分布式圖傳系統(tǒng)中接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(wú)人機(jī)廣域巡視作業(yè)的分布式無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)包括機(jī)載發(fā)射系統(tǒng)、分布式接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)及視頻數(shù)據(jù)處理中心三大部分，可以有效解決傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)的傳輸距離難以滿足廣域巡視作業(yè)需求的問題。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了分布式接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了大量室內(nèi)及外場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試表明分布式接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行可靠的高質(zhì)量視頻傳輸。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī)； 廣域巡視； 分布式無(wú)線圖像傳輸； 接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TN711?34； TN943； TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(wú)人機(jī)的發(fā)展十分迅速，在民用方面逐漸開放，使其在公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、通信、氣象、影視航拍等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而在廣域巡視領(lǐng)域，如電力巡線[1]、邊境巡防、環(huán)境監(jiān)測(cè)[2]和石油管線監(jiān)測(cè)[3]等，由于其具有巡視范圍廣（100 km以上）、地處方位偏僻、環(huán)境惡劣、人工作業(yè)難度大和成本高等特點(diǎn)，為無(wú)人機(jī)的應(yīng)用提供了廣闊的空間。然而小型無(wú)人機(jī)由于載荷[4]及電池容量等因素約束，其機(jī)載無(wú)線圖傳發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率必然受限，因此傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)圖傳系統(tǒng)的傳輸距離難以滿足廣域巡視作業(yè)的需求。

考慮到無(wú)人機(jī)廣域巡視的特點(diǎn)，本文提出了一種分布式圖傳系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)廣域范圍的無(wú)人機(jī)圖像傳輸，通過預(yù)留的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈空中接口，也可以在廣域范圍為無(wú)人機(jī)提供數(shù)據(jù)鏈支持。

空中接口（Air Interface，AI）對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)至關(guān)重要，當(dāng)前無(wú)人機(jī)圖傳系統(tǒng)采用的AI體制主要有3G/4G、WiFi和地面數(shù)字電視廣播。3G/4G網(wǎng)絡(luò)很難覆蓋無(wú)人區(qū)，且運(yùn)營(yíng)成本高；WiFi技術(shù)適用于室內(nèi)多徑環(huán)境，戶外應(yīng)用性能較差；地面數(shù)字電視廣播（如歐洲的DVB?T標(biāo)準(zhǔn)、日本的ISDB?T、中國(guó)的DMB?T）[5]采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，頻譜利用率高，抗多徑能力強(qiáng)，適用于地面各種多徑環(huán)境 [6]。因此本文采用DVB?T作為圖傳系統(tǒng)的AI。接收機(jī)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的重要組成部分，本文著重介紹接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 分布式圖傳系統(tǒng)

分布式圖傳系統(tǒng)如圖1所示。此系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。無(wú)人機(jī)在網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域進(jìn)行廣域巡視，接收機(jī)節(jié)點(diǎn)將接收到的無(wú)人機(jī)視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)匯聚到數(shù)據(jù)中心[7]。數(shù)據(jù)中心則將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。接收機(jī)節(jié)點(diǎn)也可以通過無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈AI和網(wǎng)絡(luò)[8?9]建立起數(shù)據(jù)中心與無(wú)人機(jī)之間的遠(yuǎn)程雙向數(shù)據(jù)通信[10]。

2 接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的板級(jí)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

接收機(jī)節(jié)的硬件模塊如下：DSP（F28M36x）是核心處理器，實(shí)現(xiàn)TS數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送；FPGA（A3P250）實(shí)現(xiàn)各模塊之間的接口時(shí)序轉(zhuǎn)換；無(wú)線圖傳接收模塊（DiB9090MA）實(shí)現(xiàn)DVB?T解調(diào)解碼，輸出MPEG?2 TS數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)通信模塊（W5300）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；FLASH ROM用于存儲(chǔ)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈AI則實(shí)現(xiàn)與無(wú)人機(jī)遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

DSP選用TI公司F28M36x為主控芯片，該系列集成了相互獨(dú)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(jī)制。功耗小、成本低、精度高、應(yīng)用廣泛。

受無(wú)人機(jī)航速快，機(jī)載發(fā)射機(jī)功耗低、重量輕的條件制約，無(wú)人機(jī)與每個(gè)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的視頻傳輸需要滿足遠(yuǎn)距離和高速移動(dòng)的要求，有利于減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、降低布網(wǎng)成本。DiB9090MA是采用DVB?T標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線接收芯片，可多片級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)接收分集，靈敏度高，同時(shí)支持300 km/h以上的移動(dòng)接收速度，滿足無(wú)人機(jī)應(yīng)用需求。

W5300單芯片集成TCP/IP協(xié)議棧、10/100M以太網(wǎng)MAC及其物理層。其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)50 Mb/s。性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛、控制簡(jiǎn)單。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的軟件架構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動(dòng)層配置和初始化內(nèi)核系統(tǒng)、外設(shè)及器件；應(yīng)用層包括無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈AI通信應(yīng)用、TS數(shù)據(jù)處理應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈AI通信應(yīng)用實(shí)現(xiàn)與無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)通信；TS數(shù)據(jù)處理應(yīng)用實(shí)現(xiàn)TS數(shù)據(jù)的處理與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送；網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的信息交互。

2.3.1 TS數(shù)據(jù)流處理

本設(shè)計(jì)充分利用DSP架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，提出TS流高速實(shí)時(shí)處理算法。TS數(shù)據(jù)處理過程及緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖4所示，C28內(nèi)核通過DMA通道實(shí)現(xiàn)TS數(shù)據(jù)從McBSP經(jīng)緩沖區(qū)到共享緩存的傳輸。M3內(nèi)核通過[μDMA]實(shí)現(xiàn)TS數(shù)據(jù)從共享緩存到W5300的傳輸。C28內(nèi)核中，為了協(xié)調(diào)TS數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)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(qū)。每接收一包TS數(shù)據(jù)觸發(fā)中斷，在中斷響應(yīng)中進(jìn)行DMA傳輸完成檢測(cè)、空包濾除和存儲(chǔ)空間檢測(cè)后，做寫入共享緩存、觸發(fā)M3內(nèi)核中斷或丟棄處理。M3內(nèi)核響應(yīng)中斷，在中斷響應(yīng)中進(jìn)行[μDMA]傳輸完成檢測(cè)和存儲(chǔ)單元檢測(cè)后，做寫入W5300或不寫處理。圖5為TS數(shù)據(jù)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信以命令應(yīng)答數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對(duì)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的配置、監(jiān)測(cè)和調(diào)控。命令分為配置命令和監(jiān)控命令，應(yīng)答相應(yīng)分為即刻反饋應(yīng)答和周期反饋應(yīng)答。配置命令實(shí)現(xiàn)接收機(jī)更新配置、記錄更新參數(shù)，配置參數(shù)通過即刻反饋應(yīng)答實(shí)現(xiàn)反饋；監(jiān)控命令實(shí)現(xiàn)接收機(jī)定時(shí)向數(shù)據(jù)中心反饋?zhàn)陨韰?shù)信息，通過周期反饋應(yīng)答實(shí)現(xiàn)反饋。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

圖6為發(fā)射、接收系統(tǒng)功能圖。發(fā)射端對(duì)TS數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264編碼、調(diào)制和變頻等處理后通過天線發(fā)射。接收端通過變頻、解調(diào)等得到基帶TS數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)視頻顯示和存儲(chǔ)。

3.1 視頻流暢性測(cè)試

TS流是將具有共同時(shí)間基準(zhǔn)或獨(dú)立時(shí)間基準(zhǔn)的一個(gè)或多個(gè)基本流（PES）復(fù)合而成的單一數(shù)據(jù)流，其基本結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)度為188 B或204 B（帶有16 B校驗(yàn)數(shù)據(jù)）的TS包，具有較強(qiáng)的傳輸抗誤碼能力。一個(gè)TS包包括4 B的包頭[11]、可變長(zhǎng)字節(jié)調(diào)整字段以及有效數(shù)據(jù)凈荷。TS包頭結(jié)構(gòu)如圖7所示。

PID字段是TS包類型識(shí)別標(biāo)志，決定TS有效數(shù)據(jù)凈荷的內(nèi)容。Continuity Counter字段是TS包遞增計(jì)數(shù)值，相同PID的TS包其值從0～15循環(huán)遞增。結(jié)合PID和Continuity Counter字段可以統(tǒng)計(jì)不同類型的TS包的丟包情況[12]。節(jié)目關(guān)聯(lián)表（PAT）定義了當(dāng)前TS流中所有的節(jié)目，其PID為0x0000，包含頻道號(hào)碼和每一個(gè)頻道對(duì)應(yīng)的節(jié)目映射表（PMT）的PID。PMT表包含當(dāng)前頻道中所有的視頻PID、音頻PID以及與該頻道關(guān)聯(lián)一起的私有數(shù)據(jù)PID。

3.1.1 室內(nèi)測(cè)試

室內(nèi)測(cè)試對(duì)關(guān)鍵的PAT，PMT、音頻和視頻4種TS包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。實(shí)時(shí)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(tǒng)計(jì)出每類TS包的丟失數(shù)量。圖8為VS 2010開發(fā)的TS包丟包統(tǒng)計(jì)程序界面，圖9為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)運(yùn)行一次的時(shí)間為30 min，共運(yùn)行10次，得到的統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果如圖10所示。

由測(cè)試數(shù)據(jù)得，統(tǒng)計(jì)出測(cè)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(tǒng)計(jì)測(cè)試，TS流的丟包率較低；利用上位機(jī)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(wú)卡頓。

3.1.2 外場(chǎng)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)室與廣東深圳優(yōu)鷹公司合作，進(jìn)行多次外場(chǎng)測(cè)試，其中三次測(cè)試最為典型。發(fā)射端采用優(yōu)鷹公司的FHD100QHT無(wú)線圖傳發(fā)射機(jī)，發(fā)射功率1 W，載頻554 MHz。

（1） 2014年5月，北京，六旋翼無(wú)人機(jī)。在高度200 m處、以接收端為中心的半徑12 km范圍內(nèi)進(jìn)行巡航。接收端測(cè)得接收信號(hào)質(zhì)量良好，且畫面流暢。

（2） 2016年5月，大慶，固定翼無(wú)人機(jī)。測(cè)試無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)臉O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(nèi)，接收端信號(hào)質(zhì)量良好，視頻播放流暢；超出25 km，接收端信號(hào)相對(duì)較差，視頻播放有時(shí)卡頓。

（3） 2015年12月，深圳，地面測(cè)試。測(cè)試城市多徑環(huán)境下的傳輸性能。接收機(jī)置于14樓窗邊，車載發(fā)射端在大樓附近1 km范圍的道路行駛。路線如圖12所示。實(shí)線路段地形開闊，樓房稀疏，畫面流暢；點(diǎn)劃線路段周圍樓房較密集，畫面輕微卡頓；長(zhǎng)劃線路段距離遠(yuǎn)、樓房密集，信號(hào)遮擋嚴(yán)重，畫面卡頓，在圖12中1.7 km兩路口處碼流中斷。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試

通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件模擬數(shù)據(jù)中心，向接收機(jī)發(fā)送配置命令和監(jiān)控命令，接收機(jī)能成功接收、執(zhí)行兩種命令并正確地發(fā)回相應(yīng)的應(yīng)答。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了廣域巡視概念及分布式圖傳系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)完成對(duì)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并將接收機(jī)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)測(cè)試。通過測(cè)試，在發(fā)射端為1 W的射頻功率條件下，接收機(jī)節(jié)點(diǎn)可以在25 km范圍內(nèi)流暢接收視頻信號(hào)，這為分布式圖傳系統(tǒng)的接收機(jī)節(jié)點(diǎn)布點(diǎn)間距提供了重要參考。

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