广播传输中3G网络技术的应用

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近年来，3G网络技术大力发展，服务质量越来越高，为广播传输提供了一种新的途径，且成本较低，因此在广播电视领域，逐渐受到重视和青睐，但由于该属于新兴技术，许多方面并不是十分成熟，如难以同时在稳定性、实时性及音频质量上均达到理想的状态，如近年来出现的各种网络电话，乃至“微信”，“QQ语音”等技术，均难以保证稳定的，高清的通话。相对于国外某些发达国家，我国3g传输中延迟和中断等问题严重很多，原因主要在于3G网络基础建设质量欠缺以及3G用户过多而导致的带宽不足。

1音频传输方案介绍

1）卫星传输。卫星传输是一种常用的广播电视转播手段，能够保证足够的带宽且实时性好。其转播过程一般比较简单，转播车将采访到的音频和视频数据通过卫星实时传播到电台即可。但该传播方式的不足之处在于价格昂贵，转播装置笨重，需车载，且极易受到天气情况的影响。

2）3G网络传输相对于卫星传输，3G网络传输成本低得多，而且一般受天气情况影响不大，并且小巧便携，应用前景十分可观。一般来说，3G网络传输过程如下：首先，3G传输器采集并处理音频信号并传送到基站，接着基站通过网关将经过处理过的数据送到以太网，电台服务器从以太网收到传送过来的音频压缩数据，解压、处理，最后播放。一般来说，3G音频传输系统还有以下几个值得改进的地方：第一，传输质量不高。高清的音频需要较大的带宽，通常需要性能过硬的硬件才能保证系统的持续运行。对此，采用3G网络有丢失数据的可能。第二，实时性不好。3G网络在连续工作时难以保证足够的带宽，故采取丢包重发手段弥补，由此影响了传递音频信号的实时性。第三，卡顿。一是网络不够稳定，二是系统的解码方式的影响。第四，掉线。3G网络无法克服无线网络本身的不稳定，易受干扰的特点，故在网络拥挤时，掉线情况比较严重。有必要研究一个实时、稳定、高清的3G网络音频传输系统。

2系统设计

系统的传输端的工作流程如下所示：UDP接收端的构建→发射端的数据采集和处理→发射端通过3G网络，利用UDP协议向接收端传输音频数据→接收端对数据进行解压、处理并播放。和宽带相比，3G网络的不稳定性更加严重，故在传输数据时更容易出现堵塞、抖动、延时等情况而造成数据传输质量不好，接收端无法接收到及时、可靠、满意的信号。这些均是采用3G网络进行广播直播需要解决的问题。我们集合3G网络的特点，针对音频数据信号尝试了很多应对方案。第一，保证音频的传输质量。引进先进的音频压缩算法——Ogg算法，保证足够高的信号采样速率及压缩质量，最后达到足可保证音频传输质量的64kbps的音频码率。第二，改善音频。引进UDP技术，UDP可以保证很高的信号传输速率及网络穿透能力，以此确保信号传输的实时性。第三，解决音频传输卡顿现象。确保音频信号接收、处理和播放的同步。一般来说，如果接收端解码速度慢于编码，数据就会挤压和堆积，时间越长，堆积越多，研究就会逐渐增大，影响信号的实时性；相反，若解码比编码快，那么当当前接收到的数据播完后，解码速度跟不上，没有新的数据信号传递过来，此时音频便会卡。实际上，编码和解码的速度是很难保证严格一致的，即便采用的晶振频率相同，但实际器件难免存在误差。对此，我们采用了PID算法进行解决，通过及时反馈对编码速度进行调控。首先，服务器一边解码音频信号，一边对解码器中剩下的数据量进行统计。如果统计量比设定的范围最大值还大，反馈信号到发射端将编码速度调低；如果统计量比设定的范围最小值还小，反馈信号到发射端将编码速度调高；如果在设定范围内，就保持不变。调节的灵敏度由设定范围的大小决定。这样就将接收端的数据量控制在一定的水平范围内，能够在很大程度上解决了延迟和卡顿问题。第四，解决易掉线问题。采用的UDP的传输并非连接的收发方式，可能会出现数据失真或丢失的现象，但不会掉线。此外，引进热冗余手段，在成本允许的情况下，数据传输由几个终端同时进行，每个终端传输的信息一样，相互弥补某些短暂时刻的延迟和卡顿，最终是接收端得到一个较为满意的音频信号。另外，在发送端分包发送时对数据包编号，即使在发送过程中数据流顺序打乱了，接收后也能够还原发送的顺序。还可采用纠错码编码，通过接收后对错误数据进行纠正解决数据误传问题，避免重新发送。编码速率的PID调节关于热冗余技术，这是一个解决数据传输延迟、丢失等问题，提高传输稳定性的一个重要的方法，在此对其着重介绍。简单来说，即采用两个或两个以上的相同模块进行数据传输，如此，就能接收到包含同一数据信号的两个数据包，两个数据包至少有一个是正常的就能保证整个数据流的完备性。这样可以大大减少因外在因素导致的数据错误和中断等问题。另外，冗余的传输模块可采用不同运营商的商品，错开工作频率，可以弥补某些窄带对所有设备的干扰。UDP传输可能会出现数据失真或丢失的现象，可靠度不高。为解决这一问题，保证接受数据的实时性和完整性。采取数据多线程接受的方法。数据包被接收后放入FIFO中，接着提取并解码数据包，丢弃发现的错误包，仅留下正确的数据包，存入链表来进行排序，若有重复编号，则取其中一项即可，最后得到一个序号完整的无错误的数据流，并存入另一个FIFO中，并以页为单位通过页队列转入播放器中连续播放出来。接收端数据处理流程。通过CRC32校验检查提取的Ogg页的完整性，通过Ogg格式对页的内容进行解析。对于正确完整的页，直接存进页连表同时于程序中进行备份。若下一页正确可以对该备份进行替换，如果不正确就继续播放该页，跳过下一页，听者一般不易感受到缺页，该方法可以使声音听起来更加连贯。

3实际测试试验

3.1试验准备

考虑广播音质要求，将编码采样率设为44.1kHz，采用15kHz低通滤波器，压缩品质为2；发射端采用1+1冗余模式，分别取联通和电信两个不同的运营商以错开频率；接收端主机为Win7系统，4G内存，2.1GHz主频。测试的主要项目包括单个发射端和2个发射端的比较，不同地区的比较，服务器采用同一个运营商和不同运营商的比较。我们分别选择北京、唐山和大庆作为测试地点，测试最长时间约10h。测试终端小巧轻便，主要包括天线、液晶屏、人机交互接口、LED等。PID调节控制收发端延迟约4s，约每2min进行一次反馈调节，调节幅度为0.4‰，以确保音频的不失真。

3.2试验结果分析

我们采用单个发射端人耳听到两次卡的间隔时间在几分钟到1小时范围内。采用2个发射端约在1小时到10小时，其中，北京地区时间最短，约为1h左右，唐山平均4h，大庆10小时内未出现卡的现象。由于篇幅限制，具体统计数据不予列出。结果提示，2个终端明显好于1个终端。当然终端越多，理论上效果越好，但成本也相对提高。另外，城市越发达，3G网络干扰越严重，3G音频传输效果反而不如相对不太繁华的城市。在服务器运营商选择方面，如果模块和服务器运营商不同，则模块掉线概率大（平均10min掉一次线）；如果选择同一运营商，则掉线相对较少（平均75min掉一次线）。提示同一运营商之间的网络传输相对稳定。在系统搭建中，具体还需要根据不同地区的特点进行合理选取。

4结论

提高3G网络的广播直播系统的工作性能是一个综合工程，涉及到服务器、收发端、算法、运营商等多个因素。本文针对当前3G网络在广播直播系统应用普遍存在的问题进行了深入的研究，提出了几种解决方案，保证了实时、可靠、稳定、高清的传输音频，满足了广播直播的需要，该技术不仅可以尝试投入使用，还可以为视频传输提供技术支持。值得进一步推广并完善。

作者：姚东方 单位：天津广播电视台