天威视讯高清交互电视技术发展之路

　 如果将天威视讯比作高清交互城市的“智慧大脑”，其开放的系统平台就是神经中枢，技术演进和升级不断拓展着感觉、运动和联络神经元，终端和应用则有效触探着业务末梢神经，共同构造出一个生机勃勃的有机体......

　　□文/ 曹利齐 叶晓宇 李冬临 刘羽丹 林武呈 廖骥君 谭乐 赵学宏（深圳市天威视讯股份有限公司）


　　战略规划与实施

　　从2007 年开始，数字音视频业务市场的竞争环境开始发生重大变化：IPTV 由局部测试进入商用，对有线电视用户的分流作用逐步显现；直播卫星升空，用户可免费接收40 多套节目；基于互联网的数字音视频娱乐需求，成为宽带IP 接入的重要推动力。

　　如果将有线电视运营置身于整个IT 行业，则应服从于IT行业的基本规律，即创新的技术、服务及商业模式将颠覆传统的、落后的技术和服务，由弱到强迅速发展壮大。

　　在研究分析了数字音视频业务市场、IT 产业状况、数字电视产业链等诸多因素之后，天威将自身定位为“音视频服务专家”，其主要内涵为“人无我有，人有我优”，在成为领先者的同时，始终保持自己在音视频服务的主流地位。为此，天威制订了以“高清、互动、多业务”为主线的技术研发及发展战略，并确定了总体技术思路，即以实现“高清、互动、多业务”为目标，在继承和利用既有技术成果及网络设施的基础上，通过应用创新和集成创新，建立一个开放、可管理、可运营、可扩展的新一代高清交互技术体系，其应可支持业务融合及灵活部署，以适应市场的快速变化。

　　天威新一代高清交互电视技术架构遵循TCP/IP 协议、DVB 协议、裁剪的W3C 规范、Java、扩展JS接口规范、API、应用协议等一系列定义和描述，可通过身份识别和接入认证系统，为用户提供广播、点播、网络录像、时移、增值业务、Internet 接入等一系列服务。

　　系统组成包括：

　　业务导航系统：也称门户（Portal）或业务大厅，是以下载更新的形式，向终端（用户）提供业务清单和入口。业务的变更、下载及拆卸可通过应用管理器实现。

　　业务管理平台：以业务提供及管理为目标，在对音视频系统及内容进行统一管理、调度及分配网络资源的基础上，通过与BOSS 系统的耦合实现用户的接入控制，定义并管理服务产品，按运营策略配置产品属性，实时发布按需服务内容，统计系统及资源使用数据，监控系统运行状态。

　　音视频系统：在统一业务管理系统的指挥、调度下，按任务和事件实现内容的实时和离线采集、存储、通过CDN 向用户提供推流服务。

　　增值业务系统：综合应用IP 及数字电视技术，提供基于宽带IP 的Web 及Java 应用，并能开展数字音视频和数据融合的创新型业务。

　　BOSS： 基于NGOSS 架构和eTOM 模型的新一代BOSS，在业务融合背景下支持多业务运营。

　　终端及中间件：在《高清交互机顶盒技术规范》和《中间件技术规范》等相关规范性技术文件的框架下，在终端上构建一个基于浏览器和JVM 双内核的通用软件平台，除了驻留应用外，其他应用均以下载方式运行，实时性和事件性应用以Java 应用为主，其他应用以Web 应用为主，支持Java 和Web 应用的相互调用，在软件体系架构的设计上保证业务融合的实现。终端支持HFC 双向接入和EPON+X 接入。

　　网络基础设施：以宽带IP 城域网为增值应用承载网，以CDN 为视频流承载网，以符合DOCSIS 规范的双向HFC 网为接入网，实现互动信号的传输及接入。

　 神经中枢：开放型交互平台

　　1. 特点

　　交互电视系统是前端、终端及相应网络的有机结合体，开放体系涵盖范围包括开放的架构、接口及通用和标准的协议等。其特点主要包括：

　　分层及模块化设计。明确划分业务承载、运营支撑、核心网络及接入网络并进行分层管理；利用统一接口适配层对核心业务处理进行逻辑分离，并实现各类增值业务的快速接入承载，接口适配层与外部接口均采用标准协议。

　　全网协同的体系架构。可根据用户规模、分布情况及所处的网络状况，结合不同业务的特点，支持集中式及分布式的灵活组合部署、平滑扩容及变更布局形式。

　　共享资源的融合型平台。可通过扩展性的架构实现对不同网络，如互联网、3G 等业务的接入和输出。

　　2. 建设思路

　　首先，参考主流的架构和标准。通用性是运营商选择体系架构的首要因素，以VOD 系统为例，采用厂商提供的端到端解决方案，虽然具备集成简单、部署迅速等优点，但业务扩展会受到一定的限制。为此，一些有线运营商提出了自己的标准，如美国Comcast 的NGOD 及TWC 的ISA 架构，其中，NGOD 不但充分考虑了业务扩展性，也便于主流系统提供商修改与实现。

　　其次， 考虑标准的运用情况。如天威的机顶盒中间件技术规范，借鉴了欧洲的DVB-MHP 和国家的DTVM 标准，在采用 Java 技术的同时，强化了HTML 及javascript 的应用，提出了Java 与浏览器相结合的双内核结构。除此之外，还应遵循以下原则：

★　尽可能采用通用协议。交互电视系统需采用多种网络协议，但无论是核心传输网还是各类应用接口，只要不是非特殊的场景和需要，应一律采用通用协议。

★　优化接口逻辑。子系统间为方便信息传递，封装了大量的接口，在进行系统集成时，要对接口进行优化，简化有关的处理逻辑（尤其是异常情况处理、过载保护等）及匹配接口性能，以提高系统效率及稳定性。

★　结合自身的特点和需要，制定特殊的接口、协议。针对标准空白的领域，运营商可按自身的特点进行补充和扩展。如天威在中间件技术规范中，即对javascript 进行了扩展，定义了一些基于数字电视应用的扩展API，以实现媒体播放、SI 信息获取等专属功能。

　　3. 优势

　　开放体系将导致系统技术的复杂度及项目管理难度的提升。但是，其成效将伴随运营的开展而逐步显现。其优势主要为：

★　可缩短应用开发和系统集成的周期、减少成本投入。

★　可充分利用和整合产业链中的优质合作厂商。整个交互电视产业链中，各子系统/ 模块合作企业中，很多在某一领域或方面处于领先地位，而开放体系则为多方优势整合提供了可能性。

★　可确保业务的扩展性和延续性。开放体系架构可实现系统的平滑扩容及新业务的无缝接入，可充分保障前期投资。

★　有利于推动跨区域的合作，显现协同效应。随着开放体系架构被借鉴及推广，将为运营商的跨区域合作与运营提供极大的便利性。

　　随着有线传输网从模拟、数字、双向提升至高清，交互视频系统（以下简称iTV 系统）也由功能较为单一的视频点播，扩展至可支持高标清格式的时移、回看、网络录像、远程教育及视频会议等业务，逐步迈向[FS:Page]2.0 时代。

　　1. iTV 系统1.0 的局限

　　在iTV 系统建设初期，天威公司为了尽快实现业务部署，采用了国外成熟的端到端解决方案。由于系统业务单一，因此iTV 系统中的视频服务器性能成为关注重点，由于忽略了系统的前台及后台管理，导致企业在iTV前期的运营中遇到了不少困惑，主要表现为两个方面：一方面，由于系统架构、各功能模块均是固定、封闭的，因此系统功能及业务表现不够灵活，无法根据运营商需求进行系统升级及业务扩容；另一方面，当系统需要扩容时，只能从单一供应商处购买，导致成本过高。

　　2. iTV2.0 的开放架构设计

　　鉴于以上原因，采用开放架构的iTV2.0 系统首先应确保系统接口的开放及统一封装；其次需要具有灵活的管理能力，能够通过开放的接口，管理不同品牌的视频

　　服务器及丰富的业务系统。

　　iTV 系统2.0 主要分成三部分：视频系统、管理系统、业务系统，系统模型如图1 所示。

　　其中视频系统主要实现视频业务的承载，完成对视频节目的上载、注入及推送，是交互视频系统的基础； 管理系统主要通过对媒资、存储、推流、网络资源等资源的后台管理，实现对视频流和节目媒体的控制。面对业务系统隔离视频系统的差异，并提供节目资源，是交互视频系统的核心；业务系统主要完成各种业务的实现，是用户对交互视频系统最直观的感受。

　　在该架构中，视频系统的所有服务器集群可由不同企业提供，业务系统通过业务管理，使各种业务能够共用视频服务器的存储和推流资源，实现资源共享及多系统模块的兼容。

　　3. 关键功能模块及特点

　　系统能否满足运营要求，除了架构的合理性外，还取决于功能是否足够强大、配置是否灵活等因素。以下三个功能模块需要重点关注。

　　媒体资源管理。其主要包含：视音频文件、多媒体文件及节目的元数据。在iTV 系统中，媒体能否有效进行安全存储、调度及销售是决定运营成败的关键。尤其当管理两组或以上视频服务器集群时，如何配置分配传输路径、磁盘空间、迁移媒体内容及管理媒体生命周期，均是需要重点解决的技术难点。加上时移电视、网络录像等实时业务，对系统的处理效率、稳健程度有更高的要求。

　　网络资源管理。iTV 的大规模应用，网络资源的有效管理，可极大地提高系统的整体利用率及并发流、IPQAM的有效利用率。相对于iTV1.0 的固定配置模式，2.0通过全局资源管理及有效的IP 路由策略，来均衡不同时段用户使用业务的分布变化，以降低系统的短板影响。

　　前台管理。直接面对用户的前台管理可分为两部分：

★　运营管理策略。节目的运营管理不但需支持多种优惠和捆绑策略，还需要支持第三方运营。

★　媒体呈现的用户界面。界面呈现称为业务导航（iPG），通过其可实现用户与系统的直接“对话”。虽然iPG 由html+javascript 来变现，形式灵活，但iPG 获取有关数据的效率和丰富程度，则因系统不同而差异巨大。

　　目前，天威iTV2.0 一期建设已开发完成，即将投入商用。

　　运动神经元：内容分发网络

　　作为承载网，内容分发网络（CDN）的规划与设计将直接影响视频点播、时移、网络录像等业务的服务质量。要承载大容量高清互动业务，必须组建具备高扩展性、高稳定性和具有自愈能力的CDN。

　　有线电视网络CDN 的作用为：将视频服务器集群的并发流分发至各分中心，并于分中心通过IPQAM 输出射频信号至接入网。目前，天威的CDN 按照数十个分中心、支持约10 万个并发视频流进行规划和建设，并可实现平滑扩容。

　　1. 规划与设计

　　CDN 规划与设计必须具有前瞻性，网络核心层的拓扑扩展性设计尤为重要。针对视频流的单向传播特性，天威CDN 网络采用星型与双归结合的拓扑结构，分为网络核心层、边缘分发层及接入层。

　　网络核心层。网络核心层由数台高端路由器组成，为大吞吐量、支持Tbit 级业务的网络核心。为了适应总前端及CDN 网络的可扩展性，核心层进一步划分为内容汇聚层及内容分发层。内容汇聚层连接总前端的视频服务器集群；内容分发层则根据用户的实际需要将并发流转发至分中心的边缘交换设备。网络核心层需充分考虑视频服务器的部署情况，可以是集中式、分布式或两者结合的方式。

　　网络核心层的设备选型主要应考虑高稳定性和可扩展性，其高端路由器必须具备以下几点要求：

★　高密度：适应于大规模的高带宽并发流及分中心扩容。

★　双引擎、双电源：核心设备必须具备很强的自愈能力。

★　数据硬件转发：数据转发不影响路由器的CPU 性能。

★　高转发缓存：以降低网络延迟和抖动对视频播放效果的影响。

　　边缘分发层。边缘分发层主要包括边缘交换设备及信号转换设备。结合用户的分布密度、地理位置等因素，边缘分发层可分为汇聚分中心和接入分中心。汇聚分中心和用户密度大的接入分中心与核心层直连，用户密度低且地理位置较为偏远的接入分中心则连接至汇聚分中心，通过“二次转发”实现与前端的连接。同时，汇聚分中心适用于跨地区提供高清业务，可在异地建立

　　汇聚分中心，并连接异地的接入分中心或直接连接接入层，即可共享本地的高清交互业务。汇聚分中心可选用低密度的高端路由器来保证一定的分发能力，接入分中心可采用低端交换机堆叠的方式保证分发网络的自愈能力。为了提高星型网络的自愈能力，可根据光纤分配网的资源，边缘分发层上联核心层采用双链路、双路由、负载均衡的冗余结构，以实现分发链路的冗余备份。

　　接入层。采用高密度的IPQAM 设备，将UDP/IP 格式封装的并发流调制为QAM 射频信号后，送至HFC网络。采用空分复用和频分复用，可充分发挥同轴电缆高接入带宽的特性，向用户提供高清质量的个性化服务，且与DOCSIS 及EPON+LAN 方式均可进行很好的衔接。

　　2. 配置与调度策略

　　CDN 的技术关键是灵活调度与自愈能力，因此在网络配置与调度策略中，应考虑以下几个因素：

　　合理的组网方式。应充分考虑并发流的分布情况，调整组网方式，以提高自愈能力；简化组网，使成本与性能取得一定的平衡。

　　智能的分发策略。智能的并发流调度，做到视频服务器、路由器及IP-QAM 的负载均衡，并尽可能采用最短路径；优化路由协议和策略，以提高收敛速度；部分链路、节点出现故障时，可快速切换至备份链路，避免中断服务。

　　匹配的带宽配比。由于IPQAM 的带宽较为刚性，区域性不均较为明显，因此承载能力需高于并发流输出能（约为1.3 ∶ 1），以应对局部出现的峰值；在部分地区经常出现并发流高峰，需考虑进行分布式部署，从而有效降低网络带宽的需求。

　　感觉神经元：Portal 系统

　　Portal 是所有数字电视应用的入口，构建一个可运营、可管理的全新Portal 系统，对于运营商的业务推广及营销有着极其重要的作用。

　　1. 传统数字电视Portal

[FS:Page]　　Portal 是用户开机后看到的第一个界面，一个富有视觉冲击力、操作体验良好的Portal 可充分提高业务对用户的吸引力。

　　在单向时代，由于数字电视业务类型单一，Portal 的呈现方式及包含的内容均较为简单。一旦Portal 开发完毕，栏目的增删、颜色风格的调整等都需要通过机顶盒软件的OTA 升级来实现。

　　随着数字电视业务的不断增加及运营商运营经验的不断丰富，运营商迫切需要一个全新的Portal 来配合新业务的快速部署，并能够根据运营策略对Portal 上呈现的内容及风格进行灵活调整。机顶盒芯片及中间件等技术的不断进步则为新一代高清Portal 系统的构建提供了强有力的技术基础。

　2. 设计原则及系统组成

　　原则1：合理的功能区划分和版式设计。进入高清时代，Portal 的可用面积更为丰富。通过对Portal 进行合理的功能区划分，不但可极大地增加信息量，而且在固定位置划分不同的功能区域，也方便了用户使用。

　　原则2：便捷的操作体验。Portal 系统页面操作逻辑统一，合理设计焦点的移动逻辑，可给予用户便捷的操作体验，使得Portal 真正起到门户入口的作用。

　　Portal 系统基于中间件平台构建，主要由前端的Portal 管理发布系统和终端的Portal 应用组成（见图2）。

　　Portal 管理发布系统：Portal 管理发布系统由后台配置子系统和内容发布子系统组成。其中，后台配置子系统基于B/S 结构，操作人员可通过后台对主页模板进行创建及管理，并能对栏目名称、栏目对应的链接、海报及对应的链接、天气以及跑马灯消息进行配置；内容发布子系统则主要面向应用下载服务及部署于终端的Portal应用。应用下载服务负责Portal 应用的整体更新，栏目信息、海报以及天气等内容则由终端的Portal 应用直接从内容发布子系统中获取。

　　Portal 应用：Portal 应用在终端主要体现的核心功能为业务入口，主要包括主页和快捷键菜单。考虑到Portal 的业务特性及运营需要，Portal 应用使用Web 网页的方式实现，使用标准的html、javaScript 及部分扩展javaScript 语言。Portal 应用将驻留在机顶盒中，以解决在Portal 系统异常或IP 不通的情况下的基本导航功能。而Portal 中的栏目信息及海报内容则从前端实时获取，实现了Portal 框架与内容的松耦合。故Portal 的更新也分为了两个层次，应用更新通过中间件应用管理器实现，内容更新则通过Portal 应用本身完成。

　　3. 技术关键词

　　T 字栏目结构。选用T 字型的栏目菜单方式，在一个界面中实现了一级栏目与二级栏目的显示，有利于提高二级栏目的使用率。并在T 字型两侧规划了多个条形图片位，运营人员可根据业务运营需要对海报内容进行拆条宣传或组合宣传。

　　分层级更新机制。将Portal 的更新分为了两个层级，对于Portal 内容的更新无需进行应用升级，大大降低了应用下载更新前端服务的压力。

　　2D 特效动画。在Portal 中应用了滑动、淡出等2D特效，使得Portal 的操作更富视觉冲击力。

　　个性化Portal。通过与统一鉴权认证系统的对接，对用户的身份进行识别及归类，下发不同特性的Portal，使得业务的推广更具针对性。

　　联络神经元：中间件平台

　　中间件具有的可扩充性、可移植性、互操作性、跨平台等特点，使得应用开发可不依赖于硬件平台及操作系统。通过中间件可实现业务的快速部署，避免机顶盒软件的频繁升级，降低新业务的开发及部署成本。整转过后，天威开始全力进军交互数字电视领域，对中间件的需求自然转向了对交互业务，特别是点播、nSP 及Web 应用的支持上。由于已有的中间件产品对交互类业务支持普遍不足，如在全球应用广泛的MHP 也只是在1.1.x 版本增加了对交互通道的初步支持且浏览器模块只是可选项。因此，天威不得不放弃使用现有的中间件，将思路调整为联合业内领先企业共同打造适应交互数字电视时代的中间件平台。

　　2007 年，天威开始着手进行中间件方案的调研及选型，随后以中间件国家标准草案为蓝本并参考业内相关中间件企业厂商的建议，牵头制定了天威自己的中间件技术规范。该技术规范在制定过程中结合了天威多年的实际运营经验，重点对主流中间件方案的不足之处进行补充和完善，可更好地对交互业务进行支持。

　　2008年，天威决定将中间件的研究成果应用于最新的高清交互机顶盒中，以便通过运营检验成果，找出技术规范中存在的不足，并收集运营过程中产生的新需求，使之真正成为一个开放、成熟、稳定的中间件技术规范。

　　天威在规范制定过程中首先遇到的问题是机顶盒的软件架构，MHP 及国标草案中对此都无详细的描述，而软件架构对于机顶盒产品又有着重要的指导意义。规范制定小组经过多次论证并参考已有的成熟中间件产品软件架构，最终提出了一个较为完整的模块化机顶盒软件架构。

　　天威中间件技术规范采用了Java 虚拟机及Web 浏览器双引擎，且基于两个引擎的应用可实现无缝切换，同时针对W3C 相关标准对DVB 环境下业务支持不足的问题进行了一定程度的补充及完善，以充分发挥浏览器的灵活与Java 高效的优势，使得运营商能够根据业务特点选择合适的应用表现形式。而对Web 应用的支持经过多年的发展已经逐渐成为嵌入式设备的必备条件，同时采用这种模式也为在交互数字电视平台中引入类互联网业务创造了条件。

　　另外，以往提到中间件往往是一个机顶盒终端的概念，但随着交互业务的发展，机顶盒终端与各业务前端系统的联系将越来越紧密。在中间件技术规范中必须能够对各种交互业务提供很好的支撑，特别是视频点播、网络存播等交互数字电视核心业务。因此，规范中定义了完整的TCP/IP 协议栈，并大胆放弃了MHP 中以广播应用为基点设计的应用管理器方案，构建了一个完整的、基于IP 网络的端到端的应用管理器系统，为运营商实现业务的快速部署奠定了基础。

　 神经末梢：高清交互终端

　　深圳有线数字电视高清交互终端是根据技术业务发展状况，结合市场需求及运营规划整体部署实施的。

　　天威视讯高清交互终端不但可支持高质量的音视频广播、点播、时移、网络录像等互动业务为，还可支持互联网接入、在线流媒体播放等业务。高质量的音视频服务，要求终端必须具有良好的音视频还原及表现能力，同时终端还要支持各类复杂的融合业务，为此天威高清交互终端采用了高性能的硬件平台，其软件体系为中间件+ 业务导航（Portal）架构。

　　1. 硬件平台

　　芯片性能：选择机顶盒芯片时，除考虑芯片的主频及MIPS 指标外，还需结合以下特性指标进行综合评估：

★　高速缓存。高速缓存的大小将影响CPU 的命中率及指令的执行速度，因此指令及数据缓存的大小也应予以重点关注。

★　2D 图形加速。高清终端对用户界面提出了更高的要求，良好的2D 图形加速性能，可支[FS:Page]持界面呈现更加生动的“动态”效果。

★　支持多解码格式。需支持主流的图像解码及音频解码。

★　解码效果。不同芯片平台的解码效果差异甚大，尤其是标清电视解码后以高清格式显示的效果。性能优劣除可通过仪器检测其参数指标外，还需结合主观评价来判断，如静止空间分辨率、动态空间分辨率、亮度再现、彩色再现及运动再现等具有较为敏感特点的内容等因素。

　　对网络接入的支持：网络接入需根据运营商自身的网络状况采用不同的接入方式。终端应支持内置CableModem 或以太网模式（形式上有RJ-45、EoC 或MoCA等），且不同的网络接入方式应采用终端内嵌模块实现。

　　外部接口：

★　视频输出接口。视频接口包括色差分量Y/Pb/Pr 和HDMI（1.3a 或以上）；HDMI 需支持HDCP 数字版权保护。

★　音频输出接口。音频接口包括RCA 和S/P DIF；RCA 除支持PCM 输出外，还需支持Dolby Digital 输出。

★　网络接口。网络接口应有RJ-45（以外接PC 或IP 电话等网络设备）及USB 接口，以支持U 盘、硬盘存储设备及网络摄像头、无线键鼠等外围设备。

　　其他功能和要求：

★　绿色功能要求。需优化终端平台的外围电路，以降低整机的功耗；需支持待机功能，使待机功耗小于1W，并支持待机时的升级触发；整机的结构设计需保障良好的散热性能。

★　实用要求。终端的安装支持多种放置，配置外接红外遥控接收头接口；前面板需配置一个USB 接口。

★　外观要求。终端应尽量小巧而美观，但需保障散热等性能要求。

　　2. 软件技术要求

　　操作系统：要求使用Linux 操作系统。

　　中间件：终端的大部分功能基于中间件实现，可通过网络应用及应用下载实现终端升级及业务扩容。中间件需支持Java 及html、javascript 浏览器的双内核方式，以便在支持交互应用的同时将业务延伸至互联网。

　　用户界面及操作逻辑：界面设计应以简洁、直观和易用为原则，结合数字电视门户（Portal）概念，在为用户提供综合导航服务的同时，提升业务的推广效果。

　　目前，天威视讯高清交互终端已可支持多业务运营，下一步的规划是丰富其外部接口，以连接更多的外部设备，使之真正成为家庭的综合信息终端平台。