载人航天器天地视频/音频通信网络一体化设计

张克楠 李兴乾 张亚锋 丁凯 赵茂华 龙吟 周昊澄 骆成栋 赵文彦

(1 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2 上海卫星工程研究所,上海 201109)

天地视频/音频通信是指载人航天器与地面通信站之间的通信。其主要功能是完成载人航天器天地视频/音频信息的传输[1]。在几乎所有的载人航天任务和深空探测任务中,天地视频/音频通信都发挥了极为重要的作用。

目前,天地视频/音频通信是建立在天地一体化网络之上的,通过天地一体化网络实现地面通信网和空间通信网的无缝连接[2]。在国外,“国际空间站”上已经进行了基于IP网络的天地通信协议试验[3],但并未作为任务系统投入使用。国内对天地一体化网络的研究从10余年前开始兴起[4-10],并最终作为任务系统在天舟一号货运飞船上首次投入使用,在空间站建造阶段经过天舟一号至天舟五号的成功发射和在轨飞行得到充分验证。由于载人航天器通信网与地面通信网在链路层差异较大,为实现二者融合需要建立天地一体化的信息传输系统。

本文提出一种天地视频/音频通信网络一体化设计,采用基于国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的IP技术(IP over CCSDS技术)[11]屏蔽载人航天器通信网与地面通信网链路层的差异,实现载人航天器与地面站端到端的一体化通信;针对不同类型、不同优先级的数据,采用静态优先级和轮询调度策略相结合的调度方式实现信道资源的合理复用;采用里德-所罗门(RS)编码、加扰、同步等一系列服务质量(QoS)手段保证视频/音频通信质量。地面测试和在轨飞行验证结果表明:本文提出的天地视频/音频通信网可以实现天地之间视频和音频的流畅清晰传输。

1 天地视频/音频通信网络一体化设计

天地视频/音频通信网络由载人航天器通信网和地面通信网组成,如图1所示。载人航天器通信网由舱内摄像机、舱外摄像机、无线收发设备、无线送受话器、以太网交换机、高速通信处理器、信号处理单元、中继天线和仪表显示器组成,其中,高速通信处理器是载人航天器通信网的网关。地面通信网由中继卫星和地面站组成。

注:PAL-D为逐行倒相-D;AOS为高级在轨系统。图1 天地视频/音频通信网络Fig.1 Space-ground video/audio communications network

舱内摄像机可以同时输出高清图像和PAL-D模拟图像,舱外摄像机可以在输出低速图像和高清图像2种工作模式之间切换。低速图像采用MPEG-4编码,高清图像采用H.264编码。舱外摄像机将低速和高清图像通过以太网交换机送至高速通信处理器,先由网络主控模块按照实时传输协议(RTP)/用户数据报协议(UDP)/IP协议进行封装,然后再由AOS模块按照IP over CCSDS协议组帧后送至信号处理单元进行信道编码和调制,最后通过中继天线下传。

舱内摄像机将模拟图像直接送至高速通信处理器视频编解码模块中以H.264或MPEG-4编码,再由网络主控模块按照RTP/UDP/IP协议顺序进行封装,由AOS模块按照IP over CCSDS协议进行组帧,然后送至信号处理单元进行信道编码和调制,最后通过中继天线下传。

无线送受话器将话音源码送至高速通信处理器话音编解码模块以高级音频编码(AAC)算法进行编码,再进行加密,然后由网络主控模块按照RTP/UDP/IP协议进行封装,再由AOS模块按照IP over CCSDS协议组帧后送至信号处理单元进行信道编码和调制,最后通过中继天线下传。下行视频/话音处理流程如图2所示。

为配合下行图像用于双向视频通话,地面站上行H.264编码的标清图像。上行图像码流经中继天线接收后送至信号处理单元进行解调和信道译码得到基带信号;将基带信号送至高速通信处理器AOS模块按照IP over CCSDS协议进行帧解析,然后送至网络主控模块按照IP/UDP/RTP协议顺序进行解析,取出视频数据流;对视频数据流按照H.264算法进行解码,再依次进行数据帧处理、数模转换、模拟图像重建,然后送至仪表显示器显示。上行视频处理流程如图3所示。

上行话音信号经过信号处理单元解调和信道译码后送至高速通信处理器话音编解码模块,完成解密和解码。解码后的数据送到AOS模块按照IP over CCSDS帧解析,然后送至网络主控模块按照IP/UDP/RTP协议顺序进行解析,取出音频数据流;对音频数据流按照AAC算法进行解码,然后送至航天员。上行话音处理流程如图4所示。

天地视频/音频通信网络按照5层协议体系架构组帧。应用层采用支持图像话音实时传输的RTP协议;传输层采用无连接的UDP协议;网络层采用IP协议;数据链路层采用IEEE802.3协议实现载人航天器通信网内部有线通信,采用IP over CCSDS协议实现载人航天器通信网和地面通信网的IP数据包传输。载人航天器通信网与地面通信网之间的物理层采用Ka频段射频链路。天地视频/音频通信网络协议栈如图5所示。

注:NRZ-L为非归零电平码;NRZ-M为非归零传号码。图2 下行视频/话音处理流程Fig.2 Downlink video/audio processing procedure

图3 上行视频处理流程Fig.3 Uplink video processing procedure

图4 上行话音处理流程Fig.4 Uplink audio processing procedure

图5 天地视频/音频通信网络协议栈Fig.5 Protocol stack of space-ground video/audio communications network

1.1 IP over CCSDS技术

神舟飞船天地数据传输未采用IP over CCSDS技术,仅支持传输速率为32kbit/s的话音通信和传输速率为768kbit/s分辨率为352×288像素的低速图像传输,不支持网络数据传输,存在数据速率较低且固定、数据类型单一且固定的不足。目前,地面通信网已经实现了IP网络互联,航天器上的计算机设备越来越多,采用IP网络实现航天器设备之间的信息互连,既能够充分利用成熟的IP技术,统一设备间接口和交互协议,提高设备的通用性和灵活性;又可以统一天地间的通信协议,减少协议转化环节。本文提出的天地视频/音频通信网络,采用IP over CCSDS技术屏蔽载人航天器通信网与地面通信网链路层的差异,实现舱内网络终端的自由接入和天地网络间端到端一体化通信,实现数据类型动态配置和数据速率动态配置。上行速率达到5Mbit/s,下行速率达到144Mbit/s,双向时延550ms;可同时支持速率为7.68Mbit/s、分辨率为1920×1080像素的高清图像传输和速率为1.92Mbit/s、分辨率为704×576像素的标清图像传输,以及速率为768kbit/s、分辨率为352×288像素的低速图像传输和速率为192kbit/s的高质量话音通信。IP over CCSDS技术通过CCSDS AOS协议传输IP数据包,在每个IP数据包包头前插入CCSDS IP扩展(IPE)字节封装成CCSDS封装包,然后在1个或者多个CCSDS AOS帧中传输这些封装包。

CCSDS AOS帧格式如图6所示。AOS帧数据域根据所承载的业务不同,采用不同的数据结构。

视频/音频数据业务的AOS帧数据域为多路复接协议数据单元(MPDU),MPDU的数据域为CCSDS封装包(承载CCSDS封装包导头IPE与IP协议数据单元)或空闲封装包,如图7所示。MPDU导头长16bit,其中:前5bit设置为保留域,填充全0;后11bit为首导头指针,指向第1个完整的CCSDS封装包的第1个字节所在位置,从0开始依次递增。根据CCSDS封装包导头中包长度,就可以区分出每个独立的CCSDS封装包。如果MPDU数据域的第1个字节就是CCSDS封装包的第1个字节,则首导头指针为全0;如果MPDU数据域中不包含CCSDS封装包导头,那么首导头指针为全1;如果MPDU数据域全部为填充数据,那么首导头指针设为11111111110。

由于IP数据包长度约束为46～1500byte,而MPDU数据域长度为884byte,因此需要根据IP数据包的大小判断是否将一个完整的IP数据包进行分割,并在多个AOS帧中传输。如果IP数据包无法填满MPDU数据域,则在MPDU数据域中插入空闲数据,以保持AOS帧的完整。

图6 CCSDS AOS帧格式Fig.6 CCSDS AOS frame structure

图7 MPDU帧格式Fig.7 MPDU frame structure

1.2 调度策略

天地一体化网络中传输的数据种类繁多,依照数据的不同特点可以分为3类,为3类数据分配不同的虚拟信道。第1类是控制数据,其特点是实时性要求高、可靠性要求高,数据流量低,但具有突发性;第2类是视频/音频数据,其特点是实时性要求高,时延要求高,丢帧误帧要求相对不高,数据流量比较固定;第3类是试验数据,其特点是实时性要求低,时延要求低,可靠性要求相对不高,数据流量大。由于天地间的信道容量有限,为提高信道资源利用率,需要制定合理的虚拟信道调度策略,以满足3类数据的传输需求。虚拟信道调度实质上可以等效为一个排队模型,是消失制和等待制的混合模型,即在新数据帧到达时,如果已经到达的数据帧正在被处理,则新到达的数据帧在缓存区未满的条件下进入缓存区内等待输出,否则就被丢弃。

最简单的调度策略莫过于严格的周期轮询(Strict Polling),例如3个虚拟信道按照…,1,2,3,1,2,3,…的顺序轮流接受服务;如果传送帧数分别取为(1,1,1),则对3个虚拟信道是完全公平的,简单表示为St(1,1,1),St代表严格的周期轮询。此外,如果某一虚拟信道优先级较高,可采用星轮转(Star Polling)的方式,利用该方式强调其实时性,例如,虚拟信道2的优先级较高,可按照…,2,1,2,3,2,1,2,3,…的顺序轮流接受服务,用S表示。以上是2种静态调度方式,其特点是具有严格的周期性,因而实现简单。但是在实际使用中,源包均是随机到达的,而严格周期化的调度次序与源包的随机到达几乎完全不符,导致系统性能很难达到最优,因此需要进一步研究动态调度的性能和可行性。动态调度有多种形式和原则,一般根据当前的缓存容量或等待时间的要求进行选择。

本文提出的调度方式采用静态优先级和轮询调度策略相结合的方式。虚拟信道调度过程需要对不同的虚拟信道设置不同的优先级,承载控制数据的虚拟信道优先级最高,其次为承载视频/音频数据的虚拟信道,承载试验数据的虚拟信道优先级最低,如表1所示。

表1 虚拟信道优先级Table 1 Priority of virtual channels

调度模块由多个输入队列和1个输出队列构成,模块首先对优先级高的队列进行查询,而对于同一优先级的队列则按一定顺序查询。接受查询的队列获得服务机会,若该队列中有数据包存在,则数据包被添加到输出队列;若该队列无数据,则继续对下一个队列进行查询,若在规定时限内系统内没有数据包,则填充空闲帧到输出队列。

曲靖市与文山州建立少数民族流动人口服务和管理协作机制 10月25日，曲靖市与文山州建立少数民族流动人口服务和管理协作机制。一是双方建立少数民族流动人口流入地和流出地的信息沟通、情况通报制度；二是双方协调本地区有关部门和有关县（市、区），为少数民族流动人口提供必要的服务和适当的便利；三是双方着力维护少数民族流动人口合法权益；四是适时交流少数民族流动人口服务管理的做法和经验，共同促进民族工作的开展。

1.3 QoS保证

为对抗噪声干扰降低误码率,对AOS帧进行信道编码,采用RS(255,223)信道编码算法为AOS帧加上校验位,如图8所示。使用RS(255,233)信道编码算法后,在相同的信道误码率(1×10-6)条件下,丢帧率降低至不大于1×10-8。

为了避免出现全0、全1长码,对图8的AOS帧进行加扰,采用伪随机生成多项式生成伪随机序列与AOS帧进行异或。

为便于接收端确定帧头位置进行后续处理,在AOS帧头前附加固定长度的同步码块,附加同步码块之后的帧格式如表2所示。接收端通过识别数据流中特定的同步码块实现同步,再通过进一步的RS校验确定同步。

图8 加RS校验位的AOS帧格式Fig.8 AOS frame structure with RS check bits

表2 加同步码块的帧格式Table 2 Frame structure with synchronization block

2 实例验证

2.1 地面测试验证

为验证本文提出的设计方案,搭建了天地视频/音频通信网络地面测试系统(如图9所示),用以太网交换机作为中心连接高速通信处理器、舱内摄像机、交会对接摄像机、太阳翼摄像机、手机模拟航天器视频/音频通信网络。高速通信处理器接收以太网交换机发送的视频/音频IP数据包,封装成AOS帧,将AOS帧发送至天地视频/音频通信设备,完成下行视频/音频数据传输。同时,从地面站上行AOS帧中解析出视频/音频IP数据包发送至以太网交换机。地面站网关完成和高速通信处理器相同的功能,使用图像处理设备和话音处理设备分别完成下行图像的解码显示和下行话音的解码播放。在试验过程中,图像清晰丢帧率为0,误码率为0,测试结果如表3和表4所示。在进行视频传输的同时进行双向话音通话,话音清晰无卡顿,测试结果如表5所示。同时,对调度策略进行测试,测试结果如表6所示。所有测试结果均满足设计指标要求。

图9 天地视频/音频通信网络测试系统Fig.9 Testing system of space-ground video/audio communications network

表3 视频传输测试结果Table 3 Video transmission testing results

表4 图像指标测试结果Table 4 Image quality testing results

表5 话音传输测试结果Table 5 Voice transmission testing results

表6 调度策略测试结果Table 6 Scheduling strategy testing results

2.2 在轨飞行验证

本文提出的载人航天器天地视频/音频通信网络已经得到在轨飞行验证。在天舟货运飞船与空间站核心舱交会对接过程中,舱内摄像机和舱外摄像机通过中继链路同时下传高清图像(如图10～12所示)。所有图像传输清晰流畅,无卡顿。

图10 舱内摄像机高清图像Fig.10 High definition image shoot by cabin camera

图11 太阳翼摄像机高清图像Fig.11 High definition image shoot by solar wing camera

图12 交会对接摄像机高清图像Fig.12 High definition image shoot by docking camera

3 结束语

本文根据载人航天器天地数据传输的特点,提出一种天地视频/音频通信网络一体化设计。针对载人航天器通信网与地面通信网之间链路层的差异,使用IP over CCSDS技术构建端到端一体化通信网络;提出一种静态优先级和轮询调度相结合的调度方式提高信道资源利用率;采用RS编码、加扰和同步一整套QoS措施,保证视频/音频传输质量。在地面测试系统中对本文提出的天地视频/音频通信网络进行测试,结果表明:本文提出的天地视频/音频通信网络可以实现载人航天器与地面站之间的视频/音频通信,话音清晰视频流畅,无误码且未发生丢包。本文提出的天地视频/音频通信网络已经成功应用于天舟货运飞船,在天舟货运飞船与空间站核心舱交会对接过程中利用交会对接摄像机追踪核心舱、观察交会对接过程;利用太阳翼摄像机观察太阳翼和中继天线的工作情况;利用舱内摄像机观察货运飞船内货物情况,全过程视频清晰流畅无卡顿。因此,在轨飞行充分验证了天地视频/音频通信网络的可行性和有效性。由于天地往返传输时延对网络性能的影响,本文提出的天地视频/音频通信网络目前只适用于低轨载人航天器,后续将针对远距离大时延对网络性能的影响展开深入研究,探索适用于高轨载人航天器、深空探测的视频/音频通信网络。