一種基于家庭網絡的多電視解決方案

王召福

（廣東廣聯(lián)電子科技有限公司，廣東 廣州 510006）

責任編輯:任健男

0 引言

電視是家庭內重要的信息娛樂終端，有線電視的數字化改造是我國信息化發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。截至2010年9月，國內數字電視用戶已經達到8000萬戶，機頂盒的市場保有量突破了9000萬臺。廣州市自2007年3月開始分批實施數字電視整體轉換，并于2008年通過了國家廣電總局的驗收。在數字電視環(huán)境下，廣電運營商采用條件接收（CA）智能卡的方式實現(xiàn)版權保護和收費管理?，F(xiàn)有電視臺的收費管理方式，是采取“一機一卡一費”模式。

隨著人們生活水平的提高，多數家庭使用不止一臺的電視機。而在現(xiàn)有廣播電視的運營模式下，用戶第二臺以上的電視機，都需要另外購置廣電配發(fā)的機頂盒，另外使用一張廣電授權的智能卡，才能收看電視節(jié)目。如何以便捷的方式為一個家庭的多臺電視機提供方便的使用環(huán)境和更良好的使用體驗，是一個很現(xiàn)實的需求，也是國際技術和應用發(fā)展的趨勢?？紤]機頂盒和電視機的關系問題，電視機也不應該僅僅局限在通過機頂盒收看數字廣播電視的范疇。目前，國際客觀現(xiàn)實是同時存在基于廣播電視網（CATV）的電視節(jié)目和通過電視訪問互聯(lián)網（Internet）的功能。所以，現(xiàn)在考慮“數字電視機頂盒”功能問題，已經不僅僅限于考慮基于廣播電視網的電視節(jié)目，而是應當同時全面考慮基于廣播電視網和基于互聯(lián)網的電視節(jié)目。

1 數字家庭與家庭網絡

1.1 數字家庭

數字家庭是個與時俱進的概念。概括來說，數字家庭是指利用數字信息技術裝備人類活動的基本空間。位于廣州番禺的國家數字家庭應用示范產業(yè)基地，把解決家庭內部多業(yè)務平臺連接問題作為一個數字家庭產業(yè)提升的契機，提出了多項有效的“家庭網絡和多業(yè)務平臺”解決方案。國家數字家庭基地按照“聚集、聚合、聚焦、聚變”的發(fā)展思路，制定了從“高清互動數字電視”到“家庭網絡多業(yè)務系統(tǒng)”，再到“普適應用數字生活”的數字家庭產業(yè)發(fā)展路線。

1.2 家庭網絡

數字家庭中涉及到多種業(yè)務系統(tǒng)和信息終端，如果分別獨立構建“業(yè)務平臺”，存在一個家庭之中，必然同時出現(xiàn)多個、多種傳輸網絡。為了使用方便，降低成本，提出了一個現(xiàn)實的問題:為什么不構建一個盡可能簡明的家庭網絡，來統(tǒng)一支持所有各類服務系統(tǒng)呢？于是就有了面向數字家庭的“家庭網絡”概念。

統(tǒng)一的家庭網絡，不需要限定某種傳輸介質，但針對家庭中多種不同的業(yè)務需求，家庭網絡需要定義明確的互操作的協(xié)議方式，提供簡明的部署和使用方法。

1.3 相關標準體系

家庭網絡必須支持多協(xié)議融合要求，在研究數字家庭與多協(xié)議融合關鍵技術的基礎上，分析不同通信方式、標準和協(xié)議之間的調用、轉換和融合。融合支持包括高清音視頻編解碼標準、數字家庭互動應用、設備互聯(lián)互通等的國家行業(yè)規(guī)范，并補充形成具有產業(yè)引導性的創(chuàng)新標準體系[1-2]。

為形成促進產業(yè)發(fā)展的整體解決方案，國家數字家庭基地正在主導提出一套完整的、涵蓋前端系統(tǒng)、增值服務平臺、分發(fā)網、接入網、家庭網乃至物聯(lián)網的標準體系，對體系結構、通信協(xié)議、應用接口加以規(guī)范。數字家庭互動應用標準工作委員會（簡稱“廣聯(lián)”標工委）已經提出了包括9項標準內容的行業(yè)標準體系。針對多電視機的共享問題，可以從家庭網關播發(fā)流媒體數據的標準化方面開展工作，規(guī)范網關與終端的通信協(xié)議及數據格式。

廣電系統(tǒng)將迎來三網融合的歷史機遇，高清雙向的使用環(huán)境越來越開放，版權保護及節(jié)目價值將上升，廣電的技術體系將從高度封閉向開放的方向發(fā)展。封閉的加密技術在開放的環(huán)境下使用導致其安全性將大幅下降，同時也阻礙了數字電視技術的開放，導致了數字電視整體技術裝備的落后。鑒于此，開放的技術將是未來勢不可擋的發(fā)展趨勢。廣電運營商完全有機會選擇一種更為開放、功能更強的開發(fā)平臺，這樣參與開發(fā)軟件的人就會多起來，運營商就可以有更多的軟件選擇。

在建筑應用領域，國家數字家庭基地積極參與住房和城鄉(xiāng)建設部組織的《居住區(qū)數字系統(tǒng)測評標準》的制訂工作。住房和城鄉(xiāng)建設部相關標準將逐步把家庭網絡、安全防范、家電智能化、能耗表具的自動數據采集和遠傳及綜合信息服務，作為當前居住區(qū)數字系統(tǒng)的功能要求，并在此基礎上逐步明確三網融合是未來居住區(qū)數字系統(tǒng)必備的功能要求。技術標準涉及相關技術方案列表見表1。

表1 技術標準涉及相關技術方案列表

2 基于家庭網絡的多電視方案

基于家庭網絡實現(xiàn)的多電視系統(tǒng)，其應用場景是廣播電視網、電話通信網和計算機互聯(lián)網接入家庭網關。家庭內部推薦使用基于家庭電力線完成電視信號和互聯(lián)網信號的傳輸。從電視機應用的角度看，網絡播放終端還可以進一步解決一屏多用的問題，做到廣播電視、網絡、通話等功能都能方便地在電視機上使用。

“三網融合+家庭網絡”的方式，是從前端服務平臺到家庭網絡終端的數字家庭完整解決方案。目前基于廣電網絡的信息文化綜合內容平臺的搭建已在各地逐步興起，廣電在節(jié)目內容的廣播上有著天然的高帶寬、高到達度的優(yōu)勢。

2.1 系統(tǒng)方案的總體構成

多電視共享機頂盒設備的問題，是廣播電視進入數字化傳播的時代后，所必然面臨的眾多矛盾的表征之一。其主要矛盾在于數字化信息在家庭內部實現(xiàn)流轉和共享。在廣電節(jié)目廣播的時代，信息內容是單向傳送和廣播式的，電視機具備接收模擬調頻信號的功能即可，經過數十年的發(fā)展，所有的電視機均已內置此功能。在節(jié)目內容數字化傳輸后，電視機終端在相當長的一段時間內無法全面升級更換到數字解碼和數字視頻流實時接收和播放功能，因此產生了每臺電視機均需要增加數字信號解碼模塊的需求。同時，由于雙向交互式操作要求的提出，家庭內部的多臺電視需要雙向的數字化網絡來承載雙向的信息流，因此家庭網絡的剛性需求也就應運而生。

數字家庭是一個從運營到用戶的體系，如圖1所示。通過數字家庭方案，既把傳統(tǒng)意義上的機頂盒設備的主體功能提升到家庭網關中，解碼部分則交給多臺電視機或電視視頻終端，又可支持“三網融合”應用，為今后“三網融合”的實現(xiàn)和推進奠定良好的基礎。

圖1 面向數字家庭的運營體系

2.2 家庭網絡支撐多業(yè)務

把機頂盒升級到家庭網關，通過家庭網絡覆蓋家庭的多種業(yè)務終端，包括家庭內的多臺電視機，符合數字家庭的技術方向，是解決家庭內多電視應用的可行方案。數字家庭是廣州市高新技術產業(yè)發(fā)展的重要內容，廣州以國家數字家庭應用示范產業(yè)基地為依托，可以爭取在未來1～2年內實現(xiàn)基于家庭網絡的支持多業(yè)務融合的解決方案，促進產業(yè)提升。

家庭內部的原理是基于數字家庭網絡實現(xiàn)家庭內部數字電視信號的即取即用。數字電視信號送到家庭網關，不需要限制家庭內部對電視信號的使用。其技術原理如圖2所示。

圖2 通過家庭網關和家庭網絡對應多電視的技術原理

基于家庭網絡的家庭數字電視系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:1）家庭網關。支持數字電視信號的接入。2）家庭網絡。在家庭內部把家庭網關及各電視系統(tǒng)以統(tǒng)一的互聯(lián)協(xié)議連接起來。3）電視適配終端。因為傳統(tǒng)的模擬電視一般不具有網絡連接和數字信號解碼功能，所以在模擬電視旁需要增加支持網絡傳輸和數字解碼功能的電視適配終端。對于新型網絡電視機而言，支持標準家庭網絡協(xié)議的網絡電視機是配合家庭網關的最佳搭檔。

這種方案下，各個電視機都是連接在同一個家庭網絡的總線上，而總線只能傳遞數字信號。一個直觀的解決思路是，把要看的廣播電視節(jié)目數字化，并且同時送到各個電視機。為此，此處必須把傳統(tǒng)的“機頂盒功能”拆開，把頻道選擇、解調、信道解碼和節(jié)目選擇功能留在家庭網關之內；把節(jié)目分解和信源解碼功能配置在電視機中或者配置在電視機適配器中。

家庭網關是家庭網絡的核心部件，支持鎖定多路數字電視信號并管理其在家庭網絡上的傳輸。電視適配器可以以較低的成本實現(xiàn)，并且讓傳統(tǒng)電視機支持網絡功能，具有可擴展性。

這一方案將在一定程度上推動網絡電視機標準的試點。家庭網絡的建立對于網絡電視行業(yè)的發(fā)展有重要的影響。網絡電視需要推動統(tǒng)一的標準，通過試點項目推動網絡電視機行業(yè)標準的制定，從而主導未來網絡電視發(fā)展的話語權，是十分具有戰(zhàn)略意義的。未來互聯(lián)網電視的發(fā)展，不能再重復數字電視一體機的錯誤。

2.2.1 適用的家庭網絡系統(tǒng)

家庭網絡聯(lián)網，可以選擇多種技術方案。家庭網絡的研究涉及的范圍很廣，不同的聯(lián)網方式可能涉及的技術體系不同。

家庭聯(lián)網要統(tǒng)籌考慮家庭應用環(huán)境的特點以及相關影響因素，實現(xiàn)最佳的傳輸性能。家庭多媒體網絡互聯(lián)，還必須實現(xiàn)多優(yōu)先級的QoS管理，如何充分利用家庭內部有限的網絡資源，通過基于地址、自適應業(yè)務種類選擇等方式實現(xiàn)區(qū)分多優(yōu)先級的承載家庭業(yè)務的傳輸機制。設計高效的MAC層，支持基于工頻周期同步機制的TDMA和CSMA。TDMA面向連接，提供QoS保障，確保帶寬預留、高可靠性和嚴格的時延抖動控制。

目前家庭網絡聯(lián)網技術可以分為有線和無線兩種，具體又包括以太網、HomePNA、有線電視電纜（Mo?CA）、電力線（PLC）、IEEE1394和WiFi、藍牙等不同技術。不同的聯(lián)網技術在使用的媒質、提供的速率、可達的距離和設備成本等各個方面都不同。

考慮到要在現(xiàn)有家庭中更方便地部署，采用在現(xiàn)有電力線上進行信號調制是十分有意義的家庭組網方式。家庭內部的電力載波通信（PLC），結合家庭內部無線網絡，可以實現(xiàn)家庭環(huán)境內的最佳覆蓋。PLC可以作為家庭網絡主干，使用家庭電力線路這種分布最廣泛的導線，PLC完全可以取代新鋪設的線路。Home?Plug AV技術在物理層采用具有高級前向糾錯、通道預估和自適應能力的OFDM。

電力載波Modem由射頻處理芯片、模擬前端芯片和電力線連接器等三部分組成。電力載波Modem的硬件設計采用6層PCB設計，BGA封裝焊接。電力載波Modem的軟件層在MAC層則綜合使用具有QoS保證的TDMA時分多址有序接入和CSMA競爭接入兩種方式，并通過快速自動重發(fā)請求（ARQ）來保障可靠傳送。在MAC層和IP層之間，進一步實現(xiàn)基于令牌協(xié)議的QoS技術，來支持針對數字家庭的多業(yè)務服務質量管理技術。

2.2.2 多協(xié)議融合的家庭網關

家庭網關主要由多個高頻頭、主處理板和智能卡組成。多個高頻頭用于同時接收不同頻點的數字電視信號，以支持多電視機同時收看不同的電視節(jié)目。主處理板主要用于處理視音頻信號，將TS流轉換成IP流，通過家庭網絡將壓縮的視音頻信號傳輸到電視終端。家庭網關主處理器的硬件采用低功耗的快速信號處理方案，配合采用FPGA提高系統(tǒng)快速響應的能力；適配終端的硬件采用支持高清解碼的低功耗SoC方案。

家庭網關涉及到的協(xié)議集包括:DVB-C，MPEG-2，TCP/UDP/IP，DHCP，RTP，UPnP等多種跨領域的標準協(xié)議[3-4]。

2.2.3 支持UPnP協(xié)議的適配器和智能電視終端

在采用統(tǒng)一家庭網絡的背景下，家庭多媒體適配終端，或者是智能電視終端，其基礎是嵌入式操作系統(tǒng)軟件的關鍵技術，同時需要統(tǒng)一的標準來定義外部互操作。筆者的方案是在應用層利用UPnP協(xié)議，來支持家庭內多種媒體資源的互發(fā)現(xiàn)。

適配器的開發(fā)還涉及高清顯示以及人機交互等多項技術，目前方案支持CVBS、YPbPr/VGA、S-Video、HDMI接口OSD和視頻同時輸出，支持視頻解碼格式為1080i，720p，576p，576i等多種輸出模式。

2.2.4 家庭網絡管理技術

基于家庭網絡實現(xiàn)的多電視系統(tǒng)，必須接受網絡管理，多個家庭網絡共同組成可管可控的系統(tǒng)。分級的網絡管理子系統(tǒng)包括:網絡管理中心子系統(tǒng)和家庭內部網絡管理系統(tǒng)。家庭外部網絡管理系統(tǒng)管理范圍從小區(qū)管理中心到家庭，家庭內部網絡管理系統(tǒng)為包括家庭網絡網關的網絡管理代理。

在網關的遠程管理技術上，以寬帶論壇主導的TR069系列網管規(guī)范相對比較成熟和全面。它支持對ADSL、VDSL、以太網、PON、POTS等多種上行方式的網關進行管理，對網關的主要功能均抽象了管理參數，并支持動態(tài)配置、版本升級、日志查看、遠程復位等多種管理操作，同時在網管系統(tǒng)與營業(yè)系統(tǒng)、運維系統(tǒng)之間的北向接口均作了定義。目前基于TR069的網管系統(tǒng)已經在中國電信、法國電信等眾多運營商網絡中部署，主要用于實現(xiàn)設備或業(yè)務的“零配置”開通，以及設備的日常診斷、維護。

數字家庭的運營平臺還包括高效可控的管理平臺。數字家庭網絡管理包括公共網絡和家庭內網雙重管理域，在公網管理域中采用SNMP標準管理協(xié)議，有利于大規(guī)模組網和網絡的集中監(jiān)控。在家庭內網管理域采用基于Web技術的方式管理，方便用戶對各類終端、業(yè)務的配置和管理。

家庭網關是公共管理域和家庭內網管理域的交點，內嵌的網管代理需要實現(xiàn)傳統(tǒng)的SNMP Agent（代理）模塊與基于Web的管理服務模塊的結合，既能夠滿足小區(qū)綜合管理中心和地區(qū)綜合管理中心實現(xiàn)家庭網絡的遠程管理，又能為家庭內網管理系統(tǒng)提供方便、快捷的管理手段。

3 總結與展望

通過探索解決家庭多電視應用問題，能夠采取科學的方法，可行的技術方案，為百姓提供經濟實惠、簡明易用的家庭內多業(yè)務平臺使用方式，這是關心百姓生活、提高百姓生活幸福感的惠民工程。本方案有助于實現(xiàn)從家庭內部出發(fā)，提出家庭業(yè)務融合的新概念和新模式，催生技術突破的新方案和新產品，從而促進形成三網融合的廣州模式。

目前，國家對“三網融合”試點城市給予政策方面的支持，資金方面的支持則普遍是以地方政府投資為主。試點城市之一的北京，以廣電網絡為依托，以互動電視為途徑，快速推進“三網融合”項目。北京市級財政、區(qū)縣級財政和北京的有線電視運營商分別承擔高清交互機頂盒推廣資金的35%，30%和35%。在市政府的大力扶持和機頂盒免費對用戶發(fā)放的模式下，高清交互用戶發(fā)展迅速，2010年底已達130萬用戶，居全國第一。目前，歌華有線已收到了北京市財政局2010年高清交互機頂盒4.2億元的補助資金。用戶群的規(guī)?；拐麄€城市的信息化水平得到了大幅提升，也為基于互動電視的相關文化產業(yè)和信息服務業(yè)帶來了巨大的發(fā)展空間。廣州要通過“三網融合”拉動文化產業(yè)和信息服務業(yè)，首先必須要形成一定規(guī)模的“三網融合”用戶群。

基于家庭網絡的數字家庭應用，可以通過規(guī)?；圏c進行帶動。類似番禺的試點工程，基本具備數字家庭運營平臺的建設框架，可以結合“智慧廣州”工程，進行提升和推廣。

[1]趙仲明，王召福.互動電視系統(tǒng)工程[M].北京:人民郵電出版社，2010.

[2]孫玉.數字家庭網絡總體技術[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[3]KIM K S，PARK C，SEO K S，et al.ZigBee and the UPnP expan?sion for home network electrical appliance control on the Internet[C]//IEEE 9th International Conference on Advanced Communica?tion Technology.[S.l.]:IEEE Press，2007:1857-1860.

[4]OH Y J,KIM J T.The DLNA proxy system architecture for sharing in-home media contents via Internet[C]//IEEE 8th International Conference on Advanced Communication Technology.[S.l.]:IEEE Press，2006:1855-1858.