分布式圖傳系統中接收機網絡的設計與實現

羅英喆　陳偉　李曉林　顧慶水　蔡英杰

摘 要： 提出一種用于小型無人機廣域巡視作業的分布式無線圖像傳輸系統架構，該系統架構包括機載發射系統、分布式接收機網絡及視頻數據處理中心三大部分，可以有效解決傳統無人機圖像傳輸系統的傳輸距離難以滿足廣域巡視作業需求的問題。設計和實現了分布式接收機網絡，并進行了大量室內及外場測試，測試表明分布式接收機網絡可以在網絡環境下進行可靠的高質量視頻傳輸。

關鍵詞： 無人機； 廣域巡視； 分布式無線圖像傳輸； 接收機網絡

中圖分類號： TN711?34； TN943； TP311.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0124?04

Abstract： The architecture of a distributed wireless image transmission system for small size UAV wide area patrol mission is proposed， including airborne launch system， distributed receiver network and video data processing center， which can effectively solve the problem that it is difficult for the traditional UAV transmission system to meet the needs of a wide area patrol mission for distance image transmission. The design and implementation of the distributed receiver network are elaborated in this paper. A lot of indoor and field tests were carried out. The test results show that the distributed receiver network can transmit high?quality video reliably in network environment.

Keywords： UAV； wide area patrol； distributed wireless image transmission； receiver network

0 引 言

無人機的發展十分迅速，在民用方面逐漸開放，使其在公共安全、應急搜救、農林、環保、交通、通信、氣象、影視航拍等多個領域得到廣泛的應用。而在廣域巡視領域，如電力巡線[1]、邊境巡防、環境監測[2]和石油管線監測[3]等，由于其具有巡視范圍廣（100 km以上）、地處方位偏僻、環境惡劣、人工作業難度大和成本高等特點，為無人機的應用提供了廣闊的空間。然而小型無人機由于載荷[4]及電池容量等因素約束，其機載無線圖傳發射機的發射功率必然受限，因此傳統的無人機圖傳系統的傳輸距離難以滿足廣域巡視作業的需求。

考慮到無人機廣域巡視的特點，本文提出了一種分布式圖傳系統架構，該架構可以實現廣域范圍的無人機圖像傳輸，通過預留的無人機數據鏈空中接口，也可以在廣域范圍為無人機提供數據鏈支持。

空中接口（Air Interface，AI）對無線通信系統至關重要，當前無人機圖傳系統采用的AI體制主要有3G/4G、WiFi和地面數字電視廣播。3G/4G網絡很難覆蓋無人區，且運營成本高；WiFi技術適用于室內多徑環境，戶外應用性能較差；地面數字電視廣播（如歐洲的DVB?T標準、日本的ISDB?T、中國的DMB?T）[5]采用正交頻分復用（OFDM）技術，頻譜利用率高，抗多徑能力強，適用于地面各種多徑環境 [6]。因此本文采用DVB?T作為圖傳系統的AI。接收機節點是整個系統架構的重要組成部分，本文著重介紹接收機節點的設計和實現。

1 分布式圖傳系統

分布式圖傳系統如圖1所示。此系統由無人機、接收機網絡和數據中心構成。無人機在網絡分布區域進行廣域巡視，接收機節點將接收到的無人機視頻數據通過網絡匯聚到數據中心[7]。數據中心則將各個節點的視頻數據進行融合處理。接收機節點也可以通過無人機數據鏈AI和網絡[8?9]建立起數據中心與無人機之間的遠程雙向數據通信[10]。

2 接收機系統設計

2.1 系統總體設計

接收機節點的板級結構組成如圖2所示。

接收機節的硬件模塊如下：DSP（F28M36x）是核心處理器，實現TS數據的接收、處理和發送；FPGA（A3P250）實現各模塊之間的接口時序轉換；無線圖傳接收模塊（DiB9090MA）實現DVB?T解調解碼，輸出MPEG?2 TS數據；網絡通信模塊（W5300）實現網絡通信；FLASH ROM用于存儲接收機節點的網絡參數；無人機數據鏈AI則實現與無人機遙控遙測數據的無線收發。

2.2 系統硬件設計

DSP選用TI公司F28M36x為主控芯片，該系列集成了相互獨立的TMS320C28x和ARM Cortex?M3雙核微控制單元，共享RAM，以及多種雙核間的通信機制。功耗小、成本低、精度高、應用廣泛。

受無人機航速快，機載發射機功耗低、重量輕的條件制約，無人機與每個接收機節點之間的視頻傳輸需要滿足遠距離和高速移動的要求，有利于減少網絡節點數量、降低布網成本。DiB9090MA是采用DVB?T標準的無線接收芯片，可多片級聯實現接收分集，靈敏度高，同時支持300 km/h以上的移動接收速度，滿足無人機應用需求。

W5300單芯片集成TCP/IP協議棧、10/100M以太網MAC及其物理層。其網絡數據傳輸速率可達50 Mb/s。性能穩定、應用廣泛、控制簡單。

2.3 系統軟件設計

接收機節點的軟件架構如圖3所示。驅動層配置和初始化內核系統、外設及器件；應用層包括無人機數據鏈AI通信應用、TS數據處理應用和網絡通信應用。無人機數據鏈AI通信應用實現與無人機的數據通信；TS數據處理應用實現TS數據的處理與網絡發送；網絡通信應用實現與數據中心的信息交互。

2.3.1 TS數據流處理

本設計充分利用DSP架構優勢，提出TS流高速實時處理算法。TS數據處理過程及緩沖區結構如圖4所示，C28內核通過DMA通道實現TS數據從McBSP經緩沖區到共享緩存的傳輸。M3內核通過[μDMA]實現TS數據從共享緩存到W5300的傳輸。C28內核中，為了協調TS數據接收和存儲的速度差異、避免TS包的丟失，在McBSP和共享緩存之間建立[4×188]B大小緩沖區。每接收一包TS數據觸發中斷，在中斷響應中進行DMA傳輸完成檢測、空包濾除和存儲空間檢測后，做寫入共享緩存、觸發M3內核中斷或丟棄處理。M3內核響應中斷，在中斷響應中進行[μDMA]傳輸完成檢測和存儲單元檢測后，做寫入W5300或不寫處理。圖5為TS數據處理狀態轉移圖。

2.3.2 網絡通信

網絡通信以命令應答數據結構實現數據中心對接收機節點的配置、監測和調控。命令分為配置命令和監控命令，應答相應分為即刻反饋應答和周期反饋應答。配置命令實現接收機更新配置、記錄更新參數，配置參數通過即刻反饋應答實現反饋；監控命令實現接收機定時向數據中心反饋自身參數信息，通過周期反饋應答實現反饋。

3 測試結果及分析

圖6為發射、接收系統功能圖。發射端對TS數據進行H.264編碼、調制和變頻等處理后通過天線發射。接收端通過變頻、解調等得到基帶TS數據，經過處理后通過網絡發送給上位機，實現視頻顯示和存儲。

3.1 視頻流暢性測試

TS流是將具有共同時間基準或獨立時間基準的一個或多個基本流（PES）復合而成的單一數據流，其基本結構為長度為188 B或204 B（帶有16 B校驗數據）的TS包，具有較強的傳輸抗誤碼能力。一個TS包包括4 B的包頭[11]、可變長字節調整字段以及有效數據凈荷。TS包頭結構如圖7所示。

PID字段是TS包類型識別標志，決定TS有效數據凈荷的內容。Continuity Counter字段是TS包遞增計數值，相同PID的TS包其值從0～15循環遞增。結合PID和Continuity Counter字段可以統計不同類型的TS包的丟包情況[12]。節目關聯表（PAT）定義了當前TS流中所有的節目，其PID為0x0000，包含頻道號碼和每一個頻道對應的節目映射表（PMT）的PID。PMT表包含當前頻道中所有的視頻PID、音頻PID以及與該頻道關聯一起的私有數據PID。

3.1.1 室內測試

室內測試對關鍵的PAT，PMT、音頻和視頻4種TS包進行統計。實時提取TS包上述兩種字段，通過PID字段將TS流分類，通過Continuity Counter字段統計出每類TS包的丟失數量。圖8為VS 2010開發的TS包丟包統計程序界面，圖9為實驗室測試環境，網絡接收機運行一次的時間為30 min，共運行10次，得到的統計和分析結果如圖10所示。

由測試數據得，統計出測試平均丟包率：PAT為0.001%；PMT為0.001%；Audio為0.001%；Video為0。

通過丟包統計測試，TS流的丟包率較低；利用上位機的VLC media player播放器播放視頻，如圖11所示，屏幕分辨率為1 920[×]1 080，掃描頻率為60 Hz，視頻播放較為流暢，基本無卡頓。

3.1.2 外場測試

本實驗室與廣東深圳優鷹公司合作，進行多次外場測試，其中三次測試最為典型。發射端采用優鷹公司的FHD100QHT無線圖傳發射機，發射功率1 W，載頻554 MHz。

（1） 2014年5月，北京，六旋翼無人機。在高度200 m處、以接收端為中心的半徑12 km范圍內進行巡航。接收端測得接收信號質量良好，且畫面流暢。

（2） 2016年5月，大慶，固定翼無人機。測試無線信號傳輸的極限距離。距接收端25 km處起飛并在250 m高度盤旋。在25 km之內，接收端信號質量良好，視頻播放流暢；超出25 km，接收端信號相對較差，視頻播放有時卡頓。

（3） 2015年12月，深圳，地面測試。測試城市多徑環境下的傳輸性能。接收機置于14樓窗邊，車載發射端在大樓附近1 km范圍的道路行駛。路線如圖12所示。實線路段地形開闊，樓房稀疏，畫面流暢；點劃線路段周圍樓房較密集，畫面輕微卡頓；長劃線路段距離遠、樓房密集，信號遮擋嚴重，畫面卡頓，在圖12中1.7 km兩路口處碼流中斷。

3.2 網絡通信測試

通過網絡調試助手軟件模擬數據中心，向接收機發送配置命令和監控命令，接收機能成功接收、執行兩種命令并正確地發回相應的應答。

4 結 語

本文提出了廣域巡視概念及分布式圖傳系統架構，重點完成對接收機節點的設計和實現，并將接收機節點接入網絡進行聯網測試。通過測試，在發射端為1 W的射頻功率條件下，接收機節點可以在25 km范圍內流暢接收視頻信號，這為分布式圖傳系統的接收機節點布點間距提供了重要參考。

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