面向无人机视频传输的增强传输技术研究与实现

摘要

无人机一般工作在室外空域，具有移动性高的特点，这决定了其经常面临大尺度衰落信道环境，数据链路错包、丢包频繁。因此，基于传输层协议(TCP)的无人机视频传输面临着吞吐率受限、时延较大的问题。这一问题很大程度上又是因为TCP协议本身的设计导致的。
　　TCP协议中，接收端通过反馈ACK来告诉发送端某个报文的丢失，然后发送端据此重传相应的报文。对于无人机视频传输等实时性要求很高的应用来说，丢包反馈重传耗时太长。不仅如此，TCP将丢包看做是链路出现拥塞的标志，然后启动相应的拥塞控制算法，降低传输速率。考虑到有线网络中极低的误码率、拥塞是丢包的主要原因，这一机制是适用的。然而对于无人机来说，由于天气、障碍物、多径干扰等各种因素，TCP丢包率比在有线网络中大得多，且丢包多由遮挡、传输错误导致。传统TCP无法鉴别拥塞丢包和非拥塞丢包，不分区别地频繁启动拥塞控制算法，降低数据发送速率，将导致TCP无法充分利用可用带宽，减小无人机视频传输的速率，增大传输时延。因此，有必要改进标准TCP协议以提高基于TCP协议的无人机视频传输的性能。网络编码的出现对于解决这一问题给出了一个思路。通过在发送端冗余编码，可以一定程度掩盖链路中出现的丢包，从而提高数据传输的速度，降低时延。
　　本文分析了基于TCP协议的无人机视频传输所面临的问题，并指出问题核心是TCP协议在面对有损信道时的低效，本文也对近些年来改善有损信道中TCP性能的相关工作进行了梳理，并介绍了网络编码原理，尤其是随机线性网络编码，对batch-coding和pipeline-coding进行了比较，结合无人机视频传输应用场景，分析了其优缺点。在以上基础上，设计实现了流水线编码TCP协议，并将其移植入嵌入式设备。在模拟丢包网络中，对流水线编码TCP进行性能测试，与TCP-Reno协议进行性能对比。在了解编码TCP协议不足的基础上，对其做了进一步改进，以更好地适应无人机视频传输应用场景。提出了前向重传机制以应对一个RTO内的连续丢包;提出了一种新的自适应冗余度算法以应对网络的变化;设计补偿重传机制以降低解码端解码矩阵维度和减小解码时延;改进编码系数的设定以降低首部开销。最后，本文搭建了无人机视频传输实验平台，验证改进后的编码TCP协议对无人机视频传输性能的提高。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作及内容安排

第2章 网络编码和编码传输层协议

2．1 网络编码理论基础

2．1．1 Network Coding基本概念

2．1．2 网络编码的图论模型

2．1．3 线性网络编码

2．1．4 Network Coding编码机制

2．2 TCP／NC协议

2．2．1 ACK on degree of freedom

2．2．2 TCP／NC原理

2．3 本章小结

第3章 TCP／NC协议实现

3．1 数据包编码

3．1．1 有限域与扩域

3．1．2 数据包的运算

3．2 技术方案

3．2．1 Raspberry Pi开发平台

3．2．2 Netfilter

3．2．3 报文获取

3．3 NC层关键技术

3．3．1 系统框架

3．3．2 NC头部设计

3．3．3 NC层编码缓存

3．3．4 NC层解码缓存

3．3．5 接收窗口

3．4 模拟丢包测试结果

3．5 本章小结

第4章 TCP／NC的改进及真实环境测试

4．1 前向重传机制

4．1．1 TCP／NC的突发丢包问题

4．1．2 新NC头部设计

4．1．3 定位丢包

4．1．4 重传丢包

4．1．5 编码重传包

4．2 自适应冗余度算法

4．3 补偿重传算法

4．4 固定编码系数码本

4．5 E-TCP／NC模拟测试结果

4．6 无人机真实网络环境测试

4．6．1 无人机实验平台搭建

4．6．2 E-TCP／NC在无人机平台实测效果

4．7 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果