家庭智能平台(演进型机顶盒)研究与应用

李向坤，赵鸿志，袁伟，杨海强，于志华，李冰

(1.甘肃省广播电视网络公司;2.上海影莅驰电子有限公司;3.北京四达时代软件技术股份有限公司;4.中国联合通讯公司)

1 序言与基本判断

促进广电、通信、互联网三网融合，加快社会信息化建设，是调整产业结构、推动经济社会快速可持续发展的战略部署。在新形势下，通过融合网络载体提供融合信息服务是促进社会信息化发展的重要途径。

社会是由无数个家庭和管理、服务社会的社会组织为基本单位组成，实现家庭和社会组织的信息化，就意味着社会信息化的实现。在我国，社会组织的信息化，已在信息化带动工业化、工业化促进信息化的大背景下有了长足地发展，水平比较高，也有了完善的规划、建设、投资和完整产业链的支持，市场的格局基本形成，而家庭的信息化却是短板，水平比较低，没有一个科学的规划、目标和机制，制约着社会信息化的发展，推进家庭信息化迫在眉睫，任重而道远。同时，以互联网为龙头的第三次工业革命—信息化浪潮已经在过去的十年中成功地席卷全球，给人类的生活带来了巨大变化，各种情况已经表明，在下一个十年中，互联网必将向PC以外更多的终端进行飞速延伸，掀起新一轮更大更广泛的产业革命浪潮。随着终端类型的延伸，互联网本身的服务和内容也将发生更多的变化。这和我们前文提到的家庭信息化实际上是殊途同归的。

家庭信息化究竟是一个什么样的美好愿景?我们权且用智能数字家庭来表述。无论是家庭信息化终端还是互联网的延伸终端，无论从家庭普及性还是已有基本功能而言，电视机都是其中最为重要的一个家庭和客厅显示终端，当然，在新的应用环境下，需要为显示终端配套运算终端，不管运算终端是外置(机顶盒)还是内置(一体机)，其能力都必须要满足新形势下的业务特征，这也是我们设计家庭智能平台(演进型机顶盒)的初衷。

从用户的需求看，智能数字家庭应满足以下应用:

(1)功能

a)收看运营商广播电视节目，满足诸如高清、3D、点播、定制等高端个性化需求。

b)互联网及其扩展应用，支持不同终端有线、无线、带宽分享应用。

c)智能控制，支持家用电器等的本地、远程控制。

d)物联网应用

(2)方式

固定、移动、网间迁移、三屏合一。

从技术条件看，智能数字家庭涉及:多内容多功能平台技术，传输联网技术，家庭网关技术，设备自动发现技术和远程控制技术。

由此，我们可以得出:智能数字家庭是以微电子技术、网络技术和控制技术为基础，使家庭各种终端互联，通过人－机、机－机对话，实现家庭信息、通信、娱乐和生活等应用。

目前，数字家庭基本的上网、通信和广播电视服务是由电信和广电网络运营商分别提供的，并通过功能单一的私有化终端(可视电话机、上网猫、IPTV机顶盒、数字电视机顶盒、卫星接收机等)进入家庭，这种服务具有垄断性和排他性，水平低，成本高且复杂，难于满足智能数字家庭需要，不利于家庭信息化建设。究其根本，原因是缺乏可承载智能数字家庭多种应用的融合型智能数字终端设备。同时，在三网融合电信广电双向进入的背景下，电信广电两大阵营必然形成激烈的竞争格局。笔者认为，研发智能数字家庭终端设备，是消除终端私有化，打破行业垄断，为市场提供质优价廉一站式融合服务，推动家庭信息化快速发展的关键，而广电、电信竞争的焦点也在于智能终端的博弈，可以说:未来用户选择了谁家主导设计的终端，就选择了谁家的服务，谁家就占领了融合业务的市场，同时，在未来10年家庭信息化和互联网向更多终端延伸的新一轮产业革命浪潮中，由于部分延伸业务的专业性和特殊性，我们有理由相信网络运营商在部分产业升级中将起到更多的主导作用，在中国，围绕着以电视为终端的新媒体产业升级，广电运营商更是责无旁贷。值得一提的是，家庭智能终端设备的研究与应用已引起业界的高度重视。

基于以上观点，以甘肃有线为主导，联合北京四达公司，上海影笠驰公司组成研发团队，在思科、ST、哈雷、北京数码视讯支持下，对智能数字家庭终端设备的技术与业务进行了总体规划和研发，可承载三网融合业务的智能数字家庭终端设备，即家庭智能平台(演进型机顶盒)的技术体系和产品基本成熟，投入商用后效果良好。

2 家庭智能平台(演进型机顶盒)的定义

家庭智能平台是在三网融合背景下，满足智能数字家庭获得和发布多种信息的节点，提供人机对话或机机对话界面，可以实现家庭组网，它不仅是终端更是平台，是开展融合全业务服务的关键设备，在第一阶段，家庭智能平台首先以电视机为中心开展各项基本业务和延伸业务，所以亦称演进型机顶盒。其内涵为:

(1)网络适应性:支持通讯、广电、互联网协议和标准，提供通用接口，适用于无线、HFC、IP、卫星网络(可选)。

(2)组成要件:由自适应编解码模块;浏览器模块;Java平台模块;FLASH模块;互联网电视虚拟机模块;WiFi模块;智能控制及变频、电源模块等组成。

(3)主要功能:平台支持家庭组网和互动功能，其操作系统、中间件开放，支持第三方开发及应用，是数字家庭多媒体中心、数据中心、智能家电控制中心、物联网家庭信息中心，外设扩展中心。考虑电视是最主要的显示终端，在演进型机顶盒的第一阶段，围绕着电视为中心来开展业务，业务框架设计主要包括广播电视、互动电视、网络电视、电视生活等大板块，实现了电视网、数据通讯网、互联网、物联网等在电视终端上的有机融合，确保电视用户自愿完成从看电视向用电视的转变。

3 家庭智能平台的功能及业务

3.1 家庭媒体中心

(1)数字电视:

a)数字标清电视广播。

b)数字高清电视广播。

c)数字3D电视广播。

(2)IPTV:

a)SD数字电视广播。

b)HD数字电视广播。

c)3D数字电视广播。

(3)互动电视:

a)MPEG －2、H.264、AVS编码标清互动点播。

b)H.264编码高清、3D电视互动点播。

c)标清、高清电视“时移”、“回看”。

d)政务、教育、出版、文化等公共资讯互动点播。

(4)USB媒体播放:支持多种编码格式视音频文件播放。

(5)数字广播:支持多种音频编码格式。

(6)版权保护:支持高级CA加扰;支持DRM。

3.2 家庭数据中心

(1)家庭媒体储存:内置或外挂大容量硬盘，可以存储和管理家庭视频、照片、音乐、电子书等媒体内容。

(2)电视上网:上网浏览网页。

(3)网络DTV:强大的互联网视频搜索功能，全面支持互联网音频/视频编码格式，共享互联网视音频资源，可集成一个或者多个互联网视频集成播控平台，实现互联网网络电视台、视频网站等视频在电视机上的无缝链接。

(4)邮件服务:电子邮件、短信、贺卡。

(5)网络游戏:支持在线网络游戏。如腾讯等。

(6)网络电视教学:支持电视Flash等互动教学课件

(7)VOIP:支持软交换可视电话，可作为VOIP的家庭终端设备。在甘肃可实现网内和公网互通。

(8)电子商务及支付:电视商务、电视商城;在线支付、电视购物、电视彩票等。

(9)家庭网络:能与 PC、3G 手机、iPad、智能家电等组建WIFI或有缆家庭网络。

(10)家庭“视频监控”:可通过PC、3G手机对家庭进行远程视频监控。

3.3 家庭家电管理控制中心

(1)支持闪联、DLNA等家庭网络标准。

(2)可用PC、3G手机通过家庭智能平台控制智能家电，支持设备自动发现。

3.4 家庭物联网信息中心

(1)物联网信息采集节点。

(2)物联网的节点，执行网格分布式计算。

(3)物联网的展示终端。用户可以查询物联网的数据统计、分析及挖掘的结果(如查询农产品溯源，与城市信息系统联网实现智能城市、智能家庭、智能交通等业务)。

3.5 外设扩展中心

可扩展键盘、游戏控制手柄，存储设备等

4 家庭智能平台的技术路线

(1)以嵌入式CPU为基础，引入PC软件模块动态加载机制。

(2)同步绑定机制实现网络迁移、转屏。

(3)遵循 DVB － CS，TCP/IP，HTTP，802.11g/n网络协议。提供 HDMI、CVBS、S － VIDEO、10/100M以太网口;RJ11接口;32位DDR2/DDR3内部本地存储器;双USB OTG;e－SATA;智能卡接口;外设(如无线键盘、游戏手柄)等。

平台应用原理示意图

家庭智能平台是实现数字家庭融合业务应用的核心。其中互联网、3G网络的转屏业务通过广电全服务平台无缝衔接;全服务平台提供的广电全业务通过HFC、EPON+EOC/LAY、CMTS进入到家庭智能平台;平台通过WIFI组成家庭无线网络，实现手机、电脑、笔记本、iPad、智能家电的互连及控制，将电视、互联网、语音、娱乐、电器控制、安防报警等多任务融为一体。

家庭智能平台具有较强的数据处理和计算能力，也作为物联网的家庭节点，感知信息的采集和汇聚点，结合云存储、云计算等技术，实现今后丰富的物联网应用。

家庭智能平台采用软、硬件分离技术体系架构，业务模块化开发，软件架构能兼容后续的硬件平台，支持极强的第三方软件应用开发。

5 家庭智能平台技术方案

5.1 硬件方案

(1)嵌入式CPU主频:

基本型采用主频450M以上32位CPU，处理能力＞800MIPS，DDR2，55nm工艺的芯片(如采用ARM 11或更高的CPU)。

增强型采用主频1GHz以上32位CPU，处理能力＞1500MIPS，DDR2，45nm工艺的芯片(如 ARM Cortex－A系列CPU)。

(2)内存:基本型256MB以上。增强型512MB以上。

(3)FLASH:基本型 128MB以上。增强型256MB以上。

(4)视频图形引擎:3D视频图形处理引擎。

(5)视频解码:支持视频 H.264、MPEG －2、AVS多种解码格式，支持1080P全高清解码，支持高清3D解码。

(6)音频解码:支持Dolby Digital、AAC解码格式。

5.2 软件方案

以嵌入式CPU为基础，采用开源操作系统、全媒体中间件，引入动态加载机制。

(1)操作系统:基于Linux内核的操作系统。(2)全媒体中间件:

三网融合产生了许多融合型新业务，而要呈现这些新业务，必需要有一个功能强大的中间件软件来支撑，我们合作研发的家庭智能平台全业务中间件，设计要求为:全媒体、开放性、标准性、强大的业务引擎集，满足广电有线运营商快速开发各类增值业务需求。

a)全媒体:

可实现数字电视与互联网的无缝融合。作为新一代全媒体数字电视中间件，在兼容传统数字电视业务的同时，还可以全面融合数字电视和互联网电视的诸多优势，把数字电视终端真正变成全媒体的多业务智能家庭信息终端。

b)开放性:

这一点至关重要。我们开发的全媒体数字电视中间件的DPL动态集成链技术和对象式API注册通道组件可以最大限度地保证业务系统的开放性和可扩展性，有效地避免了传统中间件的诸多问题。其系统移植层、核心软件层、执行环境层、应用扩展接口层均可自定义扩展，每层由一个或若干个模块构成。系统移植层为不同的芯片方案、硬件组件、嵌入式操作系统提供适配，使中间件可以运行在多种硬件平台和操作系统上。当上层应用软件要使用硬件资源时，将与本层交互，而不直接调用硬件驱动;当上层应用程序要对存储模块、文件系统、进程调度进行控制时，也向本层索取相关功能。核心软件层包括DVB广播模块、通信协议栈、媒体处理模块、图文处理模块、安全认证模块、开机启动模块等。执行环境层包括浏览器环境、Java虚拟机环境、Flash执行环境以及其它执行环境。应用扩展接口层可以自定义，方便新业务的添加。

c)标准性:

全媒体中间件遵循DVB－MHP标准和国家NGB中间件规范，并融入更多的互联网电视组件。在浏览器执行环境中，显示语言采用W3C的Html4.01(Html5)标准，扩展脚本采用ECMA的Javascript1.8标准;在Java执行环境中，采用了CLDC 1.1、MIDP 2.0等公用API。通过遵循公开标准的方式，中间件达到了最大程度的标准性和可用性，同时降低应用程序开发的门槛，为有线运营商提供了更好的应用服务。

d)强大的业务引擎集:

全媒体中间件在数字电视上融合提供了目前业界种类最全、功能最强、技术最先进的各类业务引擎，如浏览器、JVM、Flash、互联网电视虚拟机等等，为增值业务拓展提供了良好的技术支撑环境，并可以随着业务的拓展向机顶盒以外的终端延伸，很好地支持新业务的动态加载，在线更新升级。

(3)用户界面(UI)

人机界面设计友好，各功能界面之间切换操作方便。

公共服务UI图

(4)全媒体中间件软件构架

全媒体中间件遵循了国际DVB－MHP标准和国家NGB中间件规范及要求，并融入更多的互联网电视组件。

6 家庭智能平台网络应用环境

(1)EPON+LAY、EPON+EOC、CMTS双向网络:

双向改造规划设计应符合NGB规范要求，初期可以考虑每户2－4Mbps左右，以后根据业务开通需要按NGB进行扩展。

当前有线电视双向改造基本都是采用此模式，每户的带宽都可以根据需要进行设计和施工，家庭智能平台对网络带宽的要求基本都能满足。

家庭内部可采用WIFI或电力猫组网，可以方便各类网络设备的接入。

(2)有线电视超光网:

平台全媒体中间件软件架构图

超光网设备可将带宽从原本的5M～870M提升至5M～2.7G。其中5M～870M是原有有线电视信号频段，870M～1.7G是为新增有线电视信号及有线互联网频段，1.7G ～2.3G 为3G 信号频段，2.3G～2.5G 为无线WIFI信号频段，2.5G ～2.7G 为未来LTE频段。

从带宽上讲，超光网有了很大提升，极大地有线电视的频带优势，更便于家庭智能平台业务的运营。目前超光网还在研究和实验阶段，我们已介入追踪。

7 家庭智能平台技术规范

7.1 规范说明

规范对家庭智能平台提出了基本功能和基本技术性能要求，对平台硬件及接口提出了基本配置要求，对平台软件(中间件、CA等)提出了接口规范。

规范中针对不断增加的扩展业务，规范了扩展方式，规范了外挂设备硬件接口标准、软件接口标准。

规范提出了统一软件界面规范，统一操作规范，统一遥控器规范。

规范对平台运行环境、可靠性、稳定性提出了要求。

本规范于2011年3月1日发布，2011年3月1日正式实施。

本规范由甘肃省广播电视网络传输有限公司提出及归口。

本规范起草单位:甘肃省广播电视网络传输有限公司、北京四达时代软件技术股份有限公司、上海影莅弛电子有限公司。

7.2 规范细则(这里只列出条目，详见规范细则)

(1)通用要求

a)适用范围

本规范适用于有线电视网络中家庭智能平台(演进型机顶盒)。

本规范规定了家庭智能平台的功能要求、基本配置和主要性能参数等相关内容。

本规范作为甘肃省有线家庭智能平台入围测试的依据。

b)依据的标准和文件

下列文件对于本规范的应用是必不可少的，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。

GB 2312－1980信息交换用汉字编码字符集基本集

GB/T 4880.2－2000语种名称代码 第2部分:3字母代码

GB/T 7400.11－1999数字电视术语

GB 13000.1－1993信息技术 通用多八位编码字符集(UCS)第一部分:体系结构与基本多文种平面

GB/T 15273.1－1994信息处理 八位单字节编码图形字符集第一部分:拉丁字母一

GB/T 17975.1－2000信息技术 运动图像及其伴音信息的通用编码第1部分:系统

GB/T 17975.2－2000信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码第2部分:视频

GB/T 17975.3－2002信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码第3部分:音频

GB 18030－2005信息技术中文编码字符集

GB/T 7400.6广播电视名词术语 电视广播 通用部分

GB/T 7400.7广播电视名词术语 电视广播 视觉与图像质量

GY/Z 175－2001数字电视广播条件接收系统规范

GY/T 201－2004数字电视系统中的数据广播规范

GY/T 230－2008数字电视广播业务信息规范

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视频点播内容规范(版本)1.1 MDSP－VOD－CONTENT1.1－I03－040107

CableLabs内容资产分发接口规范(版本1.1)MD －SP －ADI1.1 －I03－040107，January7，2004

CableLabs视频点播内容编码参数配置规范MD－SP－VOD －CEP－I01－040107，January 7，2004

c)认证与质量要求

(2)配置要求及基本技术参数

a)CPU及存储器等硬件配置要求

b)物理接口技术要求

c)输入信号与解调性能技术要求

d)视音频输出技术要求

e)数字信号输出要求

f)外挂设备接口及执行规范

g)前面板功能要求

h)工作条件要求

(3)网络系统

a)接入网络

b)家庭网络(无线)

c)USB外设功能

d)视频电话

(4)软件功能要求

a)基本要求

b)全媒体中间件

c)集成功能要求

d)节目搜索机制

e)时钟、密码设置

(5)供货要求

7.3 附件

a)甘肃省广播电视网络传输有限公司家庭智能平台标识规范

b)甘肃省广播电视网络传输有限公司家庭智能平台遥控器规范

c)甘肃省广播电视网络传输有限公司家庭智能平台供货规范

d)甘肃省广播电视网络传输有限公司家庭智能平台报盘文件规范

8 结束语

家庭智能平台是三网融合后开展电视、通讯、互联网基本融合业务和以此为基础创新融合新业务的关键设备，有利于促进社会信息化建设，对于占领家庭市场至关重要。

家庭智能平台要坚持开放性、融合性，平台的硬件应选具有较高处理能力的主频和内存，具备丰富的通用接口和高性能的外围扩展接口。

平台的软件应采用开源操作系统及符合NGB规范开放的全媒体中间件，具有模块化的软件架构、灵活的扩展性，支持应用程序动态下载及动态运行，尤其是要能够兼容后续的硬件平台。

当前，电信与广电的竞争已日趋激烈。因此，家庭智能平台可借此机会进行快速部署，以满足融合全业务开展和市场竞争需求。

家庭智能平台成本低廉，与普遍采用的高清互动机顶盒基相差无几。

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