徐学梅，李嘉颖

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2．军事科学院，北京 100141)

0 引言

卫星移动通信系统可在运动中实现远距离、大容量的实时多媒体传输[1-2]。而在多媒体业务中，视频占据非常重要的地位，人类通过视觉获取的信息约占其总信息量的70%，视频信息具有直观、可靠等一系列优越性，但也具有误码敏感度、实时性要求高的特点[3]，这与移动卫星信道带宽受限、误码率较高形成了尖锐的矛盾。

无线信道具有带宽受限、易错及时变的特点，数据在传输过程中会发生错误或者丢失[4]，提高视频编码算法的抗误码能力是保证视频传输鲁棒性的一个重要方面。

根据卫星移动信道特点、针对视频信号对实时性要求高的问题，采用分层编码技术[5-8]，使视频编码同时具有良好的鲁棒性和带宽的自适应性，并且能在信道环境恶化的情况下，使接收视频质量逐渐变化，提高卫星移动信道下视频传输的可用性。

1 卫星移动信道特性分析

1.1 多普勒频移

(1)

(2)

这种包络和相位都被寄生调制的信号被称为衰落信号。由于相位是随机过程，因此，接收信号从单个频率变成了窄带频谱，称为多普勒频移。多普勒频移的大小与移动站的运动速率和信号频率有关，该多普勒频移的倒数称为相干时间。当符号周期大于无线信道的相干时间时，波形就会产生失真，产生时间选择性衰落，也就是上述的瑞利衰落；当符号周期大于相干时间时，衰落将呈现非时间选择性，也就是慢衰落[11]。

为了使移动信道不呈现瑞利衰落，必须使符号周期小于相干时间，即：符号周期T<相干时间，

(3)

式中，υ为移动台的移动速度，λ为载波信号波长。

在实际应用中，移动台运动速度不是很大，视频基带信号周期较小。所以高轨卫星移动信道受多普勒频移的影响很小，可忽略不计。

1.2 多径衰落

无线移动信道的主要特性就是多径传播，接收机会收到直射、反射和折射的合成信号，每个信号到达接收机的时延不同。根据傅里叶变换的时移性，时域延时引起对应的频域中所有频率分量都落后1个相位：

如果信号f(t)的频谱函数为F(ω),那么

f(t-t0)=e-jωt0F(ω)，
f(t-t0-τ)=e-jω(t0+τ)F(ω)。

(4)

当存在上述两径信号时，移动信号的传递函数为：

e-jωt0(1+e-jωτ)。

(5)

式(5)表明信号模型可以由一个无失真传输网络和传递函数为(1+e-jωτ)的另一个网络级联而成。可见第2个网络对不同的频率呈现不同的衰减，称为频率选择性衰落[12]。该衰落与相对时延差有关，第2个网络的相邻传输零点之间的频率间隔即为移动信道的相关带宽，它是信道最大时延的倒数。当信号带宽大于相关带宽时，将产生频率选择性衰落，造成符号间干扰。当信号的传输信号带宽小于相关带宽时，就不会造成符号间串扰，此时的信道也就成了平衰落的信道。

为了使移动信道不呈现频率选择性衰落，必须使信号带宽小于相关带宽。这严重影响了信息速率的提高，必须采取抗衰落技术。目前的调制解调技术都有比较成熟的抗衰落技术，而且，由于卫星天线波束相对较窄，使用时一直对着所使用的卫星，所以多径影响也很小。

1.3 阴影效应分析

电波在传播路径上遇到植被、建筑物及起伏地形等遮挡时会产生电磁场的阴影，构成接收天线处场强中值的变化，从而引起信号衰落，称为阴影效应[13]。移动站会不可避免地穿过桥梁、涵洞、山区和森林，途径高楼林立的城市。随着传播环境的变化，移动站的信号接收电平会起伏变化。衰落严重时信号接收电平达到门限以下，导致接收错误甚至通信中断。衰落程度与环境、天线仰角和移动速度相关。通常情况下，在同一区域行驶时，天线仰角越高，光学遮蔽度越小，信号衰减也就越小。

图1～图3分别给出了动中通车载站在无遮挡区、轻遮挡地区和较重遮挡区行驶时，信号电平跌落情况的实际测试结果。

比较图1～图3可以看出，动中通车载站行驶在有遮挡区域时，信号的电平衰落瞬时值较大，车载站的天线和功率受限，导致系统余量受限，不足以克服阴影效应的影响，因此，对视频传输的可用性影响较大。在动中通卫星通信系统中，需针对阴影效应设计抗衰落措施，提高系统和视频传输的可用性。

图1 动中通车载站行驶在无遮挡区时 接收信号电平频谱图

图2 动中通车载站行驶在较轻遮挡区时 接收信号电平频谱图

图3 动中通车载站行驶在较重遮挡区时 接收信号电平频谱图

2 视频抗误码技术研究

对于固定卫星通信动中通系统而言，多普勒频移和多径干扰的影响比较小，关键因素是阴影效应。对抗阴影效应的常见办法有2种，第1种是为发送功率留余量，通过自适应功率控制补偿信号衰落；第2种是误码重传。由于功率和天线受限，第1种办法不足以解决所有问题，第2种办法实现简单，时延较大，不适用于固有时延较大的卫星通信系统。受信道影响最为明显的业务就是实时性要求最高的视频业务，通过采用分层编码和分层传输技术提高非可靠信道视频传输的可用性[14-15]。

2.1 分层编码技术

分层编码技术就是将原始的视频序列编码成多个数据流，所有数据流接收成功后可联合解码获得最高的图像质量。每个数据流的级别可以相同，也可以不同，相同时，每层可独立解码；不同时分为基本层和增强层[16]2种。基本层只有1个，增强层可以有多个。基本层信息内容等级高，是增强层的基础，增强层是基本层的补充，用来提高重构视频质量，图4为3层编码框架。MPEG-2标准就采用了这种分层编码技术。

图4 3层分层编码框架

2.2 分层传输技术

分层传输技术关键就是基于分层编码的传输技术[17-18]。在卫星通信系统中，通常将视频流作为透明数据流进行传输，不考虑分层的特点，业务速率不会随系统的带宽而变化。

对于卫星动中通系统而言，存在大小站组网的问题，小站型业务接收和发送能力都比较低，所以选择不同等级的多层编码算法的视频编解码体制，采用两级编码。在发送端解析视频帧信息，分离出基本层信息，进行编码保护，保障基本层码流的传输可靠性；分离出增强层信息，根据用户的带宽能力选择传输的层及码率，让用户恢复出不同质量与分辨率的视频信号。

3 视频分层传输的试验验证

3.1 试验环境搭建

试验采用一套动中通车载站和一套固定卫星通信站来实现，两站型上均具有3层编码的视频处理设备，采用标准视频测试数据流进行试验。部分试验参数如下：

① 通信卫星：亚太5号卫星；

② 通信频段：Ku频段；

③ 动中通车载站天线口径：0.8 m；

④ 固定卫星通信站天线口径：4.5 m；

⑤ 传输速率：2 048 kbps。

试验中，动中通车载站在一条选定的路面上反复行驶，这条选定的路面包括平坦路面、颠簸路面、有树木遮挡区域以及无树木遮挡区域，行驶中将标准视频流经分层编码后，经卫星传输到固定卫星通信站，在固定卫星通信站上经分层解码后，将视频信息恢复出来。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 试验结果

① 动中通车载站在平坦路面无遮挡区域，以80 km/h行驶条件下的测试结果，此时视频传输效果如图5所示。

图5 动态视频测量结果1

② 动中通颠簸路面无树木遮挡区域，以60 km/h行驶条件下的测试结果，此时视频传输效果如图6所示。

图6 动态视频测试结果2

③ 动中通颠簸路面有树木遮挡区域，以60 km/h行驶条件下的测试结果，此时视频传输效果如图7所示。

图7 动态视频测试结果3

3.2.2 试验结果分析

动中通车载站在平坦路面无遮挡区域以80 km/h行驶条件下进行视频传输时，由于传输环境好，因此误码率很低，接收端能够将基本层及2个增强层全部收到，传输后视频与原始视频主观上差别不明显。

动中通颠簸路面无树木遮挡区域，以60 km/h行驶条件下进行视频传输时，由于车辆快速行驶在颠簸路面上，所以会带来一定跟踪损失，这种损失会造成误码增大，此时接收端只能将受到主要保护的基本层及重点保护的增强层1收到，而将基本保护的增强层2舍去，视频质量还可以接受，能够保持视频的完整性。

动中通颠簸路面有树木遮挡区域，以60 km/h行驶条件下进行视频传输时，由于车辆在颠簸路面上快速行驶的同时还会受到树木的部分遮挡，此时传输误码很大，此时接收端只能将受到主要保护的基本层收到，而将重点保护的增强层1和基本保护的增强层2全部舍去，视频质量尽管很差，但仍能够保持其连续性。

视频的分层传输虽然对视频传输的鲁棒性没有直接的贡献，却非常有利于提高视频编码对信道状况的适应能力。

4 结束语

与数据文件的传输不同，视频业务要求实时传输，可以容忍一定程度的误码。分析和试验结果表明，对于使用移动卫星信道传输视频业务时，可以采用分层传输方式来提高系统可用性。分层编码结合不等的错误保护，可以构成一种有效抗误码措施。分层编码还可以灵活调整编码速率，用户可以根据信道的容量与需求，接收一个或多个分层，从而恢复出不同质量与分辨率的视频信号。