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数字电视软件平台-中间件及第三代机顶盒

2017-5-7 06:54| 点击快速提问| 查看: 466

摘要: 数字电视软件平台-中间件(Middleware)尚无统一的定义和标准。本文定义了数字电视接收机(DTV)软件平台-中间件概念,综述数字电视接收机(DTV)软件平台-中间件的发展状况;解答了基于数字有线电视网络,设计数字 ...


数字电视软件平台-中间件(Middleware)尚无统一的定义和标准。本文定义了数字电视接收机(DTV)软件平台-中间件概念,综述数字电视接收机(DTV)软件平台-中间件的发展状况;解答了基于数字有线电视网络,设计数字电视交互业务应注意的问题,例如中间件的选择、机顶盒,条件接收系统选型;首次提出第三代数字电视机顶盒(STB)的概念。

数字高清晰度电视(Digital High-Definition Television,简称HDTV)是电视的一场革命。其收视质量大幅度提高,大屏幕画面细腻逼真,并配以环绕音响,已接近目前视听娱乐业中顶级质量的电影。凡是观看过数字高清晰度电视演示的人们,都会深信HDTV是每一个家庭在数字信息时代所应该拥有的、真正的“家庭影院”。

数字电视软件平台-中间件(Middleware)尚无统一的定义和标准。美国“大联盟”ATSC系统提出数字电视应用软件环境-DASE标准;欧洲DVB系统提出多媒体家用平台-MHP标准。美国SUN公司正在积极推广其JAVA平台进入电视、机顶盒、有线电视领域,并提出基于JAVA 2 Micro Edition(消费电子、嵌人市场)的JAVA TVAPI标准。中国HDTV功能样机系统的研制成功,使我国成为继美国、欧洲等国之后世界上第四个拥有自制数字高清晰度电视地面广播传输完整系统的国家;实现了数字电视系统关键技术上的重大突破。但是,目前软件平台还是采用国外产品,开发具有中国特色的、通用的接收机软件平台是中国数字电视开发的战略重点!

我国的数字电视业务的开展与国外的电视网络相比,历史还很短,我国的有线电视网络运营商应该吸取国外的经验和教训, 选择世界上真正先进的技术。作为数字交互业务的基础平台,中间件的选择至关重要。

1,数字电视软件平台-中间件概念

中间件(Middleware)指居于数字电视机顶盒内部实时操作系统与应用程序中间的软件部分,它以应用程序接口API的形式存在,整个API集合被存储在机顶盒的闪存FLESH中。

节目服务商将各种服务项目以应用程序的形式通过传输信道(例如宽带多媒体数据网,有线电视网络)发布(例如电子节目指南EPG),用户打开电视机通过机顶盒浏览。用户的需求信息(例如视频点播VOD)通过上传信道(例如电话线MODEM,或有线电视电缆)传输到视频服务器,并根据请求选择相应的服务项目以应用程序的形式通过传输信道下载到用户终端-机顶盒的闪存FLESH中。应用程序调用机顶盒FLESH内的中间件所包含的API,执行应用程序,完成用户请求的功能。 中间件的目的是使机顶盒基本的和通用的功能以应用程序接口API的形式提供给机顶盒生产厂家,以实现数字电视交互式功能的标准化,同时使服务项目(以应用程序的形式通过传输信道)下载到用户终端-机顶盒的数据量减小到最低限度。中间件产品一般由非节目提供商和机顶盒厂家的第三方提供,对于使节目提供商制作节目和厂家生产机顶盒的进一步简化和标准化都是非常有利的。这正是知识经济时代市场更加细分的具体表现。

2,嵌入式Java虚拟机与Java TV API

今天百姓家中的耐用消费电器产品,以其低廉的价格、高可靠性、操作简便赢得了消费者的信赖。如果展望即将到来的新世纪,如何在保存传统使用功能的同时,以人为本开发面向网络的综合新型应用,为百姓营造一个更轻松、自然、个性化的服务环境已经成为社会创新的热点。信息电器的兴起正代表着这一潮流。

Java是一个由Sun公司开发而成的新一代编程语言。使用它可在各式各样不同种机器、不同种操作平台的网络环境中开发软件-“一次编译,到处运行”。它彻底改变了应用程序的开发模式,带来了自PC机以来又一次技术革命,为迅速发展的信息世界增添了新的活力。Java应用程序必须通过与操作系统密切相关的Java虚拟机,才能实现其功能。针对实时操作系统(例如HOEPN 、VXWORKS、PSOS)开发的嵌入式Java虚拟机可以为Java程序提供支持环境。

图1-数字电视接收机中间件、软件、硬件结构示意图

实时操作系统(例如HOEPN 、VXWORKS、PSOS)支持面向消费类电子产品的Personal Java TM应用环境。这意味着不论在家庭、办公室、还是在旅行途中,建立在实时操作系统及Java虚拟机平台上的信息电器,可以共享Java语言开发的应用程序,借助因特网实现信息的双向交流。

普通消费者可以通过Java虚拟机技术,在实时操作系统和JAVA API上体会交互式电视机、电冰箱、烤面包箱、防盗设备等方面丰富多彩的生活模式,通过TCP/IP进行信息的交流,实现家庭信息化、智能化。

JAVA TV应用程序接口(API)是由SUN 公司和各大数字电视公司通过开放式研究在JAVA平台的基础上开放的产品。主要电子消费型产品生产厂家已公开声明他们的产品将支持 JAVA TV API并将其作为全球数字电视软件平台标准。

图2 - TV API实现框图

JAVA TV API 是针对数字电视接收机独有的功能而设计的,这些功能为:
(1) 音频/视频媒体控制
(2) 广播数据访问
(3) 服务信息数据访问
(4) 调谐器和译码器控制
(5) 屏幕图形处理

JAVA TV API 针对交互式数字电视设计,使其具有媒体同步和应用软件模块功能。媒体同步使电视节目的基本视频和背景音频同步;应用软件模块功能则使交互式应用软件与传统电视节目和谐共存。总之,JAVA TV API及其基本的JAVA 平台可以使广播节目开发商创造真正精彩,高价值的交互式电视节目,大大提高观众的收视效果。

3 ,数字电视接收机软件平台-中间件的发展状况

随着数字电视市场的不断发展,节目开发商正在寻求一种多功能、经济而且可靠的软件平台,建立新一代的交互电视服务,使数字电视交互应用也能向JAVA语言,可在各式各样不同种机器、不同种操作平台的网络环境中开发应用节目软件-“一次编译,到处运行”。如:电子节目导视,视频点播及高质量的广播服务。

以SUN微系统公司JAVA TV API规范为基础,欧洲DVB组织首先提出家用多媒体数据平台MHP规范。MHP 成为世界上第一个数字电视接收机软件平台-中间件规范。

美国ATSC的T3/S17专家组正在进行向消费者递送数据广播与交互业务的DTV接收机内软件环境的标准化,称为DTV应用软件环境(DASE)。在ISBT’99会议上,飞利浦公司着重介绍了DASE的要点及实现的DASE测试样版。

高级电视增强论坛(ATVEF-1988年成立)已有约60家公司参加,以实施ATVEF的内容规范。创立ATVEF的公司中有一半以上与电视节目直接有关,包括NBC、PBS、华纳兄弟公司等,主要的传输公司包括有线电视研究所(Cable Labs)、DIREC TV与TCI,以及计算机厂商英特尔、微软与消费电子厂商索尼等。ATVEF的目标是在实现交互电视时有共同的规范,并能支持所有的电视环境(模拟或数字、有线、卫星或地面广播),这一规范要尽量利用现有的内容格式,主要是因特网与万维网。

目前,世界上流行的数字电视软件平台(Middleware中间件)主要有:OpenTV;Liberate;Microsoft TV;CANAL+ MediaHighway;NDS和DAVID。

由于国内目前还没有中间件产品,而无论是卫星传送、网络传送还是地面传送的数字电视,中间件都是必需的配置,所以只能花费大量外汇向国外公司购买。目前,中间件的标准化已成为数字电视广播系统的关键。由此可见,立足本国的技术力量与国外先进厂家合作,开发数字电视软件平台势在必行!

图3- Middleware中间件示意图

4,电视网络在设计数字交互业务应注意的问题

2001.5.24日,国家广播电影电视总局发布了-《有线数字电视广播信道编码与调制规范》GY/T170-2001 equ ITU-TJ.83.今年,中国的有线数字电视广播开始启动。

由于对国外中间件应用状况的不了解,我国的网络运营商在需用中间件的时候,往往缺乏有效数据来评价中间件的作用并做出选择。以下是我个人针对有线数字电视网络DVB-C系统集成的一些看法。

对于数字付费电视项目,中国网络营运商的基本需求应该是:
CA:符合DVB标准、能够支持同密、支持多用户管理系统、支持机-卡配对、支持多运营商、支持多种寻址方式;
中间件:能够下载升级、支持中文、有足够机顶盒支持、有足够的系统支持;
应用软件:应用程序价格低、能够下载升级。
 
Canal+ Technologies作为集成商提供除前端设备以外的软件产品,包括:
CA:MediaGuard;
中间件:MediaHighway ;
以及应用软件:机顶盒开机界面(Mediastart)、Zap Band 、频道列表、游戏、电子节目指南、股票信息、HTML广播以及视音频马赛克;
开发工具: Studio+、调试机顶盒和相关培训。
所有相关的硬盘需自行采购。其中游戏可从已给出的四个游戏中选出任意两个进行集成。

OpenTV是中间件提供商,同时提供相关的应用程序。将承担完成集成工作。CA 部分选择:Nagra Vision的CAS ;中间件:OpenStreamer(含硬件);以及应用软件:视音频马赛克、游戏、股票、网页广播、中文电子节目指南、 MediaStart、Zap Band;开发工具: OpenAuthor Pro and SDK、调试机顶盒和相关培训。给出相关硬件的报价。游戏是从十个游戏中轮流选出任意 5个进行集成。
我们将从以下三个方面来剖析和对比中间件主流产品OpenTV和Canal+:
先进性
可行性
开放性

4.1 先进性

评价中间件的技术先进性, 并非只是看它是否使用Java语言那么简单。

OpenTV和Canal+都采用了虚拟机的结构来使应用程序具有可移植性,与硬件和实施操作系统无关。 OpenTV从第一代产品开始就使用标准的C语言(ANSI C),现在的产品为第三代产品也向下兼容,产品的总体结构规范合理。

Canal+的产品由于是为自己的网络开发,在产品的设计上就没有规范清晰的总体设想,没有顾及一致性:从用Canal+专用的脚本语言,转用MHEG-5语言,到用非标准的Java语言来开发,显得颇为混乱和不规范。 而且即使是采用Java语言,却由于采用了Canal+自己定义的API,而失去了Java的优势,带来的是Java的缺点--- 效率低,资源浪费大。

其实从技术革新来看,中间件一类的基础软件自身在不断进行频繁的技术更新,而这种技术更新如果由Canal+这样的网络运营商自己去研究和把握,是极不实际的。原因在于, Canal+ Technologies作为Canal+集团的技术公司,规模和人数和OpenTV相近,但却要将力量分配在系统集成,有条件接受MediaGuide,中间件开发MediaHighway,应用程序开发等众多方面,相反OpenTV却是集中力量在中间件领域,不断的推陈出新,新产品新功能不断涌现,拥有36项交互电视方面的专利,其因特网技术和三网融合技术都是目前最先进的。

选择专业的商业中间件, 有利于跟上底层技术的发展与变化,及时进行技术革新。

4.2 可行性

技术的选择要充分考虑技术的实用性和对当地的适应性。OpenTV和Canal+在实用性和适应性方面的差异可能远远大于OpenTV的网络数比Canal+的网络数:43:20。Canal+虽然有20个网络,但是在这些网络上运行的却是同样一种模式,基本上是Canal+的网络的相同拷贝,大约只有30种交互应用。OpenTV有43个网络,但都分布在不同的国家和不同的网络运营商,因此OpenTV的交互应用超过三百个。 相比之下,OpenTV的网络在数字交互业务方面有众多的成功例子,而Canal+集团虽然在付费电视节目方面很成功,可是在数字交互业务方面较弱。可以说明,OpenTV能更加灵活地适应不同的网络的不同的经营思路,帮助网络运营商获得成功。

从国际上最近的一年半的情况看,OpenTV签署15个大的电视网络,而Canal+则被两个已经签署的大的电视网络放弃(美国的MediaOne和日本的Jupiter),仅仅签署了阿拉伯联合酋长国的一个小网络。
另外,网络运营商应该能够针对不同的市场和不同的需求变化推出相应的应用和服务,而不能完全依赖于中间件厂家来提供这些应用的更新。Canal+基于封闭的商业模式,其开发工具只授权给它指定的厂家,而且其应用程序的集成只能由Canal+公司自己完成,这样造成网络运营商对Canal+具有很强的依赖性,难以独立地开展新的业务。OpenTV基于开放许可的商业模式,其开发工具可以授权给任何开发商,而且应用程序的集成可以由用户自己或第三方完成。OpenTV应用程序的开发商是超过1100家,Canal+应用程序的开发商是20家,90%的应用程序由Canal+独家提供。

4.3 开放性

软件系统开放性的重要性无论如何强调都不过分,特别是对于承上启下的中间件。中间件的构架是否符合开放的标准,开发商和合作伙伴必须能开发扩展模块,在实际运行的系统使用基于不同标准的技术。中间件不是最终的应用,需要服务于应用开发,服务于网络运营商开展业务的需要,开放的中间件不但能允许使用者在应用层开发,而且使用者还能开发特别的功能要求中间层的扩展模块,以适应经营业务发展的需要,这对于国情和文化与西方国家明显不同的我国尤其重要。例如中间件应用的焦点之一就是电子商务,电子商务中涉及到的银行的支付网关,关系到国家金融的安全是不可能由国外的企业来提供的。如果要在采用国外的先进技术的同时又保护国家的信息安全,开放性是中间件必不可少的要求。

OpenTV与Panasonic共同开发DVB-MHP支持的机顶盒可以同时支持现有的OpenTV应用和DVB-MHP应用。DVB-MHP应用的运行环境也是基于现在成熟的OpenTV基本库的支持,因为OpenTV基本库已经成功运行7年多了,因此可以比其他的MHP产品具有更多的稳定性,并且保留了现有的OpenTV应用程序仍可使用。

图4. OpenTV与Panasonic共同开发DVB-MHP

5,有条件接收系统 (Conditional Access systems-CA)

有条件接收系统是数字电视项目中重要的组成部分,它完成了系统用户的认证、授权和节目加扰工作。它解决了两个问题,即如何从用户处收取费用和如何阻止用户收看那些未经授权的付费频道。条件接收系统是一个综合性的系统,它集成了多种先进的技术,所涉及的技术包括:系统调度管理、网络技术数字压缩编码、加解扰算法、加解密算法、复用器技术、调制解调技术、机顶盒技术、智能卡技术等,同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等数据应用技术。其中, CA系统的性能和安全性是整个系统尤为关键的问题。

几家的CA系统设计基本框架是一致的。外部接口也都符合DVB标准。除了NDS是基于算法的安全,即通过更换算法来保证系统的安全性以外,其他几个系统都是基于密钥的安全,也就是依赖密钥的分级和分组来加强系统的安全性。另外几家也都采用了智能卡技术,它可容纳更先进的加密算法和功能更强的微处理器,这使得系统可更灵活的接受加密技术上的新算法和新成果。

衡量一个好的有条件接收系统的好坏的重要指标在于系统功能的完整性、性能、使用规模及安全稳定。 Canal+ Technologies的算法及密钥分配、生成、存储及更换等各步骤的解决方案较好的保障了系统的安全需要。另外, CANAL+作为运营商,积累了大量的经验,这些对于快速解决系统在涉及运行中出现的问题非常重要。

NAGRA系统目前已有了超过1600万的用户量;它所使用的算法在时间和大规模系统上均被证明为具有良好的安全性。它的智能卡支持对存储器的动态寻址,可防止黑客轻易找到密钥的存储位置。 NAGRA整个系统的功能完备、灵活,可支持从少量用户到大量用户的扩展并平滑的升级,而且整体性能优良,因此是相当不错的系统。Nagra拥有包含Philips,Nokia在内的近30家机顶盒供应商,国内也有中科院声学所(DSP所)支持。

NDS系统采用的安全技术比较特别,它为每个运营商提供不同的算法,以保证即使某一个运营商算法被攻破,也不会影响其他系统。另外,它用于解扰节目的控制字并不随 ECM系统下传,而是通过卡内的算法在用户端同步生成控制字用于解扰节目,而且每一个传输的数据包都经过了数字签名,确保任何比特不会被修改。由于算法已固化,因此更换时还要牵涉到芯片的重新烧制问题,灵活性不如基于密钥安全的好,而且经多次演变后算法也会发生退化现象,故我们倾向使用基于密钥安全的系统。

6,机顶盒(STB - Set Top of Box)

系统的成功运营里离不开机顶盒。机顶盒中需要集成 CA和中间件,即CA和中间件厂家不仅通过收取相关的软件费用,也会通过机顶盒的使用收取一定的费用。而且在整个系统运营中,机顶盒费用是最大的。

根据机顶盒的体系结构-软件及硬件配置可以将机顶盒划分为三代(种):

1. 第一代机顶盒:配置电子节目指南-EPG,简单的应用, 无中间件,有或无条件接收系统,一般无回传信道。所有应用程序都是基于嵌入式实时操作系统编制。

2. 第二代机顶盒:配置电子节目指南-EPG,交互式的应用, 中间件,条件接收系统,有或无回传信道。应用程序都是基于中间件编制。

3. 第三代机顶盒:配置电子节目指南-EPG,高级交互式的应用,全开放的 MHP中间件,条件接收系统,有或无回传信道。应用程序都是基于MHP中间件及JAVA语言编制。

7,机顶盒的选型

在整个数字有线电视系统中,机顶盒作为用户端产品,数量多,投资大,因此占有重要地位。以下是在选择机顶盒时的一些考虑。

7.1. 特殊性

说它特殊是因为,虽然它在整个数字有线电视系统的投资中所占比例最大,但在中间件和 CA系统选定以后,机顶盒的选择变数并不大(基本上只有价格、可靠性和售后服务的比较)。也就是说,它的选择不像中间件和 CA的选择那样具有战略性意义,也不是一次性的。另外,机顶盒不同于像电视机这样的普通家电产品。电视机可以把平面直角、大屏幕或画中画作为它的卖点,而机顶盒的卖点是它表现出来的服务。这就是为什么国外数字电视网络运营商通常是免费向用户提供机顶盒的原因。

项目进程与首批机顶盒的选择:CA 的集成时间大约为半年。这就意味着,首先要尽快确定中间件和CA,其次要选择有足够的技术实力的机顶盒提供商,以保证集成进度和产品质量。另外,由于项目启动所需的机顶盒数量并不多(大约在 4000台),所以价格不应成为选择这批机顶盒首先考虑的因素。基于以上的考虑,我们把两家国外机顶盒提供商( Nokia和Thomson)作为这批机顶盒提供商的首选,而且并不强调一定要在国内生产。

7.2. 价格

随着项目的进行,机顶盒需求量的增加,价格将变得越来越敏感。我们也采取相应措施以获得最优的价格。

机顶盒价格几乎是数字电视运营成功与失败的首要原因。 不论是进口还是国产,机顶盒的价格取决于硬件设置及先进设计。硬件设置受限于中间件的要求,硬件设置越低价格越低;而先进设计取决于从设计到生产的时间,时间越长设计越落后,所以价格越高。

从对硬件设置要求而言,OpenTV支持四个档次的方案:1)基本交互,2)HTML或网页浏览,3)机顶盒硬盘, 4)MHP JAVA。四个档次在服务上反向兼容, 其中OpenTV的基本交互平台是所有交互电视中间件平台中对硬件要求最低的平台。

由于开放式的界面,OpenTV的机顶盒集成过程通常在3-4个月——远短于CANAL+(有时超过两年),所以OpenTV机顶盒的设计方案往往远领先于CANAL+的。基于以上考虑,某些机顶盒厂家可以做到使得OpenTV机顶盒比同等性能的CANAL+机顶盒便宜20到40美元。

7.3. 本地化生产

生产的本地化将消除价格中运费,关税等因素。同时,本地化也有利于良好售后服务和快速技术支持。Nokia在北京的生产能力只支持OpenTV EN2+Nagravision, Thomson的机顶盒中Canal+机顶盒硬件要求要比OpenTV的机顶盒要高很多。

7.4. 更多的提供商

引入更多的机顶盒提供商,以增强竞争。当然,如果提供商太多,反而得不到很好的批量价格,而且不利于我们对机顶盒的管理。因此,最终的机顶盒提供商的数目不应超过三家。

7.5. 厂家的技术实力

机顶盒提供商雄厚的技术实力将决定,能否保证项目的启动时间,能否在运营中和系统升级时提供用力的技术支持。特别是考虑到机顶盒的发展方向( PVR,HDD,MHP等),厂商必须有足够的技术储备,不断地跟踪国际的技术动向,有力地配合我们进行技术升级。

8. 结论

机顶盒的选型应该以第二代机顶盒为主,并且充分考虑向第三代机顶盒平滑过渡。

客观的说不可能有解不开的智能卡,系统安全还依赖于系统结构和保密完整性、系统密钥管理以及系统头端保密,盗版是否成本低且技术简单,应对措施是否及时有效。所以在功能和性能满足的情况下,我们还是应该选择相对运营时间长和经验丰富的 CA提供商,使得选用的技术产品能得到长期的技术支持和良好的服务保证。

网络选择的中间件的技术方案,应该既考虑电视的需求和商业模式,又要把新的数字电视的基础设施和全国的网络体系天衣无缝地融为一体,即三网融合,要用这种天衣无缝的融合来使交互式服务提供商能够在现存网络中建设数字电视所需的前后端体系结构,从而为广大的电视观众提供一套完整的服务体系,使电视网络真正成为城市数字化信息化建设的重要组成,是“数字中国“的梦想得以真正实现。

需要强调指出的是,目前,所有中间件供应商都不能提供基于MHP的中间件产品。中间件厂家出于对自身利益的考虑,不愿意开发基于开放的MHP的中间件产品。另外,支持MHP的机顶盒的成本大大高于普通机顶盒。中国已经选用DVB-C 标准,但是MHP是否会成为中国的中间件规范还未知。我个人认为,有一点是可以肯定的:基于JAVA的开放理念一定是未来数字电视软件平台-中间件的发展方向! 不错哦!标记下~~~!


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