单向低成本机顶盒实现双向应用的方法探讨

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  [摘要]本文从双向机顶盒(STB)的结构出发,列举了五种单向低成本机顶盒升级为双向STB的办法、特点,研究了有线数字电视运营商选择双向STB的思路以及整体转换方案中对单向STB接口的特殊要求,并介绍了五种方法的推广应用。
  [关键词]双向机顶盒 单向机顶盒 PSTN IPR
  
  “十一五”期间,随着有线数字电视的大力推广,越来越多的低成本机顶盒进入千家万户。这些STB的特点是1、基于单向网络。2、配置低。3、对用户而言绝大多数通过整体平移获赠。有线数字电视终端的双向运用是减轻有线电视运营商整体平移资金压力、尽快收回投资、实现有线电视增值业务发展、增强市场竞争力的重要思路。目前主要的双向应用是VOD(视频点播)、互动游戏和网页浏览等。如何在已投入使用的单向低成本STB上实现双向应用,值得广大运营商探讨。以下是笔者的一些观点,供同行参考。
  
  双向STB的结构
  
  双向STB是电视技术与计算机技术的融合,由硬件和软件组成。
  
  1、双向STB的硬件结构
  双向STB一般由高频头,调谐器、主芯片、内存、CA(条件接收)接口及视音频输出和回传通道等几大部分组成。其结构如图l。
  主芯片集成了CPU和图形管理器,可以运行各种软件完成诸多任务,如解复用、解扰、解码、网页浏览等功能。
  内存主要分为Flash ROM(简称Flash)、SDRAM和EEPROM。Flash用来存储STB的系统软件、驱动软件、应用程序及一些用户信息,在系统断电时内容还可保留。SDRAM存储器分为两部分,一部分作为CPU的内存,用于双向STB软件的运行,称为系统SDRAM;另一部分用于解码器存储中间数据,称为解码SDRAM。EEPROM存储器用于读取一些数据量小但需经常读写的数据,如当前节目信息及节目的音量信息等。
  
  2、双向STB的软件结构
  双向STB的软件可分为三个主要层驱动层、中间解释层和应用层,每一层都包含诸多程序或接口。
  1)驱动展:包括硬件的驱动程序和API(应用编程接口),主要用于完成对硬件设备的操作。
  2)中间解释层:将双向STB的应用程序指令翻译成CPU能识别的指令,从而通过驱动层去调动硬件设备完成相应的操作。该层包括嵌入式操作系统、CA驻留软件等。
  3)应用层:可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分。不同的双向STB软件设计理念使这两部分包含的应用程序不尽相同。
  
  3、一个结论
  由图1可知,双向STB的硬件结构为“回传通道”+“单向STB”。双向主流STB的基本配置为芯片主频>180MHz,Flash(闪存)≥8MBs,SDRAM(同步内存)≥32MBytes。由于目前芯片和内存价格大幅度下降,业界基于整体平移单向STB的基本配置大多芯片主频达到和接近180MHz,Flash(闪存)≥8MB,SDRAM(同步内存)≥16MB。从理论上可解决单向STB改双向的主要硬件问题。结论是:主芯片无需更换。必要时更换内存芯片。而32MB和16MB SDRAM价格相差不大。实验表明,主频在80MHz的主芯片也支持双向功能。故单向STB改双向时不存在主芯片的障碍。
  在软件方面,双向STB的软件结构与单向STB类同。
  
  单向低成本STB双向升级的方法
  
  从本质上讲,单向机顶盒的双向升级主要是以回传方式为核心。目前主要的回传方式分为以下几种:通过PSTN的电话回传、通过基于Cable Modem的HFC网回传及基于DAVIC/DVB RC通道的HFC网回传。由于DAVIC(数字视音频国际联盟)/DVB RC(基于ATM的数字电视传输标准)只规定了物理层,而对链路层数据结构如何实现未作出定义,也无成熟的标准,对实际的双向STB研发、测试缺乏指导意义,同时没有厂家提供对应的前端设备,也影响了STB的应用和推广,故本文不加讨论。
  
  方法一:PSTN法
  PSTN即公共交换电话网络。顾名思义,采用“PSTN法”单向STB升级后回传是通过PSTN网。要实现PSTN网的回传,STB必须对上行信号进行调制,调制只需通过技术成熟的modem。由于电话终端的接口为RJ-11,所以原单向STB必须加接RJ-11接口(引出线根据不同的STB从主板引出,主板电路作相应修改)。以同洲STB为例,根据资料,CDVB5120/CDVBC5180(采用SC2005主芯片)、CDVBC5350(采用Sti5518芯片)、CDVBC5668(采用Sti5516芯片等)可实现升级。必要时可将Flash和SDRAM容量加以升级,其升级示意图如图2所示(说明:图中主板包括主芯片,双向运用软件集成略)。
  本方法的特点是:
  1)信号上行方案技术成熟,技术难度小,实现简单,成本低。
  2)上行速率仅56Kpbs,速度慢。从理论上说用户体验差。
  3)需加装RJ-11接口,STB后壳要打洞,同时主板电路也要做相应修改。
  4)涉及到不同运营商开户、收费等问题,实际推广比较复杂。
  
  方法二:以太网法
  采用此方法升级后,回传是通过以太网。要通过以太网回传,上行信号必须通过网卡发送。故STB需加接网卡和网卡的输出接口RJ-45,同时主板电路必须作相应修改。同洲CDVBC5180(采用SC2005主芯片)、创维C7000(采用5150主芯片)等品牌均已成功实现升级。必要时将Flash和SDRAM容量加以升级。如图3所示。
  本方法的特点是:
  1)信号上行方案技术较成熟,技术难度小。
  2)上行速率10Mbps,用户体验高。
  3)须在STB内加装网卡和加装RJ-45接口,STB后壳要打洞;同时主板电路必须作相应修改,改装难度较大。
  4)涉及到不同运营商开户、收费等问题,实际推广比较复杂。
  
  方法三:Cable M0dem法
  采用此方法升级后回传通过HFC网,采用DOCSIS和Euro DOCSIS(欧洲电缆服务接口规范)标准。其上传的数据需从RJ-45接口取得(同时主板电路作相应修改),经外置Cable Modem调制后进入有线(HFC)网。必要时将Flash和SDRAM容量加以升级。如图4单向STB加装RJ-45接口和外置Cable Modem后即升级为双向STB。
  本方法的特点是:
  1)技术较成熟,有成熟的前端系统、计费系统、管理系统。 2)上行速率为5~42Mbps(采用DOCSIS标准)或5~65Mbps(采用EuroDOCSIS标准)。
  3)需加装RJ-45接口,STB后壳要打洞,同时主板电路必须作相应修改。
  4)由于DOCSIS或Euro DOCSIS标准成熟,许多网络的前端、分前端或小区已经有CMTS,故容易推广。
  
  方法四:IPR法
  IPR即数字电视交互信令盒,是深圳SZCOM公司改STB为双向STB的专利产品。单向STB通过RS232接口和IPR相连,即可实现双向运用。如图5(说明:有线网与以太网任取一种均可作为上行通道路由)。本方法在深圳蛇口电视台获得成功运营。
  本方法的特点是:
  1)改造后的双向STB可以通过IRP的ILI-45接口和运营商的宽带接入系统(如Cable Modem、以太网甚至ADSL、无线局域网等)连接,实现上行功能。
  2)无需对STB实行任何改动,实现简单。
  3)解决了目前国内普遍采用低成本机顶盒解决方案带来的性能配置低的问题。一般情况下,要想实现交互,机顶盒都要集成相应的客户端、浏览器、中间件等第三方软件,在最低配置性能的解决方案上,集成难度非常大。而该解决方案中的IPR因为具有独立的CPU系统,可以承载客户端,浏览器等相关软件,大大减轻了对机顶盒的压力。
  4)解决了众多STB厂家和VOD系统生产厂家集成困难的问题。因为低成本机顶盒性能配置低,有些已经开发出双向机顶盒的厂商在和VOD系统生产厂家集成时,遇到很大的困难,往往需要花费半年甚至一年的时间。在该解决方案中,只要IPR和VOD厂家集成完毕,就可以由IPR和机顶盒进行集成,且非常简单。此优势可以大大降低运营商选择“整体平移”机顶盒的后顾之忧。
  
  方法五:有条件以盒换盒
  这是一种极端的情况,如果存在某开发商自行研发的双向STB,且采用由开发商向用户赠送盒子、投资建设上行通道和收视费分成的运营策略,则可考虑用双向STB替代单向STB的办法。原单向STB可作为家中第二台STB。
  本方法的特点是:
  1)上行方案、CA/STB智能卡均由双向STB开发商负责,有一定的技术垄断性,对运营商来说存在一定的技术风险,但本“方法”的运营策略可化解这种风险。
  2)由于开发商的CA需与运营商的CA作同密,故从理论上存在一定的技术难度。
  3)本双向STB可以通过开发商对运营商的网络采用多种方案(如Cable Modem、以太网等)进行上行改造后实现上行功能。
  4)从理论上说,本方法有一定的推广价值。
  
  运营商对双向STB改造方法的选择
  
  由于目前国内双向STB最主要的业务用途是VOD,因此下文主要研究基于此业务能正常运营的升级方案的选择。
  
  1、从网络改造上研究
  目前我国有线电视网的现状是:绝大多数网络为单向网,或以单向网为主,辅以少数基于DOCSIS标准的有线双向网。只有极少数网络完成了基于DOCSIS标准的有线双向网络改造或基于EPON的双向网改造(尤以EPON+EoC为多)。众所周知,网络改造的投入巨大,故不对有线网进行任何修改,直接利用PSTN网进行回传是短期内实现双向STB运用最便捷的选择。但PSTN网上行速率低,采用这种模式是否会影响VOD业务的开展呢?一个正常、完整的VOD业务流程只需在10~20秒内回传3~8次上行控制信息,每次最多需要16个字节。因此,最多总共需要上传8×16=128个字节。PSTN 56Kbps的上行传输速率至少可供56/0.128=437人同时点播。这对于边缘调制器置于小区的VOD业务来说,一般不会发生网络堵塞的情况。当然,下行的VOD视频仍然通过广播方式下传。故笔者以为,对于不涉及到网络浏览的VOD上行业务而言,采用PSTN网作上行回传是十分经济的选择之一。尽管这一“古老”的方式现在不被业界看好,但对于边缘调制器在小区的VOD业务来说,采用PSTN方式改造单向STB是较佳选择之一。
  因为其他几种方式都要对网络进行改造,需投入大量的人力、物力和财力。但对基于DOCSIS的有线网改造比较彻底的地区(如深圳),可考虑用Cable Modem法改造单向STB;对于已进行EPON+EoC进行双向改造的地区,则可考虑用以太网法改造双向STB。
  
  2、从改装的难易程度上探讨
  很显然,采用SZCOM专利技术改装单向STB最为便利,只需简单的连接即可,其软件集成也相对容易。对于大型网络,由于有线网的双向改造和A、B平台的建设比较早而且较为规范,用户数目庞大,故双向STB的改造成为主要矛盾。改造的原则是越简捷越好,故笔者推荐(加装)SZCOM设备法。
  
  3、从运营商的经济压力上研究
  上文列举的五种方法中,以太网法、Cable Modem法和SZCOM设备法都需要有线电视运营商投入巨资进行双向网络改造,而PSTN法涉及到与电信运营商的收费分成问题,在IPTV发展迅猛的地区,采用此法进行双向STB改造从理论上来说不成立,采用“有条件以盒换盒”策略,由开发商投资进行上行网络的建设,开发商向用户赠送STB,有线电视运营商提供频道资源和下行网络资源,增加的收视费收入采用增量分成的运营模式,实现“改造”单向STB的特殊方法,笔者认为对运营商的压力最小,此方法比较适合运营商资金不足,未进行大规模有线电视双向网改造的地区(用户规模:10~20万户)。
  
  整体转换方案中对单向STB接口的特殊要求
  
  在整体转换STB的选型方案中,不少运营商出于成本考虑,对单向STB的接口本着“能少则少”的原则,仅提供保障STB正常运营的信号输入、输出(含s端子)和RS-232接口。但笔者以为应根据情况考虑增加RJ-45和RJ-11接口,以实现向双向STB的升级。当然,主板电路应作相应改动,以适应信号上行需要。有条件(如资金雄厚)的地区,还可考虑在STB内加装网卡以实现网上浏览业务的需要增加成本现已降至50~60元。
  
  结束语
  
  目前,全国有线数字电视用户已达2700万户;换句话说,全国投入使用的有线数字电视STB至少达2700万台;保守一点说,这些STB95%以上为单向STB,其双向改造意义重大。除本文开头的描述外,还可由于STB的改装而增加大量的就业岗位,有较大的社会效益。
  需要说明的是:本文提到的五种方法,前三种理论上是可行的,但实现起来难度很大。这主要是因为STB硬件的高度集成化使得主板电路的修改较为麻烦,到目前为止尚无成功案例。但加装SZCOM法的成功运用说明前三种改装方法得以实施具有可能性。
  当然,前三种改装相对来说也是必要的。这是因为加装SZCOM法成本较高。据了解采用以太网上行的IPR需增加成本约200元,采用CableModem上行的IPR需成本近400元。故采用前三种方法对STB进行改装意义重大。因此,笔者希望STB厂商予以重视,必要时向数字有线电视运营商公布部分技术资料,以寻求合作开发。一旦开发成功(改装成本低于100元),必将造福于社会。诚如是,则五种改装方法(第五种为极端情况)均可在一定范围和条件内推广。
  如PSTN法比较适应于经济相对不发达、地广人稀的边远地区或VOD业务需求量小的区域;以太网法比较适应于经济较为发达、人口密集的地区;Cable Modem法比较适应于经济较为发达、人口密度不大的地区;SZCOM设备法比较适合大型厂矿、大城市中的独立有线网;有条件以盒换盒法比较适应于资金不太雄厚、双向网改造尚未实施的地区。
  对于整体转换尚未实施的地区,则在STB招标的过程中,考虑增加接口、预留网卡安装空间,并在主板上预留双向电路元件安装孔等方式;另外,芯片的硬件指标应尽可能高,如主频≥180MHz,Flash(闪存)≥8MB等。这样对今后双向应用的改装工作比较有利。
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