УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОТОКОВОГО АУДИОВЕЩАНИЯ НА СМАРТФОНЫ

Область техники.
Полезная модель относится к области радиотехники, в частности к технологиям построения беспроводных самоорганизующихся сетей связи в системах общего пользования, содержащих абонентские, базовые, коммутационные станции.
Уровень техники.
В уровне техники известны следующие приложения: FireChat - работающий без интернета клиент мгновенного обмена сообщениями для Android и iOS. Для передачи текстовых сообщений и изображений используются беспроводные сети Bluetooth и WiFi, устройства с установленным FireChat могут обнаруживать друг друга в радиусе до 60 метров. Источник: https://www.opengarden.com/firechat/. Данный сервис не предназначен для стриминга аудио в режиме реального времени.
Intercom, Serval, Bridgefy - коммуникационные сервисы, основанные на передаче данных по mesh-сети, также не предполагают сопряжения различных платформ (iOS и Android) и не ставят перед собой задачу стриминга аудио в режиме реального времени.
Технический результат.
Решаемая техническая задача относится к разработке аппаратного решения, позволяющего организовать потоковое аудиовещание на смартфоны пользователей (посетителей международных мероприятий, туристов, болельщиков и т.п.) без подключения к интернету. Аудиопоток должен передаваться без искажений на неограниченное число устройств с возможностью одновременного вещания на один или несколько разных каналов и с задержкой не более 2 секунд.
Технический результат совпадает с технической задачей. Дополнительный технический результат заключается в расширении функциональных возможностей заявляемого устройства.
Указанные технические результаты достигаются за счет создания устройства для потокового вещания на смартфоны, которое содержит:
блок отображения и распознавания видеоизображения и соединенный с ним блок приема-передачи данных, причем блок отображения и распознавания видеоданных соединен с дисплеем и видеокамерой смартфона и выполнен с возможностью вывода QR-кода на дисплей или распознавания QR-кода, расшифровки содержащейся в нем информации и передачи в блок приема-передачи данных, при этом блок приема-передачи данных соединен с приемо-передающей антенной, динамиком и микрофоном смартфона и выполнен с возможностью обработки информации, полученной от блока отображения и распознавания видеоизображения, на основе которой производится получение и передача к другим устройствам сети пакетов данных, содержащих, по меньшей мере, аудиоданные и тайм-коды, а также вывода аудиоданных в динамик смартфона.
Краткое описание изображений.
Базовая схема подключения пользователей представлена на Фиг. 1.
Топология рассматриваемой сети представлена на Фиг. 2.
Общая схема формирования временного кадра представлена на Фиг. 3.
Сущность полезной модели.
Недостатком указанных ранее способов построения пирового соединения является большая вероятность срыва передачи из-за неприема одним из устройств сети запросов на продолжение передачи.
Заявляемое техническое решение значительно расширяет функциональность беспроводного доступа к сетевым сервисам и позволяет реализовывать точки доступа с охватом и порогом снижения пропускной способности на порядок более высоким, чем у распространенного соединения один - много, что положительным образом влияет на возникающие задержки и максимальную пропускную способность сети. Благодаря возможности обеспечения защищенного беспроводного покрытия на улицах, в городской местности или в крупных населенных пунктах и районах сеть может быть использована для быстрого развертывания, в частности сети связи для целей внутренней безопасности или в случаях чрезвычайных ситуаций в городе.
В сети каждый элемент связан с несколькими другими элементами этой же сети, что позволяет достичь возможности варьировать маршруты через сегменты с лучшими показателями связи. Топология рассматриваемой сети представлена на Фиг. 2.
Если ближайшая точка доступа перегружена, то данные за счет блока приема-передачи данных, перенаправляются к ближайшему незагруженному узлу. Блок данных продолжает перемещаться от одного узла к другому, пока не достигнет места назначения.
Ключевым функционалом является функционал самоорганизации, т.е. выход из строя промежуточных узлов или добавление новых узлов в сеть не приведет к разрушению сети, а только снизит (или увеличит) ее зону покрытия и пропускную способность. Благодаря особенностям протокола время разворачивания данной сети ограничивается только скоростью распределения точек доступа по зоне планируемого покрытия.
Заявляемое устройство по сети взаимодействует со следующими элементами: оборудование для создания информационной среды (клиентские устройства на базе операционных систем iOS и Android), информационный и коммуникационный порталы. Также следует отметить, что заявляемое устройство имеет возможность объединяться с вышеуказанными элементами, образуя комплекс.
Информационный портал предназначен для координации связанности сети и несет в себе служебную информацию. Он представляет собой веб-ресурс, доступ к которому автоматически получает любое устройство посредством программного интерфейса с машиночитаемым доступом, работающего по принципам передачи состояния представления (REST API).
Коммуникационный портал предназначен для осуществления связи между участниками сети и за ее пределы, построен по принципу клиент-клиент коммуникации. Порталом обеспечивается голосовая, а также текстовая связь в режиме реального времени, основанная на обмене информации посредством временных слотов. Эти технологии достаточно распространены и поддерживаются большинством устройств изначально. Однако для унификации системы доступа возможен доступ к этим сервисам при помощи специального приложения, разработанного для основных операционных систем смартфонов: Android и iOS. Такое приложение можно загрузить с информационного портала и начать им пользоваться без дополнительных настроек. Для подключения к информационному порталу абоненту необходимо провести первичное сканирование QR-кода, содержащего в себе ключи шифрования передаваемой в сети информации. Данный этап осуществляется устройством посредством блока отображения и распознавания видеоданных.
Использование фреймворков Nearby Connections и Multipeer Connectivity позволило передавать данные между устройствами по Bluetooth c задержкой не более 1,5 секунды.
Для первичного создания сети необходимо перевести абонентское устройство, являющееся аудиовещателем, в режим формирования mesh-сети. В данном режиме на экран устройства выводится QR-код, содержащий информацию, зашифрованную в соответствии со стандартом base64. Абонентское устройство, подключаемое к сети в качестве слушателя, за счет блока отображения и распознавания видеоизображения переводится в режим сканирования указанного кода, и после обнаружения такого в поле зрения камеры происходит его распознавание и считывание информации, после чего происходит процедура подключения к сети. В случае если абонентское устройство работает на базе ОС Android, активируется модуль поиска ближайших соединений, работающий по стандарту Nearby Connections, что позволяет обнаружить mesh-сети в радиусе связи и авторизоваться в них с помощью переданных ранее ключей. В случае если абонентское устройство работает на базе ОС iOS, активируется модуль поиска ближайших соединений, работающий по стандарту Multipeer Connectivity, позволяющий подключиться к mesh-сети в радиусе связи, образованной другими iOS-устройствами, и авторизоваться в них с помощью переданных ранее ключей, а также осуществляется поиск сетей, работающих по технологии WiFi Aware, что позволяет авторизовать iOS-устройство в сети, образованной абонентскими Android-устройствами. После авторизации в сети абонентское устройство производит опрос других устройств, авторизованных в сети, для выявления устройства, являющегося источником аудиосигнала, а также выявления двух устройств с максимальным уровнем связанности с данным устройством для формирования внутренней топологии сети, выстроенной в виде графа, что необходимо во избежание обрыва соединения при внезапном отключении от сети одного из других ее участников. В процессе опроса устройств также проводится синхронизация текущего тайм-кода, что необходимо при дальнейшей передаче и воспроизведении потокового аудиовещания. Вещание осуществляется с одного устройства, звуковой поток на котором преобразуется с помощью кодека h.256 в побитовый набор информации, который затем разбивается на отдельные пакеты, куда также включается контрольная сумма и тайм-код фрагмента записи; вещание пакетами производится по сети на все абонентские устройства. Устройства, подключенными узлами которых являются устройства, отличные от устройства вещателя, запрашивают информацию от подключенных к ним устройств и таким образом также имеют доступ к передаваемой информации. За счет контрольной суммы возможно избежать ситуации задвоения полученных пакетов, а информация о тайм-коде позволяет восстанавливать из цифровой информации аудиопоток, который затем воспроизводится на абонентском устройстве.
Аналогичным образом по сети за счет блока приема-передачи данных передается служебная и пользовательская текстовая информация, но вместо кодека h.256, который не подходит для обработки данного типа данных, используется шифрование с помощью алгоритма base64, что позволяет снизить нагрузку на сеть за счет уменьшения объема передаваемой информации.
Один из абонентов в сети назначается работать в качестве центральной (базовой) станции. С помощью центральной станции осуществляют управление доступом в канал для остальных абонентов сети, являющихся абонентскими станциями. При этом радиообмен между абонентскими станциями ведется через центральную станцию по способу множественного доступа с временным разделением (МДВР): канал связи делится на временные кадры, которые, в свою очередь, разделяются на временные интервалы (слоты), где станциям сети разрешается передавать и принимать информацию. Формирование временного кадра происходит в центральной станции. Общая схема работы данного алгоритма представлена на Фиг. 3.
Центральная станция периодически опрашивает зарегистрированные абонентские станции. Процедура опроса состоит в том, что центральная станция открывает служебные каналы для зарегистрированных абонентских станций и ожидает ответов на служебные пакеты опроса. При наличии у абонентской станции информации для передачи (запросы на открытие канала от подключенного к абонентской станции оборудования и т.д.) она передает их в открытом служебном канале перед ответом на служебный пакет опроса. Если у абонентской станции нет информации для передачи, она передает центральной станции пакет ответа на опрос.