衛星動中通視頻傳輸可用性

徐學梅，李嘉穎

(1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2．軍事科學院，北京 100141)

0 引言

衛星移動通信系統可在運動中實現遠距離、大容量的實時多媒體傳輸[1-2]。而在多媒體業務中，視頻占據非常重要的地位，人類通過視覺獲取的信息約占其總信息量的70%，視頻信息具有直觀、可靠等一系列優越性，但也具有誤碼敏感度、實時性要求高的特點[3]，這與移動衛星信道帶寬受限、誤碼率較高形成了尖銳的矛盾。

無線信道具有帶寬受限、易錯及時變的特點，數據在傳輸過程中會發生錯誤或者丟失[4]，提高視頻編碼算法的抗誤碼能力是保證視頻傳輸魯棒性的一個重要方面。

根據衛星移動信道特點、針對視頻信號對實時性要求高的問題，采用分層編碼技術[5-8]，使視頻編碼同時具有良好的魯棒性和帶寬的自適應性，并且能在信道環境惡化的情況下，使接收視頻質量逐漸變化，提高衛星移動信道下視頻傳輸的可用性。

1 衛星移動信道特性分析

1.1 多普勒頻移

(1)

(2)

這種包絡和相位都被寄生調制的信號被稱為衰落信號。由于相位是隨機過程，因此，接收信號從單個頻率變成了窄帶頻譜，稱為多普勒頻移。多普勒頻移的大小與移動站的運動速率和信號頻率有關，該多普勒頻移的倒數稱為相干時間。當符號周期大于無線信道的相干時間時，波形就會產生失真，產生時間選擇性衰落，也就是上述的瑞利衰落；當符號周期大于相干時間時，衰落將呈現非時間選擇性，也就是慢衰落[11]。

為了使移動信道不呈現瑞利衰落，必須使符號周期小于相干時間，即：符號周期T<相干時間，

(3)

式中，υ為移動臺的移動速度，λ為載波信號波長。

在實際應用中，移動臺運動速度不是很大，視頻基帶信號周期較小。所以高軌衛星移動信道受多普勒頻移的影響很小，可忽略不計。

1.2 多徑衰落

無線移動信道的主要特性就是多徑傳播，接收機會收到直射、反射和折射的合成信號，每個信號到達接收機的時延不同。根據傅里葉變換的時移性，時域延時引起對應的頻域中所有頻率分量都落后1個相位：

如果信號f(t)的頻譜函數為F(ω),那么

f(t-t0)=e-jωt0F(ω)，
f(t-t0-τ)=e-jω(t0+τ)F(ω)。

(4)

當存在上述兩徑信號時，移動信號的傳遞函數為：

e-jωt0(1+e-jωτ)。

(5)

式(5)表明信號模型可以由一個無失真傳輸網絡和傳遞函數為(1+e-jωτ)的另一個網絡級聯而成。可見第2個網絡對不同的頻率呈現不同的衰減，稱為頻率選擇性衰落[12]。該衰落與相對時延差有關，第2個網絡的相鄰傳輸零點之間的頻率間隔即為移動信道的相關帶寬，它是信道最大時延的倒數。當信號帶寬大于相關帶寬時，將產生頻率選擇性衰落，造成符號間干擾。當信號的傳輸信號帶寬小于相關帶寬時，就不會造成符號間串擾，此時的信道也就成了平衰落的信道。

為了使移動信道不呈現頻率選擇性衰落，必須使信號帶寬小于相關帶寬。這嚴重影響了信息速率的提高，必須采取抗衰落技術。目前的調制解調技術都有比較成熟的抗衰落技術，而且，由于衛星天線波束相對較窄，使用時一直對著所使用的衛星，所以多徑影響也很小。

1.3 陰影效應分析

電波在傳播路徑上遇到植被、建筑物及起伏地形等遮擋時會產生電磁場的陰影，構成接收天線處場強中值的變化，從而引起信號衰落，稱為陰影效應[13]。移動站會不可避免地穿過橋梁、涵洞、山區和森林，途徑高樓林立的城市。隨著傳播環境的變化，移動站的信號接收電平會起伏變化。衰落嚴重時信號接收電平達到門限以下，導致接收錯誤甚至通信中斷。衰落程度與環境、天線仰角和移動速度相關。通常情況下，在同一區域行駛時，天線仰角越高，光學遮蔽度越小，信號衰減也就越小。

圖1～圖3分別給出了動中通車載站在無遮擋區、輕遮擋地區和較重遮擋區行駛時，信號電平跌落情況的實際測試結果。

比較圖1～圖3可以看出，動中通車載站行駛在有遮擋區域時，信號的電平衰落瞬時值較大，車載站的天線和功率受限，導致系統余量受限，不足以克服陰影效應的影響，因此，對視頻傳輸的可用性影響較大。在動中通衛星通信系統中，需針對陰影效應設計抗衰落措施，提高系統和視頻傳輸的可用性。

圖1 動中通車載站行駛在無遮擋區時 接收信號電平頻譜圖

圖2 動中通車載站行駛在較輕遮擋區時 接收信號電平頻譜圖

圖3 動中通車載站行駛在較重遮擋區時 接收信號電平頻譜圖

2 視頻抗誤碼技術研究

對于固定衛星通信動中通系統而言，多普勒頻移和多徑干擾的影響比較小，關鍵因素是陰影效應。對抗陰影效應的常見辦法有2種，第1種是為發送功率留余量，通過自適應功率控制補償信號衰落；第2種是誤碼重傳。由于功率和天線受限，第1種辦法不足以解決所有問題，第2種辦法實現簡單，時延較大，不適用于固有時延較大的衛星通信系統。受信道影響最為明顯的業務就是實時性要求最高的視頻業務，通過采用分層編碼和分層傳輸技術提高非可靠信道視頻傳輸的可用性[14-15]。

2.1 分層編碼技術

分層編碼技術就是將原始的視頻序列編碼成多個數據流，所有數據流接收成功后可聯合解碼獲得最高的圖像質量。每個數據流的級別可以相同，也可以不同，相同時，每層可獨立解碼；不同時分為基本層和增強層[16]2種。基本層只有1個，增強層可以有多個。基本層信息內容等級高，是增強層的基礎，增強層是基本層的補充，用來提高重構視頻質量，圖4為3層編碼框架。MPEG-2標準就采用了這種分層編碼技術。

圖4 3層分層編碼框架

2.2 分層傳輸技術

分層傳輸技術關鍵就是基于分層編碼的傳輸技術[17-18]。在衛星通信系統中，通常將視頻流作為透明數據流進行傳輸，不考慮分層的特點，業務速率不會隨系統的帶寬而變化。

對于衛星動中通系統而言，存在大小站組網的問題，小站型業務接收和發送能力都比較低，所以選擇不同等級的多層編碼算法的視頻編解碼體制，采用兩級編碼。在發送端解析視頻幀信息，分離出基本層信息，進行編碼保護，保障基本層碼流的傳輸可靠性；分離出增強層信息，根據用戶的帶寬能力選擇傳輸的層及碼率，讓用戶恢復出不同質量與分辨率的視頻信號。

3 視頻分層傳輸的試驗驗證

3.1 試驗環境搭建

試驗采用一套動中通車載站和一套固定衛星通信站來實現，兩站型上均具有3層編碼的視頻處理設備，采用標準視頻測試數據流進行試驗。部分試驗參數如下：

① 通信衛星：亞太5號衛星；

② 通信頻段：Ku頻段；

③ 動中通車載站天線口徑：0.8 m；

④ 固定衛星通信站天線口徑：4.5 m；

⑤ 傳輸速率：2 048 kbps。

試驗中，動中通車載站在一條選定的路面上反復行駛，這條選定的路面包括平坦路面、顛簸路面、有樹木遮擋區域以及無樹木遮擋區域，行駛中將標準視頻流經分層編碼后，經衛星傳輸到固定衛星通信站，在固定衛星通信站上經分層解碼后，將視頻信息恢復出來。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 試驗結果

① 動中通車載站在平坦路面無遮擋區域，以80 km/h行駛條件下的測試結果，此時視頻傳輸效果如圖5所示。

圖5 動態視頻測量結果1

② 動中通顛簸路面無樹木遮擋區域，以60 km/h行駛條件下的測試結果，此時視頻傳輸效果如圖6所示。

圖6 動態視頻測試結果2

③ 動中通顛簸路面有樹木遮擋區域，以60 km/h行駛條件下的測試結果，此時視頻傳輸效果如圖7所示。

圖7 動態視頻測試結果3

3.2.2 試驗結果分析

動中通車載站在平坦路面無遮擋區域以80 km/h行駛條件下進行視頻傳輸時，由于傳輸環境好，因此誤碼率很低，接收端能夠將基本層及2個增強層全部收到，傳輸后視頻與原始視頻主觀上差別不明顯。

動中通顛簸路面無樹木遮擋區域，以60 km/h行駛條件下進行視頻傳輸時，由于車輛快速行駛在顛簸路面上，所以會帶來一定跟蹤損失，這種損失會造成誤碼增大，此時接收端只能將受到主要保護的基本層及重點保護的增強層1收到，而將基本保護的增強層2舍去，視頻質量還可以接受，能夠保持視頻的完整性。

動中通顛簸路面有樹木遮擋區域，以60 km/h行駛條件下進行視頻傳輸時，由于車輛在顛簸路面上快速行駛的同時還會受到樹木的部分遮擋，此時傳輸誤碼很大，此時接收端只能將受到主要保護的基本層收到，而將重點保護的增強層1和基本保護的增強層2全部舍去，視頻質量盡管很差，但仍能夠保持其連續性。

視頻的分層傳輸雖然對視頻傳輸的魯棒性沒有直接的貢獻，卻非常有利于提高視頻編碼對信道狀況的適應能力。

4 結束語

與數據文件的傳輸不同，視頻業務要求實時傳輸，可以容忍一定程度的誤碼。分析和試驗結果表明，對于使用移動衛星信道傳輸視頻業務時，可以采用分層傳輸方式來提高系統可用性。分層編碼結合不等的錯誤保護，可以構成一種有效抗誤碼措施。分層編碼還可以靈活調整編碼速率，用戶可以根據信道的容量與需求，接收一個或多個分層，從而恢復出不同質量與分辨率的視頻信號。