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

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.

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