1. 引言
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 [1] 的编码布局已无法满足实时视频传输的需要。基于此，本文将最新的视频编码技术——H.265/HEVC [2] 应用到小型设备的视频通信中，并与COFDM技术结合，实现了较好的视频传输效果。
2. 系统结构分析
2.1. COFDM结构介绍
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 [3]。虽然OFDM利用最大限度的多载波调制对通信环境中的多径干扰进行了优化，但是不同子信道在传输过程中造成的能量不均问题仍然存在。上述问题可能导致多个子信道的同步，从而使传输信号强度过大或过小。因而在一定条件下，系统会产生峰均比过高的问题，影响接收机的效率，同时有可能造成突发差错。针对这个问题，一种方法是针对突发的误码采用COFDM技术，在OFDM基础上进行信道编码来解决此问题。
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 [4]。其中，外编码采用RS (Reed-Solomon)编码，外交织采用卷积交织方式；内编码采用卷积码，内交织采用比特交织和符号交织。现代COFDM技术虽然不局限于上述信道编码 [5] ，但地面数字电视广播(DVB-T)标准的方案最为成熟，可作为良好的参考对象。
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。
(a)
(b)
Figure 1. (a) Block diagram of transmitter in COFDM system; (b) Block diagram of receiver in COFDM system
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。
2.2. H.265/HEVC视频编码技术介绍
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 [6] ，支持更大的图像块处理，使得视频传输码率进一步提升。
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) [7]。在CTU中，编码单元CU包含了最主要的图像信息，一个CU必定有一个分区关联的PU和TU用来辅助描述；预测单元PU主要用于图像的帧内和帧间预测编码；而变换单元TU则用于变换编码；H.265仍然使用DCT变换，但其支持的最大变换块为32 × 32，包含的像素数是H.264中DCT所支持最大块的16倍，更适用于图像的平滑区域码率压缩 [8]。
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 [9]。在重构图像的过程当中，H.265采用像素自适应补偿技术(SAO)，对振铃效应进行修正，并采取CABAC(自适应二进制算术编码)的编码方式提高压缩率，而且自适应变换技术RQT (Residual Quad-Tree Transform)的应用也使得H.265在码率压缩上有所突破 [10]。
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 [11]。但近几年来，H.265的发展非常迅速，其潜力巨大，已经有替代H.264，成为视频传输主流标准的能力 [12]。由于其在同等视频质量的传输中所占带宽更小，因此该标准用于便携式组网设备中，在较差的信道下更具优势。本文所研究的单兵视频通信系统采用H.265/HEVC 视频编码技术，能更好地和COFDM技术结合，在较差的通信环境中发挥优势。
3. 系统模型搭建
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。
3.1. 软件模型
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。
Table 1. Coding time and stream size of 8 images under the standards of H.264 and H.265
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。
(a)
(b)
Figure 2. (a) Convergence curve of bit error rate; (b) Structure diagram of communication board card
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。
3.2. 硬件模型
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。
4. 结果分析
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。
Table 2. Data transmission of the system at different distances
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。
5. 结论及展望
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。
基金项目
深圳市科技计划项资助，项目号(JSGG20170414090428464)；国家自然科学基金(61671394)。
NOTES
*通讯作者。