一种用于卫星传输的高清非对称传输系统设计

薛跃明 黄喆 张鸣之 石爱军 马娟

摘要：利用卫星通讯传输系统双向数据信息信道较大的不对称性，在H.264编码的基础上，研发适用与应急卫星通讯的高清非对称传输系统，解决卫星音视频通讯过程中的数据丢包和信道网络拥塞等问题，并与已有远程会商应急指挥系统集成，取得较好的效果，大大提高卫星带宽资源的利用率，并对系统在卫星通信应用领域进行了展望。

关键词：卫星通讯 非对称 应急

中图分类号：TN918.91 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0020-02

1 概述

由于卫星通信的快速发展，以及Internet需求的驱动，卫星通信下转向数据通信的全面需求，由于通信卫星都在位于地球赤道上约3万千米的高空，其单向传输时延在230～270ms之间，往返时延长达500ms以上，卫星传输采用的TCP/IP协议由于延时导致了TCP端确认信息的延迟。

许多卫星系统在双向的数据信道音有较大带宽不对称性，比如，从卫星到地面的前向链路会远大于反向链路。而且由于Internet应用的不对称性，现有的网络通信中，不平衡传输现象非常严重，即传输的非对称现象。以3W浏览为例，一般上下行信道的数据量差异为1∶5至1∶10，如果应用网络多媒体，那么这种比例将达到1∶1000至1∶100000，任何现有的网络，无论是平衡传输还是非平衡传输，都无法适应这种传输比例大范围内变化的传输条件，都会造成传输信道的浪费或成本的大幅度提高。在卫星通信系统中也存在类似的通信，比如对于小型地球站其发送功率和天线的口径限制了上行链路的传输速率，因此有可能上行链路比下行链路传输的速率小的多。

2 高清非对称系统研发需求

目前市场上能够获得的非对称传输接收板带宽占用（即视频码流）不稳定，事实上带宽占用恒定也只是相对而已，然而经过对多款设备实测，其实际码流与设定值之间会有较大的误差，以至于在卫星通信系统中应用这些设备时，会因为编码流的不稳定，致使卫星通信系统对超出卫星系统设备的设定的部分码流进行甩包处理，最终造成收视端出现马赛克或者丢帧甚至失同步；如图1所示。

3 H.264编码技术特点

H.264作为新一代的视频压缩标准，是由ITU和ISO/IEC两大国际标准组织共同制定的，该标准最大的优势是具有很高的数据压缩比率，且能够很好的适应当前复杂的网络环境，但H.264编码复杂度也是最高的。

H.264标准的主要特点如下：

（1）编码的效率较以往技术标准大幅提高：和MPEG-2及MPEG-4ASP等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。

（2）在较差的网络环境下能够提供高质量的视频画面：H.264能够在低码率情况下提供高质量的视频图像，在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点。

（3）跟以往的技术标准相比较适应能力更强：H.264既可适应在视频会议等低延时情况下工作，能胜任视频存储或视频流服务器环境中的工作。

（4）采用混合编码结构，有利于编码效率的提高：H.264在编码框架上还是沿用以往的MC-DCT结构，即运动补偿加变换编码的混合结构，因此它保留了一些先前标准的特点，如不受限制的运动矢量，对运动矢量的中值预测等。

（5）和H.263等技术编码相比，编码选项更少，使编码更加简单易懂。

（6）H.264应用环境场合较以往技术标准更加广泛：H.264编码技术可以根据工作场合来选定自己的传输和播放速率.并可以进行错误处理，能够更好地对丢包和误码进行控制和处理。

（7）更强的纠错能力：H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。H.264技术自带的纠错工具，能在网络传输、特别是无线传输的环境中，实现快速的纠错。

（8）H.264编码复杂程度更深：H.264的熵编码主要包含两部分：一是针对语法元素的熵编码，二是针对量化后残差系数的熵编码方法，编码复杂程度是H.263标准的2倍以上。

据此，本系统以H.264为基础，综合分析国内外电子芯片生产厂商的技术资料，从信源处理、压缩（解压缩）编码计算、板块管理、电源管理、通信服务等各方面优选出满足项目要求的芯片，组合成新的项目目标板卡。

4 高清非对称系统设计

“高清非对称传输系统”在目前使用的产品的技术基础上研发，确保可在现有系统中有效使用。系统采用目前最先进的高清视频压缩算法，有效兼容MPEG2/4、H.264等图像编码处理技术，在时延抖动处理、恒码流控制技术方面需有效结合卫星信道传输的最新技术特点，在可实用的带宽内完成在目前会商系统的基础上增加第二高清传输通道的开通。

高清非对称传输系统借鉴传统视频编解码系统开发出支持独立控制的一套面对面的传输系统，系统可实现非平衡的定向交叉工作；如图2所示。

系统设计视频分辨率达到720P以上，接口设计定位为SDI和分量接口，带宽使用要求为1.5MHz，码流控制不高于2Mbp，链路控制要求非对称。设备体积150×150×25（mm），重量小于500g，以满足便携应用需求。整个设备的功耗降低小于5瓦，芯片布置密度大大提高，减少散热片等额外负担，降低设备体积重量不以牺牲可靠性为代价。

控制软件的初步开发要求做到中心网管式，可控制通道建立和拆除，自动识别及匹配通道参数，集中管理。

高清非对称传输系统具备在有限带宽内进行传输高清的控制技术，在全国应急系统有实用价值，系统最终目标为具备经济性的适合应急卫星平台的高清非平衡系统，系统需兼容应急平台已有的流媒体发布平台。系统控制管理软件，有设备管理、操作权限、点播、直拨、录制、流媒体发布等功能。

高清非对称传输系统采用先进的编码算法，码流低且稳定，减少带宽开销；目前各视音频平台的算法以地面通信应用为基本点，在保证视音频质量的前提下，要求通信链路带宽较大情况下，寻找一种只牺牲大动态图像质量的低比特率算法，减少卫星链路造成的甩包丢包，实现带宽占用的相对稳定。

5 系统研发成果

5.1 非对称传输发射板与接收板

非对称传输发射板和接收板是依据本项目的项目目标研发的用于非对称信号网络传输及编码的专用硬件设备。非对称传输发射板兼容YPbPr（色差分量接口）、HDMI（高清晰度多媒体接口）两种类型的高清视频信号格式，可用一个YPbPr接口或HDMI接口输入，另外还配备音频输入输出接口、以太网输入接口以及用于设备调试与管理的UART串行接口，非对称传输发射板可将YPbPr接口或HDMI接口输入及音频输入的音视频信号经过硬件编码后在IP网络上进行传输。该产品填补业内空白，可广泛用于YPbPr、HDMI信号和音频信号远程网络传送的场合。图像清晰，亮度、对比度、饱和度、色度可调，网络传输实时性完美，时延小于300ms，音视频准确同步。支持单播、组播及广播传输等通信方式。可实现稳定的广播级质量的远程音视频传输及编解码；如图3所示。

非对称传输发射板和接收板主要特点：

（见图4）高清晰、低码流：采用H264高效解码算法（可支持解码格式H264、MPEG4、JPEG），实现了720P信号高清晰、低码流的传输与解码。支持多种YPbPr、HDMI分辨率，最大支持1280x1024分辨率，可实现电脑屏幕的网络传输；同时兼容720P输入等；且实现输入分辨率自适应功能多种通信方式：可通过网络对设备进行配置；支持单播、组播及广播传输等通信低延时：系统采用高性能DSP处理芯片，编码效率及传输效率更高，实时性好，视频、音频同步性好，延时低于300ms。

5.2 系统板卡测试结果

将非对称传输发射板接入轻型卫星集成终端测试位置位于北京房山；非对称传输发射板接入环境院应急会商指挥车测试位置在房山门头沟永定河附近；轻型卫星集成终端上行卫星带宽分别设为2Mbps和1.5Mbps对非对称传输发射板（HDMI接口板）、非对称传输发射板（YPbPr接口板）、非对称传输接收板（HDMI接口板）和非对称传输接收板（YPbPr接口板）四块板卡设备进行测试。在编码速率大于1.2M，通道速率大于2M时，所传图像清晰、视频流畅，尽管在编码速率为1.2M通道速率为1.5M时图像边际不太清晰，总体图像质量能满足卫星应急高清传输的要求，当编码速率为1.2M通道速率为1.5M及以下，时图像质量显明下降，甚至还不如标清视频的效果（测试结果如表1）。

6 结语

本项目研发的高清非对称传输系统，利用卫星传输的非对称性，能根据接收发射业务数据量灵活控制双向通道码流速率，最大限度利用有限的卫星带宽资源进行音视频数据业务的传输，经应用测试能够与已有卫星应急会商系统集成，优化卫星数据传输链路，在应急卫星通讯领域有着广泛的应用前景。