一种基于家庭网络的多电视解决方案

王召福

（广东广联电子科技有限公司，广东 广州 510006）

责任编辑:任健男

0 引言

电视是家庭内重要的信息娱乐终端，有线电视的数字化改造是我国信息化发展战略的重要内容。截至2010年9月，国内数字电视用户已经达到8000万户，机顶盒的市场保有量突破了9000万台。广州市自2007年3月开始分批实施数字电视整体转换，并于2008年通过了国家广电总局的验收。在数字电视环境下，广电运营商采用条件接收（CA）智能卡的方式实现版权保护和收费管理。现有电视台的收费管理方式，是采取“一机一卡一费”模式。

随着人们生活水平的提高，多数家庭使用不止一台的电视机。而在现有广播电视的运营模式下，用户第二台以上的电视机，都需要另外购置广电配发的机顶盒，另外使用一张广电授权的智能卡，才能收看电视节目。如何以便捷的方式为一个家庭的多台电视机提供方便的使用环境和更良好的使用体验，是一个很现实的需求，也是国际技术和应用发展的趋势。考虑机顶盒和电视机的关系问题，电视机也不应该仅仅局限在通过机顶盒收看数字广播电视的范畴。目前，国际客观现实是同时存在基于广播电视网（CATV）的电视节目和通过电视访问互联网（Internet）的功能。所以，现在考虑“数字电视机顶盒”功能问题，已经不仅仅限于考虑基于广播电视网的电视节目，而是应当同时全面考虑基于广播电视网和基于互联网的电视节目。

1 数字家庭与家庭网络

1.1 数字家庭

数字家庭是个与时俱进的概念。概括来说，数字家庭是指利用数字信息技术装备人类活动的基本空间。位于广州番禺的国家数字家庭应用示范产业基地，把解决家庭内部多业务平台连接问题作为一个数字家庭产业提升的契机，提出了多项有效的“家庭网络和多业务平台”解决方案。国家数字家庭基地按照“聚集、聚合、聚焦、聚变”的发展思路，制定了从“高清互动数字电视”到“家庭网络多业务系统”，再到“普适应用数字生活”的数字家庭产业发展路线。

1.2 家庭网络

数字家庭中涉及到多种业务系统和信息终端，如果分别独立构建“业务平台”，存在一个家庭之中，必然同时出现多个、多种传输网络。为了使用方便，降低成本，提出了一个现实的问题:为什么不构建一个尽可能简明的家庭网络，来统一支持所有各类服务系统呢？于是就有了面向数字家庭的“家庭网络”概念。

统一的家庭网络，不需要限定某种传输介质，但针对家庭中多种不同的业务需求，家庭网络需要定义明确的互操作的协议方式，提供简明的部署和使用方法。

1.3 相关标准体系

家庭网络必须支持多协议融合要求，在研究数字家庭与多协议融合关键技术的基础上，分析不同通信方式、标准和协议之间的调用、转换和融合。融合支持包括高清音视频编解码标准、数字家庭互动应用、设备互联互通等的国家行业规范，并补充形成具有产业引导性的创新标准体系[1-2]。

为形成促进产业发展的整体解决方案，国家数字家庭基地正在主导提出一套完整的、涵盖前端系统、增值服务平台、分发网、接入网、家庭网乃至物联网的标准体系，对体系结构、通信协议、应用接口加以规范。数字家庭互动应用标准工作委员会（简称“广联”标工委）已经提出了包括9项标准内容的行业标准体系。针对多电视机的共享问题，可以从家庭网关播发流媒体数据的标准化方面开展工作，规范网关与终端的通信协议及数据格式。

广电系统将迎来三网融合的历史机遇，高清双向的使用环境越来越开放，版权保护及节目价值将上升，广电的技术体系将从高度封闭向开放的方向发展。封闭的加密技术在开放的环境下使用导致其安全性将大幅下降，同时也阻碍了数字电视技术的开放，导致了数字电视整体技术装备的落后。鉴于此，开放的技术将是未来势不可挡的发展趋势。广电运营商完全有机会选择一种更为开放、功能更强的开发平台，这样参与开发软件的人就会多起来，运营商就可以有更多的软件选择。

在建筑应用领域，国家数字家庭基地积极参与住房和城乡建设部组织的《居住区数字系统测评标准》的制订工作。住房和城乡建设部相关标准将逐步把家庭网络、安全防范、家电智能化、能耗表具的自动数据采集和远传及综合信息服务，作为当前居住区数字系统的功能要求，并在此基础上逐步明确三网融合是未来居住区数字系统必备的功能要求。技术标准涉及相关技术方案列表见表1。

表1 技术标准涉及相关技术方案列表

2 基于家庭网络的多电视方案

基于家庭网络实现的多电视系统，其应用场景是广播电视网、电话通信网和计算机互联网接入家庭网关。家庭内部推荐使用基于家庭电力线完成电视信号和互联网信号的传输。从电视机应用的角度看，网络播放终端还可以进一步解决一屏多用的问题，做到广播电视、网络、通话等功能都能方便地在电视机上使用。

“三网融合+家庭网络”的方式，是从前端服务平台到家庭网络终端的数字家庭完整解决方案。目前基于广电网络的信息文化综合内容平台的搭建已在各地逐步兴起，广电在节目内容的广播上有着天然的高带宽、高到达度的优势。

2.1 系统方案的总体构成

多电视共享机顶盒设备的问题，是广播电视进入数字化传播的时代后，所必然面临的众多矛盾的表征之一。其主要矛盾在于数字化信息在家庭内部实现流转和共享。在广电节目广播的时代，信息内容是单向传送和广播式的，电视机具备接收模拟调频信号的功能即可，经过数十年的发展，所有的电视机均已内置此功能。在节目内容数字化传输后，电视机终端在相当长的一段时间内无法全面升级更换到数字解码和数字视频流实时接收和播放功能，因此产生了每台电视机均需要增加数字信号解码模块的需求。同时，由于双向交互式操作要求的提出，家庭内部的多台电视需要双向的数字化网络来承载双向的信息流，因此家庭网络的刚性需求也就应运而生。

数字家庭是一个从运营到用户的体系，如图1所示。通过数字家庭方案，既把传统意义上的机顶盒设备的主体功能提升到家庭网关中，解码部分则交给多台电视机或电视视频终端，又可支持“三网融合”应用，为今后“三网融合”的实现和推进奠定良好的基础。

图1 面向数字家庭的运营体系

2.2 家庭网络支撑多业务

把机顶盒升级到家庭网关，通过家庭网络覆盖家庭的多种业务终端，包括家庭内的多台电视机，符合数字家庭的技术方向，是解决家庭内多电视应用的可行方案。数字家庭是广州市高新技术产业发展的重要内容，广州以国家数字家庭应用示范产业基地为依托，可以争取在未来1～2年内实现基于家庭网络的支持多业务融合的解决方案，促进产业提升。

家庭内部的原理是基于数字家庭网络实现家庭内部数字电视信号的即取即用。数字电视信号送到家庭网关，不需要限制家庭内部对电视信号的使用。其技术原理如图2所示。

图2 通过家庭网关和家庭网络对应多电视的技术原理

基于家庭网络的家庭数字电视系统主要由以下几个部分组成:1）家庭网关。支持数字电视信号的接入。2）家庭网络。在家庭内部把家庭网关及各电视系统以统一的互联协议连接起来。3）电视适配终端。因为传统的模拟电视一般不具有网络连接和数字信号解码功能，所以在模拟电视旁需要增加支持网络传输和数字解码功能的电视适配终端。对于新型网络电视机而言，支持标准家庭网络协议的网络电视机是配合家庭网关的最佳搭档。

这种方案下，各个电视机都是连接在同一个家庭网络的总线上，而总线只能传递数字信号。一个直观的解决思路是，把要看的广播电视节目数字化，并且同时送到各个电视机。为此，此处必须把传统的“机顶盒功能”拆开，把频道选择、解调、信道解码和节目选择功能留在家庭网关之内；把节目分解和信源解码功能配置在电视机中或者配置在电视机适配器中。

家庭网关是家庭网络的核心部件，支持锁定多路数字电视信号并管理其在家庭网络上的传输。电视适配器可以以较低的成本实现，并且让传统电视机支持网络功能，具有可扩展性。

这一方案将在一定程度上推动网络电视机标准的试点。家庭网络的建立对于网络电视行业的发展有重要的影响。网络电视需要推动统一的标准，通过试点项目推动网络电视机行业标准的制定，从而主导未来网络电视发展的话语权，是十分具有战略意义的。未来互联网电视的发展，不能再重复数字电视一体机的错误。

2.2.1 适用的家庭网络系统

家庭网络联网，可以选择多种技术方案。家庭网络的研究涉及的范围很广，不同的联网方式可能涉及的技术体系不同。

家庭联网要统筹考虑家庭应用环境的特点以及相关影响因素，实现最佳的传输性能。家庭多媒体网络互联，还必须实现多优先级的QoS管理，如何充分利用家庭内部有限的网络资源，通过基于地址、自适应业务种类选择等方式实现区分多优先级的承载家庭业务的传输机制。设计高效的MAC层，支持基于工频周期同步机制的TDMA和CSMA。TDMA面向连接，提供QoS保障，确保带宽预留、高可靠性和严格的时延抖动控制。

目前家庭网络联网技术可以分为有线和无线两种，具体又包括以太网、HomePNA、有线电视电缆（Mo⁃CA）、电力线（PLC）、IEEE1394和WiFi、蓝牙等不同技术。不同的联网技术在使用的媒质、提供的速率、可达的距离和设备成本等各个方面都不同。

考虑到要在现有家庭中更方便地部署，采用在现有电力线上进行信号调制是十分有意义的家庭组网方式。家庭内部的电力载波通信（PLC），结合家庭内部无线网络，可以实现家庭环境内的最佳覆盖。PLC可以作为家庭网络主干，使用家庭电力线路这种分布最广泛的导线，PLC完全可以取代新铺设的线路。Home⁃Plug AV技术在物理层采用具有高级前向纠错、通道预估和自适应能力的OFDM。

电力载波Modem由射频处理芯片、模拟前端芯片和电力线连接器等三部分组成。电力载波Modem的硬件设计采用6层PCB设计，BGA封装焊接。电力载波Modem的软件层在MAC层则综合使用具有QoS保证的TDMA时分多址有序接入和CSMA竞争接入两种方式，并通过快速自动重发请求（ARQ）来保障可靠传送。在MAC层和IP层之间，进一步实现基于令牌协议的QoS技术，来支持针对数字家庭的多业务服务质量管理技术。

2.2.2 多协议融合的家庭网关

家庭网关主要由多个高频头、主处理板和智能卡组成。多个高频头用于同时接收不同频点的数字电视信号，以支持多电视机同时收看不同的电视节目。主处理板主要用于处理视音频信号，将TS流转换成IP流，通过家庭网络将压缩的视音频信号传输到电视终端。家庭网关主处理器的硬件采用低功耗的快速信号处理方案，配合采用FPGA提高系统快速响应的能力；适配终端的硬件采用支持高清解码的低功耗SoC方案。

家庭网关涉及到的协议集包括:DVB-C，MPEG-2，TCP/UDP/IP，DHCP，RTP，UPnP等多种跨领域的标准协议[3-4]。

2.2.3 支持UPnP协议的适配器和智能电视终端

在采用统一家庭网络的背景下，家庭多媒体适配终端，或者是智能电视终端，其基础是嵌入式操作系统软件的关键技术，同时需要统一的标准来定义外部互操作。笔者的方案是在应用层利用UPnP协议，来支持家庭内多种媒体资源的互发现。

适配器的开发还涉及高清显示以及人机交互等多项技术，目前方案支持CVBS、YPbPr/VGA、S-Video、HDMI接口OSD和视频同时输出，支持视频解码格式为1080i，720p，576p，576i等多种输出模式。

2.2.4 家庭网络管理技术

基于家庭网络实现的多电视系统，必须接受网络管理，多个家庭网络共同组成可管可控的系统。分级的网络管理子系统包括:网络管理中心子系统和家庭内部网络管理系统。家庭外部网络管理系统管理范围从小区管理中心到家庭，家庭内部网络管理系统为包括家庭网络网关的网络管理代理。

在网关的远程管理技术上，以宽带论坛主导的TR069系列网管规范相对比较成熟和全面。它支持对ADSL、VDSL、以太网、PON、POTS等多种上行方式的网关进行管理，对网关的主要功能均抽象了管理参数，并支持动态配置、版本升级、日志查看、远程复位等多种管理操作，同时在网管系统与营业系统、运维系统之间的北向接口均作了定义。目前基于TR069的网管系统已经在中国电信、法国电信等众多运营商网络中部署，主要用于实现设备或业务的“零配置”开通，以及设备的日常诊断、维护。

数字家庭的运营平台还包括高效可控的管理平台。数字家庭网络管理包括公共网络和家庭内网双重管理域，在公网管理域中采用SNMP标准管理协议，有利于大规模组网和网络的集中监控。在家庭内网管理域采用基于Web技术的方式管理，方便用户对各类终端、业务的配置和管理。

家庭网关是公共管理域和家庭内网管理域的交点，内嵌的网管代理需要实现传统的SNMP Agent（代理）模块与基于Web的管理服务模块的结合，既能够满足小区综合管理中心和地区综合管理中心实现家庭网络的远程管理，又能为家庭内网管理系统提供方便、快捷的管理手段。

3 总结与展望

通过探索解决家庭多电视应用问题，能够采取科学的方法，可行的技术方案，为百姓提供经济实惠、简明易用的家庭内多业务平台使用方式，这是关心百姓生活、提高百姓生活幸福感的惠民工程。本方案有助于实现从家庭内部出发，提出家庭业务融合的新概念和新模式，催生技术突破的新方案和新产品，从而促进形成三网融合的广州模式。

目前，国家对“三网融合”试点城市给予政策方面的支持，资金方面的支持则普遍是以地方政府投资为主。试点城市之一的北京，以广电网络为依托，以互动电视为途径，快速推进“三网融合”项目。北京市级财政、区县级财政和北京的有线电视运营商分别承担高清交互机顶盒推广资金的35%，30%和35%。在市政府的大力扶持和机顶盒免费对用户发放的模式下，高清交互用户发展迅速，2010年底已达130万用户，居全国第一。目前，歌华有线已收到了北京市财政局2010年高清交互机顶盒4.2亿元的补助资金。用户群的规模化使整个城市的信息化水平得到了大幅提升，也为基于互动电视的相关文化产业和信息服务业带来了巨大的发展空间。广州要通过“三网融合”拉动文化产业和信息服务业，首先必须要形成一定规模的“三网融合”用户群。

基于家庭网络的数字家庭应用，可以通过规模化试点进行带动。类似番禺的试点工程，基本具备数字家庭运营平台的建设框架，可以结合“智慧广州”工程，进行提升和推广。

[1]赵仲明，王召福.互动电视系统工程[M].北京:人民邮电出版社，2010.

[2]孙玉.数字家庭网络总体技术[M].北京:电子工业出版社，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.