Исследование задержки кадров видеопотока в канале информационного обмена космического сегмента гибридной сети связи при FPV-управлении БВС

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе исследуется зависимость величин прикладной задержки и потери кадров FPV-видеопотока от размера передаваемых кадров, сжатых нейросетевым кодеком, при реализации каналов информационного обмена между беспилотными воздушными судами и станцией внешнего пилота в космическом сегменте гибридной орбитально-наземной сети связи. Рассмотрены спутниковые каналы информационного обмена, построенные на базе спутниковых группировок низкой околоземной орбиты Starlink, а также геостационарных орбит Ямал-402 и Ямал-601. Актуальность работы обусловлена необходимостью достижения заданного уровня качества услуги FPV-управления в спутниковых сетях связи. Используемые методы. Прикладные задержки передачи и потери кадров видеопотока при использовании нейросетевых кодеков измерены методом натурных испытаний. Кадры видеопотока сегментируются, передаются по транспортному протоколу UDP и восстанавливаются. Плотность распределения вероятности задержек восстанавливается методом Розенблатта – Парзена с функцией оценки плотности с Гауссовым ядром. Результаты. Получены средние задержки передачи и потерь кадров видеопотока (сжатых нейросетевым кодеком) через спутниковые системы связи на низкой околоземной и геостационарных орбитах. Восстановлены распределения зависимостей задержек видеопотока от размера полезной нагрузки. Найден характер распределения задержки видеопотока, сжатого нейросетевым кодеком. Новизна полученных результатов заключается в исследовании характера задержек видепотока при реализации услуги FPV-управления через различные космические сегменты гибридной орбитально-наземной сети связи при использовании нейросетевых кодеков сжатия видеопотока. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании прикладных спутниковых каналов информационного обмена для реализации услуги FPV-управления с целью формирования оптимальной конфигурации используемых нейросетевых кодеков.

Об авторах

А. А. Березкин

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Email: berezkin.aa@sut.ru
ORCID iD: 0000-0002-1748-8642

Р. М. Вивчарь

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Email: vivchar.rm@sut.ru
ORCID iD: 0000-0003-3865-9102

А. А. Ченский

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Email: chenskii.aa@sut.ru
ORCID iD: 0009-0005-0832-8590

Р. В. Киричек

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Email: kirichek@sut.ru
ORCID iD: 0000-0002-8781-6840

Список литературы

  1. Лукаев С.Л., Емельянов Н.А., Смирнов М.П. К вопросу дистанционного зондирования беспилотными летательными аппаратами в сельском хозяйстве // VI Международная научно-практическая конференция «Научно-образовательные и прикладные аспекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (Чебоксары, Российская Федерация, 15 ноября 2022 г.). Чебоксары: Чувашский государственный аграрный университет, 2022. С. 632–635. EDN:IHDGLM
  2. Хабибуллин И.И., Сахарова В.В., Сабиров Б.М. Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в сельском хозяйстве Российской Федерации // Всероссийская (национальная) научно-практическая конференция молодых ученых «Прикладные исследования в агроинженерии» (Казань, Российская Федерация, 22 ноября 2023 г.). Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2024. С. 263–268. EDN:VSZMPJ
  3. Кунин И.Е. Беспилотные летательные аппараты в сельском хозяйстве // XV Международный молодежный форум «Образование. Наука. Производство» (Белгород, Российская Федерация, 23–24 октября 2023 г.). Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2023. С. 117–121. EDN:EXZBEG
  4. Глижинская Е.А. Использование беспилотных летательных аппаратов (дронов) в строительстве // Сборник статей магистрантов и аспирантов строительного факультета. СПб.: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2024. С. 106–112. EDN:BXIYTL
  5. Кудасова А.С., Тютина А.Д., Сокольникова Э.В. Применение беспилотных летательных аппаратов в строительстве // Инженерный вестник Дона. 2021. № 8(80). С. 31–38. EDN:ZSBCJR
  6. Моисеева Н.А. Методы структурного синтеза каналов информационного обмена беспилотных транспортных средств // Международная молодежная конференция, приуроченная к 90-летию СГТУ имени Гагарина Ю.А. «Современные материалы и технологии» (Саратов, Российская Федерация, 27–28 мая 2020 г.). Саратов: Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., 2020. С. 32–34. EDN:YXRFHY
  7. Моисеев Д.В., Моисеева Н.А., Чужикова-Проскурнина О.Д. Реализация надёжных каналов информационного обмена между беспилотным транспортным средством и диспетчерским цетром с высокой пропускной способностью // Сборник научных трудов «Морская стратегия и политика России в контексте обеспечения национальной безопасности и устойчивого развития в ХХI веке». Севастополь: ЧВВМУ имени П.С. Нахимова, 2020. Т. 4(25). С. 258–262. EDN:EYEFHS
  8. Моисеев Д.В., Моисеева Н.А., Чужикова-Проскурнина О.Д. Обеспечение надежности и высокой пропускной способности каналов информационного обмена между беспилотным транспортным средством и диспетчерским центром // III Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в образовании и аграрном производстве» (Брянск, Российская Федерация, 18 марта 2020 г.). Брянск: Брянский государственный аграрный университет, 2020. С. 309–314. EDN:FDAYNQ
  9. Chao H., Maheshwari A., Sudarsanan V., Tamaskar S., DeLaurentis D.A. UAV Traffic Information Exchange Network // Proceedings of the Aviation Technology, Integration, and Operations Conference (Atlanta, Georgia, 25–29 June 2018). 2018. P. 3347. doi: 10.2514/6.2018-3347
  10. de Resende H.C., Pinheiro J.F.N., Reiter P., Both C.B., Marquez-Barja J.M. 4G/5G performance of a multi-RAT UAV for medical parcel delivery // Proceedings of the 19th Annual Consumer Communications & Networking Conference (CCNC, Las Vegas, USA, 08–11 January 2022). IEEE, 2022. PP. 268–271. doi: 10.1109/CCNC49033.2022.9700528
  11. Vijayaratnam M., Cagnazzo M., Valenzise G., Trioux A., Kieffer M. Towards Zero-Latency Video Transmission Through Frame Extrapolation // Proceedings of the International Conference on Image Processing (ICIP, Bordeaux, France, 18 October 2022). IEEE, 2022. PP. 2122–2126. doi: 10.1109/ICIP46576.2022.9897958
  12. Bachhuber C., Steinbach E. A system for high precision glass-to-glass delay measurements in video communication // Proceedings of the International Conference on Image Processing (ICIP, Phoenix, USA, 25–28 September 2016). IEEE, 2016. PP. 2132–2136. doi: 10.1109/ICIP.2016.7532735
  13. Bachhuber C., Steinbach E. A System for Precise End-to-End Delay Measurements in Video Communication // ar-Xiv:1510.01134. 2015. doi: 10.48550/arXiv.1510.01134
  14. Bachhuber C., Steinbach E., Freundl M., Reisslein M. On the Minimization of Glass-to-Glass and Glass-to-Algorithm Delay in Video Communication // IEEE Transactions on Multimedia. 2017. Vol. 20. Iss. 1. PP. 238–252. doi: 10.1109/TMM.2017. 2726189
  15. Kanj H., Trioux A., Cagnazzo M., Coudoux F.X., Corlay P., Kieffer M. Glass-to-Glass Delay Reduction: Encoding Rate Reduction vs. Video Frame Extrapolation // Proceedings of the 25th International Workshop on Multimedia Signal Processing (MMSP, Poitiers, France, 27–29 September 2023). IEEE, 2023. PP. 1–6. doi: 10.1109/MMSP59012.2023.10337718
  16. Bachhuber C., Steinbach E. Are Today's Video Communication Solutions Ready for the Tactile Internet? // Proceedings of the Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW, San Francisco, USA, 19–22 March 2017). IEEE, 2017. PP. 1–6. doi: 10.1109/WCNCW.2017.7919060
  17. Kumar R. Autonomous Control of Advanced Multirotor Unmanned Aerial Systems. PhD Thesis. University of Cincinnati, 2022.
  18. Ebeid E., Skriver M., Terkildsen K.H., Jensen K., Schultz U.P. A survey of Open-Source UAV flight controllers and flight simulators // Microprocessors and Microsystems. 2018. Vol. 61. PP. 11–20. doi: 10.1016/j.micpro.2018.05.002
  19. Al-Bahri M., Yankovsky A., Borodin A., Kirichek R. Testbed for Identify IoT-Devices Based on Digital Object Architecture // Proceedings of the 18th International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking (NEW2AN 2018), and 11th Conference on Internet of Things, Smart Spaces (ruSMART 2018), St. Petersburg, Russian Federation, 27–29 August 2018. Lecture Notes in Computer Science. Cham: Springer, 2018. Vol. 11118. PP. 129–137. doi: 10.1007/978-3-030-01168-0_12. EDN:YAPAZN
  20. Al-Bahri M., Yankovsky A., Kirichek R., Borodin A. Smart System Based on DOA & IoT for Products Monitoring & Anti-Counterfeiting // Proceedings of the 4th MEC International Conference on Big Data and Smart City (ICBDSC, Muscat, Oman, 15–16 January 2019). IEEE, 2019. doi: 10.1109/ICBDSC.2019.8645610. EDN:TENQWL
  21. Loughlin B.D. The PAL color television system // IEEE Transactions on Broadcast and Television Receivers. 1966. Vol. 12. Iss. 3. PP. 153–158.
  22. Rec. ITU-R BT.470-7 (1970-1974-1986-1994-1995-1998). Conventional Television Systems.
  23. Куйдин Р.А., Панин Д.В., Павлова Ю.Е., Палов П.В. Аналоговое и цифровое FPV // Материалы XXX Международной научно-практической конференции, Анапа, Российская Федерация, 12 мая 2021 г. «Наука. Образование. Инновации». Анапа: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский центр экономических и социальных процессов» в Южном Федеральном округе, 2021. С. 113–116. EDN:JLXBKT
  24. Townsend G.B. Colour performance of the Secam colour television system // Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. 1963. Vol. 110. Iss. 8. PP. 1341–1349. doi: 10.1049/piee.1963.0190
  25. Suzuki Y., Gai T., Yamakawa M., Sugiura H. NTSC/PAL/SECAM digital video decoder with high-precision resamplers // IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2005. Vol. 51. Iss 1. PP. 287–294. doi: 10.1109/TCE.2005.1405734
  26. Singh S., Lee H.W., Tran T.X., Zhou Y., Sichitiu M.L., Güvenç I. FPV Video Adaptation for UAV Collision Avoidance // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2021. Vol. 2. PP. 2095–2110. doi: 10.1109/ojcoms.2021.3106274. EDN:ADCYJS
  27. Rec. ITU-T H.264 (03/2003). Advanced Video Coding for Generic Audio-Visual Services.
  28. ISO/IEC 23008 2:2013 (12/2013). Information technology. High efficiency coding and media delivery in heterogeneous environments. Part 2. High Efficiency Video Coding.
  29. Rec. ITU-T H.266 (09/2023). Versatile Video Coding.
  30. Bankoski J., Koleszar J., Quillio L., Salonen J., Wilkins P., Xu Y. VP8 Data Format and Decoding Guide. RFC 6386. 2011. doi: 10.17487/rfc6386
  31. Grange A., de Rivaz P., Hunt J. VP9 Bitstream & Decoding Process Specification – v0.6. Google, Inc., 2016.
  32. de Rivaz P., Haughton J. AV1 Bitstream & Decoding Process Specification. The Alliance for Open Media, 2018.
  33. Ченский А.А., Березкин А.А., Киричек Р.В., Захаров А.А. Исследование методов латентного сжатия видеопотока при FPV управлении беспилотными системами // Электросвязь. 2024. № 6. С. 46–56. doi: 10.34832/ELSV.2024.55.6.014. EDN:FWBEQE
  34. Ченский А.А., Березкин А.А., Киричек Р.В., Захаров А.А. Исследование методов квантования латентного пространства вариационного автокодировщика для кадров FPV видеопотока. Часть I // Электросвязь. 2024. № 6. С. 10–16. doi: 10.34832/ELSV.2024.55.6.011. EDN:GPNYSJ
  35. Березкин А.А., Ченский А.А., Вивчарь Р.М., Киричек Р.В. Исследование методов квантования латентного пространства вариационного автокодировщика для кадров FPV видеопотока. Часть II // Электросвязь. 2024. № 7. С. 26–35. doi: 10.34832/ELSV.2024.56.7.005. EDN:NZSTKD
  36. Березкин А.А., Ченский А.А., Киричек Р.В., Захаров А.А. Исследование конфигураций нейросетевых кодеков для адаптивной системы сжатия кадров FPV-видеопотока при управлении беспилотными системами. Часть I. Методика // Электросвязь. 2024. № 9. С. 28–37. doi: 10.34832/ELSV.2024.58.9.004. EDN:MWXFXN
  37. Березкин А.А., Ченский А.А., Киричек Р.В., Захаров А.А. Исследование конфигураций нейросетевых кодеков для адаптивной системы сжатия кадров FPV-видеопотока при управлении беспилотными системами. Часть II. Эксперимент // Электросвязь. 2024. № 10. С. 59–69. doi: 10.34832/ELSV.2024.59.10.009. EDN:IWGJLY
  38. Березкин А.А., Ченский А.А., Киричек Р.В. Маскирование кодированного FPV видеопотока при управлении БПЛА. Часть I. Модели и методика // Электросвязь. 2024. № 12-2. С. 32–45. doi: 10.34832/ELSV.2024.61.12.005. EDN:PDIJJE
  39. Березкин А.А., Ченский А.А., Киричек Р.В. Маскирование кодированного FPV видеопотока при управлении БПЛА. Часть II. Обучение моделей и эксперименты // Электросвязь. 2025. № 5. С. 34–41. doi: 10.34832/ELSV.2025.67.5. 005. EDN:HBJWPW
  40. Jia Z., Li B., Li J., Xie W., Qi L., Li H., et al. Towards Practical Real-Time Neural Video Compression // arXiv:2502.20762. 2025. doi: 10.48550/arXiv.2502.20762
  41. Kirichek R., Pham V.D., Kolechkin A., Al-Bahri M., Paramonov A. Transfer of Multimedia Data via LoRa // Proceedings of the 17th International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking (NEW2AN 2017), and 3d Conference on In-ternet of Things, Smart Spaces (ruSMART 2017), and Third International Workshop on Nano-scale Computing and Communications, NsCC 2017, St. Petersburg, Russian Federation, 28–30 August 2017. Lecture Notes in Computer Science. Cham: Springer, 2017. Vol. 1053. PP. 708–720. doi: 10.1007/978-3-319-67380-6_67. EDN:ZHIASL
  42. Березкин А.А., Вивчарь Р.М., Ченский А.А., Киричек Р.В. Исследование задержки кадров видеопотока в канале информационного обмена наземного сегмента гибридной сети связи при FPV-управлении // Труды учебных заведений связи. 2025. Т. 11. № 1. С. 7–17. doi: 10.31854/1813-324X-2025-11-1-7-17. EDN:FTRJGU
  43. Jamalipour A. Low Earth Orbital Satellites for Personal Communication Networks. Artech House, Inc., 1997. 273 p.
  44. Xia Z., Liu L., Hu C., Bu X. Inter-Satellite Link Channel Characterization of Laser Communication Systems // Proceedings of the 11th International Conference on Information, Communication and Networks (ICICN, Xi'an, China, 17–20 August 2023). IEEE, 2023. PP. 426–431. doi: 10.1109/ICICN59530.2023.10393617
  45. Dong C., Li X. Design of a Data Distribution System for High Earth Orbit Satellites // Proceedings of the 8th International Conference on Electrical, Mechanical and Computer Engineering (ICEMCE, Xi'an, China, 25–27 October 2024). IEEE, 2024. PP. 1615–1619. doi: 10.1109/ICEMCE64157.2024.10862589
  46. Roberts L.D. A lost Connection: Geostationary Satellite Networks and the International Telecommunication Union // Berkeley Technology Law Journal. 2000. Vol. 15. Iss. 3. P. 1095 doi: 10.15779/Z38DQ1J
  47. Гриценко А.А. Спутниковые системы класса HTS // Connect. 2017. № 4. С. 120.
  48. Li J., Li H., Lai Z., Wu Q., Liu Y., Zhang Q., et al. SatGuard: Concealing Endless and Bursty Packet Losses in LEO Satellite Networks for Delay-Sensitive Web Applications // Proceedings of the ACM Web Conference 2024 (Singapore, Singapore, 13–17 May 2024). New York: Association for Computing Machinery, 2024. PP. 3053–3063. doi: 10.1145/3589334.3645639
  49. Michel F., Trevisan M., Giordano D., Bonaventure O. A first look at Starlink performance // Proceedings of the 22nd ACM Internet Measurement Conference (Nice, France, 25–27 October 2022). New York: Association for Computing Machinery, 2022. PP. 130–136. doi: 10.1145/3517745.356141
  50. Михалев А.В., Белецкий А.Б., Лебедев В.П., Сыренова Т.Е., Хахинов В.В. Оптические эффекты полета ракеты-носителя “Протон-М” со спутником Ямал-601 в дальней от места старта зоне // Космические исследования. 2022. Т. 60. № 2. С. 125–133. doi: 10.31857/S0023420622020054. EDN:RNIXIC
  51. Berger V.W., Zhou Y.Y. Kolmogorov–Smirnov Test: Overview // Wiley StatsRef: Statistics Reference Online. John Wiley & Sons, 2014. doi: 10.1002/9781118445112.stat06558
  52. Gupta A.K., Nadarajah S. Handbook of Beta Distribution and Its Applications. Boca Raton: CRC press, 2004. 600 p. doi: 10.1201/9781482276596

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».