家庭智能平臺(演進型機頂盒)研究與應用

李向坤，趙鴻志，袁偉，楊海強，于志華，李冰

(1.甘肅省廣播電視網絡公司;2.上海影蒞馳電子有限公司;3.北京四達時代軟件技術股份有限公司;4.中國聯合通訊公司)

1 序言與基本判斷

促進廣電、通信、互聯網三網融合，加快社會信息化建設，是調整產業結構、推動經濟社會快速可持續發展的戰略部署。在新形勢下，通過融合網絡載體提供融合信息服務是促進社會信息化發展的重要途徑。

社會是由無數個家庭和管理、服務社會的社會組織為基本單位組成，實現家庭和社會組織的信息化，就意味著社會信息化的實現。在我國，社會組織的信息化，已在信息化帶動工業化、工業化促進信息化的大背景下有了長足地發展，水平比較高，也有了完善的規劃、建設、投資和完整產業鏈的支持，市場的格局基本形成，而家庭的信息化卻是短板，水平比較低，沒有一個科學的規劃、目標和機制，制約著社會信息化的發展，推進家庭信息化迫在眉睫，任重而道遠。同時，以互聯網為龍頭的第三次工業革命—信息化浪潮已經在過去的十年中成功地席卷全球，給人類的生活帶來了巨大變化，各種情況已經表明，在下一個十年中，互聯網必將向PC以外更多的終端進行飛速延伸，掀起新一輪更大更廣泛的產業革命浪潮。隨著終端類型的延伸，互聯網本身的服務和內容也將發生更多的變化。這和我們前文提到的家庭信息化實際上是殊途同歸的。

家庭信息化究竟是一個什么樣的美好愿景?我們權且用智能數字家庭來表述。無論是家庭信息化終端還是互聯網的延伸終端，無論從家庭普及性還是已有基本功能而言，電視機都是其中最為重要的一個家庭和客廳顯示終端，當然，在新的應用環境下，需要為顯示終端配套運算終端，不管運算終端是外置(機頂盒)還是內置(一體機)，其能力都必須要滿足新形勢下的業務特征，這也是我們設計家庭智能平臺(演進型機頂盒)的初衷。

從用戶的需求看，智能數字家庭應滿足以下應用:

(1)功能

a)收看運營商廣播電視節目，滿足諸如高清、3D、點播、定制等高端個性化需求。

b)互聯網及其擴展應用，支持不同終端有線、無線、帶寬分享應用。

c)智能控制，支持家用電器等的本地、遠程控制。

d)物聯網應用

(2)方式

固定、移動、網間遷移、三屏合一。

從技術條件看，智能數字家庭涉及:多內容多功能平臺技術，傳輸聯網技術，家庭網關技術，設備自動發現技術和遠程控制技術。

由此，我們可以得出:智能數字家庭是以微電子技術、網絡技術和控制技術為基礎，使家庭各種終端互聯，通過人－機、機－機對話，實現家庭信息、通信、娛樂和生活等應用。

目前，數字家庭基本的上網、通信和廣播電視服務是由電信和廣電網絡運營商分別提供的，并通過功能單一的私有化終端(可視電話機、上網貓、IPTV機頂盒、數字電視機頂盒、衛星接收機等)進入家庭，這種服務具有壟斷性和排他性，水平低，成本高且復雜，難于滿足智能數字家庭需要，不利于家庭信息化建設。究其根本，原因是缺乏可承載智能數字家庭多種應用的融合型智能數字終端設備。同時，在三網融合電信廣電雙向進入的背景下，電信廣電兩大陣營必然形成激烈的競爭格局。筆者認為，研發智能數字家庭終端設備，是消除終端私有化，打破行業壟斷，為市場提供質優價廉一站式融合服務，推動家庭信息化快速發展的關鍵，而廣電、電信競爭的焦點也在于智能終端的博弈，可以說:未來用戶選擇了誰家主導設計的終端，就選擇了誰家的服務，誰家就占領了融合業務的市場，同時，在未來10年家庭信息化和互聯網向更多終端延伸的新一輪產業革命浪潮中，由于部分延伸業務的專業性和特殊性，我們有理由相信網絡運營商在部分產業升級中將起到更多的主導作用，在中國，圍繞著以電視為終端的新媒體產業升級，廣電運營商更是責無旁貸。值得一提的是，家庭智能終端設備的研究與應用已引起業界的高度重視。

基于以上觀點，以甘肅有線為主導，聯合北京四達公司，上海影笠馳公司組成研發團隊，在思科、ST、哈雷、北京數碼視訊支持下，對智能數字家庭終端設備的技術與業務進行了總體規劃和研發，可承載三網融合業務的智能數字家庭終端設備，即家庭智能平臺(演進型機頂盒)的技術體系和產品基本成熟，投入商用后效果良好。

2 家庭智能平臺(演進型機頂盒)的定義

家庭智能平臺是在三網融合背景下，滿足智能數字家庭獲得和發布多種信息的節點，提供人機對話或機機對話界面，可以實現家庭組網，它不僅是終端更是平臺，是開展融合全業務服務的關鍵設備，在第一階段，家庭智能平臺首先以電視機為中心開展各項基本業務和延伸業務，所以亦稱演進型機頂盒。其內涵為:

(1)網絡適應性:支持通訊、廣電、互聯網協議和標準，提供通用接口，適用于無線、HFC、IP、衛星網絡(可選)。

(2)組成要件:由自適應編解碼模塊;瀏覽器模塊;Java平臺模塊;FLASH模塊;互聯網電視虛擬機模塊;WiFi模塊;智能控制及變頻、電源模塊等組成。

(3)主要功能:平臺支持家庭組網和互動功能，其操作系統、中間件開放，支持第三方開發及應用，是數字家庭多媒體中心、數據中心、智能家電控制中心、物聯網家庭信息中心，外設擴展中心?？紤]電視是最主要的顯示終端，在演進型機頂盒的第一階段，圍繞著電視為中心來開展業務，業務框架設計主要包括廣播電視、互動電視、網絡電視、電視生活等大板塊，實現了電視網、數據通訊網、互聯網、物聯網等在電視終端上的有機融合，確保電視用戶自愿完成從看電視向用電視的轉變。

3 家庭智能平臺的功能及業務

3.1 家庭媒體中心

(1)數字電視:

a)數字標清電視廣播。

b)數字高清電視廣播。

c)數字3D電視廣播。

(2)IPTV:

a)SD數字電視廣播。

b)HD數字電視廣播。

c)3D數字電視廣播。

(3)互動電視:

a)MPEG －2、H.264、AVS編碼標清互動點播。

b)H.264編碼高清、3D電視互動點播。

c)標清、高清電視“時移”、“回看”。

d)政務、教育、出版、文化等公共資訊互動點播。

(4)USB媒體播放:支持多種編碼格式視音頻文件播放。

(5)數字廣播:支持多種音頻編碼格式。

(6)版權保護:支持高級CA加擾;支持DRM。

3.2 家庭數據中心

(1)家庭媒體儲存:內置或外掛大容量硬盤，可以存儲和管理家庭視頻、照片、音樂、電子書等媒體內容。

(2)電視上網:上網瀏覽網頁。

(3)網絡DTV:強大的互聯網視頻搜索功能，全面支持互聯網音頻/視頻編碼格式，共享互聯網視音頻資源，可集成一個或者多個互聯網視頻集成播控平臺，實現互聯網網絡電視臺、視頻網站等視頻在電視機上的無縫鏈接。

(4)郵件服務:電子郵件、短信、賀卡。

(5)網絡游戲:支持在線網絡游戲。如騰訊等。

(6)網絡電視教學:支持電視Flash等互動教學課件

(7)VOIP:支持軟交換可視電話，可作為VOIP的家庭終端設備。在甘肅可實現網內和公網互通。

(8)電子商務及支付:電視商務、電視商城;在線支付、電視購物、電視彩票等。

(9)家庭網絡:能與 PC、3G 手機、iPad、智能家電等組建WIFI或有纜家庭網絡。

(10)家庭“視頻監控”:可通過PC、3G手機對家庭進行遠程視頻監控。

3.3 家庭家電管理控制中心

(1)支持閃聯、DLNA等家庭網絡標準。

(2)可用PC、3G手機通過家庭智能平臺控制智能家電，支持設備自動發現。

3.4 家庭物聯網信息中心

(1)物聯網信息采集節點。

(2)物聯網的節點，執行網格分布式計算。

(3)物聯網的展示終端。用戶可以查詢物聯網的數據統計、分析及挖掘的結果(如查詢農產品溯源，與城市信息系統聯網實現智能城市、智能家庭、智能交通等業務)。

3.5 外設擴展中心

可擴展鍵盤、游戲控制手柄，存儲設備等

4 家庭智能平臺的技術路線

(1)以嵌入式CPU為基礎，引入PC軟件模塊動態加載機制。

(2)同步綁定機制實現網絡遷移、轉屏。

(3)遵循 DVB － CS，TCP/IP，HTTP，802.11g/n網絡協議。提供 HDMI、CVBS、S － VIDEO、10/100M以太網口;RJ11接口;32位DDR2/DDR3內部本地存儲器;雙USB OTG;e－SATA;智能卡接口;外設(如無線鍵盤、游戲手柄)等。

平臺應用原理示意圖

家庭智能平臺是實現數字家庭融合業務應用的核心。其中互聯網、3G網絡的轉屏業務通過廣電全服務平臺無縫銜接;全服務平臺提供的廣電全業務通過HFC、EPON+EOC/LAY、CMTS進入到家庭智能平臺;平臺通過WIFI組成家庭無線網絡，實現手機、電腦、筆記本、iPad、智能家電的互連及控制，將電視、互聯網、語音、娛樂、電器控制、安防報警等多任務融為一體。

家庭智能平臺具有較強的數據處理和計算能力，也作為物聯網的家庭節點，感知信息的采集和匯聚點，結合云存儲、云計算等技術，實現今后豐富的物聯網應用。

家庭智能平臺采用軟、硬件分離技術體系架構，業務模塊化開發，軟件架構能兼容后續的硬件平臺，支持極強的第三方軟件應用開發。

5 家庭智能平臺技術方案

5.1 硬件方案

(1)嵌入式CPU主頻:

基本型采用主頻450M以上32位CPU，處理能力＞800MIPS，DDR2，55nm工藝的芯片(如采用ARM 11或更高的CPU)。

增強型采用主頻1GHz以上32位CPU，處理能力＞1500MIPS，DDR2，45nm工藝的芯片(如 ARM Cortex－A系列CPU)。

(2)內存:基本型256MB以上。增強型512MB以上。

(3)FLASH:基本型 128MB以上。增強型256MB以上。

(4)視頻圖形引擎:3D視頻圖形處理引擎。

(5)視頻解碼:支持視頻 H.264、MPEG －2、AVS多種解碼格式，支持1080P全高清解碼，支持高清3D解碼。

(6)音頻解碼:支持Dolby Digital、AAC解碼格式。

5.2 軟件方案

以嵌入式CPU為基礎，采用開源操作系統、全媒體中間件，引入動態加載機制。

(1)操作系統:基于Linux內核的操作系統。(2)全媒體中間件:

三網融合產生了許多融合型新業務，而要呈現這些新業務，必需要有一個功能強大的中間件軟件來支撐，我們合作研發的家庭智能平臺全業務中間件，設計要求為:全媒體、開放性、標準性、強大的業務引擎集，滿足廣電有線運營商快速開發各類增值業務需求。

a)全媒體:

可實現數字電視與互聯網的無縫融合。作為新一代全媒體數字電視中間件，在兼容傳統數字電視業務的同時，還可以全面融合數字電視和互聯網電視的諸多優勢，把數字電視終端真正變成全媒體的多業務智能家庭信息終端。

b)開放性:

這一點至關重要。我們開發的全媒體數字電視中間件的DPL動態集成鏈技術和對象式API注冊通道組件可以最大限度地保證業務系統的開放性和可擴展性，有效地避免了傳統中間件的諸多問題。其系統移植層、核心軟件層、執行環境層、應用擴展接口層均可自定義擴展，每層由一個或若干個模塊構成。系統移植層為不同的芯片方案、硬件組件、嵌入式操作系統提供適配，使中間件可以運行在多種硬件平臺和操作系統上。當上層應用軟件要使用硬件資源時，將與本層交互，而不直接調用硬件驅動;當上層應用程序要對存儲模塊、文件系統、進程調度進行控制時，也向本層索取相關功能。核心軟件層包括DVB廣播模塊、通信協議棧、媒體處理模塊、圖文處理模塊、安全認證模塊、開機啟動模塊等。執行環境層包括瀏覽器環境、Java虛擬機環境、Flash執行環境以及其它執行環境。應用擴展接口層可以自定義，方便新業務的添加。

c)標準性:

全媒體中間件遵循DVB－MHP標準和國家NGB中間件規范，并融入更多的互聯網電視組件。在瀏覽器執行環境中，顯示語言采用W3C的Html4.01(Html5)標準，擴展腳本采用ECMA的Javascript1.8標準;在Java執行環境中，采用了CLDC 1.1、MIDP 2.0等公用API。通過遵循公開標準的方式，中間件達到了最大程度的標準性和可用性，同時降低應用程序開發的門檻，為有線運營商提供了更好的應用服務。

d)強大的業務引擎集:

全媒體中間件在數字電視上融合提供了目前業界種類最全、功能最強、技術最先進的各類業務引擎，如瀏覽器、JVM、Flash、互聯網電視虛擬機等等，為增值業務拓展提供了良好的技術支撐環境，并可以隨著業務的拓展向機頂盒以外的終端延伸，很好地支持新業務的動態加載，在線更新升級。

(3)用戶界面(UI)

人機界面設計友好，各功能界面之間切換操作方便。

公共服務UI圖

(4)全媒體中間件軟件構架

全媒體中間件遵循了國際DVB－MHP標準和國家NGB中間件規范及要求，并融入更多的互聯網電視組件。

6 家庭智能平臺網絡應用環境

(1)EPON+LAY、EPON+EOC、CMTS雙向網絡:

雙向改造規劃設計應符合NGB規范要求，初期可以考慮每戶2－4Mbps左右，以后根據業務開通需要按NGB進行擴展。

當前有線電視雙向改造基本都是采用此模式，每戶的帶寬都可以根據需要進行設計和施工，家庭智能平臺對網絡帶寬的要求基本都能滿足。

家庭內部可采用WIFI或電力貓組網，可以方便各類網絡設備的接入。

(2)有線電視超光網:

平臺全媒體中間件軟件架構圖

超光網設備可將帶寬從原本的5M～870M提升至5M～2.7G。其中5M～870M是原有有線電視信號頻段，870M～1.7G是為新增有線電視信號及有線互聯網頻段，1.7G ～2.3G 為3G 信號頻段，2.3G～2.5G 為無線WIFI信號頻段，2.5G ～2.7G 為未來LTE頻段。

從帶寬上講，超光網有了很大提升，極大地有線電視的頻帶優勢，更便于家庭智能平臺業務的運營。目前超光網還在研究和實驗階段，我們已介入追蹤。

7 家庭智能平臺技術規范

7.1 規范說明

規范對家庭智能平臺提出了基本功能和基本技術性能要求，對平臺硬件及接口提出了基本配置要求，對平臺軟件(中間件、CA等)提出了接口規范。

規范中針對不斷增加的擴展業務，規范了擴展方式，規范了外掛設備硬件接口標準、軟件接口標準。

規范提出了統一軟件界面規范，統一操作規范，統一遙控器規范。

規范對平臺運行環境、可靠性、穩定性提出了要求。

本規范于2011年3月1日發布，2011年3月1日正式實施。

本規范由甘肅省廣播電視網絡傳輸有限公司提出及歸口。

本規范起草單位:甘肅省廣播電視網絡傳輸有限公司、北京四達時代軟件技術股份有限公司、上海影蒞弛電子有限公司。

7.2 規范細則(這里只列出條目，詳見規范細則)

(1)通用要求

a)適用范圍

本規范適用于有線電視網絡中家庭智能平臺(演進型機頂盒)。

本規范規定了家庭智能平臺的功能要求、基本配置和主要性能參數等相關內容。

本規范作為甘肅省有線家庭智能平臺入圍測試的依據。

b)依據的標準和文件

下列文件對于本規范的應用是必不可少的，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規范。

GB 2312－1980信息交換用漢字編碼字符集基本集

GB/T 4880.2－2000語種名稱代碼 第2部分:3字母代碼

GB/T 7400.11－1999數字電視術語

GB 13000.1－1993信息技術 通用多八位編碼字符集(UCS)第一部分:體系結構與基本多文種平面

GB/T 15273.1－1994信息處理 八位單字節編碼圖形字符集第一部分:拉丁字母一

GB/T 17975.1－2000信息技術 運動圖像及其伴音信息的通用編碼第1部分:系統

GB/T 17975.2－2000信息技術 運動圖像及其伴音信號的通用編碼第2部分:視頻

GB/T 17975.3－2002信息技術 運動圖像及其伴音信號的通用編碼第3部分:音頻

GB 18030－2005信息技術中文編碼字符集

GB/T 7400.6廣播電視名詞術語 電視廣播 通用部分

GB/T 7400.7廣播電視名詞術語 電視廣播 視覺與圖像質量

GY/Z 175－2001數字電視廣播條件接收系統規范

GY/T 201－2004數字電視系統中的數據廣播規范

GY/T 230－2008數字電視廣播業務信息規范

ISO/IEC 10918－1(Information Technology–Digital Compression and Coding of Continuous－tone Still Images:Requirements and Guidelines)

ISO/IEC 13818－6 Information Technology–Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information–Part 6:Extensions for DSM－CC，1998

ISO/IEC 13818－2 Information Technology－Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information:Video

ISO/IEC 13818－4:1998/Cor－2:1998 Information Technology–Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information–Part 4:Conformance Testing，Technical Corrigedum 2

ISO/IEC 15445:2000 Information technology–Document description and processing languages–HyperText Markup Language(HTML)

IETF RFC 768 User Datagram Protocol，28 August 1980

IETF RFC 791 Internet Protocol，September 1981

IETF RFC 793 Transmission Control Protocol，September 1981

IETF RFC 826 An Ethernet Address Resolution Protocol，November 1982

IETF RFC 894 A Standard for the Transmission of IP Datagrams over Ethernet Networks，April 1984

IETF RFC 959 File Transfer Protocol，October 1985

IETF RFC 1034 Domain Names–Concepts and Facilities，November 1987

IETF RFC 1035 Domain Names–Impementation and Specification，November 1987

IETF RFC 1305 Network Time Protocol(Version 3)，March 1992

IETF RFC 1939 Post Office Protocol–Version 3，May 1996

IETF RFC 2045 Multipurpose Internet Mail Extensions(MIME)Part One:Format of Internet Message Bodies，November 1996

IETF RFC 2046 Multipurpose Internet Mail Extensions(MIME)Part Two:Media Types，1996

IETF RFC 2131 Dynamic Host Configuration Protocol，March 1997

IETF RFC 2181 Clarifications to the DNS Specification，July 1997

IETF RFC 2236 Internet Group Management Protocol，Version 2，November 1997

IETF RFC 2279 UTF －8，a transformation format of ISO 10646，January 1998

IETF RFC 2326 Real Time Streaming Protocol，A-pril 1998

IETF RFC 2460 Internet Protocol，Version 6(IPv6)，December 1998

IETF RFC 2616 Hypertext Transfer Protocol(HTTP/1.1)，June 1999

IETF RFC 2817 Upgrading to TLS within HTTP/1.1，May 2000

IETF RFC 2818 HTTP over TLS，May 2000

IETF RFC 2821 Simple Mail Transfer Protocol，A-pril 2001

IETF RFC 3261 Session Initiation Protocol，June 2002

IETF RFC 3550 RTP:A Transport Protocol for Real－ Time Applications，July 2003

IETF RFC 3810 Multicast Listener Discovery Version 2(MLDv2)for IPv6，June 2004

IETF RFC 5246 The Transport Layer Security(TLS)Protocol Version 1.2，August 2008

OMG，Common Object Request Broker Architecture，Version 3.0 OMG，CORBA Services

W3C Extensible Markup Language(XML)1.0(第二版)

ISO 639－1，639－2– Codes for the Representation of Names of Languages－ Part 1:Alpha－2 Code，Part 2:Alpha－3 Code

IETF RFC 1321，The MD5 Message－Digest Algorithm(1992年4月)

IETF RFC 1738，Uniform ResourceLocators(URL)，December 1994

ATSC A/52 Digital Audio Compression(AC－3)Standard

ATSC A/53 Digital Television Standard

IETF RFC2327 SDP:Session Description Protocol

IETF RFC4588 RTP Retransmission Payload Format

CableLabs視頻點播內容規范(版本)1.1 MDSP－VOD－CONTENT1.1－I03－040107

CableLabs內容資產分發接口規范(版本1.1)MD －SP －ADI1.1 －I03－040107，January7，2004

CableLabs視頻點播內容編碼參數配置規范MD－SP－VOD －CEP－I01－040107，January 7，2004

c)認證與質量要求

(2)配置要求及基本技術參數

a)CPU及存儲器等硬件配置要求

b)物理接口技術要求

c)輸入信號與解調性能技術要求

d)視音頻輸出技術要求

e)數字信號輸出要求

f)外掛設備接口及執行規范

g)前面板功能要求

h)工作條件要求

(3)網絡系統

a)接入網絡

b)家庭網絡(無線)

c)USB外設功能

d)視頻電話

(4)軟件功能要求

a)基本要求

b)全媒體中間件

c)集成功能要求

d)節目搜索機制

e)時鐘、密碼設置

(5)供貨要求

7.3 附件

a)甘肅省廣播電視網絡傳輸有限公司家庭智能平臺標識規范

b)甘肅省廣播電視網絡傳輸有限公司家庭智能平臺遙控器規范

c)甘肅省廣播電視網絡傳輸有限公司家庭智能平臺供貨規范

d)甘肅省廣播電視網絡傳輸有限公司家庭智能平臺報盤文件規范

8 結束語

家庭智能平臺是三網融合后開展電視、通訊、互聯網基本融合業務和以此為基礎創新融合新業務的關鍵設備，有利于促進社會信息化建設，對于占領家庭市場至關重要。

家庭智能平臺要堅持開放性、融合性，平臺的硬件應選具有較高處理能力的主頻和內存，具備豐富的通用接口和高性能的外圍擴展接口。

平臺的軟件應采用開源操作系統及符合NGB規范開放的全媒體中間件，具有模塊化的軟件架構、靈活的擴展性，支持應用程序動態下載及動態運行，尤其是要能夠兼容后續的硬件平臺。

當前，電信與廣電的競爭已日趨激烈。因此，家庭智能平臺可借此機會進行快速部署，以滿足融合全業務開展和市場競爭需求。

家庭智能平臺成本低廉，與普遍采用的高清互動機頂盒基相差無幾。

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