一种新的数字电视网关解决方案

侯海鑫，雷杨梅

（深圳国微技术有限公司技术部，广东 深圳 518057）

一种新的数字电视网关解决方案

侯海鑫，雷杨梅

（深圳国微技术有限公司技术部，广东 深圳 518057）

本文提出的数字电视网关方案，主要特点在于借助该方案能使家庭网络中的移动终端设备互联互通，并且可以在移动终端上收看广播电视网络中的数字电视节目，当前市场上主流家庭网关产品不支持加密的广播电视网络节目在移动终端上播放，本方案着重解决这一问题。

数字电视；条件接收；网关

近年，国内电视的数字化正全面展开，一、二线城市数字电视已经普及，预计2015年会在全国实现全面数字化。当前电视的互联网化也已全面启动并逐渐流行起来，未来的广播电视网络将会与互联网络长期共存，电视、多媒体通信等业务将会在业务层面进行充分的融合。当前国内的数字家庭网关产品主要注重移动终端之间的互联互通以及网络IP节目流的多屏播放，没有实现广播电视网络中的数字电视节目在移动媒体终端上进行播放，也无法支持加密电视节目的多屏播放，为了更好的发挥当前广播电视网络和互联网的特点和优势，满足消费者影音娱乐、通信、存储、社交等需求，本文所提出了一种数字电视网关方案，通过该方案可以实现消费者对数字电视节目多屏互动的收视需求以及广播电视网络电视节目和互联网媒体内容的多屏播放功能[1]。

1 数字电视网关方案

1.1 数字电视网关发展现状

国内广电市场随着三网融合的不断推进，数字电视网关技术也在逐步发展，三网融合归根结底是终端用户的收视融合，作为融合业务的重点推进区域，家庭终端将一改从前各自独立的方式，突出以融合为重点的终端方案，而网关在家庭网络融合的业务中则承担着统帅中枢的作用[2]。

数字电视网关在国外经过多年发展，先后出现了多个有影响的家庭网络通讯规范，并依靠这些技术和协议逐步建立起家庭数字电视网络，在实际应用中得到一定推广，例如摩托罗拉曾经推出将DVB-C的数字电视节目转化为IPTV节目流的网关产品。而在国内，这一技术并未得到广泛应用，尤其是将加密数字电视节目流转化为IP节目流的技术应用领域，在国内尚未有广泛的产品应用。

本文提出的数字电视网关在广播电视网络和IP网络结合构成的多媒体网络中，可以实现消费者对数字电视节目的多屏互动收视需求以及广播电视网络电视节目和互联网媒体内容的多屏播放，可以广泛应用于家庭网络、酒店和医院等公共网络。

1.2 数字电视网关方案及与其他家庭网关方案的比较

数字电视网关方案的系统组成如图1所示，包括DVB网络，数字电视网关，运营商订制的视密卡（条件接收模块），LAN网络以及移动终端。

图1 数字电视网关组网Fig.1 Network of digital TV gateway

广播电视网中的数字电视节目被数字电视网关接收后，其中的一套或多套节目被转换成不同的HTTP实时流，并被送入家庭或其他场所的局域网中，连接于该网络中的网终端可以通过支持HTTP在线播放或支持UPNP/DLNA软件进行收看。每个节目可以被多个终端同时收看，同一电视频道下的不同电视节目也可以同时被收看。同时加密的节目可以借助视密卡进行解密。同时数字电视网关也支持普通家庭网关将互联网媒体内容传输到家庭移动终端实现多屏播放的功能。

是普通家庭网关与数字电视网关的组网和数据流向如图2所示，从组网看，数字电视网关同时连接广电网络及互联网，而普通家庭网关仅连接互联网不连接广电网络。从数据流向看，数字电视网关能够接收广电网络数据，并能将广电网的数据传递给家庭移动终端，同时也能将互联网的媒体内容数据传递给各种家庭移动终端，而普通家庭网关仅能在家庭移动终端之间传递互联网媒体内容数据。

图2 普通家庭网关组网Fig.2 Network of home gateway

2 数字电视网关系统说明

2.1 数字电视网关核心模块

数字电视网关核心模块如图3 所示，该模块包括调频器(Tuner)、解调器(Demodulator)、处理器(Main CPU)、DVB-CI(Digital Video Broadcast Common Interface，数字视频广播公用接口)接口、无线连接模块(如无线WIFI 网卡或软AP)和有线连接模块(如以太网连接模块)。

图3 数字电视网关系统架构Fig.3 System of digital TV gateway

调频器和解调器，作为解调接收模块，用于接收当前接收频道的电视信号，并对当前接收频道的电视信号进行解调，得到当前接收频道的电视节目数据；无线连接模块或有线连接模块用于与客户端连接；处理器处理模块用于接收客户端的电视节目数据请求，并根据所述电视节目数据请求确定当前请求节目，判断所述当前请求节目是否属于所述当前接收频道，如果是，则从所述当前接收频道的电视节目数据中，获取所述当前请求节目对应的第一电视节目数据，并将所述第一电视节目数据提供给所述客户端；否则，确定所述当前请求节目所属的请求频道，控制所述解调接收模块接收所述请求频道的电视信号，对所述请求频道的电视信号进行解调，得到所述请求频道的电视节目数据，并从所述请求频道的电视节目数据中，获取所述当前请求节目对应的第二电视节目数据，并将所述第二电视节目数据提供给所述客户端。DVB-CI 接口用于与CAM 卡连接，CAM 卡用于对加扰的电视节目数据进行解扰。上述各个功能模块的工作过程如下：

（1）调频器和解调器接收DVB网络的射频(RF)信号，即上述实施例中的电视信号，并对RF信号进行解调，得到TS流，TS流即上述实施例中的电视节目数据。该TS流中会包括一套或多套电视节目数据，这些电视节目数据中有可能部分或全部被加密，如果TS流是加密的TS 流，调频器和解调器需要将TS 流发送给CAM卡，如果TS流不是加密的TS流，调频器和解调器直接将TS流发送给处理器；

（2）CAM 卡用于对TS流进行解扰，并将解扰后的TS流发送给处理器；

（3）处理器通过无线连接模块或有线连接模块，将TS流发送给客户端；

（4）电视网关可以直接与客户端连接，也可以通过以太网中的路由器与客户端连接。

2.2 数字电视网关系统：

数字电视网关的系统模块如图4，主要包括：

(1) 底层模块：包括操作系统内核(Kernel)、硬件驱动和通信协议等，具体可以包括以下功能模块：(a)CI(解扰) 接口驱动模块，负责驱动CAM卡；(b) 解调驱动模块，负责驱动Demode；(c)TS流采集模块，负责采集TS 流；(d)解复用模块，负责SECTION数据的过滤和多套电视节目数据的分离，其中SECTION是表格信息数据，如PAT(Program Association Table，节目群丛表)，PMT(Program Map Table，节目映射表)，NIT((Network Information Table，网络信息表) 等；(e) 网卡驱动模块，负责驱动网卡；(f)TCP/IP 协议栈，负责通信。

图4 数字电视网关系统模块Fig.4 System module of digital TV gateway

(2) 中间模块：具体可以包括以下功能模块：(a)CI(解扰) 协议栈，负责对加扰电视信号的解扰处理；(b) 解调控制模块，负责对电视信号的解调处理；(c)SECTION 解析模块，负责对PAT、PMT、NIT 等表格的解析；(d) 搜台模块，负责搜台流程处理；(e) 切台模块，负责切台流程处理；(f) 存储模块，负责对节目信息文件的读写访问。

(3)SERVER(服务器) 模块：具体可以包括以下功能模块：

(a)HTTP TS 流SERVER 模块：主要负责接收媒体播放设备发送的电视节目数据请求，将电视节目数据(TS 流) 依照HTTP 协议打包成IP 网络数据包，并通过局域网将该IP网络数据包发送给媒体播放设备。HTTP TS 流SERVER 模块支持多个媒体播放设备同时访问同一套电视节目数据，另外，在当前服务频点对应的电视信号中包含多套电视节目数据时，HTTP TS 流SERVER 模块还可以将该多套电视节目数据共享到局域网上。

(b)WEB SERVER 模块：包括CGI 接口模块，主要负责控制数据的传输，实现对电视网关设备的控制和状态的获取，如实现搜台、切台和节目列表的传输等功能。

(c)UPNP(通用即插即用)SERVER 模块：主要负责将节目信息文件(包含节目列表、电视节目对应的URL 地址等) 共享在UPNP 网络上。电视网关设备和媒体播放设备是采用UPNP 网络架构的，UPNP SERVER 模块可以把节目信息文件共享到UPNP 网络上，以供支持UPNP 协议的媒体播放设备发现该节目信息文件。

上述模块之间的关系是：底层模块位于最底层，中间模块位于SERVER 模块和底层模块之间。SERVER 模块中的WEB SERVER 模块、HTTP TS 流SERVER 模块和UPNP SERVER 模块处于平等的关系，位于中间模块之上，处于最高层。

底层模块、中间模块和SERVER 模块通过以下方式通信：

SERVER 模块和中间模块之间通过SOCKET(套接字) 的方式进行通信，而中间模块通过设备文件对底层模块进行访问。也就是说，将底层模块中的CI 接口驱动模块、解调驱动模块、解复用模块(不包含网卡驱动模块及网络协议部分) 等均设计成设备文件的形式，中间模块可以通过设备文件的OPEN/READ/WRITE/IOCTL 等接口函数对底层模块进行操作。

媒体播放设备可以通过定制的媒体播放器或WEB 浏览器访问电视网关设备，WEB 浏览器以及多数媒体播放器都支持HTTP 协议的网络传输，因此，电视网关设备可以将电视节目映射成HTTP 链接，如深圳1 套节目可以映射成：HTTP://192.168.1.15 ：8080/shenzhen1.ts，媒体播放设备可以通过定制的媒体播放器或WEB 浏览器访问该HTTP 链接。

2.3 SERVER 模块与定制的媒体播放器或WEB浏览器之间的数据交互实现方式

（1) WEB SERVER 模块与WEB 浏览器或定制的媒体播放器之间传递的数据类型主要是控制数据，如搜台、切台和节目列表获取等相关的控制数据。

（2) UPNP SERVER 模块与WEB 浏览器或定制的媒体播放器之间传递的数据主要是节目列表。电视网关设备将节目列表中的各个电视节目的信息映射为TS 流文件，并保存在固定的文件夹内，通过UPNP SERVER 模块将TS 流文件共享到UPNP 网络中。

（3) HTTP TS 流SERVER 模块与WEB 浏览器或定制的媒体播放器之间传递的数据主要是电视节目数据请求和电视节目数据(TS流)。

2.4 电视网关设备的搜台流程、切台流程、节目列表传输实现方式

（1）搜台：数字电视网关设备接收媒体播放设备发送的搜台请求，根据搜台请求，搜索各个频点，并获取每一所述频点对应的电视节目的信息，根据电视节目的信息生成节目列表，并将节目列表以及每一电视节目对应的频点存储于节目信息文件中。

搜台流程包括以下步骤：

步骤1，媒体播放设备上的WEB 浏览器或定制的媒体播放器向WEB SERVER 模块发送搜台请求；

步骤2，WEB SERVER 模块调用CGI 接口模块中的CGI 接口函数，向搜台模块发送搜台请求；

步骤3，搜台模块调用解调驱动模块逐一锁定各个频点，并启动TS 流采集模块采集各个频点下的SECTION 数据；

步骤4，搜台模块启动解复用模块对采集到的SECTION 数据解复用，得到解复用后的SECTION数据；

步骤5，搜台模块启动SECTION 解析模块对解复用后的SECTION 数据进行解析，得到所有频点下的电视节目的信息；

步骤6，搜台模块根据该电视节目的信息生成节目信息文件，并将节目信息文件存储于存储模块中。

（2）切台

数字电视网关设备接收媒体播放设备发送的切台请求，切台请求中包含待请求的电视节目的信息；切台模块从存储的节目信息文件中，获取待请求的电视节目对应的频点，并将待请求频点作为当前服务频点，电视网关锁定当前服务频点，并接收当前服务频点对应的电视信号，然后对电视信号进行处理，得到电视节目数据，将该电视节目数据发送给媒体播放设备。媒体播放设备可以直接向电视网关设备发送电视节目数据请求，以用于请求电视节目数据。

切台流程包括以下步骤：

步骤1，媒体播放设备中的WEB 浏览器或定制的媒体播放器向WEB SERVER 发送切台请求，该切台请求中携带待请求的电视节目的信息；

步骤2，WEB SERVER模块调用CGI 接口模块中的CGI接口函数，向切台模块发送切台请求；

步骤3，切台模块从存储模块存储的节目信息文件中，获取待请求的电视节目对应的待请求频点，并该待请求频点作为当前服务频点；

步骤4，切台模块调用解调驱动模块锁定该当前服务频点，并启动TS流采集模块采集该当前服务频点对应的TS流；该TS流为加扰的TS流；

步骤5，切台模块启动CI 接口驱动模块，对该TS流进行解扰，得到解扰后的TS流；

步骤6，切台模块启动解复用模块对解扰后的TS流进行分离，得到多个独立的电视节目对应的TS流；

步骤7，切台模块启动HTTP TS流SERVER模块将待请求的电视节目对应的TS流发送给媒体播放设备。

（3）电视节目数据传输步骤：

步骤1，媒体播放设备中的WEB 浏览器或定制的媒体播放器向HTTP TS 流SERVER 模块发送电视节目数据请求，该电视节目数据请求中包含待请求电视节目的信息(URL 地址) ；

步骤2，HTTP TS 流SERVER 模块判断该待请求的电视节目对应的频点是否为当前服务频点，如果是，进入步骤3，否则，进入步骤4。

步骤3，HTTP TS 流SERVER 模块将该待请求的电视节目对应的TS 流直接发给媒体播放设备；

步骤4，HTTP TS 流SERVER 模块向切台模块发送切台请求，该切台请求中包含上述待请求的电视节目的信息，然后执行上述的切台流程。

（4）节目列表传输步骤

数字电视网关设备接收媒体播放设备发送的节目列表请求，并根据节目列表请求，获取存储的节目列表，将节目列表发送给媒体播放设备。

节目列表传输流程包括以下步骤：

步骤1，媒体播放设备中的WEB 浏览器或定制的媒体播放器向WEB SERVER 发送节目列表请求；

步骤2，WEB SERVER 模块调用CGI 接口模块中的CGI 接口函数，向搜台模块发送节目列表请求；

步骤3，搜台模块从存储模块中存储的节目信息文件中获取节目列表；

步骤4，搜台模块将节目列表返回给媒体播放设备。

（5） UPNP SERVER 模块的启动流程步骤：

步骤1，媒体播放设备中的WEB 浏览器或定制的媒体播放器向WEB SERVER 模块发送UPNP 服务请求；

步骤2，WEB SERVER模块从存储模块存储的节目信息文件中读取各个电视节目的名称和URL 地址，并在指定文件夹下为每一电视节目生成播放索引文件，在该播放索引文件中指明该电视节目的HTTP 地址；

步骤3，WEB SERVER 模块设置UPNP SERVER模块的根文件目录为存放播放索引文件的文件夹；

步骤4，WEB SERVER 模块启动UPNP SERVER模块，此时，UPNP 网络上的WEB 浏览器或定制的媒体播放器就可以发现该播放索引文件，并能获取该播放索引文件的URL 地址。

3 数字电视网关的其他关键技术

3.1 数字电视节目数据转发为IP数据的实现方式

电视节目数据为TS流形式，每套TS流中包含了多个节目。每套节目都需要转换为不同的网络串流，每一个串流都可以被多个用户同时使用。考虑到终端用户的网路环境已大多为Wi-Fi网络，且终端网路的用户数量有限、网络带宽较好，这些串流宜采用单播的方式进行，采用网络协议优先考虑HTTP、HLS、RTSP等协议。

3.2 信源转码

为了适应不同的终端（包括性能、网络带宽、解码器等方面），需要对节目的音视频编码方式和码率进行转换，以便适应多种终端的接收。转码后的视频编码方式为H.264，音频为MP3格式。码率分几个档次，用户可以自由选择。

3.3 数字电视节目解扰

数字电视网关面对多用户连接，必然存在不同用户收看不同节目的问题。对于加扰数字电视数据，需要网关能够同时进行多套节目解扰。解扰采用机卡分离方式，选用DVB-CI及CI+标准。

数字电视网关接收来自DVB网络的数字电视节目，通过CI协议栈传输流接口在每个方向上传输MPEG-2 TS包。如果条件接收模块允许接收TS流的服务，而且这些服务已经被选中，则模块返回包括这些服务已解扰的包，而其他的包并未作改变。CI协议命令接口载有条件接收模块中的应用和主机之间通讯的信息，包括CA信息，CI信息，DVB主机控制信息等。数字电视网关提供给条件接收模块的MPEG-2 数据，接口为8位的数据总线MDI0— MDI7。另外，还有两个控制信号MISTRT和 MIVAL。这些是通过时钟信号MCLK同步输入条件接收模块中的。条件接收模块中返回的MPEG-2数据从另一组8位数据总线MDO0— MDO7 输出。类似地有两个控制信号MOSTRT和 MOVAL。解扰后的MPEG-2数据可以传输到数字电视终端播放或重新打包成IP数据包传输到移动多媒体终端播放。

3.4 数字家庭网关控制

客户端可以通过IP网络连接到网关，并对网关进行全面的控制。同时网关产品还可以作为简单STB和网络媒体播放器使用，连接电视或其他显示设备后，通过遥控器和OSD显示，提供数字家庭网关本地控制功能。

3.5 DRM保护

支持内容数字版权加密保护技术DRM(Digital Right Management)和互联网协议上的数字传输内容保护DTCP-IP(Digital Transmission Content Protection over Internet Protocol)。

DRM技术采用key和license对数字电视内容进行加密，在数字电视内容加入到运营商网络之前完成加密，在运营商网络中只分发经过加密的数字内容，并且所有的key和license需由专门的服务器管理，只有得到运营商授权的用户才能够观看相应权限的内容。通过DRM技术有效地保护了数字电视节目内容，防止数字内容被非法盗用[3]。

3.6 网络媒体播放器功能

实现在线网络视频播放功能，对网络媒体的编码格式、文件格式有多种要求。网络串流协议要求支持HTTP、RTSP、RTP、MMS等。该功能的实现主要借助流媒体技术，在用户选择某一服务后，Web浏览器收到指令并生成控制信息，将其传输到Web服务器端，客户和服务器端一般采用HTTP/ TCP协议传输和交换信息，本方案也支持RTSP、RTP、MMS等协议。服务器将需要传输的数据检索出来，在客户端Web浏览器完成对客户程序初始化后，流媒体服务器把需传输的音视频数据打包为音视频流，通过IP网络传输给客户端，传输过程中需响应客户的交互请求，并且保证音视频流输出的连续性。音频和视频信息需要保持同步，首先需要以稳定的速率传输播放，否则可能出现画面的抖动、马赛克等问题；其次，在音视频流中包含的音频、视频等多种信号必须保持同步，否则可能出现画面和配音不一致或口型不匹配等问题。在响应客户的音视频流后，流媒体服务器会借助缓存来保证播放的连续性及稳定性，一部分音视频数据先被读入缓存后通过IP网络传送到客户端，通过缓存保证播放画面流畅[4]。

4 结束语

本文介绍了一种新的数字电视网关方案，通过对来自DVB网络的数字电视节目数据进行解扰、转换、分发，实现了在家庭网络或公共网络和广电网络电视节目在多款移动媒体终端上的收视功能。该方案将数字电视接收技术和互联网流媒体技术结合，成为广播网和IP网络之间的桥梁，可以直接在现有DVB网络中使用，此外，该方案也兼顾传统家庭网关具备的移动终端互联互通功能，具有在线软件升级、配置功能，日志查询和设备诊断，移动互联网设备远程配置管理等功能，该方案可以应用于包括家庭，集体宿舍，交通工具，候车室，餐馆，商场等公共场所，可以助力有线电视运营商将各种智能终端一网打尽，让有线电视运营商可以在各种高性能智能终端上开展丰富的单双向业务和拓展业务空间，市场应用前景广阔。

（References）

[1]袁麓，许艾明，童昭维.一种基于三网融合的智能家居网关系统的研究[J]，中国有线电视，2013,(2)，27-29.YUAN Lu,XU Aiming,TONG Zhaowei.Smart home gateway based on INT[J],Chinese Cable TV,2013,(2)，27-29.(in Chinese)

[2]李鹏.三网融合让家庭网关成家庭信息化平台[J],通信世界周刊,2010,(3),42-43.LI Peng.INT regard home gateway as home information platform[J].Communication World,2010,(3):42-43.(in Chinese)

[3]皮莉,阙秀震,文博.IPTV技术概要及相关软件技术探讨[J].通信与广播电视,2008,(1),15-17.PI Li,QUE Xiuxia,WEN Bo.IPTV technology and related software technology[J],Communicate and Broadcast Television,2008,(1):15-17.(in Chinese)

[4]汤军.数字电视与IPTV[D].北京：北京交通大学,2012 TANG Jun.Digital TV and IPTV[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2012.(in Chinese)

Newly discovered solution to digital TV gateway

HOU Haixin，LEI Yangmei
（Department of Technology,Shenzhen State Micro Technology Co.,Ltd.Shenzhen 518057,P.R.China）

A digital TV gateway scheme is presented in this paper.Its features lie in helping descramble and transport DVB signal in home networks,and enabling DVB signal to play on mobile terminal devices.General home gateways on the market do not support encrypted DVB network signal played on the mobile terminal;however,that is what this solution focuses on.

digital TV；conditional access；gateway

TN915.05

：A

1672-6332（2014）01-0046-06

【责任编辑：高潮】

2014-1-12

候海鑫（1978-），女（汉），辽宁昌图人，硕士，主要研究方向：数字电视电子技术；E-mail：hxhou@smit.com.cn