數(shù)字電視系統(tǒng)安全播出與精確運(yùn)營

關(guān)雪峰

1 集成平臺建設(shè)背景

目前，國家廣電總局批準(zhǔn)的全國性付費(fèi)頻道近百家，他們既有電視臺籌辦，也有商業(yè)公司籌辦，通過衛(wèi)星信號傳輸?shù)饺珖鞯兀搿奥涞亍庇脩艚K端，必須與各地有線電視網(wǎng)公司合作完成，全國幾百家地方網(wǎng)絡(luò)公司，推廣落地談判難度可想而知；另一方面，各地網(wǎng)絡(luò)公司由于數(shù)字化改造，頻點(diǎn)增多，需要大量的數(shù)字頻道內(nèi)容加以填補(bǔ)，迫切需要一個優(yōu)秀的整體節(jié)目打包方案及供應(yīng)商，頻道集成商就這樣應(yīng)運(yùn)而生了。頻道集成商的角色好像頻道商與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的橋梁，它一方面為頻道商提供全國推廣落地及加密上星等服務(wù)；另一方面為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供整體數(shù)字電視頻道打包銷售方案，連接上下游，使整個數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)鏈順利運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 技術(shù)架構(gòu)

中央節(jié)目平臺的技術(shù)構(gòu)架包括數(shù)字頻道播出系統(tǒng)，編碼系統(tǒng)、復(fù)用加擾系統(tǒng)、加密系統(tǒng)（CA）、計費(fèi)系統(tǒng)（也稱用戶管理系統(tǒng)）及調(diào)制傳輸系統(tǒng)等子系統(tǒng)，跟其他數(shù)字電視廣播系統(tǒng)相比，中央節(jié)目平臺的技術(shù)系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)安全播出與精確運(yùn)營，因此引入代播概念和兩級CA同密體系，本文主要介紹代播系統(tǒng)和加密系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)工作。

圖1 集成平臺系統(tǒng)框圖

如圖1所示，整個系統(tǒng)框圖含有兩種信息流：一種為節(jié)目信息流（實線箭頭），主要是節(jié)目內(nèi)容：播出系統(tǒng)播出基帶數(shù)字信號，經(jīng)過編碼系統(tǒng)進(jìn)行編碼壓縮，復(fù)用系統(tǒng)把多個頻道的壓縮信號進(jìn)行復(fù)用打包成傳輸流，經(jīng)過加擾系統(tǒng)變成加擾的傳輸流，然后通過調(diào)制傳輸系統(tǒng)把信號傳輸給用戶；另一種為控制信息流（虛線箭頭），主要用于管控用戶收看權(quán)限：通過計費(fèi)系統(tǒng)管理用戶權(quán)限，加密系統(tǒng)根據(jù)計費(fèi)系統(tǒng)中權(quán)限分配對加擾系統(tǒng)生成的節(jié)目密鑰進(jìn)行加密，把加密后的密鑰和加擾節(jié)目流一并傳輸?shù)浇K端用戶。

3 數(shù)字電視代播系統(tǒng)

3.1 中央節(jié)目平臺業(yè)務(wù)模式

2003年，根據(jù)廣電總局的總體規(guī)劃，中央電視臺開始建設(shè)中央節(jié)目平臺，面向全國各地的有線網(wǎng)絡(luò)公司提供中央電視臺和地方的付費(fèi)頻道。作為全國第一家數(shù)字付費(fèi)電視集成平臺，并沒有先例可以參照，通過不斷的摸索和實踐，經(jīng)過十年的建設(shè)，截至到2013年底，中央節(jié)目平臺上已集成了十多套公共頻道、四十多套付費(fèi)頻道，接收中央節(jié)目平臺的節(jié)目信號的各級有線網(wǎng)絡(luò)公司達(dá)到兩三百家，成為目前全國起步最早，集成頻道最多，覆蓋用戶最多的節(jié)目集成平臺。

針對不同的節(jié)目提供商，我們采用異地播出和本地播出（代播）兩種模式。

（1）異地播出模式。異地播出方式主要適用于比較大的節(jié)目提供商，尤其是那些依托于地方電視臺的頻道商，有完整可靠的節(jié)目播出和傳輸技術(shù)系統(tǒng)，節(jié)目提供商在本地（非北京）播出、編碼壓縮，信號通過省網(wǎng)絡(luò)公司傳輸?shù)街袊芯€，再通過中國有線SDH骨干網(wǎng)進(jìn)入北京的中央節(jié)目平臺機(jī)房，中央節(jié)目平臺對信號進(jìn)行實時加擾處理，與其他經(jīng)過同樣處理節(jié)目流打包復(fù)用成38M的加密傳輸流，經(jīng)無線局上行站傳輸?shù)街行?B衛(wèi)星，完成集成上星工作。

（2）本地播出模式（代播模式）。本地播出模式（代播）主要適用于小型節(jié)目提供商，沒有節(jié)目播出和傳輸技術(shù)系統(tǒng)，只有節(jié)目制作能力，中央節(jié)目平臺為其提供有償代播業(yè)務(wù)，頻道商定期把節(jié)目素材帶和編播單以固定格式快遞到中央節(jié)目平臺代播機(jī)房，由代播機(jī)房在北京上載編單，通過本地播出直接進(jìn)入集成平臺。

3.2 中央節(jié)目平臺代播系統(tǒng)

中央節(jié)目平臺的代播出系統(tǒng)建設(shè)目的有兩個：一是從經(jīng)濟(jì)角度考慮，為了幫助沒有播出能力的頻道商實現(xiàn)本地播出，節(jié)約成本，形成“異地制作，本地上載播出集成上星”的業(yè)務(wù)模式；二是從安全播出角度考慮，經(jīng)過近幾年的安全播出統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，播出和傳輸環(huán)節(jié)事故合計占比超過80%以上，而建設(shè)代播系統(tǒng)由于減少了省網(wǎng)、國干網(wǎng)的傳輸環(huán)節(jié)，大幅度降低傳輸事故率，提高了播出系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性，使總體停播率控制在一級水平（小于5秒/百小時）。

（1）節(jié)目播控系統(tǒng)。根據(jù)代播頻道的實際需求，一期按10個頻道的播出系統(tǒng)搭建。頻道商由中央節(jié)目平臺代播可采用以下方案：一是頻道商需要將做好的、經(jīng)過審核的數(shù)字頻道播出帶拿到中央節(jié)目平臺代播機(jī)房進(jìn)行節(jié)目的上載管理。二是頻道商直接將數(shù)字帶轉(zhuǎn)成文件化的節(jié)目通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上載。上載完的播出內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)看審看，同時上載完成后的視音頻文件，根據(jù)播出單的需要保留在視頻服務(wù)器進(jìn)行播出。視頻服務(wù)器信號、錄像機(jī)信號以及測試（或墊片）信號等都送到播出切換開關(guān)和矩陣。播出切換開關(guān)和矩陣的主備信號經(jīng)過倒換開關(guān)，視音頻分配器，形成最終的播出信號。播出切換開關(guān)信號和矩陣信號鍵上臺標(biāo)和字幕，輸出到2選1倒換開關(guān)形成主備視音頻節(jié)目播出SDI基帶信號。

信號監(jiān)看方面，節(jié)目信號從視頻服務(wù)器播出信號，再到主備切換器開關(guān)信號及鍵控后和最終的2選1切換開關(guān)信號，都通過畫面分割器進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)的信號監(jiān)看，從而第一時間查找和分析播出事故故障點(diǎn)。同時，節(jié)目監(jiān)看點(diǎn)還包括了節(jié)目編碼后及整個傳輸流復(fù)用后的碼流及解開的視音頻。

（2）編碼壓縮復(fù)用系統(tǒng)。節(jié)目播出信號為未經(jīng)壓縮的基帶信號，因此還需要進(jìn)行編碼壓縮，并通過與中央節(jié)目平臺加密機(jī)房的CA、SMS、EPG/SI等系統(tǒng)相連接，在復(fù)用系統(tǒng)中完成節(jié)目的加擾和復(fù)用，并在主、備復(fù)用器中插入PSI/SI發(fā)表信息。

（3）衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)。經(jīng)過復(fù)用加擾后的代播信號通過適配器轉(zhuǎn)成主備兩路DS3信號，通過光鏈路傳送至無線局中心站點(diǎn)，中心站將主備路節(jié)目源進(jìn)行分配，傳送至地球站，地球站將主備路節(jié)目源（DS3信號）接適配器，輸出的ASI接口信號送入上行系統(tǒng)，通過中央節(jié)目平臺租用的衛(wèi)星C波段轉(zhuǎn)發(fā)器向全國范圍進(jìn)行衛(wèi)星信號的傳輸。

4 數(shù)字電視加密系統(tǒng)

4.1 CA技術(shù)原理

“付費(fèi)電視”顧名思義就是通過用戶收視費(fèi)實現(xiàn)電視制作及播出成本的回收，有別于以前免費(fèi)電視通過廣告費(fèi)贏利的模式，如何通過技術(shù)手段實現(xiàn)用戶管控和精確運(yùn)營，就不得不介紹CA（Conditional Access）系統(tǒng)，譯為“條件接收系統(tǒng)”，也叫加密系統(tǒng)，主要功能是實現(xiàn)在單向廣播網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)對接收終端的有效管控。

加密系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)是通過控制字（Control Word）對傳輸流加解擾以及安全傳輸控制字到經(jīng)過了授權(quán)的接收者。

當(dāng)前，加擾的方法是領(lǐng)加擾序列控制實現(xiàn)對視音頻流的擾動，利用加擾序列與視音頻流之間的位運(yùn)算來實現(xiàn)對節(jié)目音視頻碼流的加密。例如圖2所示，在發(fā)送端采用偽隨機(jī)序列發(fā)生器，以輸入的控制字所產(chǎn)生的特定的加擾序列作為依據(jù)，然后通過加擾序列來實現(xiàn)加擾?？刂谱种傅氖羌用苁褂玫?4位密鑰，一個控制字在使用了10秒到30秒之后就會更換為新的控制字。加擾算法采用的是DVB所規(guī)定的通用加解擾算法，不進(jìn)行公開發(fā)布，廠商可以對加擾算法和解擾算法進(jìn)行單獨(dú)購買。通常情況下，加擾算法與偽隨機(jī)序列發(fā)生器都是在加擾器中實現(xiàn)。

圖2 加擾過程

對控制字的安全傳輸，指的是可以將控制解擾的控制字安全的傳輸?shù)綋碛惺跈?quán)的接收者。因為控制字可以直接生成相對應(yīng)的解擾序列，所必須要對其進(jìn)行加密，然后傳輸?shù)浇邮斩?。如圖3，當(dāng)前所采用的方式是通過授權(quán)控制信息發(fā)生器（Entitlement Control Message Generator，ECMG）對控制字進(jìn)行相應(yīng)的加密，然后生成授權(quán)控制信息（Entitlement Control Message，ECM），并將該信息發(fā)送到接收端中。而對控制字加密的密鑰則是采用循環(huán)加密的方法來進(jìn)行加密傳輸，中間的各層密鑰和最終利用智能卡密鑰加密過的密鑰會利用授權(quán)管理信息（Entitlement Management Message，EMM）發(fā)送到接收端，EMM 由 EMMG（授權(quán)管理信息發(fā)生器）生成。不同的CA對控制字的安全傳輸方法也各不相同，在加密系統(tǒng)安全策略中，對控制字的安全傳輸策略是最為核心的部分。

圖3 CA框圖

4.2 CA同密技術(shù)原理

同密（Simulcypt），是指在前端兩個或兩個以上的CA系統(tǒng)對同一個音視頻傳輸流進(jìn)行加擾，每套CA系統(tǒng)使用自己的私有算法對共同的控制字進(jìn)行加密傳輸，在接收端，用戶使用與前端任何一種CA相匹配的接收機(jī)，便可以接收并解擾信號。

圖4 同密原理

同密技術(shù)前端原理如圖4，兩個CA系統(tǒng)A和B同密，授權(quán)管理信息發(fā)生器（簡稱EMMG）通過標(biāo)準(zhǔn)接口與復(fù)用器連接，EMMGA和EMMGB采用各自的加密系統(tǒng)對相關(guān)信息進(jìn)行加密；ECMG通過同步同密器（SimulCrypt Synchronizer，SCS）標(biāo)準(zhǔn)接口與復(fù)用器進(jìn)行連接通信，SCS將CW生成器生成的CW分別傳送給ECMGA和ECMGB，進(jìn)行加密產(chǎn)生ECMA和ECMB，同時調(diào)整兩個ECM的時序，控制ECM與CW的同步關(guān)系。SCS與復(fù)用器進(jìn)行通信，進(jìn)行加擾復(fù)用。通常情況下，SCS和CW生成器放在復(fù)用器當(dāng)中。

同密技術(shù)最初的目的是為了提高運(yùn)營商對智能卡的議價能力，因為一旦前端選用了A品牌的CA系統(tǒng)，就必需采購A品牌的智能卡，為防止CA廠商在智能卡價格上漫天要價，因此運(yùn)營商引入1－2個不同品牌的CA系統(tǒng)進(jìn)行同密，也就引入了競爭，從而節(jié)約運(yùn)營商的終端成本。

4.3 節(jié)目平臺同密系統(tǒng)

節(jié)目平臺從建設(shè)之初，立足服務(wù)全國的付費(fèi)電視集成加密平臺，當(dāng)時國內(nèi)外CA廠商幾十家，為了有利于與各地網(wǎng)絡(luò)公司進(jìn)行對接及終端適配，中央節(jié)目集成平臺最終采用了國內(nèi)主流的四家CA系統(tǒng)：NDS、Irdeto、永新視博及天柏。前兩家是國外廠商，分別是基于算法加密和基于密鑰加密的代表，技術(shù)領(lǐng)先且運(yùn)營經(jīng)驗豐富，而國內(nèi)兩家廠商在國內(nèi)擁有較高的市場占有率，四種CA通過組合使用可以兼顧安全性及市場拓展。

當(dāng)前，同密的CA系統(tǒng)和復(fù)用加擾器之間的鏈接主要有兩種控制方式可以實現(xiàn)。一種方式是通過固定的AC（Access Criterion，訪問控制）來實現(xiàn)控制；另外一種方式是，通過動態(tài)的 AC 方式也就是利用 EIS（Event Information Scheduler，事件信息調(diào)度器）傳送加擾組條件來實現(xiàn)自動空中。當(dāng)前，第一種方式使用的較多，這種方式在實現(xiàn)上較為簡單，可以通過手工輸入方式將AC條件存于復(fù)用加擾器之中，復(fù)用加擾器只需要提供標(biāo)準(zhǔn)的ECM、EMM接口就可以完成相關(guān)的操作。而當(dāng)前，中央節(jié)目平臺所采用的是第二種方式，也就是動態(tài)AC方式，這種方式比較復(fù)雜，需要復(fù)用加擾器提供標(biāo)準(zhǔn)的EIS接口，同時要求CA系統(tǒng)也要有EIS生成模塊，復(fù)用加擾器中集成的SCS具有對CA加擾組的控制和管理功能，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的EIS＜=＞SCS接口與EIS連接并完成對加擾組的自動控制。AC信息不是存于復(fù)用加擾器，而存儲于EIS的Scheduler配置文件，對同密節(jié)目加密調(diào)整是通過配置Scheduler配置文件，EIS系統(tǒng)把新生成的AC信息發(fā)送給復(fù)用加擾器中的SCS，SCS把AC和CW分別發(fā)給四家CA系統(tǒng)的ECMG進(jìn)行加密，加密后的四種ECM信息送回給SCS，與四家EMMG生成的EMM信息一起與音視頻進(jìn)行打包生成同密加擾的TS流進(jìn)行傳輸。業(yè)務(wù)信息生成器（Service Information Generator，SIG）負(fù)責(zé)把四家ECM和EMM的PID等信息發(fā)送給終端，以便終端解擾。

中央節(jié)目平臺采用的由四家CA構(gòu)成的動態(tài)AC同密架構(gòu)，系統(tǒng)集成的難度很大，但可以實現(xiàn)CA與復(fù)用加擾設(shè)備的自動連接和控制，為CA系統(tǒng)的復(fù)雜的功能及擴(kuò)展功能的實現(xiàn)提供了良好的通道。迄今為止，同密的四家CA系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足中央節(jié)目平臺運(yùn)營要求。

4.4 兩級CA兩級SMS體系

所謂兩級CA，就是指中央節(jié)目平臺加擾傳輸?shù)臄?shù)字付費(fèi)節(jié)目在各個地方網(wǎng)絡(luò)公司的前端不進(jìn)行解擾，而是直接利用服務(wù)平臺的網(wǎng)絡(luò)直接將節(jié)目傳送到用戶的終端；而對用戶的授權(quán)則主要是通過中央節(jié)目平臺與服務(wù)平臺兩方來一起實施，也就是用戶資源在同時具備了中央節(jié)目平臺以及服務(wù)平臺這兩方的授權(quán)信息時，擦可以解密然后收看到到相對應(yīng)的加擾節(jié)目。也即是，雙方可以并且是必須共同對用戶控制，任何一方都不可以逾越另外一方單獨(dú)對用戶進(jìn)行授權(quán)；同時，其中的任何一方如果對用戶的授權(quán)持有異議，那么就可以單獨(dú)將授權(quán)關(guān)斷，讓該用戶不能夠繼續(xù)收看相對應(yīng)的中央節(jié)目平臺的加擾節(jié)目。

在兩級CA模式之中，中央節(jié)目明天與各個服務(wù)平臺所采用的CA系統(tǒng)必須擁有相同的軟件版本，并且必須是相同的品牌。各個服務(wù)平臺可以選擇中央節(jié)目平臺所使用的四種CA同密系統(tǒng)中的任何一種或者是多種CA系統(tǒng)來和中央節(jié)目平臺進(jìn)行兩級對接。

兩級CA技術(shù)最大意義是使“精確運(yùn)營”有了技術(shù)基礎(chǔ)，原來的節(jié)目提供商需要通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商傳遞到最終用戶，由于節(jié)目提供商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商都有CA系統(tǒng)，都想掌握最終用戶的控制權(quán)，為了解決這個矛盾，中央節(jié)目平臺設(shè)計了兩級CA技術(shù)，從技術(shù)上解決了這個難題。由于CA只是加密系統(tǒng)，真正的計費(fèi)和統(tǒng)計功能由用戶管理系統(tǒng)（SMS）承擔(dān)，因此節(jié)目集成商SMS與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的SMS需要在兩級CA的基礎(chǔ)上進(jìn)行對接，成為兩級SMS兩級CA。

為了便于授權(quán)和用戶管理，各服務(wù)平臺和中央節(jié)目平臺的用戶管理系統(tǒng)（SMS）也需要進(jìn)行兩級對接，雙方SMS的品牌和軟件版本號不必相同，只需要通過由中央節(jié)目平臺提供的兩級SMS接口（WEB Service方式，有統(tǒng)一的接口規(guī)范）進(jìn)行對接即可。

兩級CA兩級SMS技術(shù)是在CA同密技術(shù)與兩級CA技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，結(jié)合了中央節(jié)目平臺、地方服務(wù)平臺、CA廠家及SMS廠家技術(shù)人員共同研究成果，實施前進(jìn)行了多系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，四家CA在同密環(huán)境中先后與近百家地方網(wǎng)絡(luò)公司系統(tǒng)進(jìn)行對接，累計管理兩級用戶超過1 000萬，誤差率控制在1%以下。

5 結(jié)束語

首先，付費(fèi)頻道與傳統(tǒng)衛(wèi)視頻道相比，事故率居高不下，主要付費(fèi)頻道大都采用異地播出方式，全國各地的付費(fèi)頻道播出信號通過中國有線的國干網(wǎng)匯聚到集成平臺進(jìn)行統(tǒng)一加密上星傳輸，由于傳輸線路長，一旦發(fā)生光纜中斷，很難迅速定位故障點(diǎn)，造成長時間安全播出事故。針對以上問題，在集成平臺建設(shè)代播機(jī)房，使播出環(huán)節(jié)與集成環(huán)節(jié)合并，減少了傳輸環(huán)節(jié)，大幅度降低付費(fèi)頻道事故率。

其次，付費(fèi)頻道贏利模式完全依賴于收視費(fèi)，因此，對用戶的管控至關(guān)重要，條件接收系統(tǒng)的引入解決了用戶管控的問題，但作為付費(fèi)頻道集成商需要平衡頻道商與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在用戶管控上的利益，需要對加密系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步深化設(shè)計，通過集成平臺CA、SMS與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)對接與集成，自主設(shè)計研發(fā)的兩級CA體系，實現(xiàn)了頻道集成商與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商共同管控用戶，精確運(yùn)營的目標(biāo)。另外，由于各地網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的CA品牌不統(tǒng)一，為了實現(xiàn)廣泛的對接，中央節(jié)目平臺采用的是四家CA同密環(huán)境，這使兩級CA的適用范圍迅速擴(kuò)大，用戶擴(kuò)張速度進(jìn)一步加快。

中央節(jié)目平臺作為全國起步最早、實力最強(qiáng)的全國性付費(fèi)頻道集成平臺，通過有效的技術(shù)手段解決了安全播出和用戶管控兩個在付費(fèi)電視領(lǐng)域的難題，為付費(fèi)電視產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。