP端確認信息的延遲。

許多衛星系統在雙向的數據信道音有較大帶寬不對稱性，比如，從衛星到地面的前向鏈路會遠大于反向鏈路。而且由于Internet應用的不對稱性，現有的網絡通信中，不平衡傳輸現象非常嚴重，即傳輸的非對稱現象。以3W瀏覽為例，一般上下行信道的數據量差異為1∶5至1∶10，如果應用網絡多媒體，那么這種比例將達到1∶1000至1∶100000，任何現有的網絡，無論是平衡傳輸還是非平衡傳輸，都無法適應這種傳輸比例大范圍內變化的傳輸條件，都會造成傳輸信道的浪費或成本的大幅度提高。在衛星通信系統中也存在類似的通信，比如對于小型地球站其發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的速率小的多。

2 高清非對稱系統研發需求

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）不穩定，事實上帶寬占用恒定也只是相對而已，然而經過對多款設備實測，其實際碼流與設定值之間會有較大的誤差，以至于在衛星通信系統中應用這些設備時，會因為編碼流的不穩定，致使衛星通信系統對超出衛星系統設備的設定的部分碼流進行甩包處理，最終造成收視端出現馬賽克或者丟幀甚至失同步；如圖1所示。

3 H.264編碼技術特點

H.264作為新一代的視頻壓縮標準，是由ITU和ISO/IEC兩大國際標準組織共同制定的，該標準最大的優勢是具有很高的數據壓縮比率，且能夠很好的適應當前復雜的網絡環境，但H.264編碼復雜度也是最高的。

H.264標準的主要特點如下：

（1）編碼的效率較以往技術標準大幅提高：和MPEG-2及MPEG-4ASP等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數據量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。

（2）在較差的網絡環境下能夠提供高質量的視頻畫面：H.264能夠在低碼率情況下提供高質量的視頻圖像，在較低帶寬上提供高質量的圖像傳輸是H.264的應用亮點。

（3）跟以往的技術標準相比較適應能力更強：H.264既可適應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器環境中的工作。

（4）采用混合編碼結構，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結構，即運動補償加變換編碼的混合結構，因此它保留了一些先前標準的特點，如不受限制的運動矢量，對運動矢量的中值預測等。

（5）和H.263等技術編碼相比，編碼選項更少，使編碼更加簡單易懂。

（6）H.264應用環境場合較以往技術標準更加廣泛：H.264編碼技術可以根據工作場合來選定自己的傳輸和播放速率.并可以進行錯誤處理，能夠更好地對丟包和誤碼進行控制和處理。

（7）更強的糾錯能力：H.264提供了解決在不穩定網絡環境下容易發生的丟包等錯誤的必要工具。H.264技術自帶的糾錯工具，能在網絡傳輸、特別是無線傳輸的環境中，實現快速的糾錯。

（8）H.264編碼復雜程度更深：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的熵編碼方法，編碼復雜程度是H.263標準的2倍以上。

據此，本系統以H.264為基礎，綜合分析國內外電子芯片生產廠商的技術資料，從信源處理、壓縮（解壓縮）編碼計算、板塊管理、電源管理、通信服務等各方面優選出滿足項目要求的芯片，組合成新的項目目標板卡。

4 高清非對稱系統設計

“高清非對稱傳輸系統”在目前使用的產品的技術基礎上研發，確保可在現有系統中有效使用。系統采用目前最先進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，在時延抖動處理、恒碼流控制技術方面需有效結合衛星信道傳輸的最新技術特點，在可實用的帶寬內完成在目前會商系統的基礎上增加第二高清傳輸通道的開通。

高清非對稱傳輸系統借鑒傳統視頻編解碼系統開發出支持獨立控制的一套面對面的傳輸系統，系統可實現非平衡的定向交叉工作；如圖2所示。

系統設計視頻分辨率達到720P以上，接口設計定位為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。設備體積150×150×25（mm），重量小于500g，以滿足便攜應用需求。整個設備的功耗降低小于5瓦，芯片布置密度大大提高，減少散熱片等額外負擔，降低設備體積重量不以犧牲可靠性為代價。

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

高清非對稱傳輸系統具備在有限帶寬內進行傳輸高清的控制技術，在全國應急系統有實用價值，系統最終目標為具備經濟性的適合應急衛星平臺的高清非平衡系統，系統需兼容應急平臺已有的流媒體發布平臺。系統控制管理軟件，有設備管理、操作權限、點播、直撥、錄制、流媒體發布等功能。

高清非對稱傳輸系統采用先進的編碼算法，碼流低且穩定，減少帶寬開銷；目前各視音頻平臺的算法以地面通信應用為基本點，在保證視音頻質量的前提下，要求通信鏈路帶寬較大情況下，尋找一種只犧牲大動態圖像質量的低比特率算法，減少衛星鏈路造成的甩包丟包，實現帶寬占用的相對穩定。

5 系統研發成果

5.1 非對稱傳輸發射板與接收板

非對稱傳輸發射板和接收板是依據本項目的項目目標研發的用于非對稱信號網絡傳輸及編碼的專用硬件設備。非對稱傳輸發射板兼容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、以太網輸入接口以及用于設備調試與管理的UART串行接口，非對稱傳輸發射板可將YPbPr接口或HDMI接口輸入及音頻輸入的音視頻信號經過硬件編碼后在IP網絡上進行傳輸。該產品填補業內空白，可廣泛用于YPbPr、HDMI信號和音頻信號遠程網絡傳送的場合。圖像清晰，亮度、對比度、飽和度、色度可調，網絡傳輸實時性完美，時延小于300ms，音視頻準確同步。支持單播、組播及廣播傳輸等通信方式。可實現穩定的廣播級質量的遠程音視頻傳輸及編解碼；如圖3所示。

非對稱傳輸發射板和接收板主要特點：

（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），實現了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，可實現電腦屏幕的網絡傳輸；同時兼容720P輸入等；且實現輸入分辨率自適應功能多種通信方式：可通過網絡對設備進行配置；支持單播、組播及廣播傳輸等通信低延時：系統采用高性能DSP處理芯片，編碼效率及傳輸效率更高，實時性好，視頻、音頻同步性好，延時低于300ms。

5.2 系統板卡測試結果

將非對稱傳輸發射板接入輕型衛星集成終端測試位置位于北京房山；非對稱傳輸發射板接入環境院應急會商指揮車測試位置在房山門頭溝永定河附近；輕型衛星集成終端上行衛星帶寬分別設為2Mbps和1.5Mbps對非對稱傳輸發射板（HDMI接口板）、非對稱傳輸發射板（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）四塊板卡設備進行測試。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，總體圖像質量能滿足衛星應急高清傳輸的要求，當編碼速率為1.2M通道速率為1.5M及以下，時圖像質量顯明下降，甚至還不如標清視頻的效果（測試結果如表1）。

6 結語

本項目研發的高清非對稱傳輸系統，利用衛星傳輸的非對稱性，能根據接收發射業務數據量靈活控制雙向通道碼流速率，最大限度利用有限的衛星帶寬資源進行音視頻數據業務的傳輸，經應用測試能夠與已有衛星應急會商系統集成，優化衛星數據傳輸鏈路，在應急衛星通訊領域有著廣泛的應用前景。