廣播傳輸中3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

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近年來(lái)，3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大力發(fā)展，服務(wù)質(zhì)量越來(lái)越高，為廣播傳輸提供了一種新的途徑，且成本較低，因此在廣播電視領(lǐng)域，逐漸受到重視和青睞，但由于該屬于新興技術(shù)，許多方面并不是十分成熟，如難以同時(shí)在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性及音頻質(zhì)量上均達(dá)到理想的狀態(tài)，如近年來(lái)出現(xiàn)的各種網(wǎng)絡(luò)電話，乃至“微信”，“QQ語(yǔ)音”等技術(shù)，均難以保證穩(wěn)定的，高清的通話。相對(duì)于國(guó)外某些發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)3g傳輸中延遲和中斷等問(wèn)題嚴(yán)重很多，原因主要在于3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)質(zhì)量欠缺以及3G用戶過(guò)多而導(dǎo)致的帶寬不足。

1音頻傳輸方案介紹

1）衛(wèi)星傳輸。衛(wèi)星傳輸是一種常用的廣播電視轉(zhuǎn)播手段，能夠保證足夠的帶寬且實(shí)時(shí)性好。其轉(zhuǎn)播過(guò)程一般比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)播車(chē)將采訪到的音頻和視頻數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳播到電臺(tái)即可。但該傳播方式的不足之處在于價(jià)格昂貴，轉(zhuǎn)播裝置笨重，需車(chē)載，且極易受到天氣情況的影響。

2）3G網(wǎng)絡(luò)傳輸相對(duì)于衛(wèi)星傳輸，3G網(wǎng)絡(luò)傳輸成本低得多，而且一般受天氣情況影響不大，并且小巧便攜，應(yīng)用前景十分可觀。一般來(lái)說(shuō)，3G網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程如下：首先，3G傳輸器采集并處理音頻信號(hào)并傳送到基站，接著基站通過(guò)網(wǎng)關(guān)將經(jīng)過(guò)處理過(guò)的數(shù)據(jù)送到以太網(wǎng)，電臺(tái)服務(wù)器從以太網(wǎng)收到傳送過(guò)來(lái)的音頻壓縮數(shù)據(jù)，解壓、處理，最后播放。一般來(lái)說(shuō)，3G音頻傳輸系統(tǒng)還有以下幾個(gè)值得改進(jìn)的地方：第一，傳輸質(zhì)量不高。高清的音頻需要較大的帶寬，通常需要性能過(guò)硬的硬件才能保證系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。對(duì)此，采用3G網(wǎng)絡(luò)有丟失數(shù)據(jù)的可能。第二，實(shí)時(shí)性不好。3G網(wǎng)絡(luò)在連續(xù)工作時(shí)難以保證足夠的帶寬，故采取丟包重發(fā)手段彌補(bǔ)，由此影響了傳遞音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)性。第三，卡頓。一是網(wǎng)絡(luò)不夠穩(wěn)定，二是系統(tǒng)的解碼方式的影響。第四，掉線。3G網(wǎng)絡(luò)無(wú)法克服無(wú)線網(wǎng)絡(luò)本身的不穩(wěn)定，易受干擾的特點(diǎn)，故在網(wǎng)絡(luò)擁擠時(shí)，掉線情況比較嚴(yán)重。有必要研究一個(gè)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高清的3G網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸系統(tǒng)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的傳輸端的工作流程如下所示：UDP接收端的構(gòu)建→發(fā)射端的數(shù)據(jù)采集和處理→發(fā)射端通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)，利用UDP協(xié)議向接收端傳輸音頻數(shù)據(jù)→接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、處理并播放。和寬帶相比，3G網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性更加嚴(yán)重，故在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)更容易出現(xiàn)堵塞、抖動(dòng)、延時(shí)等情況而造成數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不好，接收端無(wú)法接收到及時(shí)、可靠、滿意的信號(hào)。這些均是采用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播直播需要解決的問(wèn)題。我們集合3G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，針對(duì)音頻數(shù)據(jù)信號(hào)嘗試了很多應(yīng)對(duì)方案。第一，保證音頻的傳輸質(zhì)量。引進(jìn)先進(jìn)的音頻壓縮算法——Ogg算法，保證足夠高的信號(hào)采樣速率及壓縮質(zhì)量，最后達(dá)到足可保證音頻傳輸質(zhì)量的64kbps的音頻碼率。第二，改善音頻。引進(jìn)UDP技術(shù)，UDP可以保證很高的信號(hào)傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)穿透能力，以此確保信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。第三，解決音頻傳輸卡頓現(xiàn)象。確保音頻信號(hào)接收、處理和播放的同步。一般來(lái)說(shuō)，如果接收端解碼速度慢于編碼，數(shù)據(jù)就會(huì)擠壓和堆積，時(shí)間越長(zhǎng)，堆積越多，研究就會(huì)逐漸增大，影響信號(hào)的實(shí)時(shí)性；相反，若解碼比編碼快，那么當(dāng)當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)播完后，解碼速度跟不上，沒(méi)有新的數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞過(guò)來(lái)，此時(shí)音頻便會(huì)卡。實(shí)際上，編碼和解碼的速度是很難保證嚴(yán)格一致的，即便采用的晶振頻率相同，但實(shí)際器件難免存在誤差。對(duì)此，我們采用了PID算法進(jìn)行解決，通過(guò)及時(shí)反饋對(duì)編碼速度進(jìn)行調(diào)控。首先，服務(wù)器一邊解碼音頻信號(hào)，一邊對(duì)解碼器中剩下的數(shù)據(jù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如果統(tǒng)計(jì)量比設(shè)定的范圍最大值還大，反饋信號(hào)到發(fā)射端將編碼速度調(diào)低；如果統(tǒng)計(jì)量比設(shè)定的范圍最小值還小，反饋信號(hào)到發(fā)射端將編碼速度調(diào)高；如果在設(shè)定范圍內(nèi)，就保持不變。調(diào)節(jié)的靈敏度由設(shè)定范圍的大小決定。這樣就將接收端的數(shù)據(jù)量控制在一定的水平范圍內(nèi)，能夠在很大程度上解決了延遲和卡頓問(wèn)題。第四，解決易掉線問(wèn)題。采用的UDP的傳輸并非連接的收發(fā)方式，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真或丟失的現(xiàn)象，但不會(huì)掉線。此外，引進(jìn)熱冗余手段，在成本允許的情況下，數(shù)據(jù)傳輸由幾個(gè)終端同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)終端傳輸?shù)男畔⒁粯?，相互彌補(bǔ)某些短暫時(shí)刻的延遲和卡頓，最終是接收端得到一個(gè)較為滿意的音頻信號(hào)。另外，在發(fā)送端分包發(fā)送時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)包編號(hào)，即使在發(fā)送過(guò)程中數(shù)據(jù)流順序打亂了，接收后也能夠還原發(fā)送的順序。還可采用糾錯(cuò)碼編碼，通過(guò)接收后對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正解決數(shù)據(jù)誤傳問(wèn)題，避免重新發(fā)送。編碼速率的PID調(diào)節(jié)關(guān)于熱冗余技術(shù)，這是一個(gè)解決數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟失等問(wèn)題，提高傳輸穩(wěn)定性的一個(gè)重要的方法，在此對(duì)其著重介紹。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的相同模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如此，就能接收到包含同一數(shù)據(jù)信號(hào)的兩個(gè)數(shù)據(jù)包，兩個(gè)數(shù)據(jù)包至少有一個(gè)是正常的就能保證整個(gè)數(shù)據(jù)流的完備性。這樣可以大大減少因外在因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和中斷等問(wèn)題。另外，冗余的傳輸模塊可采用不同運(yùn)營(yíng)商的商品，錯(cuò)開(kāi)工作頻率，可以彌補(bǔ)某些窄帶對(duì)所有設(shè)備的干擾。UDP傳輸可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真或丟失的現(xiàn)象，可靠度不高。為解決這一問(wèn)題，保證接受數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和完整性。采取數(shù)據(jù)多線程接受的方法。數(shù)據(jù)包被接收后放入FIFO中，接著提取并解碼數(shù)據(jù)包，丟棄發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤包，僅留下正確的數(shù)據(jù)包，存入鏈表來(lái)進(jìn)行排序，若有重復(fù)編號(hào)，則取其中一項(xiàng)即可，最后得到一個(gè)序號(hào)完整的無(wú)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)流，并存入另一個(gè)FIFO中，并以頁(yè)為單位通過(guò)頁(yè)隊(duì)列轉(zhuǎn)入播放器中連續(xù)播放出來(lái)。接收端數(shù)據(jù)處理流程。通過(guò)CRC32校驗(yàn)檢查提取的Ogg頁(yè)的完整性，通過(guò)Ogg格式對(duì)頁(yè)的內(nèi)容進(jìn)行解析。對(duì)于正確完整的頁(yè)，直接存進(jìn)頁(yè)連表同時(shí)于程序中進(jìn)行備份。若下一頁(yè)正確可以對(duì)該備份進(jìn)行替換，如果不正確就繼續(xù)播放該頁(yè)，跳過(guò)下一頁(yè)，聽(tīng)者一般不易感受到缺頁(yè)，該方法可以使聲音聽(tīng)起來(lái)更加連貫。

3實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

考慮廣播音質(zhì)要求，將編碼采樣率設(shè)為44.1kHz，采用15kHz低通濾波器，壓縮品質(zhì)為2；發(fā)射端采用1+1冗余模式，分別取聯(lián)通和電信兩個(gè)不同的運(yùn)營(yíng)商以錯(cuò)開(kāi)頻率；接收端主機(jī)為Win7系統(tǒng)，4G內(nèi)存，2.1GHz主頻。測(cè)試的主要項(xiàng)目包括單個(gè)發(fā)射端和2個(gè)發(fā)射端的比較，不同地區(qū)的比較，服務(wù)器采用同一個(gè)運(yùn)營(yíng)商和不同運(yùn)營(yíng)商的比較。我們分別選擇北京、唐山和大慶作為測(cè)試地點(diǎn)，測(cè)試最長(zhǎng)時(shí)間約10h。測(cè)試終端小巧輕便，主要包括天線、液晶屏、人機(jī)交互接口、LED等。PID調(diào)節(jié)控制收發(fā)端延遲約4s，約每2min進(jìn)行一次反饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)幅度為0.4‰，以確保音頻的不失真。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

我們采用單個(gè)發(fā)射端人耳聽(tīng)到兩次卡的間隔時(shí)間在幾分鐘到1小時(shí)范圍內(nèi)。采用2個(gè)發(fā)射端約在1小時(shí)到10小時(shí)，其中，北京地區(qū)時(shí)間最短，約為1h左右，唐山平均4h，大慶10小時(shí)內(nèi)未出現(xiàn)卡的現(xiàn)象。由于篇幅限制，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不予列出。結(jié)果提示，2個(gè)終端明顯好于1個(gè)終端。當(dāng)然終端越多，理論上效果越好，但成本也相對(duì)提高。另外，城市越發(fā)達(dá)，3G網(wǎng)絡(luò)干擾越嚴(yán)重，3G音頻傳輸效果反而不如相對(duì)不太繁華的城市。在服務(wù)器運(yùn)營(yíng)商選擇方面，如果模塊和服務(wù)器運(yùn)營(yíng)商不同，則模塊掉線概率大（平均10min掉一次線）；如果選擇同一運(yùn)營(yíng)商，則掉線相對(duì)較少（平均75min掉一次線）。提示同一運(yùn)營(yíng)商之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸相對(duì)穩(wěn)定。在系統(tǒng)搭建中，具體還需要根據(jù)不同地區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行合理選取。

4結(jié)論

提高3G網(wǎng)絡(luò)的廣播直播系統(tǒng)的工作性能是一個(gè)綜合工程，涉及到服務(wù)器、收發(fā)端、算法、運(yùn)營(yíng)商等多個(gè)因素。本文針對(duì)當(dāng)前3G網(wǎng)絡(luò)在廣播直播系統(tǒng)應(yīng)用普遍存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，提出了幾種解決方案，保證了實(shí)時(shí)、可靠、穩(wěn)定、高清的傳輸音頻，滿足了廣播直播的需要，該技術(shù)不僅可以嘗試投入使用，還可以為視頻傳輸提供技術(shù)支持。值得進(jìn)一步推廣并完善。

作者：姚東方 單位：天津廣播電視臺(tái)