載人航天器天地視頻/音頻通信網絡一體化設計

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計部,北京 100094)(2 上海衛星工程研究所,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和深空探測任務中,天地視頻/音頻通信都發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絡之上的,通過天地一體化網絡實現地面通信網和空間通信網的無縫連接[2]。在國外,“國際空間站”上已經進行了基于IP網絡的天地通信協議試驗[3],但并未作為任務系統投入使用。國內對天地一體化網絡的研究從10余年前開始興起[4-10],并最終作為任務系統在天舟一號貨運飛船上首次投入使用,在空間站建造階段經過天舟一號至天舟五號的成功發射和在軌飛行得到充分驗證。由于載人航天器通信網與地面通信網在鏈路層差異較大,為實現二者融合需要建立天地一體化的信息傳輸系統。

本文提出一種天地視頻/音頻通信網絡一體化設計,采用基于國際空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)的IP技術(IP over CCSDS技術)[11]屏蔽載人航天器通信網與地面通信網鏈路層的差異,實現載人航天器與地面站端到端的一體化通信;針對不同類型、不同優先級的數據,采用靜態優先級和輪詢調度策略相結合的調度方式實現信道資源的合理復用;采用里德-所羅門(RS)編碼、加擾、同步等一系列服務質量(QoS)手段保證視頻/音頻通信質量。地面測試和在軌飛行驗證結果表明:本文提出的天地視頻/音頻通信網可以實現天地之間視頻和音頻的流暢清晰傳輸。

1 天地視頻/音頻通信網絡一體化設計

天地視頻/音頻通信網絡由載人航天器通信網和地面通信網組成,如圖1所示。載人航天器通信網由艙內攝像機、艙外攝像機、無線收發設備、無線送受話器、以太網交換機、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的網關。地面通信網由中繼衛星和地面站組成。

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

艙內攝像機可以同時輸出高清圖像和PAL-D模擬圖像,艙外攝像機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。艙外攝像機將低速和高清圖像通過以太網交換機送至高速通信處理器,先由網絡主控模塊按照實時傳輸協議(RTP)/用戶數據報協議(UDP)/IP協議進行封裝,然后再由AOS模塊按照IP over CCSDS協議組幀后送至信號處理單元進行信道編碼和調制,最后通過中繼天線下傳。

艙內攝像機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,再由網絡主控模塊按照RTP/UDP/IP協議順序進行封裝,由AOS模塊按照IP over CCSDS協議進行組幀,然后送至信號處理單元進行信道編碼和調制,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)算法進行編碼,再進行加密,然后由網絡主控模塊按照RTP/UDP/IP協議進行封裝,再由AOS模塊按照IP over CCSDS協議組幀后送至信號處理單元進行信道編碼和調制,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編碼的標清圖像。上行圖像碼流經中繼天線接收后送至信號處理單元進行解調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協議進行幀解析,然后送至網絡主控模塊按照IP/UDP/RTP協議順序進行解析,取出視頻數據流;對視頻數據流按照H.264算法進行解碼,再依次進行數據幀處理、數模轉換、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。

上行話音信號經過信號處理單元解調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。解碼后的數據送到AOS模塊按照IP over CCSDS幀解析,然后送至網絡主控模塊按照IP/UDP/RTP協議順序進行解析,取出音頻數據流;對音頻數據流按照AAC算法進行解碼,然后送至航天員。上行話音處理流程如圖4所示。

天地視頻/音頻通信網絡按照5層協議體系架構組幀。應用層采用支持圖像話音實時傳輸的RTP協議;傳輸層采用無連接的UDP協議;網絡層采用IP協議;數據鏈路層采用IEEE802.3協議實現載人航天器通信網內部有線通信,采用IP over CCSDS協議實現載人航天器通信網和地面通信網的IP數據包傳輸。載人航天器通信網與地面通信網之間的物理層采用Ka頻段射頻鏈路。天地視頻/音頻通信網絡協議棧如圖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/音頻通信網絡協議棧Fig.5 Protocol stack of space-ground video/audio communications network

1.1 IP over CCSDS技術

神舟飛船天地數據傳輸未采用IP over CCSDS技術,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,不支持網絡數據傳輸,存在數據速率較低且固定、數據類型單一且固定的不足。目前,地面通信網已經實現了IP網絡互聯,航天器上的計算機設備越來越多,采用IP網絡實現航天器設備之間的信息互連,既能夠充分利用成熟的IP技術,統一設備間接口和交互協議,提高設備的通用性和靈活性;又可以統一天地間的通信協議,減少協議轉化環節。本文提出的天地視頻/音頻通信網絡,采用IP over CCSDS技術屏蔽載人航天器通信網與地面通信網鏈路層的差異,實現艙內網絡終端的自由接入和天地網絡間端到端一體化通信,實現數據類型動態配置和數據速率動態配置。上行速率達到5Mbit/s,下行速率達到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的高質量話音通信。IP over CCSDS技術通過CCSDS AOS協議傳輸IP數據包,在每個IP數據包包頭前插入CCSDS IP擴展(IPE)字節封裝成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幀數據域根據所承載的業務不同,采用不同的數據結構。

視頻/音頻數據業務的AOS幀數據域為多路復接協議數據單元(MPDU),MPDU的數據域為CCSDS封裝包(承載CCSDS封裝包導頭IPE與IP協議數據單元)或空閑封裝包,如圖7所示。MPDU導頭長16bit,其中:前5bit設置為保留域,填充全0;后11bit為首導頭指針,指向第1個完整的CCSDS封裝包的第1個字節所在位置,從0開始依次遞增。根據CCSDS封裝包導頭中包長度,就可以區分出每個獨立的CCSDS封裝包。如果MPDU數據域的第1個字節就是CCSDS封裝包的第1個字節,則首導頭指針為全0;如果MPDU數據域中不包含CCSDS封裝包導頭,那么首導頭指針為全1;如果MPDU數據域全部為填充數據,那么首導頭指針設為11111111110。

由于IP數據包長度約束為46～1500byte,而MPDU數據域長度為884byte,因此需要根據IP數據包的大小判斷是否將一個完整的IP數據包進行分割,并在多個AOS幀中傳輸。如果IP數據包無法填滿MPDU數據域,則在MPDU數據域中插入空閑數據,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 調度策略

天地一體化網絡中傳輸的數據種類繁多,依照數據的不同特點可以分為3類,為3類數據分配不同的虛擬信道。第1類是控制數據,其特點是實時性要求高、可靠性要求高,數據流量低,但具有突發性;第2類是視頻/音頻數據,其特點是實時性要求高,時延要求高,丟幀誤幀要求相對不高,數據流量比較固定;第3類是試驗數據,其特點是實時性要求低,時延要求低,可靠性要求相對不高,數據流量大。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度策略,以滿足3類數據的傳輸需求。虛擬信道調度實質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,即在新數據幀到達時,如果已經到達的數據幀正在被處理,則新到達的數據幀在緩存區未滿的條件下進入緩存區內等待輸出,否則就被丟棄。

最簡單的調度策略莫過于嚴格的周期輪詢(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;如果傳送幀數分別取為(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代表嚴格的周期輪詢。此外,如果某一虛擬信道優先級較高,可采用星輪轉(Star Polling)的方式,利用該方式強調其實時性,例如,虛擬信道2的優先級較高,可按照…,2,1,2,3,2,1,2,3,…的順序輪流接受服務,用S表示。以上是2種靜態調度方式,其特點是具有嚴格的周期性,因而實現簡單。但是在實際使用中,源包均是隨機到達的,而嚴格周期化的調度次序與源包的隨機到達幾乎完全不符,導致系統性能很難達到最優,因此需要進一步研究動態調度的性能和可行性。動態調度有多種形式和原則,一般根據當前的緩存容量或等待時間的要求進行選擇。

本文提出的調度方式采用靜態優先級和輪詢調度策略相結合的方式。虛擬信道調度過程需要對不同的虛擬信道設置不同的優先級,承載控制數據的虛擬信道優先級最高,其次為承載視頻/音頻數據的虛擬信道,承載試驗數據的虛擬信道優先級最低,如表1所示。

表1 虛擬信道優先級Table 1 Priority of virtual channels

調度模塊由多個輸入隊列和1個輸出隊列構成,模塊首先對優先級高的隊列進行查詢,而對于同一優先級的隊列則按一定順序查詢。接受查詢的隊列獲得服務機會,若該隊列中有數據包存在,則數據包被添加到輸出隊列;若該隊列無數據,則繼續對下一個隊列進行查詢,若在規定時限內系統內沒有數據包,則填充空閑幀到輸出隊列。

曲靖市與文山州建立少數民族流動人口服務和管理協作機制 10月25日，曲靖市與文山州建立少數民族流動人口服務和管理協作機制。一是雙方建立少數民族流動人口流入地和流出地的信息溝通、情況通報制度；二是雙方協調本地區有關部門和有關縣（市、區），為少數民族流動人口提供必要的服務和適當的便利；三是雙方著力維護少數民族流動人口合法權益；四是適時交流少數民族流動人口服務管理的做法和經驗，共同促進民族工作的開展。

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。

為了避免出現全0、全1長碼,對圖8的AOS幀進行加擾,采用偽隨機生成多項式生成偽隨機序列與AOS幀進行異或。

為便于接收端確定幀頭位置進行后續處理,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。接收端通過識別數據流中特定的同步碼塊實現同步,再通過進一步的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 實例驗證

2.1 地面測試驗證

為驗證本文提出的設計方案,搭建了天地視頻/音頻通信網絡地面測試系統(如圖9所示),用以太網交換機作為中心連接高速通信處理器、艙內攝像機、交會對接攝像機、太陽翼攝像機、手機模擬航天器視頻/音頻通信網絡。高速通信處理器接收以太網交換機發送的視頻/音頻IP數據包,封裝成AOS幀,將AOS幀發送至天地視頻/音頻通信設備,完成下行視頻/音頻數據傳輸。同時,從地面站上行AOS幀中解析出視頻/音頻IP數據包發送至以太網交換機。地面站網關完成和高速通信處理器相同的功能,使用圖像處理設備和話音處理設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,測試結果如表3和表4所示。在進行視頻傳輸的同時進行雙向話音通話,話音清晰無卡頓,測試結果如表5所示。同時,對調度策略進行測試,測試結果如表6所示。所有測試結果均滿足設計指標要求。

圖9 天地視頻/音頻通信網絡測試系統Fig.9 Testing system of space-ground video/audio communications network

表3 視頻傳輸測試結果Table 3 Video transmission testing results

表4 圖像指標測試結果Table 4 Image quality testing results

表5 話音傳輸測試結果Table 5 Voice transmission testing results

表6 調度策略測試結果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/音頻通信網絡已經得到在軌飛行驗證。在天舟貨運飛船與空間站核心艙交會對接過程中,艙內攝像機和艙外攝像機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 艙內攝像機高清圖像Fig.10 High definition image shoot by cabin camera

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

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

3 結束語

本文根據載人航天器天地數據傳輸的特點,提出一種天地視頻/音頻通信網絡一體化設計。針對載人航天器通信網與地面通信網之間鏈路層的差異,使用IP over CCSDS技術構建端到端一體化通信網絡;提出一種靜態優先級和輪詢調度相結合的調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/音頻傳輸質量。在地面測試系統中對本文提出的天地視頻/音頻通信網絡進行測試,結果表明:本文提出的天地視頻/音頻通信網絡可以實現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,無誤碼且未發生丟包。本文提出的天地視頻/音頻通信網絡已經成功應用于天舟貨運飛船,在天舟貨運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追蹤核心艙、觀察交會對接過程;利用太陽翼攝像機觀察太陽翼和中繼天線的工作情況;利用艙內攝像機觀察貨運飛船內貨物情況,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/音頻通信網絡的可行性和有效性。由于天地往返傳輸時延對網絡性能的影響,本文提出的天地視頻/音頻通信網絡目前只適用于低軌載人航天器,后續將針對遠距離大時延對網絡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/音頻通信網絡。