数字电视多媒体消息系统及其数据格式研究
齐岩松[1] 金纯[1][2] 蒋小宇[1] 王晓[3]
(重庆邮电大学[1] 重庆金瓯科技发展有限责任公司
[2] 重庆有线电视网络有限公司[2])
摘要:主要论述了数字电视多媒体消息业务系统的网络结构设计、业务流程设计及其数据格式规定等。数字电视多媒体消息系统可以实现以下功能：机顶盒与机顶盒之间点对点的消息互通、机顶盒与增值业务提供商之间的消息互通、机顶盒与手机等其他网络终端之间的消息互通。电视多媒体消息系统的应用将极大地丰富数字电视的应用。
关键词：数字电视，多媒体消息，数据封装格式，增值业务，互动应用
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该论文发表于《通信技术》2007年第27卷第4期
刊号为：ISSN 1006-6403
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The Research of Digital Television Multimedia Message Service System and its data encapsulation
Qiyansong[1] Jinchun[1][2]Jiangxiaoyu[1] Wangxiao[3]
(CQUPT[1]CQJinouTech[2] CQCNT[3])
Abstract：This dissertation studies the Multimedia Message Services that based on the digital television system, and it is called TVMMS for short. The author discusses the TVMMS architecture and its data encapsulation. The TVMMS can perform the following functions: point to point communication between STB, communication between STB and VASP (Value Added Services Provider), communication between STB and mobile telephone, communication between STB and TV station. So, TVMMS will greatly enrich the application of digital television.
Keywords：Digital Television, Multimedia Message, Data encapsulation, Value Added Service, Interactive Application
1 引言
当前，制约数字电视发展的主要因数，除资金不足和用户的认可度不高之外，另一个重要的原因就是内容匮乏。本文所设计的系统可以实现将广播电视网与互联网和电信网互联互通，从而可以将互联网和电信网上大量的内容呈现在电视上。据统计，目前全国大约有2万家SP（Service Provider），他们为电信增值业务提供了大量的内容。同样地，通过本文设计的系统，这些SP可以接入广电网络，并为电视用户提供丰富的内容，从而推动数字电视的发展。
从1992年12月世界上第一条短消息在英国沃达丰公司诞生以来，短信市场得到了迅猛的发展。短消息作为2G和2.5G移动通信的主要数据业务，为网络运营商和众多的SP带来了丰厚的收入。据信息产业部统计，2004年和2005年我国短信发送量分别达2177.6亿条和3046.5亿条。在2.5G和3G系统中，多媒体消息业务MMS（Multimedia Message Services）将成为主要的数据应用之一。
通过电视多媒体消息业务系统，用户可以接收Internet和手机发送过来的多媒体消息（如电视贺卡、电视邮件、音乐、视频片段等），如果具有回传信道，用户也可以向Internet、手机和电视台发送消息。这样，可以大幅度提高家庭信息化水平，有助于"三网融合"在业务应用上的初步实现。
2. TVMMS系统网络结构
2.1 TVMMS所处的位置
图1表示了TVMMS系统所处的位置，图中包括了电视多媒体消息系统、移动通信网络MMS系统、固定通信网络（PSTN）MMS系统和Internet等。
图1 TVMMS系统所处的位置
2.2 TVMMS系统体系结构
TVMMS系统体系结构如图2所示。图中给出了TVMMS系统组成的各个功能设备/模块，以及它们之间的接口。
2.3 TVMMS功能实体与接口
用户代理（UA, User Agent）：
用户代理是位于机顶盒STB的应用层软件，它提供对TVMMS业务的支持能力。用户通过它，可以接收、观看、制作和发送电视多媒体消息。用户代理的主要功能如下：
*从TVMMS网关/服务器获取消息，包括多媒体消息和通知消息；
*向用户呈现（Presentation）消息；
*TVMMS消息制作；
*向TVMMS网关/服务器提交消息；
*对消息进行加密和解密；
*在STB上存储消息；
*管理STB上存储的消息。
TVMMS网关/服务器：
TVMMS网关/服务器负责存储、处理来往的消息，在整个TVMMS系统中，TVMMS网关/服务器处于核心地位。在技术实现上，TVMMS网关和服务器可以集成在一起，也可以分开成两个设备，它们之间用MM2接口进行通信。TVMMS网关/服务器完成以下主要功能：
*接收、递送、转发TVMMS消息；
*在TVMMS网关/服务器和外部服务器（如Email服务器）以及其它系统之间进行必要的消息格式转换；
*通知用户有新消息到达；
*在不同的TVMMS网关/服务器之间转发多媒体消息；
*产生或转发各种应答消息；
*解析消息地址，并按地址信息进行路由转发；
*临时存储电视多媒体消息；
*保证消息的可靠传输；
*支持数字版权管理DRM（Digital Right Management）；
*产生计费数据CDR（Charging Data Records）；
*根据用户信息对消息进行过滤；
*检测机顶盒状态，如：开关机、是否支持TVMMS消息、是否有回传信道等。
外部服务器：
外部服务器，如Email服务器等，可以实现"电视邮件"功能，即在互联网上可以将普通的Email发送到指定的电视上。外部服务器不属于TVMMS必须的功能单元。
管理与控制：
管理与控制设备负责TVMMS系统的管理和控制功能，如系统参数的配置修改、寻址、路由、计费参数、用户权限控制以及TVMMS系统的操作、维护。
计费系统：根据TVMMS网关/服务器产生CDR对用户和增值业务提供商（VASP，Value Added Services Provider）进行计费。
TVMMS消息存储中心：
TVMMS是一个存储转发（Store and Forward）系统。TVMMS网关/服务器收到消息后，首先在本地缓存，然后检查地址信息，如果目的接收者位于其管辖范围内，那么它将该消息送交TVMMS消息存储中心存储，TVMMS消息存储中心返回一个该消息的URI给TVMMS网关/服务器。之后，TVMMS网关/服务器通知接收终端有新的消息到达（该通知中包含如何获取该条TVMMS消息的信息）。用户成功获取该条消息之后，TVMMS消息存储中心删除该条信息（或在一定时段之后删除该条信息），如果用户在规定的时间内，没有下载该条消息，TVMSS消息存储中心也将删除该消息；TVMMS网关/服务器收到消息并检查地址信息，如果发现目的接收者不位于其管辖之内，那么它需要将消息按照路由信息前转到目的接收者位于的TVMMS网关/服务器，待收到接收者正确的应答消息之后，TVMMS网关/服务器删除该消息。
TVMMS用户数据库：
TVMMS用户数据库完成以下功能：
*用户定购信息管理；
*用户接入控制信息管理；
*维护有关用户消息处理的规则。
TVMMS VASP：
TVMMS增值业务提供商为TVMMS用户提供增值业务，如音乐、电视贺卡等。TVMMS VASP通过MM9接口与TVMMS网关/服务器相连。
TVMMS系统的各种接口：
*MM1：用户代理与TVMMS网关/服务器之间的接口；
*MM2：TVMMS网关器与服务器之间的接口，在具体实现上，可以将网关器与服务器集成在同一个物理设备中
*MM3：TVMMS网关/服务器与外部服务器之间的接口；
*MM4：TVMMS网关/服务器与管理控制服务器之间的接口；
*MM5：TVMMS网关/服务器与计费系统之间的接口；
*MM6：TVMMS网关/服务器与消息存储中心之间的接口；
*MM7：TVMMS网关/服务器与用户数据库之间的接口；
*MM8：TVMMS网关/服务器与TVMMS网关/服务器之间的接口；
*MM9：TVMMS网关/服务器与VASP之间的接口。
3 TVMMS的业务流程
从业务方式来看，TVMMS业务可以分为下行业务（VASP—>STB）、上行业务（STB—>VASP）和点对点业务（STB—>STB）。
3.1 下行业务（VASP—>STB）
TVMMS下行业务是指VASP根据用户点播、定制的业务，向STB发送TVMM的过程。TVMMS下行业务流程如图3所示。
图中的流程解释如下：
1：VASP根据用户点播、定制的业务，启动下行业务。VASP将"Content_ID"及其它消息发送参数提交给"源TVMMS网关/服务器"；
2："源TVMMS网关/服务器"根据"Content_ID"查询本地数据库，看本地数据库中是否存储有该内容，并将查询结果返回VASP。如果本地数据库中有该内容，那么下面的步骤3和步骤4可以省去，否则，步骤3和步骤4是必须的；
3：VASP采用基于"Content"的方式向"源TVMMS网关/服务器"提起发送请求；
4："源TVMMS网关/服务器"返回应答给VASP。如果在步骤3中，消息的"Content Storage"字段被置为"true"，那么"源TVMMS网关/服务器"在应答消息中为该内容分配一个"Content_ID"，以便VASP再次发送该内容时，VASP可以采用基于"Content_ID"方式进行；
5："源TVMMS网关/服务器"检查消息的目的地址，如果目的接收者属于其管辖范围，那么"源TVMMS网关/服务器"同时也是"目的TVMMS网关/服务器"，操作可以跳到第9步；如果目的接收者不属于"源TVMMS网关/服务器"管辖范围，那么它需要将消息前转（Forward）到目的接收者属于的"TVMMS网关/服务器"。第5步就是"源TVMMS网关/服务器"查询"地址翻译服务器"，以便获得"目的TVMMS网关/服务器"的IP地址（如果"源TVMMS网关/服务器"配置有静态地址翻译表，则首先查找该静态表，在查不到需要的信息的情况下，再向"地址翻译服务器"查询）；
6："地址翻译服务器"返回查询结果给"源TVMMS网关/服务器"；
7："源TVMMS网关/服务器"将消息前转到"目的TVMMS网关/服务器"；
8："目的TVMMS网关/服务器"返回应答给"源TVMMS网关/服务器"；
9："目的TVMMS网关/服务器"收到消息后，将消息存入"TVMMS消息存储中心"；
10："TVMMS消息存储中心"返回应答给"目的TVMMS网关/服务器"，此应答消息中包含该条消息的存储信息（如存储位置URI等）；
11："目的TVMMS网关/服务器"通知"STB-UA（机顶盒用户代理）"，有新消息到达。在该通知中，包含有如何获取该条消息的信息，以及消息过期期限（超过该期限，消息将会被删除）；
12："STB-UA"返回应答给"目的TVMMS网关/服务器"；
13："STB-UA"向"TVMMS消息存储中心"发起下载消息的请求；
14："TVMMS消息存储中心"向用户推送该条消息。
用户（接收者STB-UA）在接收到有新消息到达的通知之后，将会对消息做出一定的处理（立即下载阅读、推迟下载阅读或者拒绝接收该条消息），"目的TVMMS网关/服务器"可以通过"源TVMMS网关/服务器"将用户做出的处理报告给VASP。
收到新消息到达通知后，用户也可以通过计算机上网到"TVMMS消息存储中心"下载消息。
3.2 上行业务（STB—>VASP）
TVMMS上行业务，是指STB-UA发送消息（如定购信息、点播指令等）到VASP。这要求HFC网络具有上行传输能力（即双向HFC）。此外，用户的点播、定制也可以通过计算机上网连接VASP的主页进行，还可以通过手机发送短信的方式进行点播、定制TVMMS业务。TVMMS上行业务流程如图4所示。
图中的业务流程解释如下：
1："STB-UA"将消息提交给"源TVMMS网关/服务器"；
2："源TVMMS网关/服务器"返回应答给"STB-UA"；
3："源TVMMS网关/服务器"检查消息的目的地址，如果目的接收者位于其管辖范围之内，那么流程直接跳到第7步。否则，"源TVMMS网关/服务器"需要将消息前转。步骤3为"源TVMMS网关/服务器"查询"地址翻译服务器"，以便获取转发路径；
4："地址翻译服务器"返回应答给"源TVMMS网关/服务器"；
5："源TVMMS网关/服务器"将消息转发给"目的TVMMS网关/服务器"；
6："目的TVMMS网关/服务器"返回应答给"源TVMMS网关/服务器"；
7："目的TVMMS网关/服务器"将消息发送给VASP；
8：VASP返回应答给"目的TVMMS网关/服务器"。
3.3 点对点业务（STB—>STB）
TVMMS的点对点业务，是指STB-UA发送消息到其他的STB-UA，完成机顶盒到机顶盒的信息交换。这同样要求HFC网络具有上行传输能力（即双向HFC）。
TVMMS点对点业务流程如图5所示。
图中的业务流程解释如下：
1："STB-UA"将消息提交给"源TVMMS网关/服务器"；
2："源TVMMS网关/服务器"返回应答给"STB-UA"；
3："源TVMMS网关/服务器"检查消息的目的地址，如果目的接收者位于其管辖范围之内，那么流程直接跳到第7步。否则，"源TVMMS网关/服务器"需要将消息前转。步骤3为"源TVMMS网关/服务器"查询"地址翻译服务器"，以便获取转发路径；
4："地址翻译服务器"返回应答给"源TVMMS网关/服务器"；
5："源TVMMS网关/服务器"将消息转发给"目的TVMMS网关/服务器"；
6："目的TVMMS网关/服务器"返回应答给"源TVMMS网关/服务器"；
7："目的TVMMS网关/服务器"将消息发送给目的机顶盒用户代理；
8：目的机顶盒用户代理返回应答给"目的TVMMS网关/服务器"。
4 TVMMS支持的内容及其编码
TVMMS至少支持以下内容：
*纯文本信息：
纯文本信息的编码格式支持US-ASCII、ISO-8859-1、UTF-8、UTF-16、GB2312等。
*语音、音频：
TVMMS语音、音频信息编码支持：MPEG Layer I and II、MP3、AC3、LPCM、ADPCM、WMA9、HDCD audio、AAC-LC（MPEG-4 AAC Low Complexity）和AAC-LTP（MPEG-4 Long Term Prediction object types）等。
为了与移动通信网络实现互操作性，TVMMS支持3GPP TS 26.140规定的移动MMS语音/音频编码格式：AMR和WB-AMR。其中，WB-AMR在抽样频率超过16kHz时采用。
*图形、图像：
固定图像（Still Image）支持ISO/IEC JPEG和JFIF文件格式；
位图（Bitmap Graphics）支持GIF87a、GIF89a和PNG文件格式。
*视频：
TVMMS支持MPEG-2、MPEG-4、H.264（AVC）视频编码格式。
为了与移动通信网络实现互操作性，TVMMS支持3GPP TS 26.140规定的移动MMS视频编码格式H.263（profile 0 level 45）。
TVMMS不但可以支持上述单一媒体内容，还可以支持包含文本、音频、图形图像和视频的多媒体内容，这些内容通过同步多媒体集成语言（SMIL, Synchronized Multimedia Integration Language）进行编码，形成一个互相关联的或混合的整体，并且，在接收端可以按照制作时设定的顺序和条件进行播放。SMIL语言用于描述TVMM中各媒体元素（文本、图形/图像、语音/音频和视频等）的同步和播放场景（如位置、顺序、定时等）。
5 TVMMS消息内容的组装
TVMMS消息内容采用SMIL（Synchronous Multimedia Integration Language）语言组装。在一个TVMM中，可以填充多个内容实体，各内容实体可以是不同的媒体类型。根据消息的内容组装是否有序，将消息组装方式分为multipart.mixed方式和multipart.related方式。
使用multipart.mixed方式组装TVMM消息，是所有的消息内容混合在一起，没有时间上的顺序，终端在同一时间将所有消息内容显示出来。消息内容在TVMM中的存放位置如图6所示。
从图6中看出，所有的消息内容之间没有任何关系，在终端显示这些消息内容时，一次就全部显示出来，而没有时间上的先后。
使用multipart.related方式组装TVMM时，各消息内容之间有一定的关系，该关系可能是显示时间的先后，或者显示的位置等。这样，终端在显示TVMM消息时，就可以以类似"小电影"或者"幻灯片"的效果显示一系列信息，使得TVMM的显示更加趣味化，增强表现力。采用这种方式组装TVMM时，消息内容在TVMM中存放的位置如图7所示。
从图7中可以看出，multipart.related方式组装的TVMM中有一个"Presentation"，并且这个信息处于TVMM消息中的首位。"Presentation"也是TVMM消息的一个内容，只不过有一个指针"Star"指向它，表明它是第一位的，终端在显示TVMM消息时，首先从"Presentation"开始。但是，终端并不把"Presentation"显示出来，而是在"Presentation"中获取显示其他消息内容的信息，如：位置、大小以及先后顺序等，从而实现"小电影"或"幻灯片"效果。
6 TVMMS消息的封装
TVMMS采用SOAP进行封装。SOAP消息由SOAP Envelope（SOAP信封）和SOAP Attachment（SOAP附件，装载TVMM消息体）组成，如图8所示。
TVMMS的SOAP封装遵循以下规则：
*SOAP封装基于W3C SOAP1.1；
*SOAP Envelope作为MIME消息的第一部分，并将Content-type设定为multipart/related；
*SOAP Attachment作为MIME消息的第二部分，并且选择适当的Content-type，以识别尽荷的类型；
*SOAP消息中应该指明消息发送方所支持的MM9接口规范版本；
在MM9消息封装中，不使用SOAP EncodingStyle；Transaction ID作为SOAP Header入口，SOAP actor属性不纳入SOAP Header入口，SOAP mustUnderstand属性置为"1"；
SOAP Action HTTP请求头部，应该置为空字符串，即"" 。
7 以MM9接口为例说明封装架构
TVMMS MM9接口协议的实现，采用SOAP1.1封装TVMM消息。在功能上，VASP和TVMMS网关/服务器必须既能作为SOAP消息的发送者，也能作为SOAP消息的接收者。HTTP作为MM9接口的传输层协议，SOAP消息必须与HTTP请求/应答模式绑定，绑定的方式为：在HTTP POST请求消息体中，承载SOAP请求参数；在相应的HTTP应答消息体中，承载SOAP应答消息。
MM9接口实现架构如图9所示。
从图9可以看出，TVMM内容用SMIL语言组装。然后由SOAP协议进行封装成TVMMS消息，最后用HTTP进行传输。底层承载网是基于TCP/IP的网络。
8 结语
本文所设计的数字电视多媒体消息系统可以实现以下功能：机顶盒与机顶盒之间点对点的消息互通、机顶盒与增值业务提供商之间的消息互通、机顶盒与手机等其他网络终端之间的消息互通、机顶盒与电视台之间的消息互通。数字电视多媒体消息业务系统的成功研发和商用，将大大提高家庭信息化水平，丰富数字电视的业务应用，有利于数字电视终端发展成为家庭信息化的中心，为真正意义的"三网融合"提供了初步的业务应用上的解决方案。
参考文献
[1] 3GPP TS 23.140v6.11.1: Technical Specification Group Core Network and Terminals, Multimedia Messaging Service, www.3gpp.org
[2] 3GPP TS 22.140v6.7.0: Technical Specification Group Services and System Aspects, Multimedia Messaging Service, www.3gpp.org
[3] WAP-209-MMSEncapsulation-20020105-a, http://www.wapforum.org
[4] WAP-206-MMSCTR-20020115-a, http://www.wapforum.org
[5] WAP-205-MMSArchOverview-20010425-a, http://www.wapforum.org
[6] ISO/IEC JTC1/SC29 CD 13818-1: Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio, Part 1: Systems. Nov. 1993
[7] 华为技术有限公司，"MM消息的组装方式"，http://www.huawei.com
[8] 金纯，齐岩松，蒋小宇，李晓枫，数字电视多媒体消息业务系统设计，广播与电视技术，2006.10
作者简介：
齐岩松：男，重庆邮电大学通信与信息系统专业硕士研究生，研究方向个人通信。
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