步入21世纪,单兵通信系统正朝着便携化、视频化、集成化方向发展,并广泛应用于武警、消防等方面。针对在复杂场景下,存在多径效应、环境噪声等影响因素,本文探究并设计了基于编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)和高效视频编码(High Efficiency Video Coding, H.265/HEVC)技术的单兵视频通信系统。系统用H.265对视频图像进行压缩,经过RS编码、卷积交织、卷积编码和块交织,将数据流进行4QAM调制,经由接收端解调和解码,完成视频通信。结果表明,该通信方案可以降低数据误码率,并大幅度提升视频传输效率。 Stepping in 21st century, the Individual-Soldier Video Communication System has been developing with small size, video viewing, integration and ultra-wide band. The system has been widely used in command of police investigation, emergency and rescuing. Considering that there exist the multipath effect and environmental noise, the COFDM technology and H.265/HEVC technology are explored, and an efficient and reliable single-soldier video communication system is designed. The system uses H.265 to encode the video image. After RS encoding, convolution interleaving, convolution encoding and block interleaving, the data stream is modulated with 4QAM, and video communication is completed through demodulation and decoding of the receiving end. The simulation result indicated that this system could both improve the transmitting efficiency and reduce the error rate.
李劲松1,林聪仁2,孙海信2*,许静萱2,周明章2
1深圳市朗石科学仪器有限公司,广东 深圳
2厦门大学,信息科学与技术学院,福建 厦门
收稿日期:2019年4月2日;录用日期:2019年4月17日;发布日期:2019年4月24日
步入21世纪,单兵通信系统正朝着便携化、视频化、集成化方向发展,并广泛应用于武警、消防等方面。针对在复杂场景下,存在多径效应、环境噪声等影响因素,本文探究并设计了基于编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)和高效视频编码(High Efficiency Video Coding, H.265/HEVC)技术的单兵视频通信系统。系统用H.265对视频图像进行压缩,经过RS编码、卷积交织、卷积编码和块交织,将数据流进行4QAM调制,经由接收端解调和解码,完成视频通信。结果表明,该通信方案可以降低数据误码率,并大幅度提升视频传输效率。
关键词 :单兵设备,视频通信,COFDM,H.265/HEVC
Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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单兵视频通信系统指在单兵任务中,兵与兵或是与指挥系统之间自动建立连接并传输区域视频信息的系统,其目的是对战场信息实时获取,从而加强装备、人员之间的联系,从整体上提高部队的作战效率和性能。上世纪60年代,人们利用晶体管通信设备来提升部队的作战能力。七十年代后,大规模集成电路的普及使得跳频技术被广泛用于通信设备的研发中,之后,跳频/扩频通信方式被广泛地应用,进一步提升了信息的安全性。但是随着野外地形的多样化,通信设备面临的环境也越发复杂,多径干扰、环境噪声制约着通信设备性能的提升。基于上述背景,高效的单兵视频通信设备得以研究和发展。
对于传统的视频通信设备,数字移动通信技术传输速率过低,不能满足视频通信的需要;而普通的WiFi信号虽然能够达到较高的信道速率,对多径干扰的抵抗能力也较强,但其工作频段过高,传输范围无法达到单兵通信标准。而视频编码方面,于2003年4月被提出的H.264/AVC [
正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)是一种特殊的多载波调制技术,信道在频域上被分为多个正交的子信道,则高速串行的数据流被分为多个并行的子数据流,并被调制在相互正交的子载波上进行传输 [
COFDM系统的发送端结构如图1(a)所示。在DVB-T标准中,COFDM所采用的数字调制为正交振幅调制(QAM),而信道编码分为外编码、外交织、内编码、内交织四部分 [
COFDM系统的接收端结构如图1(b)所示,它是发送端的逆进程。卷积码采用维特比译码方式解码,RS编码因本身带有前向纠错机制,所以在解码过程中可以自动纠正监督位长的突发错误。
图1. (a) COFDM发送端框图;(b) COFDM接收端框图
DVB-T标准中,外交织/解交织分别采用卷积交织/解交织。对于一串数据,发送端卷积交织器将单个码字分别调制到不同的数据分组中,旨在保证单个分组中不包含原来数据间隔小于分组长度的任意两个码字;在接收端,解交织器可以当作一个反向的卷积编码器,从而对接收序列进行运算得到正序码字。内交织/解交织分别采用比特、符号交织/解交织,发送端将编码后的比特流通过多路器送入交织器中,接着将交织后的比特调制到OFDM符号上,接收端则分别放置符号、比特解交织器,恢复比特流。
交织/解交织的过程可以将信号在传输中发生的成串误码打散到数据的各个部分,从而每一个误码都有更大概率被纠正,间接地增强了信道编码的纠错能力。
H.265/HEVC是于2013年发布的视频编码标准,该编码模型继承了H.264/AVC的混合编码模式,采用预测、量化、变换编码的方式;但在细节上,H.265添加了更高效的压缩算法和失真补偿技术 [
H.265标准提出了新的视频块划分模式——编码树单元(Coding Tree Unit, CTU),单个CTU用四叉树将图像划分为编码单元(Coding Unit, CU)、预测单元(Prediction Unit, PU)和变换单元(Transform Unit, TU) [
此外,H.265采用了全新的帧间预测技术,对运动参数的搜索、估计速度进行提升。同时,H.265/HEVC采用的TZSearch算法极大缩短了运动搜索时间,通过亚像素精度级别的预测算法,相邻帧之间的运动像素被更好地估计出来 [
H.264/SVC编码是在AVC标准基础上增加可扩展机制的编码标准,现已应用到绝大多数视频终端和播放设备中 [
当前视频通信系统普遍采用COFDM调制和H.265/HEVC视频编码技术。在此基础上,对具体的模块进行设计,搭建软件模型和硬件系统,描述一个较为全面的单兵视频通信系统方案。
软件算法采用matlab和visual studio 2010联合进行仿真。COFDM部分在matlab中实现,将视频编码得到的码流经过COFDM程序的读取,模拟噪声和多径环境下的信道状况,实现接收端的解调和解码。
为了突出COFDM与H.265结合的优越性能,本节的视频编码部分采用了H.265标准的HM源码和H.264标准的JM源码进行对照仿真。表1所示,在仿真过程中,对于编码后的数据,H.265源码得到的二进制码流长度为2.81 KB,而H.264源码得到的视频码流长3.79KB;从程序运行时间上看,HM源码对8帧图像编码所用时间为61秒,而JM源码对同等帧数的图像编码所用时间为120秒,其编码时间为HM源码的两倍,而在视觉体验方面,两种标准在同一个QP下解码效果没有明显差别。上述结果说明了H.265比H.264具备更高的码率压缩性能。
编码标准 | 文件名 | 文件大小(KB) | 编码耗时(s) |
---|---|---|---|
H.264 | test.bin | 3.79 KB | 120 |
H.265/HEVC | str.bin | 2.81 KB | 61 |
表1. H.264与H.265标准下,8帧图像的编码时间与码流大小
将上述对比中HM源码得到的视频编码码流输入到COFDM程序中,得到误码率收敛曲线如图2(a)所示。
图2. (a) 误码率收敛曲线;(b) 通信板卡结构图
由图可得,COFDM的误码率收敛速度更快,在较高的信噪比下,可达到更低的误码率,从图中也可以看到,与输入随机二进制码流不同,视频编码的码流在信噪比为8 dB的时候仍然存在误码,但其误码率已经降到了10−4数量级。在普通视频传输中,该误码率完全容许视频正常传输。
然而对于本文所采用的HM16.0源码库,由于其侧重于重现视频编解码的算法,因此在抗误码方面所做的工作不多。因此,在本仿真中,将编码端产生的数据流送入COFDM信道,存储解调之后的数据,测试不同的误码率下解码器对解调数据的解调效。仿真结果表明,当误码率在10−4数量级时,解码器的解码流程可以正常进行。
在软件模型搭建完成的基础上,对系统进行硬件模型的搭设。其中,COFDM模块采用实验室和校外公司联合开发变频通信板卡。该板卡工作频段为370 MHz~390 MHz,属于特高频频段。板卡理论通信距离为3 km (无障碍物,地形平坦)。板卡结构图如图2(b)所示。
该板卡核心采用国产无线网桥芯片HED09W05SNA,其工作电压为12 V~15 V,最大电流1 A。支持COFDM的传输机制,内部烧录了802.11 b/g/n的物理层协议,兼容QPSK、16QAM、64QAM的数字调制,发射端采用OFDM调制。此外,该板卡的组网模式支持WLAN模式和无线mesh模式。
本文的系统测试中,节点由软件和硬件两部分组成。给板卡上电并连接到PC机,再将PC机与互联网断开连接,即构成了一个模拟的节点。由于器材数量有限,本文所设计的系统方案中存在两个节点,在不同情况下测试数据收发的情况。当测试节点之间能够进行数据互传时,开始进行视频信息的收发,其中大段的码流被封装成UDP分组,编码后分别用QAM进行映射,接着被调制到各路子载波上,从而完成本文所述视频通信系统的数据传输。
在不同的距离条件下,对系统进行测试。由于实验条件有限,本文将笔记本电脑作为移动节点,分别在距离10 m的空旷地带,距离15 m (相隔1个楼层),距离20 m (相隔两个楼层),距离40 m (楼内和楼外)的测试条件下对二进制流文件进行传输,记录结果作为强多径环境中的测量结果;为测量视距传输情况下的最大传输距离,实验开展于长2 km的辅道,分别在650 m,800 m,970 m,1100 m,1400 m,1700 m处进行定点测试。表2显示了其ping命令的执行情况和数据包的传输情况。
距离(m) | 障碍及绕射情况 | Ping平均时延(ms) | 丢包率(50 pings) | 收发数据是否正常 | 视频解码情况 |
---|---|---|---|---|---|
9 | 无障碍,直射 | 5.254 | 0% | 是 | 正常解码 |
11 | 半包围墙,绕射 + 直射 | 5.589 | 0% | 是 | 正常解码 |
20 | 同层,两道墙,绕射 | 7.785 | 1% | 是 | 正常解码 |
25 | 相隔一层,绕射 | 7.641 | 0% | 是 | 正常解码 |
32 | 相隔4层,绕射 | 11.957 | 1% | 是 | 正常解码 |
25 | 相隔5层,绕射 | 23.898 | 1% | 是 | 正常解码 |
100 | 相隔空旷区域,拉长天线,绕射 | 8.720 | 3% | 是 | 正常解码 |
250 | 3道墙,强干扰,绕射 | 122.982 | 48% | 否 | - |
650 | 视距传输,弱多径 | 41.343 | 5% | 是 | 正常解码 |
800 | 视距传输,弱多径 | 40.481 | 3% | 是 | 正常解码 |
970 | 视距传输,弱多径 | 87.207 | 0% | 是 | 正常解码 |
1100 | 视距传输,无障碍 | 11.193 | 9% | 是 | 正常解码 |
1400 | 视距传输,弱多径 | 108.674 | 7% | 是 | 正常解码 |
1700 | 视距传输,无障碍 | 6.682 | 0% | 是 | 正常解码 |
2000 | 非视距传输,强多径 | - | - | 否 | - |
表2. 不同距离下系统传输数据情况
从表格中可以看出,在强多径干扰的环境中,通信距离为250 m时,数据丢包率为48%,通信受阻;在微弱多径干扰(行人走动,行道树遮挡)的情况下,视距传输最远距离能达到1400 m,无障碍情况下最大传输距离达到了1700 m,在单兵视频通信过程中,上述测试结果足以完成正常通信任务。
在测量过程中,最低的ping时延为2 ms,但其平均时延为5.254 ms,出现该情况的原因是空间中有人突然走动,导致信道参数发生改变,从而产生突发时延。
实际测试中还发现,天线的角度,朝向都会影响到数据传输的效率。实验中设置一个节点固定,另一个节点走动,当两个节点同时拉长天线并高举板卡时,能够做到视距无障碍传输,但实际测试环境在多数情况下存在遮挡物,为测试带来不确定因素。总体上看,两节点距离越远,能够收发的天线可调角度越小。
表格中第四列与第五列具有一定的相关性。在丢包率小于10%的情况下,一组包含8帧图像编码信息的数据流得以传输并正常解码,能够保证帧内无误码出现。
本文首先介绍了便携式通信系统的需求和现状,通过对单兵通信系统的需求和应用场景进行分析,分别对COFMD系统和H.265编码方案进行探究,并设计出H.265/HEVC视频编码技术联合COFDM技术的单兵视频通信系统,该系统经过性能测试,在文章所设定的多径环境中达到了较好的传输性能。系统具有传输速度较快,效率较高,传输过程中抗干扰能力较强等特点,在野外侦查任务中能够较好地适应环境,达到需求的通信效果。
深圳市科技计划项资助,项目号(JSGG20170414090428464);国家自然科学基金(61671394)。
李劲松,林聪仁,孙海信,许静萱,周明章. 基于COFDM的单兵视频通信系统研究 Research of the Individual-Soldier Video Communication System Based on COFDM[J]. 无线通信, 2019, 09(02): 71-77. https://doi.org/10.12677/HJWC.2019.92009