姜亚军，刘蒽蒽，滕依珽

（咪咕视讯科技有限公司，上海 201206）

基于运营商需求的高性能机顶盒的研发与应用＊

姜亚军，刘蒽蒽，滕依珽

（咪咕视讯科技有限公司，上海 201206）

“宽带中国”发展战略推动数字化、智能化和信息化的浪潮向家庭领域不断延伸。机顶盒作为数字家庭的入口，是电信运营商布局家庭市场、拉动数字家庭业务创新的重要产品之一。电信运营商如何把握这一契机，研发出一款能满足其业务特性和发展诉求的机顶盒终端，正是本文所探讨的主要问题。

机顶盒；数字家庭；中间件；IPTV/OTT

1 引言

国家“十三五”规划以来，各电信运营商紧紧围绕“宽带中国”战略，加大了有线宽带的发展力度，进一步对数字家庭产品和服务进行了全面的提升和创新，推进智能家居产品发展，把握数字家庭入口。其中，机顶盒是数字家庭的重要产品形态之一，其承载的视频及丰富的增值业务也是拉动宽带发展、促进数字家庭业务创新的核心要素。本文通过对电信运营商宽带及机顶盒业务发展战略及现状的分析，探索在“宽带中国”大发展背景下，满足各电信运营商业务发展诉求的机顶盒终端的研发方向。

2 电信运营商市场机顶盒终端发展现状

家庭数字化服务依赖于宽带网络开展，电信运营商作为“连接提供商”，拥有着“用户规模”和“宽带”这两个得天独厚的资源，为开拓数字家庭市场提供了有力的优势。在家庭数字化服务中，IPTV/OTT业务目前的发展势头强劲，正在以迅雷之速抢占家庭娱乐中心。承载IPTV/OTT业务的机顶盒逐渐成为数字家庭的入口级产品，如何把握好机顶盒这一关键入口，成为电信运营商发展家庭市场的关键点。

2.1 探索机顶盒终端发展的必要性

“宽带中国”战略实施以来，截至2017年二季度末，全国固定宽带用户达到3.22亿户。其中使用20 Mbit/s及以上宽带用户占比达86%，使用50 Mbit/s及以上宽带用户占比达54.2%。按照战略规划，预计2020年国内家庭宽带的渗透率将达到70%，数字家庭市场具有极大的发展空间。

在家庭数字化服务方面，电信运营商早已开始行动，抢夺家庭入口，比如电信发布的“悦me”品牌，联通的“智慧沃家”产品，以及移动发布的“魔百和”产品等。根据奥维云网数据统计，截至2016年底，中国机顶盒终端的保有量为2.1亿台，覆盖3.67亿用户；IPTV用户总数达到8 679万户，较2015年增长率为89%，机顶盒业务发展呈现出一片繁荣的景象。

机顶盒作为数字家庭产品的重要终端形态之一，为数字家庭业务的发展提供硬件能力，同时也是助力家庭宽带发展、提升宽带品质、增加宽带粘性的核心产品。在当前IPTV/OTT业务快速发展、用户数急剧上升之际，运营商亟需研发出一款能同时满足业务发展诉求和用户使用需求的高性能机顶盒终端，通过家庭数字化服务拉动家庭宽带发展，并通过增值应用积极寻求新的业务增长点。

2.2 机顶盒终端发展所面临的问题

IPTV和OTT产业均已步入亿万级别规模，如何能在观感、体验和业务创新等方面获得突破，构建充分满足电信运营商业务诉求和用户使用需求的大屏娱乐，就对硬件终端、增值业务带来了更多的要求，同时也暴露了机顶盒终端在发展过程中所面临的下述几个问题。

2.2.1 机顶盒终端硬件配置

整体来看，机顶盒终端数量庞大，但硬件配置能力仍跟不上业务发展的脚步。互联网电视业务发展之初，集采机顶盒终端大多为高清机顶盒，直至2016年后，三大运营商才逐渐推动4K智能机顶盒标准统一，并将支持4 K@30 fps视频解码作为集采机顶盒的基本要求。根据机顶盒行业发展趋势，4 K@60 fps视频解码已成为硬件应具备的基础能力。运营商早期集采的机顶盒仅能支持至1080P视频解码，已无法满足业务及用户的使用需求，而目前运营商集采标准下的机顶盒配置也未能很好地支持高流量业务的开展，导致高流量业务发展乏力，无法进一步拉动宽带需求和发展。

2.2.2 机顶盒增值业务

除了硬件配置外，另一大问题体现在机顶盒的增值业务方面。电信运营商若要开展互联网电视增值业务，在网络基础条件、资费通道和用户资源等方面具有得天独厚的优势，但观察IPTV/OTT在多屏互动、智能语音、高清视频通话等增值业务方面的现状，各运营商的增值业务能力仍较弱，增值业务投入和开展力度低，导致数字家庭业务发展空间小，无法满足家庭市场的发展战略。

3 机顶盒的设计开发与应用

机顶盒终端作为家庭娱乐类终端，是视频及各类增值业务的载体，其承载的IPTV/OTT业务与电信运营商宽带业务发展高度协同，有效地促进了各运营商宽带业务的发展和宽带网速的提升；其丰富的增值业务承载能力也在各运营商进一步抢占家庭入口时起到了举足轻重的影响。为了使机顶盒在家庭市场中更有效地发挥业务承载、宽带拉动、创新发展的作用，各电信运营商需将机顶盒打造成能力更强的基础硬件平台。

3.1 电信运营商家庭业务发展需求

从目前各大电信运营商宽带发展的路径来看，都是以宽带部署为通路，以OTT/IPTV业务为抓手，以机顶盒终端为用户触点，在发展宽带用户数的同时，将机顶盒业务作为切入点和推进剂，着力发展视频及其它增值业务，提升用户ARPU值。宽带与机顶盒业务相互协同，形成良性反馈，互相推进发展。因此，各电信运营商在加大宽带基础设施投入和建设的同时，更加重视家庭业务发展的战略，希望占据更大的家庭宽带份额，通过繁荣的增值业务能力部署构建家庭生态环境，以实现三大核心诉求：一是拉动宽带进一步发展和提速；二是控制家庭市场入口，占据更多家庭市场份额；三是通过丰富的增值业务提升ARPU值。

3.2 系统设计

满足上述需求的机顶盒终端，首先，需要具备高流量业务的承载能力；其次，要具备丰富的增值业务扩展能力；再者，为加快增值业务的上线部署，标准化统一的接口也必不可少；最后，还需兼顾考虑成本因素。因此，上述需求具体落实到设计实现上，分为以下3个层次。

（1）提升硬件配置水平，打造更强的业务支撑能力：配置4核及以上高性能处理器，提高运算能力；提升高清及4K视频编解码能力；配置多路高清视频编解码能力；提升内存及FLASH配置空间；增强Wi-Fi性能；以USB、蓝牙接口为主要能力扩展口。

（2）基础能力封装，统一对外接口：通过中间件完成基础能力和扩展能力封装抽象，打造一致的系统配置和统一的外部接口，方便集中的业务能力管理和上层应用统一的接口调用。

（3）在部署基础视频业务的同时，加大部署典型的增值应用，通过典型的应用部署推进创新业务发展。

3.3 硬件配置

机顶盒作为视频及各类增值业务的载体，其硬件能力需满足高速发展的业务需求。在机顶盒硬件配置选型方面，CPU选择更高端的四核A53架构，为机顶盒提供更强的处理能力。

视频编解码方面支持全4 K，即支持4 K@P60、10 bit色彩深度和BT.2020色域，支持HDR功能，并兼容HDR内容到SDR内容的转换，具备真正意义上的4 K内容播放能力；同时，支持多路高清编解码，为电信运营商开展高清视频通话、VR等高流量业务提供必备的硬件能力。

存储方面选择1 GB RAM+8 GB Flash，在保障机顶盒流畅使用的同时考虑硬件成本。蓝牙方面，支持蓝牙接入外设，以便于硬件扩展衍生，如蓝牙游戏手柄、蓝牙音箱、蓝牙语音遥控器等。

整体来看，该配置在各大运营商集采的标准上有了较大的提升，既能满足运营商的业务发展诉求，又能兼顾硬件成本。

3.4 软件架构

软件架构基于Android系统以及业务发展需求，通过中间件将基础能力进行抽象，并对上开放统一的接口，在中间件之上部署基础的视频应用及增值业务应用，整体架构如图1所示。

3.4.1 中间件模块

中间件模块是软件架构设计的核心，起到对硬件及基础业务能力的抽象，并实现外部接口的统一。中间件主要模块如下：

（1）开机引导。开机引导模块实现对开机过程的管理，包括开机动画管理、首次开机的机顶盒配置使用引导、开机登录、首应用管理。

（2）桌面管理。桌面管理模块提供对首页展示模板及展示内容进行个性化管理的能力，从而实现分域分权限的管理。

（3） 应用管理。应用管理模块实现对应用安装、更新、卸载的权限管理，包括管理平台远程对机顶盒中的应用进行的管控。

（4）支付。支付模块封装了统一的支付界面和接口，提供话费及第三方支付接口，实现上层应用统一的支付能力支持。

（5）广告管理。机顶盒中的广告位比较多，既包含机顶盒本身系统的广告位，如开机广告、屏保广告，也包括首页面的推荐广告、信息窗、应用启动广告、贴片以及视频播放前、中、后、暂停页的插播广告，甚至还有更灵活的带社交、互动能力的广告。因此需要统一的模块进行管理并与后台广告系统对接交互。广告管理模块实现对广告能力、资源、策略的管理。

图1 机顶盒整体架构

（6）统一认证。统一认证实现机顶盒统一认证，通过运营商配置计费局数据实现基础业务和增值业务认证计费，并提供统一的接口和界面。

（7）多屏互动。多屏互动模块实现在局域网和广域网不同的互动场景下的能力支撑，将两类场景分开考虑：局域网场景通过DLNA能力支持标准的多屏互动能力；广域网场景通过XMPP消息组件实现更强的多屏互动能力，打造功能更丰富的多屏协同体验。

（8）智能语音。智能语音模块实现了对语音识别引擎的去耦合，对下封装底层的音频采集能力，对上通过应用间调用接口实现语音命令的传递，基于该架构可灵活选配不同的语音识别引擎。

（9）播放器及编解码。播放器实现主流音视频规格的解码播放能力，实现为广告及安全播控服务的插播能力，实现对多路高清视频播放能力以及对VR、全景类视频播放能力的支持。同时，播放器基于Android的MediaCodec接口实现统一的对外硬件编解码能力，完成对高清视频通话等应用的支持。

（10）终端管理。终端管理模块实现机顶盒与终端管理平台的对接，提供机顶盒信息管理、软件版本管理、升级管理、参数下发、命令下发和远程管理等能力。

（11）用户行为采集。用户行为采集模块在机顶盒中通过集中的接口收集用户使用行为日志，并上报至数据采集平台。

（12） 安全管理。安全管理模块实现机顶盒安全及权限管理，提供安全播控能力。

（13）软探针。软探针模块通过网络抓包和播放状态获取监控视频的播放质量，定位质量问题，提供终端质量保障和诊断手段。

3.5 典型应用

3.5.1 基础服务类

基础服务类应用提供点播、直播及回看等视频内容服务，包括牌照播控方、内容方的基础视频内容和增值视频内容。

3.5.2 增值应用类

现阶段，机顶盒上的增值应用还未实现繁荣发展的局面，较热门的增值应用主要集中在影音类、教育类、游戏类和工具类。其中，教育类的应用不需要硬件的特殊支持，操作型游戏通过蓝牙设备扩展配件实现，而影音类和工具类应用中的卡拉OK、语音搜索、VR、画中画、高清视频通话等功能需要盒子硬件提供更多的支持。本文研发的机顶盒通过简单有效的方案，实现了上述功能。

3.5.2.1 卡拉OK功能

早期的机顶盒实现卡拉OK功能需通过外部混音配件连接话筒实现人声与音乐伴奏的混音，本文研发的机顶盒直接使用机顶盒内部主芯片的运算能力，通过软件完成混音，外部通过USB无线话筒进行人声的采集，经过实际调试优化，基于四核高性能CPU的软件混音延时小于30 ms，保证了卡拉OK的使用体验。这样的设计一方面降低了机顶盒扩展卡拉OK功能的硬件成本，另一方面通过简单的USB接口即插即用，大大便捷了用户的使用体验，更促进了该类应用的推广。

3.5.2.2 智能语音功能

随着进入智能化时代，智能语音已成为机顶盒必备的功能之一。本文研发的机顶盒集成智能语音控制技术（如图2所示），云端服务器将接收到的语音指令解析处理，实现内容搜索及对机顶盒设备的常规操控。该智能语音方案普通话识别率高，识别准确率大于95%（含）；语音操作响应速度快，在网络良好的情况下，机顶盒语音识别的响应时间小于1 s（含），大大提升了用户操控体验。运营商开展智能语音业务，一方面优化了用户使用感知，并能通过用户行为的大数据采集进一步挖掘用户喜好，另一方面实现了业务创新，催化了运营商向人工智能领域的迈进。

3.5.2.3 多路视频编解码功能

VR、画中画等影音类应用，以及高清视频通话等工具类应用，需要机顶盒具备多路视频编解码技术，以提供更强大的多媒体处理能力。本文研发的机顶盒，由机顶盒内部主芯片提供多路视频编解码能力，在此基础上进行调试优化，完成对多视角视频、一屏多路视频等功能应用的支持。

图2 机顶盒智能语音方案

3.6 研发成果

本文设计研发的机顶盒在传统运营商机顶盒的基础上进行升级，通过提升硬件基础平台能力、优化软件架构设计，为高流量业务和丰富的增值业务提供承载能力。同时，该机顶盒还在硬件信号接收优化、多屏互动设备切换处理、播放器逻辑处理等方面进行技术创新，申请相关专利3篇，目前已在国家知识产权局初审合格。

该机顶盒于2016年第四季度投入市场使用，截至2017年7月底，已覆盖用户数近400万户，并处于持续增长状态。机顶盒基础硬件平台能力的提升也推动了创新业务的发展，如智能语音功能，已在全国各省陆续投入使用，获得了热烈反响。

4 未来展望

数字家庭业务在我国的发展势头迅猛。基于运营商需求的机顶盒需持续迭代更新，提供更高的运算能力和扩展能力，构建更强的基础硬件平台，才能满足高速发展的业务。

[1] 牛瑛霞， 何欣. 家庭宽带IPTV业务开展策略[J]. 电信科学，2017，33(4)：163-169.

[2] 王国丰， 邹建华. 多媒体机顶盒结构设计及其关键技术[J].电视技术， 2004(4)：43-45.

[3] 蒋力， 贾立鼎， 王琳. 一种满足三网融合业务需求的机顶盒实现方案[J]. 电信科学， 2011，27(3)：32-36.

[4] 张敏， 宋杰， 刘晓峰. 电信运营商面对OTT的战略选择[J]. 电信科学， 2014，30(2)：142-146，151.

[5] 张高， 王嘉， 余松煜. 中间件技术在机顶盒软件实现中的应用[J]. 计算机仿真， 2000，17(6)：36-38.

[6] WK Edwards， MW Newman. An extensible set-top box platform for home media applications[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics，2005，51(4)：1175-1181.

Research of high performance STB based on operator demand

JIANG Ya-jun, LIU En-en, TENG Yi-ting
(MIGU Video Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

The "BroadbandChina" strategy promotes the family livesmore digital, intelligent and informative. As the entrance of digital home, set-top box is one of the important products for telecom operators to expandthe householdmarket and stimulatethe innovation of digital homeservices. This paper puts forward aset-top box terminalwhich can meet theservice characteristics and development needs of telecom operator.

STB; digital home; middleware; IPTV/OTT

TN915

A

1008-5599（2017）09-0028-05

2017-08-23

* 中国移动集团级一类科技创新成果，原成果名称为《自主品牌魔百和（咪咕盒子）研发项目》。