0 引 言
廣播是延遲常見的傳播方式，也是淺析 20 世紀 20 年代初流行的媒體之一。隨著技術的物聯網廣問題演進，廣播從最初的播系模擬廣播到數字廣播，再到現在的統中網絡廣播，已經經歷了三代變革。延遲隨著互聯網、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。
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。
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。
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。
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。
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。
