分布式圖傳系統(tǒng)中接收機網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(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人機廣域巡視作業(yè)的分布式無線圖像傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)包括機載發(fā)射系統(tǒng)、分布式接收機網(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)無人機圖像傳輸系統(tǒng)的傳輸距離難以滿足廣域巡視作業(yè)需求的問題。設(shè)計和實現(xiàn)了分布式接收機網(wǎng)絡(luò)，并進行了大量室內(nèi)及外場測試，測試表明分布式接收機網(wǎng)絡(luò)可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行可靠的高質(zhì)量視頻傳輸。

關(guān)鍵詞： 無人機； 廣域巡視； 分布式無線圖像傳輸； 接收機網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TN711?34； TN943； TP311.1 文獻標(biāo)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(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[2]和石油管線監(jiān)測[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，為無人機的應(yīng)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(fā)射機的發(fā)射功率必然受限，因此傳統(tǒng)的無人機圖傳系統(tǒng)的傳輸距離難以滿足廣域巡視作業(yè)的需求。

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

空中接口（Air Interface，AI）對無線通信系統(tǒng)至關(guān)重要，當(dāng)前無人機圖傳系統(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)很難覆蓋無人區(qū)，且運營成本高；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，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。接收機節(jié)點是整個系統(tǒng)架構(gòu)的重要組成部分，本文著重介紹接收機節(jié)點的設(shè)計和實現(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)由無人機、接收機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。無人機在網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域進行廣域巡視，接收機節(jié)點將接收到的無人機視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)匯聚到數(shù)據(jù)中心[7]。數(shù)據(jù)中心則將各個節(jié)點的視頻數(shù)據(jù)進行融合處理。接收機節(jié)點也可以通過無人機數(shù)據(jù)鏈AI和網(wǎng)絡(luò)[8?9]建立起數(shù)據(jù)中心與無人機之間的遠程雙向數(shù)據(jù)通信[10]。

2 接收機系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

接收機節(jié)點的板級結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

接收機節(jié)的硬件模塊如下：DSP（F28M36x）是核心處理器，實現(xiàn)TS數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送；FPGA（A3P250）實現(xiàn)各模塊之間的接口時序轉(zhuǎn)換；無線圖傳接收模塊（DiB9090MA）實現(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）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；FLASH ROM用于存儲接收機節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；無人機數(shù)據(jù)鏈AI則實現(xiàn)與無人機遙控遙測數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(yīng)用廣泛。

受無人機航速快，機載發(fā)射機功耗低、重量輕的條件制約，無人機與每個接收機節(jié)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量、降低布網(wǎng)成本。DiB9090MA是采用DVB?T標(biāo)準(zhǔn)的無線接收芯片，可多片級聯(lián)實現(xiàn)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(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50 Mb/s。性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛、控制簡單。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

接收機節(jié)點的軟件架構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動層配置和初始化內(nèi)核系統(tǒng)、外設(shè)及器件；應(yīng)用層包括無人機數(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。無人機數(shù)據(jù)鏈AI通信應(yīng)用實現(xiàn)與無人機的數(shù)據(jù)通信；TS數(shù)據(jù)處理應(yīng)用實現(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)計充分利用DSP架構(gòu)優(yōu)勢，提出TS流高速實時處理算法。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(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(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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對接收機節(jié)點的配置、監(jiān)測和調(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。配置命令實現(xiàn)接收機更新配置、記錄更新參數(shù)，配置參數(shù)通過即刻反饋應(yīng)答實現(xiàn)反饋；監(jiān)控命令實現(xiàn)接收機定時向數(shù)據(jù)中心反饋自身參數(shù)信息，通過周期反饋應(yīng)答實現(xiàn)反饋。

3 測試結(jié)果及分析

圖6為發(fā)射、接收系統(tǒng)功能圖。發(fā)射端對TS數(shù)據(jù)進行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，實現(xiàn)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(zhǔn)或獨立時間基準(zhǔn)的一個或多個基本流（PES）復(fù)合而成的單一數(shù)據(jù)流，其基本結(jié)構(gòu)為長度為188 B或204 B（帶有16 B校驗數(shù)據(jù)）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(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，包含頻道號碼和每一個頻道對應(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)測試

室內(nèi)測試對關(guān)鍵的PAT，PMT、音頻和視頻4種TS包進行統(tǒng)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(tǒng)計出每類TS包的丟失數(shù)量。圖8為VS 2010開發(fā)的TS包丟包統(tǒng)計程序界面，圖9為實驗室測試環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)接收機運行一次的時間為30 min，共運行10次，得到的統(tǒng)計和分析結(jié)果如圖10所示。

由測試數(shù)據(jù)得，統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)鷹公司合作，進行多次外場測試，其中三次測試最為典型。發(fā)射端采用優(yōu)鷹公司的FHD100QHT無線圖傳發(fā)射機，發(fā)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(nèi)進行巡航。接收端測得接收信號質(zhì)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?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)，接收端信號質(zhì)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(huán)境下的傳輸性能。接收機置于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(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，向接收機發(fā)送配置命令和監(jiān)控命令，接收機能成功接收、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

本文提出了廣域巡視概念及分布式圖傳系統(tǒng)架構(gòu)，重點完成對接收機節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)，并將接收機節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)網(wǎng)測試。通過測試，在發(fā)射端為1 W的射頻功率條件下，接收機節(jié)點可以在25 km范圍內(nèi)流暢接收視頻信號，這為分布式圖傳系統(tǒng)的接收機節(jié)點布點間距提供了重要參考。

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