姚東方

天津廣播電視臺，天津 300070

3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在廣播傳輸中的應(yīng)用

姚東方

天津廣播電視臺，天津 300070

如今，3G網(wǎng)絡(luò)以其極佳的傳輸性能，得到十分廣泛的應(yīng)用，其覆蓋面越來越大。該技術(shù)在廣播傳播中也得到很好的應(yīng)用，但仍存在一些不足之處，如難以同時在穩(wěn)定性、實時性及音頻質(zhì)量上均達(dá)到理想的狀態(tài)。本文針對這一問題，提出了一種音頻傳輸?shù)男路桨?，涉及PID、FEC等先進(jìn)技術(shù)。通過實際試用發(fā)現(xiàn)，該方案能夠有效改善廣播直播質(zhì)量，效果理想。

3G網(wǎng)絡(luò)；廣播；PID；UDP；冗余

近年來，3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大力發(fā)展，服務(wù)質(zhì)量越來越高，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，如難以同時在穩(wěn)定性、實時性及音頻質(zhì)量上均達(dá)到理想的狀態(tài)，如近年來出現(xiàn)的各種網(wǎng)絡(luò)電話，乃至“微信”，“QQ語音”等技術(shù)，均難以保證穩(wěn)定的，高清的通話。相對于國外某些發(fā)達(dá)國家，我國3G傳輸中延遲和中斷等問題嚴(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時性好。其轉(zhuǎn)播過程一般比較簡單，轉(zhuǎn)播車將采訪到的音頻和視頻數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星實時傳播到電臺即可。但該傳播方式的不足之處在于價格昂貴，轉(zhuǎn)播裝置笨重，需車載，且極易受到天氣情況的影響。

2）3G網(wǎng)絡(luò)傳輸相對于衛(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。一般來說，3G網(wǎng)絡(luò)傳輸過程如下：首先，3G傳輸器采集并處理音頻信號并傳送到基站，接著基站通過網(wǎng)關(guān)將經(jīng)過處理過的數(shù)據(jù)送到以太網(wǎng)，電臺服務(wù)器從以太網(wǎng)收到傳送過來的音頻壓縮數(shù)據(jù)，解壓、處理，最后播放。

一般來說，3G音頻傳輸系統(tǒng)還有以下幾個值得改進(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，通常需要性能過硬的硬件才能保證系統(tǒng)的持續(xù)運行。對此，采用3G網(wǎng)絡(luò)有丟失數(shù)據(jù)的可能。第二，實時性不好。3G網(wǎng)絡(luò)在連續(xù)工作時難以保證足夠的帶寬，故采取丟包重發(fā)手段彌補，由此影響了傳遞音頻信號的實時性。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)無法克服無線網(wǎng)絡(luò)本身的不穩(wěn)定，易受干擾的特點，故在網(wǎng)絡(luò)擁擠時，掉線情況比較嚴(yán)重。有必要研究一個實時、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

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)時更容易出現(xiàn)堵塞、抖動、延時等情況而造成數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不好，接收端無法接收到及時、可靠、滿意的信號。這些均是采用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播直播需要解決的問題。我們集合3G網(wǎng)絡(luò)的特點，針對音頻數(shù)據(jù)信號嘗試了很多應(yīng)對方案。

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傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)穿透能力，以此確保信號傳輸?shù)膶崟r性。第三，解決音頻傳輸卡頓現(xiàn)象。確保音頻信號接收、處理和播放的同步。一般來說，如果接收端解碼速度慢于編碼，數(shù)據(jù)就會擠壓和堆積，時間越長，堆積越多，研究就會逐漸增大，影響信號的實時性；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，沒有新的數(shù)據(jù)信號傳遞過來，此時音頻便會卡。實際上，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，但實際器件難免存在誤差。對此，我們采用了PID算法進(jìn)行解決，通過及時反饋對編碼速度進(jìn)行調(diào)控。首先，服務(wù)器一邊解碼音頻信號，一邊對解碼器中剩下的數(shù)據(jù)量進(jìn)行統(tǒng)計。如果統(tǒng)計量比設(shè)定的范圍最大值還大，反饋信號到發(fā)射端將編碼速度調(diào)低；如果統(tǒng)計量比設(shè)定的范圍最小值還小，反饋信號到發(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。其過程如圖1所示。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題。第四，解決易掉線問題。采用的UDP的傳輸并非連接的收發(fā)方式，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真或丟失的現(xiàn)象，但不會掉線。此外，引進(jìn)熱冗余手段，在成本允許的情況下，數(shù)據(jù)傳輸由幾個終端同時進(jìn)行，每個終端傳輸?shù)男畔⒁粯?，相互彌補某些短暫時刻的延遲和卡頓，最終是接收端得到一個較為滿意的音頻信號。另外，在發(fā)送端分包發(fā)送時對數(shù)據(jù)包編號，即使在發(fā)送過程中數(shù)據(jù)流順序打亂了，接收后也能夠還原發(fā)送的順序。還可采用糾錯碼編碼，通過接收后對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正解決數(shù)據(jù)誤傳問題，避免重新發(fā)送。

圖1 編碼速率的PID調(diào)節(jié)

關(guān)于熱冗余技術(shù)，這是一個解決數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟失等問題，提高傳輸穩(wěn)定性的一個重要的方法，在此對其著重介紹。簡單來說，即采用兩個或兩個以上的相同模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如此，就能接收到包含同一數(shù)據(jù)信號的兩個數(shù)據(jù)包，兩個數(shù)據(jù)包至少有一個是正常的就能保證整個數(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)錯誤和中斷等問題。另外，冗余的傳輸模塊可采用不同運營商的商品，錯開工作頻率，可以彌補某些窄帶對所有設(shè)備的干擾。

UDP傳輸可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真或丟失的現(xiàn)象，可靠度不高。為解決這一問題，保證接受數(shù)據(jù)的實時性和完整性。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)的錯誤包，僅留下正確的數(shù)據(jù)包，存入鏈表來進(jìn)行排序，若有重復(fù)編號，則取其中一項即可，最后得到一個序號完整的無錯誤的數(shù)據(jù)流，并存入另一個FIFO中，并以頁為單位通過頁隊列轉(zhuǎn)入播放器中連續(xù)播放出來。接收端數(shù)據(jù)處理流程參見圖2所示。通過CRC32校驗檢查提取的Ogg頁的完整性，通過Ogg格式對頁的內(nèi)容進(jìn)行解析。對于正確完整的頁，直接存進(jìn)頁連表同時于程序中進(jìn)行備份。若下一頁正確可以對該備份進(jìn)行替換，如果不正確就繼續(xù)播放該頁，跳過下一頁，聽者一般不易感受到缺頁，該方法可以使聲音聽起來更加連貫。實現(xiàn)流程參見圖3所示。

圖2 接收端數(shù)據(jù)處理流程

圖3 數(shù)據(jù)充頁提取播放流程

3 實際測試試驗

3.1 試驗準(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)通和電信兩個不同的運營商以錯開頻率；接收端主機為Win7系統(tǒng)，4G內(nèi)存，2.1GHz主頻。測試的主要項目包括單個發(fā)射端和2個發(fā)射端的比較，不同地區(qū)的比較，服務(wù)器采用同一個運營商和不同運營商的比較。

我們分別選擇北京、唐山和大慶作為測試地點，測試最長時間約10h。測試終端小巧輕便，主要包括天線、液晶屏、人機交互接口、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 試驗結(jié)果分析

我們采用單個發(fā)射端人耳聽到兩次卡的間隔時間在幾分鐘到1小時范圍內(nèi)。采用2個發(fā)射端約在1小時到10小時，其中，北京地區(qū)時間最短，約為1h左右，唐山平均4h，大慶10小時內(nèi)未出現(xiàn)卡的現(xiàn)象。由于篇幅限制，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)不予列出。結(jié)果提示，2個終端明顯好于1個終端。當(dāng)然終端越多，理論上效果越好，但成本也相對提高。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不太繁華的城市。

在服務(wù)器運營商選擇方面，如果模塊和服務(wù)器運營商不同，則模塊掉線概率大（平均10min掉一次線）；如果選擇同一運營商，則掉線相對較少（平均75min掉一次線）。提示同一運營商之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸相對穩(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)的工作性能是一個綜合工程，涉及到服務(wù)器、收發(fā)端、算法、運營商等多個因素。本文針對當(dāng)前3G網(wǎng)絡(luò)在廣播直播系統(tǒng)應(yīng)用普遍存在的問題進(jìn)行了深入的研究，提出了幾種解決方案，保證了實時、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。

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1674-6708（2015）145-0066-02

姚東方，研究方向：廣播技術(shù)