淺析物聯網廣播系統中延遲問題的解決

常 亮

（江蘇中協智能科技有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

廣播是常見的傳播方式，也是20世紀20年代初流行的媒體之一。隨著技術的演進，廣播從最初的模擬廣播到數字廣播，再到現在的網絡廣播，已經經歷了三代變革。隨著互聯網、移動互聯網、云計算、大數據和物聯網的發展，物聯網廣播將成為第四代廣播系統。在物聯網廣播系統中，會有大量各類型的數據需要交換，這就對傳輸提出了較高的要求，要盡量減少延遲時間。

1 物聯網廣播中的三種延遲現象

在物聯網廣播系統中，主要存在三種延遲現象，即模數轉換延遲、數據傳輸延遲和數模轉換延遲。

（1）模數轉換延遲主要包括模擬信號的采樣、量化、編碼、壓縮延遲。

（2）數據傳輸延遲主要是傳輸數據的延遲，數據主要分為內容（content）和控制信號兩部分。內容有多種格式，且數據量各不相同，為非結構化數據，控制信號一般是結構化數據。

（3）數模轉換延遲主要包括解壓、解碼、后處理、播放等延遲。

在這三類延遲中，模數與數模轉換與硬件及其性能相關，可優化的項目并不多。其中傳輸延遲更容易發生，一旦發生傳輸延遲，就會表現出卡頓現象或者跳動現象（畫面顯示出馬賽克就是跳動現象之一）。物聯網廣播系統延遲產生的多個階段如圖1所示，內容見表1所列。

圖1 物聯網廣播系統延遲產生的多個階段

表1 物聯網廣播系統延遲產生的多個階段

2 多管齊下，解決物聯網廣播內容傳輸延遲問題

針對物聯網廣播中的內容傳輸延遲問題，可采用多種方法進行優化或解決。

2.1 UDP協議+校驗函數，減少網絡資源占用，確保數據完整、一致

互聯網主要使用傳輸層協議實現高質量實時數據連接與傳輸。根據OSI網絡標準定義，網絡由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層組成。網絡結構可簡化為鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層用戶接口，結構如圖2所示。

圖2 TCP/IP四層模型

TCP和UDP均屬于傳輸層，在進行內容傳輸時，可以采用TCP方案或UDP方案，項目中選用UDP協議+校驗函數，可減少網絡資源占用并保證數據完整與一致。

采用該解決方案的原因在于UDP相比TCP具有較好的實時性，工作效率高，適用于對高速傳輸和實時性有較高要求的通信或廣播通信。且UDP可以實現一對多傳輸（每一條TCP連接只能點到點，UDP支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信），減少了三次握手和確認，占用資源更少。UDP的原則是盡最大努力交付，不保證可靠交付，其可靠性較TCP稍差。由于UDP可能會出現丟包和傳輸錯誤的現象，因此采用校驗函數消除內容傳輸的錯誤。

UDP與TCP相比，也容易出現丟包現象，但由于當下網絡環境一般比較穩定且網速快（基本可達100 Mbps），因此這一問題可忽略。若出現丟包，可采用校驗函數解決。

針對UDP包容易丟包和出錯的問題，采用校對函數保證傳輸內容的完整與一致。

設UDP包長度為n B，共有8n位，即從0位至（8n-1）位，采用如下函數對這8n位數據求值：

只有傳播端傳輸的UDP和終端接收的UDP包數據函數值完全相同，才表示在傳輸過程中沒有產生丟包和錯誤（誤碼）。

如果傳播端和接收端傳輸數據函數值計算結果不一致，則向傳播端發起請求，重新傳輸并校驗。

2.2優化傳輸包大小+緩沖，實現延遲最小化

UDP包在傳輸層不超過4 kB，而在Internet中傳輸，不應大于1 400 B。現實場景中進行了多次模擬實驗，可以得到優化后的傳輸包。

橫坐標是包的大小，分別為64 B，128 B，512 B，1 024 B等，縱坐標是在相應包大小情況下內容傳輸的延遲時間，單位為毫秒（ms）。筆者發現，當包較小時，延遲時間較大，當包較小時需要傳輸的內容會被分為多個包，而將傳輸內容封裝成多個包會消耗較多時間，進行多次處理，且內容傳輸的次數更多，單片機處理速度低，造成延時負擔；包較大時，延遲時間也較大，雖然傳輸過程占用時間不多，但發送和傳輸內容時會占用多種資源，導致占用更多時間，延遲較大。因此必須采用適合當前網絡傳輸延遲時間的包的大小。包的大小在不同的網絡環境中不一樣，可由用戶自行定義，以保證延遲最小。UDP包大小與延時時長的關系見表2所列，其關系如圖3所示。

表2 UDP包大小與延時時長

盡管UDP協議延時較小，但在不可靠網絡條件下，這仍然是影響傳輸的重要因素。在這種情況下，通常在終端設置一個緩沖區減小網絡的延時。接收到的數據包先存入緩沖區，當緩沖區中達到預定數量的包后，開始解壓、解碼播放。緩沖區的大小應隨網絡的變化而改變。所選緩沖區的大小至關重要，若緩沖區過小，一些最終能到達甚至即將到達的數據包可能會被認為丟包而遺棄，增大丟包的可能性；若緩沖區設定過大，將存在更大延時，將有可能超過人耳能夠感覺的閾值。

圖3 UDP大小與延時關系圖

2.3 針對VBR音頻文件實時重編碼，減小傳輸延遲問題

音頻文件比特率是指每秒傳送的比特（bit）數，單位為bps，比特率越高，單位時間內傳送的數據越多，音頻、視頻的質量就越好，編碼后的文件就越大；如果比特率越低，則情況相反。

比特率分為固定比特率（Constant Bit Rate，CBR）和動態比特率或可變比特率（Variable Bit Rate，VBR）。動態比特率可減小文件容量，減輕傳輸壓力。

在傳輸CBR音頻文件時，未發現任何卡、頓、抖動（jitter）現象，但在傳輸VBR音頻文件時卻發現了上述現象。為此，項目采用前端重新編碼（recoding）方法。

MP3文件由四部分組成，即ID3V2+音頻數據+ID3V1+補充信息。其中，最為關鍵的是音頻數據部分，音頻數據部分以幀（Frame）的形式存在。MP3文件結構見表3所列。

表3 MP3文件結構

VBR格式是XING公司推出的算法，若選VBR格式，那么MP3第一個有效幀的數據區中會出現XING標志，或INFO，VBRI標志，表示此MP3是VBR文件。

在VBR格式的MP3第一幀中存放MP3文件的幀的總個數，比較容易獲得播放總時間與100 B存放播放總時間。假設MP3歌曲為10 min，即600 s，將其分為n段，則每兩個相鄰索引（index）的時間差為（600/n）s，通過該相鄰索引即可將所有幀的數據讀取并轉為PCM：

式中：i從0開始計算，表示第一幀，直至n-1，共n幀；bi表示第i幀的比特率；ti表示第i幀的時長（部分MP3這一值恒定不變）。

在前端重新編碼，將其實時重新編碼為PCM數據，再通過UDP包發送，發現卡、頓、抖動等現象消失了，很好地解決了VBR格式MP3的播放問題。

此外，筆者還嘗試了另一種解決方案，即將VBR格式的MP3通過UDP包發送到終端，由終端進行解碼播放，發現延時較長，與終端的硬件性能和計算能力相關，因此建議將重新編碼的工作放在前端進行，效果較好。

3 終端CDN+人工智能識別，解決遠程傳輸延遲問題

隨著物聯網廣播的發展，其傳輸的內容越來越多，數據量也越來越大。盡管硬件的處理速度和帶寬傳輸速度已較快，但是根據比爾·安迪定理可知，硬件性能的提升總會被內容或軟件消耗。同時，在網絡中還有其他眾多內容和信號需要傳輸，再加之電磁干擾，尤其在通過2.4G WiFi進行無線傳輸時，干擾更為強烈，傳輸速度遠達不到標稱量，造成內容傳輸的延遲。

項目中采用終端CDN+人工智能識別方案解決這一問題：將傳輸的內容分為結構化內容和非結構化內容，其中結構化內容即為背景音樂、國歌、體操音樂、眼保鍵操音樂、英語聽力文件等“程序化的內容”，這些內容往往會重復播放，并已形成文件，一般不通過麥克風輸入；非結構化內容則是僅播放一次的內容，比如校領導或班主任的晨會內容、平時的通知內容，這些內容一般通過麥克風輸入。待終端接收到結構化內容后，在解壓、解碼、播放的同時將其保存在相應的文件中。

MWCS2018上SD協會公布了SD 7.0標準內容，包括SD EXⅠ（SD Express）的全新標識，最高容量已提升到128 TB，理論最高傳輸速度將達到985 MB/s，已超過普通SATA SSD。項目中采用了SDXC標準的MicroSD卡（即TF卡），其支持最高2 TB容量，目前理論上支持3種標準（UHS-Ⅲ卡未面世），UHS-Ⅰ的寫入速度最高為95 MB/s，讀取速度最高為104 MB/s，保證最低傳輸速度為10 MB/s；UHS-Ⅱ的寫入速度最高為280 MB/s，讀取速度最高為312 MB/s，保證最低傳輸速度為30 MB/s。在目前的網絡環境情況下，該速度足夠寫入和讀取。

在傳輸內容前，先計算播放文件的大小，然后在終端的SD中尋找與播放文件大小相同的文件，接著對比文件六分之一處8個字節部分、四分之一處8個字節部分、二分之一處8個字節部分。若完全相同，則取得傳輸端播放時間，并在播放時間到達時，播放終端SD卡中的文件，以減小延遲；如果有多個大小相同的文件，則找到第一個“完全相同”的文件，并播放該文件；如果找不到相同大小的文件或找不到“完全相同”的文件，則從播放端接收傳輸內容，并當終端接收到這些內容后，在解壓、解碼、播放的同時將其保存在相應的文件中。

計算方法如下：

（1）取得文件的長度l，然后將此文件的長度l除以8，若不能整除，則舍去余數，取模L1=[l/8]；

（2）從L1*7處取8個字節，記為L1-8，將其轉為10進制數，并對其取常用對數lg，記為lg（L1-8）；

（3）從L1*5處取8個字節，記為L1-6，將其轉為10進制數，并對其取常用對數lg，記為lg（L1-6）；

（4）從L1*3處取8個字節，記為L1-4，將其轉為10進制數，并對其取常用對數lg，記為lg（L1-4）；

（5）從L1處取8個字節，記為L1-2，將其轉為10進制數，并對其取常用對數lg，記為lg（L1-2）。

將 lg（L1-8），lg（L1-6），lg（L1-4）和 lg（L1-2）相加：lg（L1-8）+lg（L1-6）+lg（L1-4）+lg（L1-2），得出數值進行比較，僅在得出數值相等時才表明文件“完全相同”。

4 結 語

通過本文所述方法，較好地解決了物聯網廣播中的內容傳輸延遲問題，希望能夠為同行提供參考。