基于嵌入式系统的无线视频传输性能测试平台的设计与实现

周虎，李波，蔡敏捷，何婧

0 引言

随着无线网络的快速发展，视频业务也越来越多地通过无线信道进行传输，相应的标准和协议也更注重视频在无线信道上的传输质量。然而，一个新协议或改进协议的性能如何，必须经过大量的实验来验证。但现实中的无线视频传输性能测试，不但需要无线网卡等设备和开阔的测试空间，实现过程比较复杂，不便于对系统进行有效而快捷的在线调试，而且往往需要大量的人力物力投入。因此本文依据项目需求，设计并实现了一个基于嵌入式无线信道模拟器的无线视频传输测试平台(以下简称测试平台)，用于模拟测试视频数据在无线信道上的传输性能。

1 测试平台整体介绍

测试平台由主机控制程序和嵌入式无线信道模拟器两部分组成。其工作流程如图1所示。主机向嵌入式无线信道模拟器发送经过编码的视频数据，模拟器根据指定的无线信道模型，对其进行模拟传输处理(即产生相应的误帧)。最后，经过处理的视频数据，被送回主机进行解码显示并评测传输性能。

图1 无线视频传输测试平台工作流程

主机控制程序使用Visual C++实现，拥有友好的用户界面。其主要功能为：视频编解码、信道模型参数设置、视频数据发送和接收、视频显示等。其中编码模块采用H.264协议作为彩色运动图像序列的压缩编码方法，将来可以根据需要，对协议进行扩展。解码模块将经过无线信道模拟器处理后的视频数据进行解码。为了验证信道误帧性能，解码时不对视频数据进行纠错处理。在主机控制程序中，通过检测解码图像的峰值信噪比(PSNR)，实现对无线信道传输性能的客观评测，通过将解码图像与原始图像进行显示对比，实现对无线信道传输性能的主观评测。另外，主机控制程序可以通过用户界面，对无线信道模拟器进行参数设置，从而实现不同无线信道环境下，视频数据传输性能的测试。

嵌入式无线信道模拟器，分为嵌入式系统与无线信道模拟器两个模块。其中嵌入式系统采用 ARM 处理器，联合Linux操作系统的结构设计，无线信道模拟器是在其上构建的信道模拟程序。嵌入式无线信道模拟器是本文的工作重点，下面将分别对两模块进行详细介绍。

2 嵌入式系统

2.1 硬件部分

嵌入式系统硬件部分采用三星公司的S3C2440A[1]作为处理器。它是一款基于ARM920T的32位RISC微处理器，主频为400MHz，具有较强的任务处理能力。以太网接口功能通过DM9000A[2]实现，DM9000A 是DAVICOM 公司推出的一款高度集成，功能强大的以太网接口芯片。其基本特征是：集成 10/100M 物理层接口；内部带有 16K 字节SRAM 用作接收发送的 FIFO 缓存；支持 8/16位两种主机工作模式；10ns的 I/O读写时间；遵循IEEE 802.3 以太网传输协议。

本系统中DM9000A工作在16位模式。其数据线SD0至SD15分别与S3C2440A的数据线低16位D0至D15连接。寄存器选择管脚CMD与S3C2440A的地址线A2相连，该管脚为高电平时选择 DATA端口寄存器，低电平时选择INDEX端口寄存器。S3C2440A通过读写上述两个寄存器实现对 DM9000A的配置与数据传输。片选管脚 nCS与S3C2440A的nGCS3连接，将DM9000A映射到ARM处理器的0x18000000地址空间。S3C2440A与DM9000A的主要管脚连接见图2。

图2 S3C2440A与DM9000A的主要管脚连接

2.2 软件部分

2.2.1 Linux操作系统

Linux操作系统是一款多用户、多任务的操作系统，自其诞生以来就以源代码开放、功能强大、可靠性高等诸多优点，得到了广泛应用。而将Linux用于嵌入式领域更是因其具有内核小、效率高、可移植性强等特点，已成为当今嵌入式系统的主流。因此，本嵌入式系统采用 Linux发行版Ubuntu9.04作为操作系统，内核版本为2.6.30。该内核包含DM9000系列以太网芯片的驱动程序，只需简单的修改配置便可实现对DM9000A的驱动。

Linux网络通信需要通过socket套接字实现。套接字是支持TCP/IP协议网络通信的基本操作单元。可以将套接字看作不同主机间的进程进行双向通信的端点，它构成了单个主机内及整个网络间的编程界面。应用层通过传输层进行数据通信时，TCP和UDP可能需要同时为多个应用程序进程提供并发服务，而为每个进程绑定相应的套接字，则完善地解决了这个问题。

2.2.2 数据交互程序

嵌入式系统通过以太网接口与主机进行数据交互。考虑到视频数据传输实时性的要求，传输层使用 UDP协议。Linux操作系统启动后自动创建套接字接口，绑定指定 IP和端口，调用recvfrom()函数等待接收主机发送的数据。视频数据经过无线信道模拟器处理后，Linux调用 sendto()函数将其发回主机。主机在准备进行无线信道传输测试时，首先创建套接字接口，将编码后的视频数据打包发送至嵌入式系统，同时从嵌入式系统接收，经无线信道模拟器处理后的数据进行解码显示。具体流程如图3所示。

图3 测试平台中嵌入式系统与主机数据交互流程

3 无线信道的模拟器

3.1 无线信道模型简介

无线信道是指信号通过无线电波从发送端到接收端的传输路径。相对有线信道，无线信道更为复杂，也更容易受环境影响。例如在无线信道中，由于反射会导致多径效应，由于节点移动会导致多普勒效应。一般来说，无线信道对信号产生的影响，可分为3类[3]：(1) 传播路径损耗模型。主要考虑接收信号的功率，随着传播距离的增加而减小，而传播路径损耗则随传播距离增加而增加的特性；(2) 大尺度传播模型。关注信号经过长距离传播的变化特性，主要讨论各类地形与地物对传播信号所产生的遮蔽效应；(3)小尺度传播模型。用来描述在很短的距离内，接收信号功率所呈现的快速变动。目前主要的无线信道模型，有二状态马尔可夫信道模型[4]、瑞利信道模型[5]、莱斯信道模型[6]等。

二状态马尔可夫信道模型，主要关注无线信道的误帧特性。假设无线信道对数据产生的影响为突发连续性的，即信道衰落会导致一段时间内传输的比特连续错误，进而导致整个数据帧出错。该模型将信道状态划分为“Good”和“Bad”两种状态，当信道处于“Good”状态时，数据帧的误码率为 0；当信道处于“Bad”状态时，数据帧误码率为 1。如图4所示：p代表传输前一帧时信道处于“Good”状态而当前帧仍处于“Good”状态的概率，1-p为前一帧信道处于“Good”状态而当前帧转为“Bad”状态的概率。

图4 二状态马尔可夫信道模型

(1)式中П为二状态马尔可夫信道模型的状态转移概率矩阵，(2)式中ε代表该模型下数据帧错误传输的概率。

3.2 无线信道模拟器的实现

在无线信道模拟器上实现了二状态马尔可夫信道模型，模拟无线信道对视频数据进行误帧处理。主机发送至嵌入式无线信道模拟器的数据有两种：一种为控制信息，用于配置无线信道的参数，即修改二状态马尔可夫信道模型的状态转移概率参数p与q；另一种是需要处理的视频数据。无线信道模拟器对接收的数据进行判断，对于控制信息，读取后修改信道模型参数；对于视频数据，直接进行无线信道传输模拟处理。

无线信道模拟器对主机送来的视频数据根据，当前所处马尔可夫链状态，进行相应误帧或无误传输处理。在具体程序实现时，通过定义静态全局变量sign表示马尔可夫链所处状态，sign值为1，代表“Good”，为0代表“Bad”。处理数据帧前首先产生随机数R，其取值范围为：0＜R＜1。若前一数据帧传输信道状态为“Good”(即sign值为1)，且R小于当前状态转移概率p，则本数据帧传输信道状态仍为“Good”，正确传输，若R大于当前状态转移概率p，则本数据帧所处信道状态转为“Bad”，传输产生误帧。具体工作流程见图5。

图5 无线信道模拟器工作流程

4 实验测试

实验具体过程：由主机控制程序向嵌入式无线信道模拟器发送编码后的H.264视频数据，经过模拟器误帧处理后送回主机显示评测。本实验采用CIF格式，Foreman序列作为测试对象，进行3组测试：第一组信道参数设置为p=1，q=0，由(2)式知无线信道误帧率ε为 0%；第二组参数设置为p=0.95，q=0.05，误帧率ε为5%；第三组参数设置为p=0.85，q=0.15，误帧率ε为15%。图6为原始视频图像，图7、8、9为3组测试的解码图像。

图6 原始视频图像

图7 误帧率：0%，PSNR：35.32dB

图8 误帧率：5%，PSNR：30.18dB

图 9 误帧率：15%，PSNR：24.69dB

由测试结果可知，无线信道误帧率为0%时，视频数据经无线信道传输没有损失，解码图像的峰值信噪比为35.32dB，从显示效果来看与原始图像基本相同。无线信道误帧率为5%时，视频数据经无线信道传输产生一定损失，解码图像的峰值信噪比降为30.18dB，显示效果比原始图像略差。而无线信道误帧率为15%时，视频数据经无线信道传输损失严重，解码图像的峰值信噪比降低至24.69dB，显示效果相比原始图像严重失真。经过上述实验，可以看出视频数据经无线信道模拟器处理后的误帧效果，符合无线信道衰落特性，本测试平台有效地实现对视频数据经过无线信道传输的模拟测试。

5 结论

本文设计并实现了一个基于嵌入式无线信道模拟器的无线视频传输性能测试平台，并通过实时视频传输实验对该平台进行了验证。室内环境中，该平台在无须特殊测试设备的条件下，为视频数据在无线信道传输的性能测试，提供了良好的模拟测试环境，减小了测试开销，并可以通过软件升级增加新的无线信道模型，因此具有良好的可扩展性和实用性。

[1] SANSUNG Electronics.S3C2440A USER’S MANUAL[Z] .Corea: SANSUNG Electronics ,2003.

[2] DAVICOM Semiconductor, Inc.DM9000A ATASHEET[Z] .Taiwan: DAVICOM Semiconductor ,2005.

[3] 王鹏,陈吉余,李栋.无线信道特性及仿真[J] .中国传媒大学学报自然科学版.2006,(02):11-15.

[4] McDougall J, Miller S. Sensitivity of Wireless Network Simulations to a Two-state Markov Model Channel Approximation[J] .Global Telecommunication Conference.Dec. 2003:697–701.

[5] Michalopoulos D, Karagiannidis G. Performance Analysis of Single Relay Selection in Rayleigh Fading[J] .Wireless Communications, IEEE Transactions. October 2008:3718-3724.

[6] Muthuswamy S, Annamalai A. Optimized Transmitter Diversity Systems in Rice Fading Channels[J] .Vehicular Technology Conference. 2004. vol.1:435-438.