数字电视条件接收系统技术及智能卡机卡分离技术的研究

摘要

众所周知，从模拟电视到数字电视的过渡是我国广播电视行业必然的发展趋势。模拟电视用户可以购买新的数字电视接收机或机顶盒接收数字电视，其中机项盆是多数老百姓的主要选择。条件接收系统作为数字电视技术中的核心设备，通过对所播出的节目进行加扰，管理和控制用户收视的权限，保障了节目供应商和运营商的利益，也为发展新的增值服务提供了一个安全可控的综合管理业务平台。然而，目前国内开通数字电视试用方案的“机项盒”和“条件接收系统”机卡绑定产品体系结构，形成了运营商选择条件接收系统产品、终端制造商接运营商订单为其定制生产、运营商垄断销售机顶盒的畸形产业格局。 针对机卡绑定的种种弊端，信息产业部及时提出“机卡分离”的产业技术政策，并作为“电子发展基金”项目招标，支持机卡分离产品的研究开发，意在为机顶盒制造商解决规模生产的外部瓶颈和给机顶盒用户带来实惠，梳通广电运营商、家电企业和CA厂商之间的产业链关系。 本文结合作者参与信产部电子发展基金项目“智能卡机卡分离系统”的研发工作，全面研究了智能卡机卡分离条件接收系统解决方案中的关键技术问题，全文的内容安排和研究成果为： 首先，分析数字电视条件接收系统的基本原理和核心技术。从现有条件接收系统的工作原理、一般实现架构、接收端条件接收系统内核功能及工作机制、条件接收系统的同步技术几个方面剖析条件接收系统，实现了一套条件接收前端系统的软件仿真试验平台。基于以上对CA的剖析以及与CA厂商的实际讨论结果，明确定义智能卡机卡分离的前提条件和衡量标准，为智能卡机卡分离方案奠定技术上的可行性基础。 其次，基于实现的条件接收软件仿真平台，对条件接收技术的用户授权管理和利用MPEG2编码特性的加扰技术进行研究。通过对已有的密钥分配机制进行学习分析，基于D.Naor满二叉树的“完备子集法”和“子集差分法”两种子集覆盖算法，提出一种改进的条件接收系统四级密钥分配机制，新机制有效地减少密钥更新需要占用的数据带宽。 进一步对DVB、ATSC、IPCA加扰算法的实现进行分析，着重研究利用MPEG2视频压缩编码特性的透明加扰算法，提出一种支持码率下变换的透明加扰系统结构，并给出参考算法对透明加扰效果进行主客观比较。 接着，详细阐明智能卡机卡分离总体设计方案和系统架构，并对所有关键技术的应用背景、研究内容进行详细论述，智能卡机卡分离的关键技术具体包括机卡分离通信协议、虚拟消息滤波机制、机卡认证机制和安全通道机制。针对机卡分离插件的安全机制，提出了基于“离散对数机制”和“基于椭圆曲线”的两套完整的安全协议实现机卡认证、安全通道和机卡配对的功能，并对它们进行了安全分析。最后，描述了智能卡机卡分离接收机和智能卡的实现；为更加充分发挥机卡分离对我国数字电视产业发展的推动作用和运营商的实际市场需求，结合目前广电部门推行的中央地方两级CA模式，提出“多服务供应商+单一网络运营商+一张机卡分离智能卡”的新型业务模式并给出实现方案。 综上所述，智能卡机卡分离方案是一种新的“一卡”通用条件接收系统解决方案，与现有的私有智能卡条件接收子系统相比，它在开放型、安全性和易升级维护性上具有明显的优势。同时，它的成本也大大低于PC卡条件接收子系统使用的PC卡费用。 对机顶盒制造商，智能卡机卡分离解决了因为一款机顶盒通常只绑定一个CA系统造成的生产瓶颈，制造商大量生产基本功能的机项盒产品，而不需要获得CA公司的授权。 对运营商而言，一个明显的好处就是它可以较方便地更换加密付费电视采用的CA系统，或者便利地升级已使用的CA系统，这些完全在他的掌握之中。 广大消费者可以受益于机顶盒大规模生产，可以在可接收的价格范围内买自己喜欢品牌的机项盒。同时，用户可以更换自己的付费电视供应商，代价至多就是购买一张新的智能卡。 对CA公司来说，智能卡机卡分离实现的“一卡”通用CA系统以更低的成本获得与CI模块相同的易替换性。同时，新方案的开放性和可交互操作性可使CA公司的产品在市场上更具有竞争力。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩略语表

声明

第一章绪论

1.1数字电视条件接收技术

1.2智能卡机卡分离的必要性、含义和意义

1.3现有机卡分离的三种方案

1.4本文的研究内容

1.5本文的主要内容、研究成果及创新

第二章条件接收系统技术的研究

2.1条件接收系统的基本原理和其中的核心技术

2.1.1条件接收系统的分层结构

2.1.2条件接收系统的工作原理

2.1.3条件接收系统的一般架构

2.2接收端条件系统内核分析和工作机制

2.2.1接收端机顶盒硬件平台

2.2.2接收端机顶盒的软件结构

2.2.3接收端条件接收系统内核

2.3条件接收系统的同步技术研究

2.3.1条件接收系统发端同步技术

2.3.2条件接收系统接收端同步技术

2.4前端条件接收仿真系统

2.4.1前端条件接收系统的软件仿真方案

2.4.2基于独立加扰器的前端条件接收系统

2.5条件接收系统对智能卡机卡分离解决方案的要求

2.6本章小结

第三章条件接收系统密钥管理机制的研究

3.1密钥管理体系研究

3.1.1条件接收系统CAS中的密钥分配

3.1.2已有的密钥分配机制研究

3.2一种新的四级密钥分配机制

3.2.1满二叉树子集覆盖算法

3.2.2基于满二叉树子集覆盖算法对四级密钥分配机制的改进

3.2.3几种CAS四级密钥分配机制的比较

3.3一种金字塔型CA消息广播策略

3.4本章小结

第四章条件接收系统加扰算法的研究

4.1 DVB的通用加扰算法和ATSC的3DES算法

4.1.1 DVB的通用加扰算法

4.1.2美国ATSC的3DES加扰算法

4.2转控和转扰技术

4.3 IPCA的加扰技术

4.3.1 IP条件接收技术

4.3.2 IPCA的加扰技术

4.4 DCT域MPEG2透明加扰算法

4.4.1已有的几种利用MPEG2特性的加扰算法

4.4.2二种透明加扰加密算法

4.4.3一种具有可转码特性的透明加扰架构和参考算法

4.4.4性能比较及仿真试验

4.5本章小结

第五章智能卡机卡分离的研究

5.1智能卡机卡分离的总体设计思想

5.2智能卡机卡分离的系统结构

5.3智能卡机卡分离方案的关键技术

5.3.1智能卡通信模块

5.3.2消息滤波模块

5.3.3安全认证模块

5.3.4安全通道模块

5.4机卡分离消息滤波机制的研究

5.5机卡分离安全机制的研究

5.5.1安全通道模块的实现

5.5.2安全认证模块的实现

5.5.3基于离散对数(DLP)的安全协议研究

5.5.4基于椭圆曲线(ECC)的安全协议研究

5.5.5 DLP和ECC两种方案的安全性分析

5.6本章小结

第六章智能卡机卡分离的应用思考

6.1智能卡机卡分离接收机的实现

6.1.1插件上层应用接口和下层移植接口

6.1.2机卡分离插件在机顶盒中的运行机制

6.2智能卡机卡分离智能卡的实现

6.2.1基于传统智能卡的机卡分离智能卡

6.2.2基于Java卡技术的机卡分离智能卡

6.3机卡分离应用商业模式探讨

6.3.1两级CA模式和中央台的三套CA系统同密

6.3.2中央台和上海台两级CA同密的实现

6.3.3多服务供应商+网络运营商+机卡分离条件接收智能卡的业务模式探讨

6.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢