CN1849825A - 用于交互式hfc业务传送的瘦docsis带内管理 - Google Patents

Abstract

公开了电路和由此执行的处理，用于在MPEG复用上传送视频点播和交互式业务数据以及其他业务数据，并且在所述MPEG复用中在具有DOCSIS PID的MPEG分组中带内发送包括有条件访问EMM密钥数据的管理和控制数据。公开了通过在所述MPEG复用中发送包含用会话密钥加密的控制字的ECM消息并发送包含用专用机顶盒用户密钥加密的会话密钥的EMM消息来发送有条件访问数据的处理。EMM消息在具有DOCSIS PID的MPEG分组中带内地仅发送给请求它们并预订了加密业务的机顶盒。还公开了具有对封装在IP分组中的MPEG传输流进行路由的路由/交换能力的首端。

Description

用于交互式HFC业务传送的瘦DOCSIS带内管理

技术领域

本发明涉及使用DOCSIS(电缆数据业务接口规范)带内管理信道来管理宽带业务传送(例如电缆电视混合光纤同轴(HFC)电缆系统上的视频点播)以及带来的对用于接收数字电视传输的机顶适配器的简化。

背景技术

在现有技术中通过HFC系统来传送诸如视频点播(VOD)的视频业务。Michael Adams的论文“Open Cable Architecture”(2000思科出版社)ISBN1-57870-135-X(在此通过引用并入其全部内容)描述了数字电缆电视的现有技术的情况。第四章49-84页针对视频、音频、数据和系统信息的压缩以及基带和宽带传输机构描述了数字电视技术。第五章描述了向电缆系统增加数字电视业务，以及用于管理的带外数据通信。第六章描述了用于数字电视的常规数字机顶转换器。第八和第十章描述了交互和点播业务，例如影片和音乐点播，通报广播点播，远程学习和其他业务。第九和第十一章描述了在交互和点播有线系统中的个案研究。

交互式业务对电缆系统提供了扩展以提供新的业务类型，例如家庭购物、家庭银行、电子邮件、网点访问、游戏，股票报价，所有这些先前都是由通过ISP和拨号、ISDN、DirecPC等与互联网的连接而提供的。

通过HFC传送交互式业务的一些现有技术尝试已经在试验范围得以实现。其都使用带外信道来传输客户端机顶解码器与首端服务器之间的软件下载以及管理和控制数据。时代华纳全方位业务网络(FSN)于1993年2月开始传送VOD、体育点播、新闻点播以及交互式视频游戏、家庭购物、远程访问、语音及视频电话和个人通信业务、以及网点浏览及传统的模拟CATV业务。8个媒体服务器经由SCSI-2接口连接到盘库(diskvault)。该盘库提供足够大约500部影片的存储。对于前向路径，媒体服务器经由SONET OC3连接与ATM交换机相连接。减去SONET和ATM的开销之后，总共48个OC3连接提供了5,184Mbps的可用有效负载带宽。ATM交换机连接到64-QAM调制器的库。在开销之后152个DS3链路提供从ATM交换机到邻域的5,600Mbps的有效负载容量。QAM调制器输出调谐在500至735MHz的频率范围中，前向数字信道按6MHz间隔开。6MHz模拟CATV信道占据从50至500Hz的频谱。使用从50至735MHz的合成RF信号来调制对将信号带出到约10英里以外的邻域的单模光纤进行驱动的激光。在邻域，光信号在光节点中转换回RF并用于供给经过约500个订户的同轴电缆网络。RF信号供给每个家庭中的家庭通信终端或者数字机顶转换器(HCT)。HCT是基于具有视频和音频解压缩和扩展图形能力的多媒体计算引擎的强大的RISC。HCT还包括用于CATV模拟信号的模拟机顶转换器。ATM定址方案使得数据可以定址到任何HCT。

上行路径是各个HCT在900至1GHz频带内按载波间隔2.3MHz传送的QPSK调制信号，各个信道在ATM开销之后具有1.152Mbps的数据速率。各个上行信道是时分复用的，所以多个HCT可以共享同一信道，带宽由前向信道上的下行消息中的首端给出，从而在任一给定的时隙只有一个HCT能够传送。默认地，各个HCM具有46Kbps恒定比特率(CBR)ATM连接的途径。上行RF在光节点处转换为光信号，使用分立的光纤来传送上行流和下行流。在首端，光信号转换回RF并且随后供给QPSK解调器的库，所述QPSK解调器将ATM信元流转换成ATM格式T1链接。通过ATM信号解复用器将解调器的输出合并，ATM信号解复用器进行业务聚集和从DS1到DS3速率的转换并且将ATM格式DS3流输出给将数据传递给媒体服务器的ATM交换机。ATM定址方案使得任一HCT可以定址到任一服务器。

连接管理器是在媒体服务器上运行的分布式处理组。响应于对与给定质量业务的连接的应用请求，连接管理器确定路由、分配连接标识符并且保留链路带宽。申请方相信连接标识符通过带外信道传递给媒体服务器和HCT。点播业务使用连接管理器来为各个媒体流建立从服务器到HCT的恒定比特率ATM连接。要求该恒定比特率保证连接业务的质量以使得信元丢失率小于传输高质量MPEG(运动图像专家组)压缩视频流所需的预定指标数。然而对于分布式应用环境，发现对各个应用请求使用连接将由于过度开销而迅速使系统过载，因此仅为点播业务保留连接，将所有其他通信会话(例如IP(网际协议)网络业务)移交给无连接网络。

在启动时各个HCT被赋予三个IP地址：快IP地址，用于各个前向应用信道中的固定8Mbps连接；慢IP地址，用于各个前向应用信道中使用固定的714Mbps连接的网络；和控制IP，使用具有1Mbps容量的前向QPSK信道。快IP网络用于来自HCT的文件传送请求引发的应用下载。应用程序是压缩的。慢IP网络用于分布式应用的客户端与服务器方之间的一般通信。当在执行应用时HCT可以在该慢IP网络上进行发送和接收。

慢IP网络通过承载通信来支持分布式计算模型，其使得HCT中的客户端应用可以通过慢IP网络来唤起远端过程调用以使得首端服务器中的处理运行。这简化了对分布式应用的开发。HCT具有相当多的资源并完成最多的处理，并且被认为是胖客户端，因为其负责表达层功能而无需来自首端服务器的帮助。由于服务器只是主要对数据对象(例如文本串)进行检索以发送给HCT，胖客户端HCT随后进行所有的处理以将该数据对象表现为动画对象叠加，因此该模型需要的服务器与客户端HCT之间的通信要少得多。这需要的通信比瘦客户端HCT(其中服务器发送动画叠加以由HCT客户端显示)少得多。由于胖客户端，可以将服务器设计成支持很多客户端实例而不必为各个客户端实例维持各自的环境。因此，在这种网络中不鼓励瘦客户端，因为在网络上对慢IP网络上的通信的要求过多。

时代华纳全方位业务网络(以下称为FSN)提供的交互式业务包括导航、游戏、家庭购物和视频点播。导航业务包括模拟调谐、使得顾客可以通过时间对频道的表格进行滚动的交互式节目指南、父母控制、订户偏好和配置。

实现交互式业务的FSN应用在交互式业务的各个领域需要很多网络资源。用于加载应用的到HCT的软件下载需要实现用户通过HCT远程控制所请求的任何交互式业务(例如响应画面上的对话选择观看的频道)。所有的FSN应用都需要与首端在业务质量需求变化的情况下的双向通信。例如，在大多数情况下导航和家中购物使用尽力而为的质量，但是如果请求了流视频或音频，则需要有保证的业务质量来实施它。

控制IP网络映射到各个前向控制信道(带外)中的1mbps ATM连接，并且用于对邻域中的所有HCT的通用控制信令。因此，使用多路带外前向控制信道以用于控制IP网络中的开销管理和控制业务量，这对系统的成本和复杂性很重要。

发现了由于使用了多个短脉冲所以使用无连接网络的分布式应用需要无连接开销信令业务量，并且发现了IP网络协议提供了进行这种信令的有用方法。图1中示出了这种现有技术系统的协议栈。图的左边是支持交互式业务的分布式应用环境的无连接通信协议，图的右边是支持流视频和音频业务点播的连接定向协议。因为交互式业务是突发性的并最好由IP网络支持，而视频和其他流媒体点播需要最好由连接定向网络提供的连续数据流(例如ATM提供的连续数据流)，所以在FSN中发现交互式业务需要与点播业务不同的通信模型。

虽然FSN HCT很贵，具有100 MIP容量的高性能机器，但是成为胖客户端的需要还是使它们非常困难。软件中的直播视频和图像组成的实时对CPU造成巨大的负担。按每秒60域，CPU在显示域之前仅有16微秒来提供图形，并且该域不能迟。虽然在硬件中进行音频和视频解压缩，但是很快就需要更快的140 MIP版本的HCT以支持FSN应用。

发现了FSN网络的另一个缺点是由首端分配TDMA方案引起的上行带宽的巨大浪费。这是因为它对各个HCT使用固定的比特率分配，在大部分时间这种分配都浪费了。结果，开发了DAVIC带外(OOB)协议以包括使得更多HCT可以共享给定的带外返回信道的保留协议。然而，对带外返回信道的共享需要与共享媒体用来规范通过HCT的上行发送的协议类似的单独的媒体访问控制(MAC)协议。最常用于OOB返回信道的MAC协议类似于以太网冲突监听协议。带外信道需要至少单独的调谐器和软件来实现MAC协议，从而进一步增加了各个HCT的费用。

FSN的直接后代是1995年开始的Pegasus系统。那时，成功的最大绊脚石是交互式机顶接收器/解码器的成本，该机顶接收器/解码器调谐到承载数字数据的载波，并进行解调、解码、解密、解压缩并且将解压缩的数据编码为适当的电视信号，下文将其所有的不同种类统称为机顶盒。Pegasus Orlando推广仅有4000个机顶盒，因此成本是可管理的，但是全国性推广交互式和点播业务就机顶盒(STB)的成本而言是完全不同的事情，因此STB成本称为Pegasus设计中的关键因素。在减少STB成本的尝试中，Pegasus采用了特洛伊木马策略。想法是在广播处理所需要的电路上小小地增加成本以在STB中包括交互式特征支持，但是这些电路和应用仅当电缆运营商开发和传送交互式业务时出现。

Pegsus网络使用将STB链接到首端以支持交互式业务的实时双向网络。这种双向网络基于标准联网协议和设备，但是是针对低业务渗透而设计的。以低得多的成本提供了与FSN相同的所有交互式业务。通过以下方面使得能够降低成本：

(1)尽可能地使用数据轮播(carousel)以减少下载交互式应用所需的事务和网络业务量；

(2)使用DAVIC OOB协议定义以支持更多突发业务源共享返回带外信道(与FSN相比，这使每个分配集线器的QPSK解调器的数量减少了因子15)；

(3)操作系统和导航软件总是常驻在Pegasus STB中，因此大大减少了软件下载消耗的网络资源，但是增加了STB的成本；以及

(4)使用MPEG-2传输来传送数字广播以及交互式业务二者。

Pegasus是使用MPEG-2传输来在交换网络上传送交互式多媒体的第一个网络。MPEG-2比诸如ATM和IP的其他传输协议更加高效，并且MPEG-2传输包括对同步，统计复用和有条件访问功能的支持。MPEG-2传输为广播和点播业务二者提供了集成传输解决方案，并且提供了开销低的优点，它是为诸如视频点播的单向业务而设计的。显然，带外信道用于指示所希望视频节目的上行通信。MPEG-2传输的另一个优点是STB能够进行广播和点播业务两者，并且MPEG-2支持数据以及使用专用数据部分映射的视频和音频封装。Pegasus向我们示出了MPEG-2是用于数字广播和点播业务的集成传送的理想解决方案。将这与FSN进行比较，所述FSN使用ATM到家庭交换网络以提供交互式和包括VOD的点播业务，但是对胖客户端STB的成本高。FSN使用ATM用于它的交换和传输协议需要。ATM对于单向业务非常低效。发现其由于点播业务产生的不对称业务模式所以浪费上行带宽，并且浪费为双向操作而不是VOD和其他点播业务的非对称业务而设计的ATM设备的容量。ATM开销约为12％(主要由每个信元中的5字节ATM头引起)。在首端和每个STB中存在额外的成本以提供ATM适配电路和FSN中的软件，这使得系统更加昂贵并且难以适用于具有数百万STB的全国性部署。由于数字广播技术全部基于MPEG-2传输协议，从而FSN中的各个数字广播业务必须适应首端的ATM，或者每个STB都必须支持ATM和MPEG-2传输协议二者，因此这种额外的电路是必须的。

FSN通过ATM基础设施传送MPEG-2流。图4示出了用于进行该操作的通信协议栈。底部频分复用层(FDM)将宽带频谱划分为多个信道。NTSC信道承载模拟广播，QAM信道承载数字业务，例如数字广播以及交互式和点播业务，QPSK信道承载信令和控制业务量。对于承载MPEG音频和视频的QAM信道，需要适配层以提供纠错和成帧功能。该层将ATM信元打包为成帧结构，从而STB可以识别QAM比特管道中的各个信元。AAL-5适配层提供使得可以将大块的MPEG数据分段为ATM信元以通过ATM交换网络传送的功能。在STB，使用AAL-5对MPEG分组进行重新组合以解码为视频和音频。

在FSN中，TCP/IP数据具有用AAL-5分段为ATM信元的IP数据块，在STB处使用AAL-5对IP数据块进行重新组合。STB通过各个ATM信元的头中承载的虚拟信道标识符(VCI)来在音频、视频与数据之间进行区分。这使得STB(HFC)可以无混淆地通过QAM信道同时接收音频、视频和数据流。

在FSN中，必须对通过ATM信元和基础设施传送给STB的MPEG数据进行管理以确保顾客看到具有正确同步的音频的平滑且高质量的视频。为此，大块地将MPEG数据存储在盘存储系统中并大块地将其取出。然后使用AAL-5将MPEG数据分段成ATM信元，以恒定的速率传送ATM信元以确保STB不会超限和丢失信元从而导致视频质量变差。STB基于ATM信元的VCI来过滤ATM信元，并且仅选择针对所选视频流的信元，并且使用AAL-5根据选择的ATM信元对MPEG分组进行重新组合。然后MPEG解码器从MPEG分组重构原始视频信号。视频信号对时间极端敏感，对MPEG数据的传送必须以与MPEG解码完全相同的速率。在模拟视频传送中，水平和竖直同步脉冲使电视显示同步，但是在ATM网络中没有这样的机制，因为ATM网络是交换的，并且使用多个非同步物理链路传送信元。在FSN中通过从服务器处的主时钟发送ATM时间戳来解决这个问题。该服务器时钟确保盘读取和ATM卡写入在正确的时间发生，以确保MPEG数据以正确的速率从服务器放出并在网络上传送。在STB，频繁地接收到来自服务器时钟的时间戳。STB具有其自身的时钟，该时钟由精确的电压控制晶体振荡器(VCXO)驱动。使用时间戳调整VCXO的频率，以保持STB时钟与服务器时钟同步。必须仔细地管理STB中的保持MPEG解码器所使用MPEG数据的MPEG缓存，以防止溢出和下溢。

与FSN相反，Pegasus-2系统将点播业务的增加添加到现有的支持实时双向信令的数字广播网络。通过从服务器到STB使用MPEG-2传输并且消除FSN的ATM基础设施，实现了传送成本的显著降低。MPEG-2传输比IP或ATM传输更高效，并且MPEG传送包括对同步、统计复用、和有条件访问功能的支持。

然而，使用MPEG-2传输也会引起使用MPEG-2传输流所特有的问题。MPEG-2传输并不是为诸如点播业务中的流视频和音频上提供的宽带互联网访问的高速数据所需的高速数据传输而设计的。然而，通过将高速数据映射到MPEG-2传输流的专用数据部分解决了这个问题。Pegasus的另一好处是DSM-CC数据轮播规范包括了用于将大数据轮播分组映射到MPEG-2传输分组的有效分段功能。

由于MPEG-2不包括任何连接管理协议或者任何无连接路由机制，因此MPEG-2也不是作为广域网协议而设计的。因此，使MPEG-2适配交换网络对于Pegasus的设计者来说是具有挑战性的。在Pegasus现有技术中，如图3所示，通过设计复杂的QAM交换矩阵以实现MPEG-2传输交换来克服这个问题。通过可以使多达5个256-QAM信道饱和的MPEG-2本地(不需要协议翻译)DVB异步串行接口将各媒体业务连接到一行QAM调制器。各个机顶组共享包含6至8个QAM信道的点播信道库。如果一媒体服务器故障，顾客将失去服务但是可以重新订购服务并且可以通过QAM交换矩阵连接到另一媒体服务器。

QAM交换矩阵仅提供有限的交换，因为该交换矩阵的维度由M(库中的点播信道的数量)乘以N(每个媒体服务器的QAM调制器的数量)乘以点播信道中的流的数量(6至8)确定。

Pegasus MPEG-2传输机构的另一问题是由于它是为广播而非交换网络设计的，因此它假定恒定延迟网络。

图2是Pegasus系统中的信道类型的图。注意，正如FSN一样，Pegasus2系统使用带外信道。

Digicable是通用仪表(General Instrument)为端对端的卫星和电缆系统分布网络提供的另一现有技术系统。它也使用带外数据信道来传送与所有带内信道相关联的公共系统信息。这些现有技术系统中的带外业务量包括：授权管理消息(EMM)，定址到各个STB并且承载针对所请求业务的有条件访问安全授权指令；业务信息，以关于所请求业务的信息来支持STB导航应用；节目指南信息，显示在不同时间在不同频道演什么；紧急警示系统消息，使得STB显示文本消息、播放音频消息或者强制调谐到警示频道。

现有技术的主要问题

在FSN和Pegasus现有技术中存在至少两个主要问题。将软件下载到机顶盒具有几个优点，但它也具有几个重要缺点。将软件下载到STB的一个主要优点在于其简化了STB的硬件和软件，因为STB不需要有足够的存储器来存储所需的所有需要的应用。存储器很昂贵，因此这个优点使得更便宜地制造各个STB。由于为了全国性部署交互式和点播业务而需要制造数百万个STB，因此这是一个重要的优点。软件下载的另一个主要优点是可以将针对新业务的新应用加在首端，并且通过HFC将其传播给任一STB，从而使得STB在将来经得起考验。此外，可以随意对应用缺陷进行修补和升级而无需淘汰全部STB。

一个重要缺点是软件下载大大增加了每次用户按下按钮以改变频道或调用任何其他业务时从STB到服务器告诉服务器要下载什么应用软件的上行网络通信量。对于几千个STB以及对于以有限带宽承载这种上行业务的带外信道，导致了很多问题。其中有可用带宽的争用和延迟，以及仅仅用于OOB信道承载管理业务的单独媒体访问控制协议和单独调谐器的复杂性和费用。

软件下载的另一个显著缺点是其花费时间来下载应用软件。小应用可以通过高速信道在几分之一秒内下载，但是下载大应用引入延迟并且消耗大量的网络容量。此外，如果下载服务器或者信道不可用，顾客将看到失去服务。使导航器应用常驻在STB中抑制了这个问题，但是使得STB更加昂贵。

在现有技术中已经针对软件下载使用了几种机制。第一种是数据轮播，其中通过QAM信道将软件应用和诸如节目指南数据的数据作为一组文件连续地传送。然后STB从流中仅挑出必要的应用和数据。这当STB对文件的需求少时在等待恰当文件的过程中导致延迟并且不必要地消耗了网络下行带宽。通过将应用或数据放入单独的节目基本流(programelementary stream)(PES)中，也可以将MPEG-2传输流专用数据部分用于应用和数据下载。当STB选择了MPEG-2程序时，STB激活监听PES并恢复数据的加载器应用。当接收到应用程序时，加载器程序将它们放在存储器中并且起动它们。此外，还可以使用提供服务器与STB之间的点对点业务的带外信道，但是这需要STB具有仅仅用于OOB信道的单独调谐器和MAC协议，从而使得STB更加昂贵。此外，如果使用OOB下行信道为所有交互式和点播业务下载应用，则OOB下行信道可能容易地被软件下载业务量淹没。

对于所有的FSN、Pegasus和Digicable现有技术系统的另一个主要问题是使用带外信道来传达系统信息。如前所述，将OOB用于上行和下行管理业务要求STB具有单独的接收器和发送器，因为OOB信道从承载数字和模拟业务的信道频分复用在HFC上。如果STB自发地进行传送而不等待来自首端的询问(poll)，那么使用多个STB共享的上行OOB也需要各个STB具有MAC协议。

一些现有技术电缆系统已经使用对系统信息的带内传送作为6MHz信道的一部分，但是常识是带内传送具有几个重要问题。首先，由于STB调谐器可以调谐到任一频道并且一次只能调谐到一个频道，因此为了确保传送，必须在每个6MHz的信道上联播带内管理消息。在各个信道上联播消耗大量的系统带宽并且针对每个信道需要消息插入设备，因此使得首端更加复杂和昂贵。此外，NTSC模拟信道在垂直消隐间隔中承载数字信息的容量非常有限(约9600比特每秒)。此外，在没有返回路径的单向系统中，将系统信息作为重复发送的循环队列来广播。在大系统中，这由于大量的系统信息而导致大量的排队延迟。数字信道提供了数据容量的显著增加，但是不管STB调谐到模拟或者数字信道都必须传送系统信息，因此不可能获得数字信道的有效负载增加的好处。只有通过在STB中包括用于模拟信道和数字信道的单独调谐器才能解决这个问题，但是这增加了STB的成本。

直接广播卫星(DBS)系统没有OOB信道，并且各个信道是数字的并承载6至12个子信道的业务。将管理和控制消息作为数据轮播在各个数字信道上以几十万比特每秒的速率进行带内联播，由此消耗大约1％的开销。这是因为在DBS系统中没有实时上行。因此，由于调谐器可以调谐到系统中的任何信道并且可能需要任何特定应用软件或者其他M&C数据片，所以必须基于循环数据轮播在所有信道上连续发送M&C数据。存在到各个DBS接收器的电话线路连接，但是它仅用于回叫(callback)目的，以上载按观看次数收费的数据并对DBS接收器仍位于顾客初始声称其在的地方而没有移动到邻居家进行验证。由于在DBS系统中没有实时上行，因此首端不知道系统中的各种调谐器调谐到哪个频道。这是必须在每个信道上联播M&C数据的原因。然而，DBS接收器是单个的调谐器并且M&C数据是在带内传送的，因此它们可能代表最接近的现有技术。然而DBS接收器仍然需要单独的调制解调器和软件以发送数据上行。

对在DBS系统中的全部信道上联播M&C数据的需要是电缆系统运营商高估价OOB的原因。OOB信道消除了在每个信道上同时地联播管理和控制信息的需要以及对带宽的大量浪费。然而，OOB信道需要STB中的单独调谐器，这使STB复杂化并且使其更加昂贵。

早期的OOB信道带宽有限，但是使用现在可获得的更高速率的硅片，系统消息仅占OOB信道容量的10％。然而，各个STB除了用于数字和模拟前向信道的调谐器外仍需要OOB调谐器和上行MAC协议，因此STB比它所需要的更昂贵。剩下的90％被标记为用于扩展业务，如电子邮件，扩展的节目指南，网络游戏等。

现有技术中可用的上行OOB信道选项为DVS-178、DVS-167(由数字音频视频委员会(或DAVIC)开发)和DOCSIS电缆调制解调器。DOCSIS电缆调制解调器标准被设计为针对数据传输的带内机制，但是如果向STB加入附加的调谐器(调谐器中的一个专门用于DOCSIS信道)，那么可以使DOCSIS数据传输协议在带外信道中完成DVS-178、DVS-167的所有功能。这仍需要在STB中使用至少两个调谐器(其中一个位于DOCSIS电缆调制解调器中)，并且其需要DOCSIS电缆调制解调器的所有电路和软件以实现DOCSIS协议从而在OOB上发送和接收管理消息。

作为已经发展到今天的OOB信道，与对于任何数据通信网络一样，需要用于地址管理、消息路由、网络管理等的协议。OOB信道可以使用TCP/IP协议以避免多此一举。TCP/IP提供了使得可以将消息个别地发送给各个STB而没有建立连接的开销的对各个STB的无连接业务，由于可能存在数千个STB，因此这非常重要。TCP/IP使能的路由器和设备容易获得且便宜，并且提供了聚集返回信道业务量以有效地使用上行带宽的能力。

然而，OOB仍需要STB中的单独的调谐器以及电路和软件以实现这些协议，由此使STB复杂化。

相信索尼(Sony)已经通过Cable Vision开发和部署了一种交互式视频传送系统，该系统将DOCSIS用于双向OOB信道，在其他非DOCSISMPEG-2复用上传送交互式和VOD业务。该系统在各个STB中仍需要两个调谐器，一个用于视频，另一个在STB内的DOCSIS调制解调器中，并且仍然有必须使用带外信道的缺点。DOCSIS调制解调器只取代了PegasusSTB中的QPSK OOB收发器电路。相信有条件访问是以常规的方式进行的。

即使在OOB信道上的系统管理数据、有条件访问密钥、应用程序、节目指南数据等的数据轮播的联播也是浪费的。所消耗的下行OOB带宽中的大部分被浪费，因为当时在工作并调谐到OOB信道的STB不需要数据轮播中的大部分信息。

由于在现有技术中已经在MPEG传输流的专用数据PID上发送EMM消息，因此带内发送有条件访问数据并不新鲜。一个名为Canal+的来自法国的公司及其竞争者Nagravision和NDS为卫星直接广播系统和其他系统提供加密业务。Canal+是针对电缆、卫星和数字地面网络上的机顶盒的数字和交互式电视软件解决方案的提供商。Canal+开放数字交互式电视系统在商标Media Highway下销售。该系统通过使得顾客可以将数字设备(例如DVD，DVHS和家庭计算机)连接到其机顶盒从而使得顾客可以将他们的电视调到多媒体家庭娱乐中心，并且使得可以通过卫星、电缆、地面和调制解调器网络、以及向订户提供连续数据广播(例如股票交易信息)的推技术进行快速互联网访问。Media Highway提供两种交互：轮播和在线。轮播交互意味着向顾客循环地广播诸如包括电子节目指南数据的数据，随后顾客可以与本地进行数据交互。通常当没有返回路径时这么做。在这种轮播型交互中，预先发送有条件访问的密钥，并将其存储在机顶盒中以供需要时使用。换言之，预先向机顶盒发送针对具有该STB的顾客预订了的所有业务的所有工作密钥和针对该机顶盒的会话密码并将其存储在那。将加密的节目数据作为数据轮播循环广播。当用户想要观看经加密的节目时，从存储器中读取合适的密钥并用它来解密视频节目或者业务数据。交互的另一种形式是在线。在线交互意味着存在某种返回路径，该返回路径使得STB可以向远程服务器上行发送消息，例如请求业务或者请求下载用于交互式式网络游戏的软件应用以在STB上存储或执行。可以将对STB的软件升级和补丁下载并存储在STB闪存中，并且当需要时可以将软件应用下载到闪存中作为常驻应用或者STB的RAM中。

Media Highway系统通过提供专有应用认证系统以在传输级对要下载的软件进行认证，从而提供安全性。Media Highway系统还提供通过插入STB中的智能卡(或者安全处理器的其他实现)控制对个别程序的用户访问的有条件访问系统。对下载的应用程序进行认证从而不能执行没有通过认证处理的盗版应用。所有的这些都是通过在各个STB中以唯一的设备层接口(DLI)建立Media Highway中间件虚拟机实现的，STB的制造商必须将其STB构造为与该DLI兼容。如果STB被构造为建立端口到DLI，那么STB的读卡器、调制解调器、LED显示器、时钟和加载器软件将和Media Highway虚拟机一起工作，并且允许使用上述特征。如果制造商使用Canal+提供的应用开发工具来开发软件，那么它将与该虚拟机兼容。

Canal+有条件访问系统在商标MediaGuard下销售。在这种系统下，首端的预订授权系统在授权管理消息(EMM)中以会话密钥的形式向已经预订了加密业务的顾客的插入STB中的智能卡提供访问权限。有两种加密单元。第一种对要发送给STB的EMM进行加密，可能用预订了业务的STB的私人用户密钥。另一种加密单元位于数字广播中心，并且对授权控制消息中的业务密钥进行加密。该业务密钥是用于对包含业务数据的分组的有效负载进行加密的密钥。将ECM(授权控制消息)插入MPEG复用的广播MPEG传输流中。使用EMM消息中的会话密钥恢复这些ECM并且对其中的加密业务密钥进行解密。还在MPEG复用中发送EMM，可能在具有私人数据PID的MPEG分组中。在STB处，将加密的ECM和EMM消息发送给智能卡中的安全处理器，并且使用私人用户密钥对EMM消息进行解密并恢复会话密钥。然后使用会话密钥解密ECM消息并且恢复发送给解密引擎的控制字或者业务密钥以对承载业务数据的MPEG分组的有效负载进行解密。

如果存在上行返回路径，那么相信在现有技术MediaGuard中ECM和EMM对着目标地发送给STB，如果不具有上行返回路径，那么相信ECM作为数据轮播发送，对着目标的EMM消息预先带内发送给预订了某业务的所有STB用于存储。这使得当用户命令他已经订购的业务时，STB可以从存储器调出会话密钥，并且使用该会话密钥恢复业务密钥或者控制字。还相信即使存在返回路径时ECM也将作为数据轮播发送。

在该Canal+现有技术系统中，脉冲按次收费(impulse pay per view)要求使用智能卡钱包中的记号和经过某种数据路径(通常是电话线路)的回叫过程，以从智能卡收集付费信息。这需要专门的通信服务器来实现回叫过程并处理收集到的数据。回叫并不是实时发生的，从而在进行回叫之前不能立即知道事件的成功。相反，使用DOCSIS带内M&C下行信道和成对的DOCSIS上行信道来发送和接收M&C以及有条件访问数据不需要专门的通信服务器从首端进行回叫，并且使得可以基于订户的数量立即确定事件的成功。

Canal+高级按次收费的操作模式与脉冲按次收费操作相同，但是还包括实时、在线的PPV模式，其中用于回叫的一个通信服务器从STB、按键式电话、诸如Minitel的交互式视频文本业务接收直接上行实时命令，或者用针对OOB信道的STB中的必要电路和MAC协议，要求OOB信道发送上行数据。

因此，需要解决主要包括以下方面的所有这些问题的方法和装置：降低接收数字广播、交互式和点播业务所需的机顶解码器盒的成本，使得可以使用应用软件下载，以可以通过实时定向传送到指定STB来执行数据轮播和有条件访问的方式来对数据轮播和有条件访问进行简化并提供更有效的功能从而不浪费带宽。

发明内容

根据本发明的一个重要教导，可以通过消除现有技术系统的带外信道并且允许单调谐器STB来降低交互式数字电缆系统中的机顶盒的成本和复杂性。这是通过在传送加密业务数据的同一RF信道中带内传送管理和控制数据(以下称为M&C数据)来实现的。这是通过将M&C数据封装在具有DOCSIS PID的MPEG分组中并将这些分组放在用于传送压缩的音频、视频和所传送业务的数据(以下将数字广播、交互式和点播业务称为业务)的MPEG-2传输流中来实现的。HFC上的RF中的纯DOCSIS上行流用于上行M&C数据。这消除了现有技术STB中的OOB调谐器，并且消除了DBS接收器中的上行电话线路调制解调器以及相关联的软件。根据本文的教导而改进的单DOCSIS电缆调制解调器可以对业务进行调谐并恢复其MPEG分组，可以调谐并恢复包含M&C下行数据(其包括有条件访问数据)的MPEG分组，并且在HFC的RF频谱中的纯DOCSIS上行信道上实时发送M&C上行数据。

现有技术的情况是存在三个数据路径用于数据通信，其中两个用于下行传送，第三个用于上行传送。第一个下行数据路径是承载所提供的各种业务的MPEG分组的射频RF信道。第二个下行数据路径用于M&C数据的下行传送，它可以是RF中的与HFC系统中第一个信道分开的频率上的OOB信道，或者，在应用于DBS卫星系统的Canal+系统的定向EMM传送的情况下，它可以在专用数据PID上在带内，或者在DBS卫星系统(例如DirectTV或者Dish网络)中作为系统所有信道上的同时数据轮播的对所有M&C数据的多播的带内。第三个数据路径是上行返回路径，它可以是DBS系统的间歇使用的电话线路(因为不能无限地占用该电话线路，因此它不可能是实时的)，或者单独的上行信道，在Canal+加交互式在线模式的情况下它总是打开的，如果STB具有上行RF发送器和上行信道电路则它或者可以是RF信道或者是电话线路上的常开上行DSL信道。

这些现有技术系统都不支持具有使用由DOCSIS电缆调制解调器传送的纯DOCSIS信道的常开上行信道和使用同样由DOCSIS电缆调制解调器恢复的DOCSIS PID的下行信道的STB中的改进DOCSIS电缆调制解调器形式的单调谐器。单调谐器方面要求下行M&C信道在与业务数据相同的RF载波上并且作为具有DOCSIS PID的MPEG分组传送，并且它要求通过DOCSIS电缆调制解调器的发送器和上行信道电路来发送上行流。所有HFC系统使用单独的OOB信道，单独的OOB信道要求STB具有第二调谐器并且可能具有MAC协议以处理对OOB信道的接入。在现有技术系统中，在诸如DBS系统的带内传送M&C数据的情况下，要求单独的上行电路与DSL线路连接或在单独的RF信道上传送上行M&C数据(如果存在常开的实时上行M&C数据传送)，或者要求单独的调制解调器在普通老式电活业务(POTS)线路上传送上行流(在这种情况下，不存在实时常开上行M&C数据传送)。

由于下行数据是在DOCSIS信道上发送的，因此在一些实施例中，还可以在DOCSIS信道上发送其他DOCSIS业务的数据，所述其他DOCSIS业务例如宽带互联网访问、语音IP、基于电缆的DSL、在首端记录的数字视频记录器数据、视频会议数据，或者任何其他DOCSIS数据(在权利要求中称为DOCSIS业务数据)。还可以将定向的有条件访问EMM消息仅仅在STB需要它们来对该STB经由纯DOCSIS上行流上的上行通信预订的业务进行解密时仅仅下行发送给需要它们的STB。DOCSIS上行和下行M&C信道的使用消除了对EMM消息数据预先存储协议(诸如DBS系统中所使用的)的需要(这浪费了下行带宽和STB中的存储空间)。它还消除了对用于进行回叫协议或者进行高级按次收费的实时在线交互模式(如在Canal+MediaGuard的现有技术中教导的)的首端单独服务器的需要。这是因为首端的DOCSIS CMTS既可以处理下行M&C发送又可以处理对DOCSIS上行流上的上行实时M&C数据的接收。由于DOCSIS协议处理STB对上行DOCSIS信道的多接入，因此不需要用于上行流的单独服务器并且不需要用于上行信道的专门或专用上行媒体访问协议。换言之，因为可以使用DOCSIS CMTS普通消息收发功能来响应于在CMTS接收到的上行M&C消息而发送M&C数据和定向有条件访问数据下行流，因此可以消除Canal+首端所需要的单独的通信服务器。这些上行M&C请求请求对特定业务、用于将其解密的有条件访问数据、节目指南数据、应用数据和其他M&C数据的下载。还可以使用供应电缆调制解调器并对到DOCSIS的软件下载进行认证的普通DOCSIS机制，由此消除了对开发或者使用专用机制来完成这些必需功能的需要。

在本申请或所附权利要求中对MPEG-2或者MPEG的引用应理解为表示适于发送交互式业务的视频、音频和其他数据，数字视频广播，或者视频点播业务的任何数据压缩方案。交互式业务可以是需要从机顶盒到首端的上行通信的任何东西，包括经过与机顶盒相连接的计算机的宽带互联网访问。虽然目前本发明在MPEG传输流上通过DOCSIS PID带内发送M&C数据从而最小化交互式业务传送中的开销，但是如果将来DOCSIS演变为除了通过MPEG的IP之外的东西，只要可以带内发送M&C数据并且以某种方式从点播和交互式业务数据中分离出M&C数据，就无论DOCSIS演变为什么都足以实践本发明。

已经有数个通过IP和通过DOCSIS传输协议来发送交互式视频和视频点播(VOD)业务的提案。本发明不进行那些方法中的任何一种。本发明如同Pegasus现有技术中所做的那样在MPEG传输流上发送视频和其他交互式业务，但是将M&C数据带内放入DOCSIS PID上的MPEG传输流中。在传送加密业务数据的一些实施例中，M&C数据可以包括EMM有条件访问密钥数据。使用可以具有一个或者更多个子信道并且可能是DOCSIS 1.0、1.1或2.0的普通DOCSIS上行流。在优选实施例中只有M&C数据在DOCSIS上行流上发送。然而，在另选实施例中，其他DOCSIS业务数据可以共享DOCSIS上行流，例如广播互联网访问、语音IP、安全摄像机视频IP数据等等。

这种对DOCSIS带内M&C信道的使用通过消除各个STB中在现有技术中仅专用于在带外信道上发送和接收OOB数据的收发器电路从而使得可以大大简化STB。它还消除了现有技术中如果共享上行OOB信道则需要的媒体访问控制协议。与本发明兼容的STB仅需要来自DOCSIS调制解调器的一个调谐器和电路，其可以对各个传输流中的MPEG分组进行解复用并将它们路由到STB中的正确电路以用于管理和控制或者提取业务的视频、音频和/或数据。换言之，STB中的DOCSIS调制解调器调谐MPEG-2复用，滤出并处理承载MPEG-2分组的DOCSIS PID，滤出具有所希望业务的PID的MPEG-2分组，并将它们发送到适当的STB电路以进行密钥提取、业务数据解密、NTSC信号生成、软件加载、显示节目指南数据等等。STB中的DOCSIS调制解调器电路还用来传送常规的DOCSIS上行流以支持带内DOCSIS M&C信道。

现有技术FSN在OOB信道上分配时隙，这浪费了上行OOB带宽。这个教训导致了DAVIC OOB保留协议。然而，DOCSIS协议在前向和反向信道中都支持高得多的数据速率，并且随着DOCSIS 2.0的出现，支持更高的数据速率。此外，由于在DOCSIS PID上执行的DOCSIS协议处理MAC功能，因此本发明不需要单独的MAC协议来管理共享的上行OOB。

使用上行和下行DOCSIS消息来执行普通DOCSIS媒体访问控制协议。这包括测距(ranging)请求、测距响应消息、MAP(上行带宽分配)和UCD(上行信道描述)消息等。其全部在MPEG-2复用的DOCSIS PID上下行传送。上行DOCSIS消息(例如在MAP中标识的测距争用窗口期间传送的测距脉冲、带宽请求、以及包含M&C数据的消息)是通过STB中的改进DOCSIS电缆调制解调器在由CMTS通过MAP消息而控制的争用窗口或者所分配的上行小时隙期间传送的。测距争用窗口是下行MAP消息中标识的邻近的上行小时隙组。承载上行M&C数据和其他DOCSIS数据的上行数据脉冲信号是在MAP消息中分配的小时隙期间传送的，该MAP消息是响应于在上行DOCSIS信道上在MAP消息中分配的带宽请求争用窗口期间传送的上行M&C带宽请求消息而传送的。由于调度并完全利用了上行DOCSIS信道的带宽，因此不像FSN现有技术(其中即使特定的STB没行上行业务量，也为其保留特定的上行时隙)中那样浪费上行OOB带宽。

在一些实施例中，DOCSIS M&C信道的更高下行和上行数据容量使得可以从首端通过DOCSIS PID下载操作系统软件和导航软件，而不是像Pegasus现有技术的情况那样被迫将操作系统软件和导航软件常驻在STB上，虽然优选实施例为了更快的操作将导航和操作系统软件常驻在STB上。Pegasus现有技术系统被迫将导航和OS软件保持为常驻以消除由4000个STB不变地请求软件下载而引起的上行瓶颈。Pegasus方法减少了每次按下远程控制按钮就不变地向4000个Pegasus STB下载这些应用而消耗的网络资源，在Pegasus不鼓励OOB软件应用下载，出于这些目的使用MPEG-2专用数据轮播。

在MPEG-2传输流中在DOCSIS PID上传送M&C数据还最小化了与管理交互式业务和VOD相关联的开销。由于DOCSIS本质上是基于MPEG的IP，这带来了广为人知的IP协议以及管理交互式业务和其他所有辅助装置(例如与STB连接的个人计算机)的可寻址性的好处。使用IP层功能以向下行业务加入寻址能力，从而可以在来自特定STB的上行消息中请求应用软件下载、节目指南数据、有条件访问数据等并且将其仅下行发送给请求它的STB而不使用浪费带宽的数据轮播。

通过MPEG-2传输流上的DOCSIS PID使用DOCSIS数据传送协议来实现DOCSIS带内管理和控制信道具有显著的优点。MPEG-2传输流或者复用可以用来传送所有带内业务传送信道并替代所有OOB管理信道。这使得可以消除现有技术系统(例如Pegasus，FSN，Digicable和Canal+)中先前需要的在OOB信道或DSL链路或POTS电话线路上通信的所有STB电路。此外，本发明还享有使用MPEG-2传输而不将其叠加在ATM传输机制上的所有开销减小的效果。使用DOCSIS信道和所有其协议消息来在MPEG-2传输流内的DOCSIS PID上传送M&C数据大大减小了用来传送业务数据的传输机制的开销。这是因为传输机制是经改进的MPEG-2传输流，而不是如FSN现有技术中的分为ATM信元的MPEG-2传输流。回想时代华纳FSN的基于ATM传输协议的MPEG仅使用ATM传送协议就遭致12％的开销，主要因为每个ATM信元中的5字节头部。因此，在本文所述的发明中避免了试图通过ATM基础设施(如时代华纳全方位业务网络)发送MPEG帧的沉重开销负担。

对机顶解码器(STB)的简化是至关重要的，因为在全国范围内部署数百万个复杂STB的成本是电缆运营者望而却步的，此外将使通过HFC的交互式和VOD业务放缓进入全国性市场。

已经改进了STB中使用的DOCSIS电缆调制解调器以从STB微处理器接收过滤命令，在MPEG传输流中选择具有DOCSIS PID的MPEG分组，恢复先前在现有技术中通过前向OOB信道发送的下行M&C数据，并将其传送到STB中的适当电路。例如，提取DOCSIS PID上的EMM有条件访问消息，将其识别为EMM消息并发送给STB微处理器，在STB微处理器只保留定址到该特定STB的EMM消息并且使用STB的专用用户密钥其中的加密会话密钥进行解密。还改进了DOCSIS电缆调制解调器以从接收到的MPEG-2复用提取具有所选业务的PID的MPEG分组并将这些分组提供给有条件访问解密和解压缩电路。然后将解压缩的数据提供给用于图形绘制和NTSC、PAL或SECAM或者其他格式信号生成的处理器。还改进了DOCSIS调制解调器以接收上行M&C数据并在常规DOCSIS上行信道上将其传送。

与Canal+和DBS现有技术不同，本发明的优选实施例使用定向的非轮播方法来经由实时常开上行DOCSIS信道仅将所请求的M&C数据(包括定向有条件访问EMM密钥数据)仅仅发送给请求它的STB。不需要单独专用通信协议用于回叫、提供、安全软件下载或者从首端的其他STB管理，因为DOCSIS常开上行和下行信道的任一个消除了对这些功能的需要或者DOCSIS协议已经具有适当地执行这些功能的公知机制。ECM消息与相关联业务的PID在传输流中发送。

简言之，将本发明与DBS、Canal+、FSN和Pegasus现有技术相比，本发明是：在常开的常规DOCSIS信道上接收来自机顶盒的上行消息；这些上行信息格外地定义了STB需要什么M&C数据；并且只将需要的M&C数据通过下行MPEG-2复用(其还传送数字业务数据)内的DOCSIS PID上的DOCSIS信道带内地仅仅发送给需要它的STB。这是通过使用IP分组或者可以定址到特定STB或可以多播的任何其他类型的分组或信元(以下仅称为IP分组)完成的。这些IP分组封装在MAC帧中，MAC帧封装在具有保留DOCSIS PID的MPEG-2分组中。这些MPEG分组复用到承载所传送业务的压缩视频、音频和数据的MPEG传输流复用中。简言之，本发明的理念的这个概述在本文其他地方称为瘦DOCSIS或双向DOCSIS M&C信道。

经由该瘦DOCSIS信道的应用软件下载除了简化STB之外还使得可以从首端修复程序缺陷、从首端加载升级以及从首端加入新特征，从而使得STB将来经得起考验。通过DOCSIS 2.0上行M&C信道允许同步码分复用脉冲的事实克服了现有技术中关于应用下载淹没了OOB前向信道和太多对应用下载的同时请求淹没了OOB上行信道带宽的问题。这大大提高了DOCSIS上行信道的业务容量，并且使用DOCSIS上行带宽分配协议使得很多STB可以同时使用DOCSIS上行流。该协议是基于争用的上行带宽请求，但是一旦批准请求就不会出现冲突，因为首端控制谁可以传送以及何时可以传送。

使用DOCSIS M&C信道的另一个优点在于对有条件访问的实现。目前的有条件访问需要各个STB具有智能卡或者各个STB中的其他嵌入式安全电路，这增加了STB的成本。在常规的有条件访问系统中，安全微处理器(有时在智能卡上)在OOB信道上发送购买信息，并且在HFC的情况下在OOB信道上向安全微处理器发回包含认证访问的加密会话密钥的授权管理消息(EMM)，或者在DBS系统上的Canal+技术的情况下在专用数据PID上发回。这种方法要求STB具有用于OOB信道的单独接收器或专门的软件以提取专用数据PID EMM消息、将其路由并使用STB的专用用户密钥对它们进行解密。承载所传送业务的加密MPEG-2复用在STB中路由到MPEG-2传输解复用器，该MPEG-2传输解复用器基于PID将流分为多个单独的流，并且选择针对所选择业务或者节目的视频、音频和数据分组化基本流(PES)。现有技术有条件访问系统的MPEG-2传输流中的授权控制消息(ECM)是承载加密密钥的加密消息。传输解复用器选择应用于希望的受保护节目的ECM并将其发送给安全微处理器。安全微处理器使用经解密的EMM会话密钥来解密ECM，得到的有效负载解密密钥(称为工作密钥)发送给有效负载解密引擎。该有效负载解密引擎使用这些工作密钥对具有所选择的加密节目的PID的MPEG分组中的PES的有效负载部分进行解密。

使用DOCSIS M&C信道的显著优点概述为：(1)当需要应用程序时通过DOCSIS PID从首端向各个STB的安全应用软件下载，从而简化了STB并且减少了其存储需要，并且使它抗程序缺陷、容易升级、灵活并且将来经得起考验；(2)各个STB使用常开的常规DOCSIS上行信道来发送指示其需要的确切应用程序和其他M&C数据的上行消息，因此只有必需的应用软件和M&C数据通过DOCSIS PID仅仅下载到请求它的STB，从而防止了数据轮播固有的带宽浪费；(3)通过消除用于OOB信道的调谐器和MAC协议并且消除与DSL或POTS电话线路接口所需要的所有电路从而简化了STB；(4)减少了传送数字业务的开销；(5)消除上行M&C信道上浪费的带宽；(6)无须淘汰现有设备即可从首端进行对STB的升级、程序缺陷修复和加入新特征；(7)简化了有条件访问处理并且消除了专用于有条件访问的首端回叫服务器；以及(7)使用现有的电缆调制解调器终端系统来从首端管理STB。

附图说明

图1是时代华纳全方位业务网络的现有技术协议栈的图，示出了通过ATM基础设施传送的MPEG压缩音频和视频。

图2是现有技术Pegasus 2信道类型的图，示出了OOB的使用。

图3是现有技术Pegasus 2的QAM交换矩阵的图，该QAM交换矩阵用来克服MPEG-2并非设计为在分组交换网络中工作的事实。

图4是现有技术的时代华纳全方位业务网络的通信协议栈的另一图，示出了TDMA和QPSK OOB控制信道以及承载ATM信元的QAM调制信道，所述ATM信元承载用于传送交互式和点播业务的数据的MPEG分组。

图5是仅仅数字业务首端仅下行装置的框图，该装置在HFC系统上传送数字视频广播节目以及视频点播和交互式业务，使用DOCSIS带内信道来传送管理和控制数据(M&C数据)，该数据在现有技术的通过HFC的交互式和VOD业务传送系统中是带外传送的。

图6是到HFC的RF接口上的DOCSIS通信协议栈的更详细的图，其包括图5中的块20，21和30，示出了可以如何实现从首端的CMTS管理STB的附加功能。

图7是示出了在CMTS和CM两端的用于上行和下行的协议栈的更详细框图，示出OOB或者管理和控制数据以及交互式业务和视频点播数据如何合并到合成MPEG-2传输流中并发送给物理介质依赖层且通过HFC传送。

图8是具有单调谐器的简单机顶盒的框图，该单调谐器用于接收交互式和VOD数据和其他业务以及管理STB和所传送业务的DOCSIS带内管理和控制信道。

图9代表单调谐器STB的另选实施例，其中NTSC/PAL/SECAM编码器156是多媒体图形处理器，其生成适当格式的模拟电视信号并且将图形叠加在显示的图像上以显示节目指南数据、导航信息以及需要的其他任何图形信息。

图10代表具有TIVO型数字视频记录能力的单调谐器STB的另选实施例。

图11是可以接收JVT压缩数据或者MPEG压缩数据的单调谐器STB的另一实施例的框图。

图12是示出如何从MPEG复用提取EMM和ECM信息的图。

图13是接收对管理和控制数据的上行请求并且通过在DOCSIS PID上发送所请求的管理和控制数据下行流来进行响应的处理的流程图。

图14A至14C是在首端执行以通过DOCSIS PID将定向EMM消息仅发送给预订了业务的STB的处理的流程图。

图15A至15C是在STB中执行以恢复ECM和EMM消息并对所请求业务的有效负载数据进行解密的处理的流程图。

具体实施方式

关于借助电缆技术的DOCSIS数据的一些背景知识有助于理解本发明。DOCSIS是Cable Labs开发的一系列规范，Cable Labs是定义用于通过HFC系统从首端向多个电缆调制解调器传输数据的标准的电缆系统运营商的协会。DOCSIS是一组标准，为了在首端与可以接收DOCSIS信道的多个电缆调制解调器或机顶盒之间通过混合光纤同轴电缆CATV系统以压缩形式数字地双向发送数据、视频和音频，而定义其中物理介质依赖层、传输融合层和媒体访问控制层的要求(用于进行信息收发以实现对媒体的访问控制和对电缆调制解调器的管理的协议)。

存在三个版本的DOCSIS规范，在此通过引用并入其全部内容，并且在此将其全部内容引用为现有技术：DOCSIS 1.0，1.1和2.0。其区别在于所允许的脉冲调制类型，码元速率等。例如，在DOCSIS 2.0中，允许同步码分复用脉冲，但是在DOCSIS 1.0和1.1中不允许。

DOCSIS本质上是对封装在MPEG分组中的互联网协议数据报的传送，因此它完全适合MPEG-2传输流。换言之，可以将承载DOCSIS数据的MPEG分组插入承载交互式和点播业务或者数字广播的压缩视频和音频以及辅助数据的MPEG-2传输流中，各个交互式和点播业务或者数字广播业务都具有其自己的节目识别符，即PID。这可以不影响MPEG-2传输流地进行。这是因为DOCSIS MPEG分组都具有将其标识为DOCSIS分组的节目识别符，即PID。这使得接收端的电缆调制解调器或者STB可以在同一传输流中将具有交互式或点播业务或者数字广播节目的PID的DOCSIS MPEG分组与MPEG分组分离开。用于各种业务的多种MPEG分组流可以被路由到电缆调制解调器或者STB中适当的电路以用于进一步处理。

DOCSIS原本被设计为使得IP数据分组可以通过HFC系统从首端(具有与互联网连接的服务器或者其他任何IP分组来源)传送到数百或者数千个电缆调制解调器。这使得用户可以通过其CATV系统连接到互联网，而不是使用电话线路通过慢速拨号连接到其ISP。网际协议(IP)是用在分组交换互联网和其他用于无连接传送数据包的网络中的协议。无连接意味着不使用专门的线路或者电路来传送整个消息或数据报，而是将消息分成多个分组，独立处理各个分组。

然而，通过DOCSIS信道传送的IP分组可能来自任何地方，并且可能用于封装请求的应用软件应用下载、请求的节目指南数据、数据轮播、网络管理和控制数据、使得首端可以管理STB的SNMP管理数据、实现DOCSIS测距的消息、以及DOCSIS媒体访问控制协议中包括的网络管理等等。

DOCSIS电缆调制解调器终端系统(CMTS)通过TCP/IP协议接收IP分组，并且将它们封装进具有头PID(被设置为0x1FFE以将MPEG分组标识为DOCSIS数据)的MPEG分组。在一些实施例中，随后将MPEG分组分解成ATM协议数据单元(APDU)，如IEEE 802.14规范中定义的。然而。在其他实施例中，不将MPEG分组分解为APDU，而是直接分成Reed Solomon编码块。将这些APDU分为Reed Solomon(RS)编码块用于前向纠错编码，各块具有检错纠错位。然后将RS块交织并且分解成交织的码元，可以将其Trellis编码为用于在HFC上传送的星座点也可以不这样做。

图5正是数字业务首端只下行装置的框图，该装置通过HFC系统传送数字视频广播节目以及视频点播和交互式业务，使用DOCSIS带内信道传送管理和控制数据(M&C数据)，所述管理和控制数据在现有技术的通过HFC的交互式和VOD业务传送系统中是带外传送的。虽然至少需要承载上行管理和控制数据的上行DOCSIS信道以实现交互式和VOD业务，但是在图5中没有示出模拟NTSC传送电路和上行DOCSIS信道以及MPEG-2传输流接收电路，以突出了本发明的基本概念而没有不适当的复杂性。一个或者更多个服务器10通过线路11从电缆调制解调器终端系统20(CMTS)接收对交互式业务的请求。在优选实施例中，CMTS 20是执行产业标准DOCSIS通信协议处理以处理HFC上的纯DOCSIS上行信道33上的上行DOCSIS通信的服务器。机顶盒从用户接收对于交互式业务和视频点播传送的命令，以及对在互联网上经由IP分组传送的其他业务的请求。在一些STB中，尤其是那些LAN连接到运行网页浏览器和电子邮件客户端的个人计算机的STB，用户可以经由通过红外或者射频连接与STB相连接的其PC或者无线键盘来请求电子邮件、网上冲浪以及请求下载和网页。这些请求以及其他常规DOCSIS消息，例如测距脉冲、上行带宽请求等，转换为管理和控制分组(M&C上行数据)并且通过STB中的DOCSIS兼容电缆调制解调器(CM)传送器封装到定址到首端或者互联网上的适当服务器的IP分组中。通过STB CM传送器将这些IP分组封装到定址到服务器中的MAC地址的MAC帧中，并且将MAC帧封装到分解为前向纠错(FEC)码元的MPEG分组中，所述前向纠错码元通过STB DOCSIS电缆调制解调器传送器在上行DOCSIS信道33上传送。

在首端处，物理介质依赖层30恢复来自DOCSIS上行的上行MPEG分组，并经由数据路径29将其发送给传输融合子层处理21。那里，从MPEG分组恢复MAC帧并且将MAC帧路由到恢复IP分组和进行测距、上行带宽请求等其他常规DOCSIS处理的其他DOCSIS层。然后将IP分组路由到适当的服务器以使得承载对于交互式业务的请求的IP分组路由到服务器10并且使得承载对于互联网访问或者IP分组传送的其他业务的请求的IP分组经由数据路径13路由到服务器26。

服务器10通过在线路12上输出请求的VOD和/或顾客请求的交互式业务作为MPEG传输流来响应所述请求。一个或者更多个服务器14在线路16上输出规则调度的或者近似视频点播的数字视频广播节目作为另一个MPEG-2传输流。线路18承载由管理和控制数据服务器19检索到或生成的管理和控制数据，该管理和控制数据服务器19可以与服务器10、14或者26相同或者可以不同。线路18上的M&C数据是现有技术中先前在下行OOB信道上发送的数据。将该M&C数据提供给一组DOCSIS通信协议处理20，其将该M&C数据封装到IP分组中，随后将该IP分组封装到定址到特定STB或多播的MAC帧中。在传输融合层21中将MAC帧封装到具有DOCSIS PID的MPEG分组中，并将其经由数据路径22发送到传输复用器24。提供诸如互联网访问的其他业务的诸如服务器26提供的其他数据也可以提供给DOCSIS通信协议20。在那里，如果所述其他业务的数据还没有封装在IP分组中，则将它们封装在定址到请求该数据的处理的IP分组中。将这些IP分组封装在定址到具有或者连接到请求该其他业务数据的装置和处理的STB的MAC帧中。在优选实施例中，随后将这些MAC帧封装在具有DOCSIS PID的MPEG分组中，但是在另选的实施例中，可以将CMTS 20编程为仅将管理和控制数据放在DOCSIS PID上并将高速或者其他业务放在具有专用数据PID的MPEG分组中。例如，没有示出但有可能的是输出基于IP视频的IP分组的视频服务器。这些也提供给DOCSIS通信协议20并且封装到MAC帧中，所述MAC帧封装在具有DICSIS PID或者专用数据PID的MPEG分组中。

这里使用的术语MPEG分组表示包含MPEG-2传输流的固定长度188字节的分组。各个分组具有包括4字节的头部，该头部包括PID字段和有效负载部分。DOCSIS MAC帧可以放入有效负载部分，如果的确如此，则PID字段具有表示有效负载部分包含DOCSIS数据的预定值。线路22上的MPEG分组具有DOCSIS PID。

线路18上的管理和控制数据可以包括用于下载到STB的所请求应用软件、所请求节目指南数据、诸如EMM消息的有条件访问密钥数据、事件提供数据、紧急警示业务数据、以及管理和控制交互式和VOD业务及定向广告的消息等等。DOCSIS信道33上的上行管理和控制数据可以包括：对交互式和/或VOD业务的请求、常规DOCSIS消息、关于交互式业务的管理和控制消息、对特定应用软件下载的请求、对指定节目指南数据的请求、对按观看次数收费事件的购买请求、游戏上行数据、对特定有条件访问密钥数据的请求、来自STB中的代理程序的代理数据(所述代理程序监视观看者的习惯以让广告商用来向特定STB发送定向的广告数据)等等。

传输复用器24将线路22上的MPEG分组与线路12和16上的MPEG传输流合成以生成MPEG复用。传输复用器24还调整各个传输流的表上的数据以及复用自身以生成包含线路28上的若干个MPEG-2传输流的合成MPEG-2复用。该合成MPEG-2复用在其上交织有来自线路12、16和22的MPEG分组以及节目关联表(PAT)。该PAT表在具有PID0的MPEG分组中传送，并用于定义哪些MPEG-2传输流在复用中。各个MPEG-2传输流在其中具有MPEG分组与节目映射PID。可以在接收端选择这些具有节目映射PID的分组，并且可以从这些分组的有效负载部分提取节目映射表PMT。该PMT表包含标识分组的PID的数据，所述分组包含各个程序、业务或者其他流的数据，以及作为节目或业务的一部分的定时和有条件访问数据MPEG分组，并且所述分组包含在从其提取PMT的MPEG-2的传输流中。传输复用器24将数据写入节目关联表以标识线路12和16上的传输流。然而，线路22上的数据在具有DOCSIS PID的MPEG分组中，从而不需要PAT表中的入口。这是因为DOCSIS PID是保留的PID，在PMT或PAT上都没有入口。写入各个MPEG-2复用的节目关联表的数据标识在MPEG复用的各个传输流中是什么交互式业务、数字视频广播、视频点播、或者互联网访问业务。

在接收端，当希望特定的节目或者流时，可以从流以及其发送到有条件访问电路以解密和发送到MPEG视频解码器以解压的有效负载数据提取具有PMT中列出的针对该节目或流的任何PID的MPEG分组。在STB中，提取DOCSIS PID上的M&C数据或者互联网访问数据以及定址到STB的MAC帧，并且将它们路由到STB中或计算机中的适当电路或者需要数据的与STB连接的其他顾客端设备。

传输复用器24以系统层处理中对于MPEG-2系统层处理的常规方式从若干个传输流创建出包含节目集的单个传输流。MPEG-2系统层提供从包含节目集的单个传输流提取出单个节目的功能、或者从包含节目集的单个传输流提取出节目子集的功能、或者从若干个传输流创建出包含节目集的单个传输流的功能。上述功能是通过各个STB中的传输流解复用器实现的。任一MPEG-2系统层的常规功能是将MPEG编码的视频、音频、专用数据、时间同步信息以及业务和控制信息合成到单个MPEG-2传输流。时间同步信息是用于对节目的视频、音频和数据部分进行同步的时间戳。专用数据可以是任何用户定义的数据，包括通常在OOB信道发送的M&C数据或者其他任何数据。

线路28上的MPEG-2传输流分组提供给物理介质依赖层(PMD)30。PMD层按照ITU-TJ.83-B规范(在此通过引用将其并入)将MPEG分组编码为用于传送的前向纠错保护码元。通常，将MPEG分组分解成ReedSolomon块并用检错和纠错位进行编码。然后交织这些块，将交织的流分成通常包含3位的段并进行Trellis编码以加入第4冗余位。然后将这4位分成定义码元实部的两位和定义码元虚部的两位以进行正交调幅和通过HFC 32传送。

各个MPEG分组具有4字节的头部以及可以包含任何类型的数据的有效负载部分。各个MPEG分组的头部包含定义有效负载部分中的数据属于何种业务的节目识别符，即PID。例如，包含针对电影的压缩视频数据的分组将具有特定的PID，而包含电影的声道的音频数据的分组将具有不同的PID。合成的分组以及一些其他MPEG-2传输流数据结构包含一个针对节目的MPEG-2传输流。每个MPEG-2传输流在其中具有MPEG分组，该MPEG分组在其头部具有节目映射PID。这些分组中的数据定义了前述的节目映射表(PMT)，该节目映射表定义了哪些PID是MPEG-2传输流(下文仅称为传输流)中的各个节目的一部分。在STB使用该PMT表中的数据以从合适的传输流恰滤出包含希望节目的视频和音频(可能有诸如显示图形的辅助数据等)的分组。

为了实现有条件访问，可以在STB中对具有希望节目的PID的分组进行解复用，并且从传输流对DOCSIS PID上的专用有条件访问数据进行解复用并将其提供给有条件访问电路以验证用户具有观看节目的权限并提供必要的密钥以对其解密。如果访问是授权的，则通过STB中的有条件访问电路对所选择节目的MPEG分组进行解密。随后将解密的MPEG分组提供给MPEG解码器电路以进行解压缩并根据其中的数据生成模拟NTSC电视信号。

图6是到HFC的RF接口上的DOCSIS通信协议栈的更详细的图，其包括图5中的块20、21和30。DOCSIS要求使用这些协议(除最高层协议33外)以使得网际协议(IP)分组可以在首端与电缆调制解调器之间透明地传输。因此，作为到IP分组来源以及与顾客端的电缆调制解调器(CM)或STB相连接或者与首端的电缆调制解调器终端系统(CMTS)相连接的任何顾客端设备的传送机制，DOCSIS系统是透明的。

CM和CMTS用作IP主机，必须支持DIX链路层帧上的IP并可以支持SNAP帧上的IP。CMTS可以用作透明桥接或者可以使用诸如路由和IP交换的网络层转发。某些管理功能也基于IP，例如频谱管理功能和软件下载。SNMP块34代表网络管理协议，其使得首端可以从STB收集网络管理数据并向STB发送网络管理数据和命令以从首端远程控制其工作的某些SNMP方面。

UDP层36组合数据报，IP层38加入包括源和目的地址的IP头信息。这使得特定的IP分组可以定址到特定的STB和这些STB内的特定端口。然后IP层将数据报封装在IP分组的有效负载部分中。

地址解析协议层解析IP地址并且将它们映射到物理地址。IP网络在现今得到很好的理解，其包括对连接到网络的装置进行管理所需的所有钩(hook)和工具，因此在DOCSIS PID上带内传送M&C数据利用这个事实来避免重新发明经由带内M&C管理交互式业务的方法的需要。

链路层控制/DIX层(LLC)42加入IEEE 802.2规定的头信息，该头信息标识当在一个虚拟电路上复用多个协议(IP和MPEG)时所需要的作为IP数据报的分组的内容。该层还提供对于IP层的可靠性功能以确保所有IP分组到达目的地。

链路安全层44进行诸如对IP分组加密的常规DOCSIS功能。

MAC层46执行与介质的物理性质无关但是为了在节点之间交换数据而考虑子网络的拓扑方面地对到物理介质相关层的访问进行管理的一部分DOCSIS协议。MAC过程包括成帧、测距、错误控制和获取使用共享介质的权利。MAC层使用物理层30的业务向LLC层42提供业务。

传输融合层提供数据链路层与PMD层30之间的接口，以获取包含先前在OOB信道上发送的M&C数据的DOCSIS MAC帧并将该数据封装到在头部具有DOCSIS PID的传输流的MPEG-2分组中。在这一层还可以将其他类型的数据(例如数字视频数据或者任何其他数字业务数据)封装到MPEG分组中，并将其作为专用数据发送。

如前所述，PMD，即物理介质依赖层30获得MPEG分组，将它们分解成码元并且执行前向纠错功能，并传送码元。

图7是示出针对上行和下行M&C带内信道以及在CMTS和CM端的业务传送的协议栈的更详细的框图。左边的协议栈是CMTS处的，而右边的协议栈是CM处的。该图示出了M&C数据与交互式业务和视频点播数据是怎样合并为合成MPEG-2传输流或者复用(多于一个传输流)并发送到物理介质依赖(PMD)层并在HFC上传送的。双向M&C数据流是线路48上的数据流。线路48承载上行M&C数据和下行M&C数据，并连接到首端的生成下行M&C数据并使用上行M&C数据的服务器。线路48上的M&C数据可以包括定址到特定STB的所请求应用软件下载、定址到特定STB的所请求节目指南数据、来自STB的对指定节目指南数据的请求、来自STB的对特定应用软件的请求、来自STB的对有条件访问密钥的请求、定址到特定STB的有条件访问密钥、来自STB的按观看次数付费的事件购买信息、事件提供数据、对特定STB的软件升级和错误修复等等。

Phy层50将DOCSIS协议业务与使用服务器用来经由数据路径48传送数据的任何物理接口和介质的这些服务器相连接。

数据链接层52执行业务以使得来自PHY层的原始数据可以在数据路径上传送到CM，其在与线路48相连接的服务器看来没有传送错误。它通过将数据分为帧、顺序地发送帧、并且处理DOCSIS上行流上的从CM返回的确认帧，从而进行该处理。数据链路层52提供业务以生成和识别帧边界，例如通过在每帧的开始和/或结束附上特殊的位模式。该层还提供业务以处理丢失或损坏的帧以及流量控制问题。

IP层54将从数据链路层接收的M&C数据帧封装到IP分组中，并在头部提供IP寻址信息以使下行M&C数据寻址到特定的STB。然后将IP分组转发到802.2/DIX/LLC层56。

LLC层56组合数据链路层帧以用于传送。链路安全层58提供诸如加密的安全性业务。

MAC层实现DOCSIS MAC层协议，例如发送同步时间戳和UCD消息，发送测距请求消息，从在测距脉冲的报头上进行时间、频率、相位和功率偏移测量的接收器硬件电路获取时间、频率、相位和功率偏移，向发送了测距脉冲的STB电缆调制解调器发送包括时间、相位、频率和功率偏移调整的测距响应消息，在争用间隔期间接收带宽请求消息，发送在请求了带宽的STB电缆调制解调器中分配DOCSIS上行小时隙的MAP消息，发送定义了DOCSIS上行中的一个或者更多个逻辑信道的信道特性的UCD消息，等等。MAP消息包括定义初始站保持间隔的信息元素，所述初始站保持间隔是STB电缆调制解调器可以发送它们的测距请求的争用区域。MAP消息还定义了其间需要上行带宽的STB可以发送上行消息请求许可的请求争用区域。MAP消息还包括根据分配给STB电缆调制解调器的SID定义对特定STB的许可的信息元素。这些许可是其间STB可以使用其电缆调制解调器传送上行M&C数据或者其他消息的传送时机。MAC层60生成下行MAC帧并接收上行MAC帧，并且对其进行处理。DOCSIS MAC协议广为人知，在此无须对其进一步描述。

下行MAC帧输出到传输融合层62，该传输融合层62将MAC帧封装到MPEG-2分组中。

具有M&C数据的MPEG-2分组在线路64上输出到传输流复用器66。包含视频点播业务的压缩视频、音频和其他数据，交互式业务，宽带互联网访问，语音IP的传输流中的MPEG-2分组从提供这些业务的服务器到达线路68上。传输流复用器将所有这些MPEG-2分组合成为包含几个传输流的MPEG复用，并生成包含PAT和PMT表的MPEG-2分组。合成的复用在线路70上输出到物理介质依赖层72。一般，PMD层72对线路70上的数据进行前向纠错处理。根据DOCSIS PID下行信道的特性和具体的PMD层特性，该处理可能发生变化并且前向纠错处理的一些性质(例如交织深度、Reed Solomon块大小、Trellis编码使能或禁止)可以依实施例而改变或者是可编程的。在DOCSIS 2.0下行的情况下，PMD层72将MPEG复用分解为块大小可编程的Reed Solomon编码块，用纠错数据对它们进行编码，如果交织使能则对它们进行交织，并且如果扰码使能则对它们进行扰码，将比特流分解为码元，并且如果Trellis使能则对它们进行Trellis编码，并且将它们QAM调制为HFC 74上的RF信号。

在STB，DOCSIS兼容电缆调制解调器调谐器进行调谐，对MPEG复用进行解调，将用于信号处理的恢复的比特流提供给PMD层76。PMD层76通过进行PMD层72进行的处理的逆处理来恢复复用的MPEG-2分组流。

恢复的MPEG-2分组流在线路78上输出给传输解复用器80。解复用器80在线路82上从STB中的编程微处理器(未示出)接收过滤命令。STB中的微处理器执行浏览程序(在优选实施例中该浏览程序常驻在STB上)，该浏览程序接收关于以下内容的用户输入：用户希望调谐到哪个频道、用户希望预订什么按观看次数收费事件、用户想看什么节目指南数据、用户想参加什么交互式业务、用户希望观看什么视频点播电影。该数据转换为线路84上的上行M&C消息数据和线路82上的过滤命令。该过滤命令通过PID告诉传输解复用器80从MPEG-2复用提取那些MPEG-2分组。

微处理器通过检查PMT表获得这些PID。为了获得这些过滤指令，传输流解复用器80首先滤出具有PID 0的分组。这些分组包含定义了复用中是哪些传输流的MPEG-2节目关联表。接着，传输解复用器选择承载所请求业务的传输流，并且提取包含节目映射PID的分组。处理这些分组以获得定义了哪个PID与各个所传送业务相关联的节目映射表(PMT)。从MPEG复用提取具有所请求业务的PID的分组，并且将其在线路90上提供给有条件访问电路(未示出)以进行解密，并随后提供给MPEG视频和音频解码器用于生成NTSC信号。

提取具有DOCSIS PID的MPEG-2分组并将其在线路86上提供给传输融合层88。在那里，恢复封装在MPEG-2分组中的MAC帧。将MAC帧传递给MAC协议处理92，在那里处理MAC帧并且以常规的DOCSIS方式恢复并作用于来自CMTS的所有下行消息，并将从MAC帧恢复的数据传递给链路安全层94。

链路安全层94对从MAC层接收的数据进行解密，并将解密的数据传递给LLC层96。LLC层对CMTS侧的数据链路层52组合的帧进行分解以恢复IP分组，并将IP分组传递给IP层98。IP层通过将IP分组的IP地址解析为物理地址并在线路84上发送M&C数据，从而将IP分组路由到适当的STB控制电路(未示出)，例如有条件访问电路、微处理器等等。将结合对简化STB的描述来对哪种类型的M&C数据发送给各种STB电路来进行更多说明。M&C数据包括得以路由到STB微处理器的PMT表。微处理器将其关于用户已经预订的交互式业务、视频点播和其他业务保留的的数据与PMT表中的PID数据进行比较，以确定包含各个预订业务的数据的MPEG-2分组包含哪些PID。使用这些PID生成线路82上到传输解复用器80的过滤命令，从而可以提取包含所预订业务的MPEG分组。

上行M&C数据(例如对业务的请求，特定应用或特定节目指南数据的下载，或者对特定业务的解密密钥的请求)从STB控制电路经由数据路径84发送到IP层98，并且封装在定址到处理M&C数据的首端服务器的IP分组中。然后IP分组经过层96、94、92、88向下传递，并作为MPEG-2分组在线路116上传递到上行电缆物理介质依赖层118，以作为常规DOCSIS QAM调制RF信号进行前向纠错和在HFC上的上行传送。

在首端，上行电缆物理介质依赖层120接收QAM信号并对其进行解调，恢复其中的MPEG分组并将MPEG分组在线路122上传递给传输融合层62。TC层62恢复线路122上的MPEG分组中的MAC帧，并且将MAC帧传递给处理MAC帧的MAC协议层60。例如，上行测距脉冲对定时偏移、相位和频率偏移以及功率偏移进行测量。各个STB的电缆调制解调器的结果放入称为测距响应消息的下行MAC消息中。该消息发送到STB并由其中的DOCSIS调制解调器发送器电路用来进行调整以获得与DOCSIS上行的同步。通过MAC层60将上行M&C数据经过链路安全层58和LLC层56传递到IP层54，所有这些层都对数据进行常规的DOCSIS处理。IP层54将上行M&C数据经过数据链路层52和PHY层50向下路由以在数据路径48上传送给处理上行M&C数据的服务器。

回到对STB的考虑，包含用于典型DOCSIS业务(例如宽带互联网访问，语音IP等)的数据的需要路由到个人计算机或者与STB相连的其他装置的所有下行IP分组向下路由到局域网接口100。这是如下完成的：IP层98将这些IP分组传递到LLC层协议102，LLC层协议102进行常规的DOCSIS处理并将得到的帧传递给MAC层协议104，MAC层协议104生成MAC帧并执行需要的协议以访问局域网100。获得的MAC帧传送给LAN物理层接口106，在图示的实施例中它是802.3 10Base-T以太网接口。在那里将MAC帧封装在以太网帧中，并且将MAC地址解析为LAN上的物理地址并将其传送到连接到LAN的适当装置，例如PC 108、语音IP电话110、安全摄像机112、数字视频记录器(用于视频IP业务)114等。来自这些装置的上行数据(如果有的话)采用逆路径向上经过层106、104和102协议并通过IP层98定址到首端处正在处理该上行数据所属的特定业务的任何服务器。从那里，上行业务数据采用与上行M&C数据相同的路径并且具有相同的处理，直到其到达首端的PHY层协议50。在那里其路由到首端处的正在处理各个分组所属的特定业务的任何服务器。

具有用于DOCSIS带内M&C信道的单个调谐器的简单机顶盒

参照图8，示出了具有单个调谐器的简单机顶盒的框图，该单个调谐器用于接收交互式和VOD数据和其他业务以及用于管理STB和所传送业务的DOCSIS带内管理和控制信道。HFC 74连接到调谐器126，该调谐器126是已改进以完成这里所述的附加功能的常规DOCSIS电缆调制解调器124的部件。该调谐器调谐到MPEG复用载波的频率。在一些实施例中，该频率可以是固定的。在其他实施例中，该调谐器是频率敏捷的，并且调谐到首端通过DOCSIS PID上的下行消息告诉STB调谐的任何频率。该消息路由到微处理器128，微处理器128经由线路130将调谐命令发送给调谐器126。调谐器对复用信号进行解调，并且滤出MPEG-2复用信号的带宽外的不想要的RF信号。可以使用任何DOCSIS兼容的电缆调制解调器调谐器。通常，该调谐器具有其增益由微处理器控制的自动增益控制(AGC)放大器。AGC放大器驱动具有宽通带的带通滤波器，该带通滤波器滤出下行MPEG复用所在频带之外的RF信号。带通滤波器将经滤波的MPEG复用RF信号提供给混频器，该混频器将该信号与频率由微处理器128控制的频率敏捷本地振荡器信号进行混频，从而将该信号下混频为中频(IF)信号。然后在窄通带滤波器上对该IF信号进行滤波，该窄通带滤波器的通带带宽被设置为与IF信号的带宽相等。最后，模数转换器以快到可以满足Nyquist准则的速率对该信号进行抽样，从而输出抽样流。在一些实施例中，通过公知的窄带切除电路来处理该抽样流以删除可能被窄带干扰破坏的样本。

经滤波的抽样输出到QAM解调器132，所述QAM解调器132进行作用以从接收的星座点恢复MPEG-2分组。任何可以从接收的星座点恢复MPEG-2分组的常规DOCSIS调制解调器QAM解调器电路即足矣。在一些实施例中，QAM解调器包括可编程的解扩器，该解扩器可以根据指示是否进行了扩频的下行信道UCD消息参数而使能或者禁止。该解扩器进行作用以对扩频下行脉冲进行解扩。在一些实施例中，QAM解调器还包括可编程的码跳器(code hopper)，以当UCD消息表示码跳活跃于下行DOCSIS PID信道上时跟踪下行信道中的码跳。然而，在优选实施例中，在下行DOCSIS信道上不允许扩频下行脉冲，从而QAM解调器仅包括对未扩频数字化QAM信号进行解调所需的电路。通常，该电路包括消除首端的下行PMD层进行的前向纠错处理所需的电路。通常，这包括样本缓存、使本地振荡器码元时钟与恢复的下行码元时钟同步的下行码元时钟恢复电路、均衡器滤波器、检测各个接收到的星座点中的数据位的可编程Viterbi解码器、重组Reed Solomon(RS)块并对其进行解交织并使用各块中的检错和纠错位对其进行纠错的电路、以及根据解码的RS块重组MPEG-2分组的传输控制层接口。

复用的MPEG-2分组在线路134上输出到传输流解复用器136。该信号解复用器在线路138上从微处理器128接收过滤指令，该过滤指令表明承载用户预订了的数字视频广播、交互式业务、视频点播和其他业务的压缩数据的节目基本流(PES)的PID。微处理器128通过监视IR/RF接收器接口142接收到的用户经由远程控制和红外或RF命令140而输入的浏览命令，知道用户预订了什么业务。这些命令发送到微处理器128，微处理器128将其转换为数据路径144上的上行M&C请求数据和数据路径138上的过滤命令。通过DOCSIS电缆调制解调器发送器146在常规的DOCSIS上行148上行发送该上行M&C数据。传输流解复用器136通过滤出包含所预订业务的MPEG-2分组并将其发送到有条件访问电路150来响应过滤命令。解复用器还滤出具有PID 0的包含PAT表的MPEG分组，并且将其存储在存储器152中以供微处理器128用于确定接收到的MPEG-2复用中有哪些传输流。然后微处理器128对PAT表进行处理以确定用于包含承载所请求业务的数据的MPEG-2分组的传输流的PMT表的PID。然后微处理器向传输流解复用器136发送过滤命令，请求它提取包含PMT表的MPEG-2分组并将其载入存储器152。一旦完成该处理，微处理器将它已经存储的关于所请求业务的数据与PMT表中的PID进行比较，并且确定所请求业务在哪些PID上。然后生成适当的过滤命令并将其发送给传输流解复用器136，以使得传输流解复用器136提取所预订业务的分组以将其路由到有条件访问加密电路150。

图8的STB可以使用在“Open Cable Architecture”一书(在此通过引用将其并入)中描述的现有技术的有条件访问的方法。另选地，STB可以使用DOCSIS密钥交换协议，或者它可以使用本文稍后说明的较低带宽强度、询问和接收的有条件访问方法。在该询问和接收协议中，消除了现有技术的数据轮播，并且只请求针对特定业务的特定STB所需的密钥并将其作为EMM消息和ECM消息在DOCSIS PID上带内传送。询问和接收协议与现有技术的区别在于，不存在包含针对所有业务的所有EMM和ECM的OOB信道上的数据轮播。只发送需要的密钥，并且不在OOB信道上发送它们。以下在有条件访问协议的标题下给出关于询问和接收协议的更详细情况。

微处理器128生成的过滤命令使得传输流解复用器136滤出包含授权管理消息(EMM)和授权控制消息(ECM)中的解密密钥的MPEG-2分组，对加密业务(例如按观看次数收费的事件、VOD等等)的任何分组的有效负载数据进行解密需要该解密密钥。如果在另选实施例中使用现有技术的有条件访问方法，那么有条件访问电路150是安全微处理器和有效负载解密引擎，二者都安装在智能卡中，从而在安全性破坏的情况下可以将其移除和更换。在其他实施例中，有条件访问电路是STB中的不变电路。在现有技术的方法中，过滤命令使得EMM消息从MPEG-2复用中的DOCSIS PID滤出并发送到对其进行解密以恢复会话密钥的安全微处理器150。过滤命令还使得ECM消息从MPEG-2复用中的DOCSIS PID滤出并发送到安全微处理器150以使用会话密钥来解密从而恢复工作密钥。然后工作密钥连同包含加密业务的数据的MPEG-2分组发送到有效负载解密引擎。使用工作密钥对加密的有效负载部分进行解密，得到的数据发送到MPEG解码器以进行解压缩。经解压缩的数据发送到NTSC/PAL/SECAM编码器以生成适合于该系统在其中运行的国家以及STB连接到的电视/VCR158的类型的模拟电视信号。该模拟电视信号提供给重调制电路160，以将该电视信号调制到具有频道3或者频道4的频率的RF载波上。在一些实施例中，编码器156还在RCA插孔接口上输出合成的视频和音频信号，或者还在RCA插孔接口上输出分量输出信号，或者在S-视频插孔输出S-视频信号，或者AC-3信号，或者以上其他格式输出的所有或部分子集。

微处理器128执行存储在存储器152中的常驻导航节目和操作系统以响应用户命令。微处理器生成上行请求以仅下载处理各个请求所需的应用软件和请求只下载对包含所预订业务的数据的分组进行解密所需的有条件访问密钥。如果用户已经请求了节目指南数据，那么微处理器128被编程为生成上行M&C请求以只请求希望的节目指南数据而不是全部的节目指南。在一些实施例中，微处理器也可以生成上行请求以还下载针对与收到了用户请求的频道邻近的频道的节目指南数据，从而用户可以看到在当前时间或某个用户指定时间附近在邻近的信道上可以获得哪些其他节目和业务。微处理器128还执行常驻在存储器152上的加载器处理，该加载器处理进行作用以接收承载用于执行用户预订业务的应用软件的MPEG分组、将分组组合为计算机程序、将该计算机程序载入存储器152中、并且及时起动该计算机程序以处理到来的MPEG-2业务分组。首端负责比下行发送业务数据自身的时间早足够多地在DOCSIS PID上发送针对预订业务的应用软件，从而给加载器时间以加载和起动针对该业务的应用软件。

存储器152存储由微处理器128执行的实现DOCSIS协议(例如图7中电缆调制解调器侧的协议)的程序。在DOCSIS发送器电路146中实现下行PMD层的功能。存储器152还存储控制STB的程序，例如实现用户接口、导航、实现操作系统、接收用户命令和生成对业务的上行请求、密钥和应用程序下载、以及下面要说明的加载器程序。

在一些实施例中，微处理器128被编程为执行代理程序，该程序保持用户观看或使用的节目和业务的运行记录，并且要么将该数据作为上行M&C数据周期性地发送，要么等待首端请求该数据。这使得首端电路可以生成根据观看者的品位和偏好而选择的定向广告消息并将其下行发送给适当的STB。

图9表示单调谐器STB的另选实施例，其中NTSC/PAL/SECAM编码器156是多媒体图形处理器，它生成适当格式的模拟电视信号并将图形叠加在显示的图像上以显示节目指南数据、导航信息、以及所需的任何其他图形信息。这种图形处理器目前在DBS和电缆系统的STB中使用。

图10代表具有TIVO类型数字视频记录能力的单调谐器STB的另选实施例。在该实施例中，存储器152除了存储上述程序，还存储数字视频记录程序，微处理器128执行该程序以使用硬盘控制器IEEE 1394接口164控制硬盘162。该实施例使得用户可以：输入请求以获得记录某节目的短时通路；通过标题或者任何其他标准来搜索对节目的节目指南数据；浏览节目指南并选择要记录的节目；手工输入要记录的时间和频道；自动学习用户的偏好或者让用户通过按下拇指上和拇指下的按钮把她的偏好教给数字视频记录器，以及自动记录用户可能感兴趣的节目；使用正常以及多级速的快进和快退来重放记录的节目；慢动作；停止动作静止帧；暂停直播TV；在观看直播TV时记录直播TV并且允许倒带；以及TIVO和其他公知数字视频记录器的所有其他功能。其他特征包括对即将到来的有趣的东西、观看者杂志等等的显示窗预览。微处理器通过执行以下步骤来记录数据：生成请求节目指南数据或者VOD菜单的上行M&C消息；经由短时通路功能或者TIVO偏好选择功能接收记录广播节目或者VOD节目的用户命令或者接收记录某节目的自动生成的请求；将该请求转换为请求下载VOD节目及其有条件访问密钥的上行M&C消息，或者在要记录广播的指定时间生成请求下载有条件访问密钥的上行M&C消息并且生成对传输解复用器的过滤命令，所述过滤命令指示传输解复用器提取要记录的所请求VOD节目或者数字视频广播的MPEG-2分组；将这些MPEG-2分组接收在存储器中并且通过硬盘接口164将其传送给硬盘162，在硬盘162将它们与DOCSIS PID上传送的包含针对该节目的有条件访问密钥的MPEG-2分组一起存储。还可以将节目指南辅助数据(例如包括标题、级别、演员和情节简介以及频道和记录时间和日期信息)与节目数据存储在一起。微处理器进行以下步骤来通过数字视频记录器重放节目：接收来自用户的显示硬盘162上记录的节目列表的请求；接收播放指定节目的用户请求；向硬盘接口164发送请求取出该节目的MPEG-2分组的命令；从硬盘162检索出分组数据并经由数据路径166将其存储在存储器152中；检索出包含有条件访问密钥的MPEG-2分组并将其存储在存储器152中；将包含有条件访问密钥的分组发送到有条件访问解密电路150以解密并恢复工作密钥；将节目的MPEG-2分组发送到有条件访问电路150以解密；将经解密的数据发送到MPEG解码器154以解压缩；以及将对于视频、音频和任何相关联图形的解压缩数据发送到编码器156以生成任何显示类型的模拟电视信号。诸如多级速前进或倒退、暂停、慢动作等的特殊效果都是以与在TIVO或类似的数字视频记录器中实现这些功能相同的方式实现的。诸如到日期删除或改变保存或者改变记录的质量的其他功能是以与在TIVO或者其他现有技术数字视频记录器中实现这些功能相同的方式实现的。

图10的实施例还具有使得可以在STB数字视频记录器上记录和重放来自任何来源的模拟或者数字视频的视频记录特征。来自任何来源的数字视频在线路170上到达并且在MPEG编码器168上将其压缩和封装在MPEG-2分组中。通过微处理器128将这些分组载入存储器152中，所述微处理器128当收到分组准备好的中断时执行中断服务例程、或者周期性地对MPEG编码器进行询问以将MPEG编码器准备好的分组经由数据路径176上载到存储器中。在模数转换器172中将在线路174上到达的模拟视频数字化，并且将其载入MPEG编码器168以压缩和封装到MPEG分组。通过相同的机制将这些分组也载入存储器152中。然后微处理器128向硬盘接口164发送合适的命令以使得包含外来视频的MPEG-2分组记录在硬盘上。通过与上述相同的机制进行重放。

图11是可以接收JVT压缩数据或者MPEG压缩数据的单调谐器STB的另一实施例的框图。JVT压缩标准用来压缩高清晰度电视信号。传输解复用器136提取到来的JVT分组，并将其发送到有条件访问解密电路150。在那里以现有技术或者本文所述的任何方法进行解密。然后经解密的分组发送到JVT解码器180，在JVT解码器180将其解压缩。然后得到的数据发送到8-VSB编码器182，该8-VSB编码器182生成在线路184上输出到重新调制电路160的模拟非交织扫描高清晰度电视信号。与编码器156的情况一样，编码器182还可以生成适合高清晰度电视的分量输出信号和其他格式的输出信号。本实施例也可以有另选的实施例，例如添加区分附图9、10、11或12的实施例的部件的任意组合。

有条件访问协议

将概述有条件访问电路150可以使用的各种有条件访问机制。使用随机生成并且周期性修改的控制字(也称为业务密钥)来对MPEG-2复用中的业务的节目基本流进行扰码。使用会话密钥对该控制字进行加密，并且在一些实施例中经由DOCSIS PID将控制字在ECM消息上发送给STB，但是在大多数实施例中使用其所属业务的PID来发送控制字。在首端使用请求一业务的STB的专用用户密钥来对用来加密该业务的业务密钥的会话密钥进行加密。该专用用户密钥从不在DOCSIS PID上发送。在优选实施例中，加密的会话密钥根据需要定向地作为定址到请求该业务的STB的EMM通过DOCSIS PID发送。STB使用其专用用户密钥(该专用用户密钥可以硬布线在STB电路中或者存储在智能卡上)来对会话密钥进行解密。然后使用该会话密钥来对控制字进行解密，并使用控制字来对包含业务数据的MPEG分组进行解密。

图12是示出如何在MPEG-2复用中找到针对用户预订的业务的PID信息以及包含对该业务进行解密所需的加密有条件访问密钥的EMM和ECM消息的框图。图14A至14C是流程图，示出了如何应用图13的通用处理来仅向请求了对特定业务的有条件访问数据的STB带内发送定向的有条件访问数据。在DOCSIS CMTS执行图14A至14C的处理。在STB中执行图15A至15C的处理以当STB接收到预订某业务或观看特定节目的用户命令时从MPEG复用恢复EMM和ECM消息。同时对图12、14、15和16的处理进行讨论，并且对图14与16的处理之间的差异进行讨论。

作为图16A至16C代表的优选实施例的概述，为了最佳的安全性，ECM业务密钥频繁地更换，并且在包含承载业务数据的MPEG分组的MPEG复用中作为数据轮播带内多播到所有STB。这种工作方式如下。使用各个STB的会话密钥来加密针对可以预订的各个业务的业务密钥或工作密钥，并且将多个加密工作密钥作为数据轮播来发送，将其封装在ECM消息中，ECM消息封装在多播IP分组中，多播IP分组封装在多播MAC帧中，多播MAC帧封装在具有各个特定业务密钥所属业务的PID的MPEG分组中。在一些实施例中，包含针对特定业务的业务密钥的MPEG分组具有对应业务的ECM密钥的PID，或者具有它们在其上发送的MPEG传输流的DOCSIS PID或专用数据PID。周期性地为各个STB生成会话密钥或者基于各个请求生成会话密钥。使用该STB的专用用户密钥来加密各个STB的会话密钥。在该优选实施例中，当STB想要使用业务时，它查阅图12中的PAT表188和PMT表192以确定包含针对要使用业务的业务密钥的ECM消息的PID。然后STB生成过滤命令，以从传输流提取具有该ECM消息PID的MPEG分组。

图14A至14C的流程图中的步骤228表示CMTS在纯DOCSIS上行流上从一个或更多个STB接收M&C数据分组的处理，该分组请求用户请求的一个或更多个业务，并且请求对用于这些业务的有条件访问密钥和任何其他需要的M&C数据(例如节目指南数据，运行该业务的应用软件等)的下行传输。

步骤230表示生成或者检索出各个加密业务或者至少由一个或更多个STB预订的加密业务的会话密钥的处理。各个加密业务具有通常包含关于哪些STB有解密该特定业务的访问权限的信息的会话密钥。该会话密钥对各个STB并非唯一的，但是对特定业务是唯一的，并且可以周期性地更换。

将用于对系统上可获得的各个业务的有效负载数据进行加密的业务密钥或者工作密钥(也称为控制字)作为在任一特定传输流上传送的各个业务的加密视频或者其他数据的属性来传送。使用各业务的会话密钥来加密该业务的控制字。

步骤232表示在首端执行的处理：使用STB预订的业务的会话密钥来加密该业务的各个控制字，并且将经加密的业务密钥放入ECM消息中。

在步骤234，将加密控制字ECM消息加密在具有多播地址的IP分组中，以使得全部STB可以接收到这些IP分组。

在步骤236，将在步骤234生成的IP或类似分组封装在具有多播地址的MAC帧中，从而全部STB接收到它。将MAC帧封装在MPEG分组中。将承载具有属于特定业务的ECM消息的IP分组的MAC帧封装在具有表示该MPEG分组包含特定业务的ECM消息的PID的MPEG分组中。在包含承载各个ECM消息所属业务的数据的MPEG分组的传输流中带内发送这些MPEG分组。

在步骤238，在首端使用请求了业务的STB的专用用户密钥来加密STB预订的各个业务的会话密钥。然后将经加密的会话密钥封装在EMM消息中。CMTS和STB都知道STB的专用用户密钥，但是为了安全性的原因，从不在链路上传送传输该专用用户密钥。该用户密钥存储在STB中的非易失存储器中，通常在插入STB并且包含安全微处理器的智能卡中，所述安全微处理器进行对会话密钥的解密并使用会话密钥来恢复预订业务的控制字。

在步骤240，将EMM消息封装在定址到请求了EMM消息中的会话密钥所属的特定业务的STB的IP地址的IP分组中。如果STB没有IP地址，那么IP分组具有多播目的地址。

在步骤242，将包含针对所请求业务的EMM消息的各个IP分组封装到定址到请求该业务的STB的MAC地址的MAC帧中。然后将该MAC帧封装在具有DOCSIS PID的MPEG分组中。由于STB知道它请求了对特定业务的有条件访问数据，因此它知道通过DOCSIS PID接收的EMM消息属于哪个业务。EMM消息还包含表示EMM消息中加密的会话密钥属于哪个业务的数据，因此如果STB预订了多个业务并且接收到多个EMM消息，它知道各个EMM消息属于哪个业务。在另选的实施例中，对包含EMM消息的MPEG分组赋予与所请求特定业务相关联的PID，并且随后将PID输入CAT表用于传输流。在这种实施例中，包含EMM消息的MPEG分组自身的PID表示EMM消息中加密的会话密钥属于哪个业务。在图12的214表示具有CAT表中指示的PID的EMM消息。

在步骤244，将承载属于特定业务的EMM和ECM消息的MPEG分组合并到承载EMM和ECM所属业务的MPEG复用的一个或者更多个MPEG传输流中。还将具有DOCSIS PID和包含其他M&C数据的其他MPEG分组合并到MPEG传输流中。

在步骤246，调整PAT和PMT表中的数据以使得STB可以找到各个所请求业务的加密视频、音频、辅助数据、PCR定时数据和ECM有条件访问密钥数据的PID。EMM消息和其他M&C数据MPEG分组具有保留的DOCSISPID，从而在PAT或PMT表中没有为它们构造条目。但是在表示其为特定业务的EMM消息的PID上传送EMM消息并且只在DOCSIS PID上发送其他M&C数据的实施例中，步骤246在CAT表中构造条目以使得STB可以找到各业务的相关EMM消息。

现在我们转到STB中发生的恢复所请求业务的数据分组和有条件访问数据的处理，如图15A至15C的流程图以及图12的图中所示。步骤248表示STB微处理器中的从用户接收预订业务的请求的处理。这可以采用如下形式：请求调谐到并显示特定数字广播，使用交互式业务，请求视频点播节目，启动或答复语音IP电话呼叫，启动或答复视频呼叫，请求网页或者使用任何其他业务。然后微处理器生成请求下载适当的应用软件、节目指南数据和有条件访问密钥(如果有的话)以及在STB向用户提供所请求业务所需要的其他M&C数据的M&C消息，并且将其在DOCSIS上行流上发送。

为了接收所请求业务的数据并且如果其被加密则对它进行解密，STB必须从MPEG复用提取适当的分组。在MPEG复用中，具有PID 0的MPEG-2分组(图12上的分组186是其典型)包含定义了节目分配表188(PAT)的数据。PAT表定义了复用中是哪些传输流以及各个传输流上是哪些节目/业务。步骤250表示STB中的微处理器128的操作：生成适当的过滤命令以使得各个STB中的MPEG传输流解复用器136提取这些PID 0分组并经由存储器152将其发送到微处理器128。在一些另选实施例中，这是自动发生的，并且微处理器不必生成使得PID 0分组被提取的过滤命令。

步骤250还表示微处理器对这些PID 0分组进行处理以恢复PAT表188的处理。步骤252使用PAT表数据以确定复用中是哪些传输流以及哪个传输流包含所请求业务的分组。传输流由节目基本流(PES)的集合构成。例如，节目的视频是一个PES而同一节目的音频是另一PES。PAT表包含使得可以从希望的节目或业务映射到包含节目映射表(PMT)数据的MPEG-2分组的PID的数据，所述节目映射表数据定义了包含用于希望的节目或者业务的各种视频、音频、ECM和PCR(定时)数据的分组的PID。步骤252还表示读取PAT以确定承载所请求业务的传输流中的承载节目映射表数据(PMT)的分组的PID号的处理。

在示出的示例中，用户预订了节目3，该节目在PAT表的块190中具有数据。块190中的数据将PID M标识为包含定义针对包含节目3的传输流的节目映射(PMT)表192的数据的分组。步骤254表示STB生成图8至11中的线路138上的过滤指令的处理，所述过滤指令告诉MPEG传输流解复用器提取包含PMT表的分组。将这些分组提取并发送到微处理器128，该微处理器128从这些分组中提取定义PMT表的数据并且重构PMT表，如步骤254所示。

然后，微处理器针对所请求业务(节目3)的条目检索PMT表，如步骤256所示的。该条目在块194中给出节目3的各个PES的全部分组的PID。箭头196、198、200、202和204表示PMT表块194中的PID指针，该指针识别传输流中的视频、音频、ECM和PCR分组的PID，它们一起构成节目3的PES集。视频分组204和206包含压缩且加密的节目视频数据。音频分组208包含压缩且可能加密的节目3音频。PCR分组212包含用于对节目3的音频与视频进行同步的时间戳数据。ECM分组210承载用会话密钥加密的控制字或业务密钥。需要控制字来解密视频(可能有音频)分组的有效负载部分。

在一些实施例中，在DOCSIS PID上发送EMM消息或者将EMM消息作为专用数据发送。在另选实施例中，将EMM消息作为传输流的一部分带内发送，并且在MPEG-2复用中包括有条件访问表(CAT)216以指向EMM消息。CAT表的数据包含在具有PID 1的MPEG分组(未示出)内。PID 1是保留的MPEG PID。该表针对各个节目或业务列出了包含EMM消息的分组的PID号。在优选实施例中，具有经加密会话密钥的EMM消息根据需求经由承载DOCSIS PID的MPEG分组仅仅发送给请求其的STB，不使用CAT表。

在图12的示例中，使用CAT表，并且CAT表块218包含对分组214的PID的引用，分组214包含具有节目3的经加密会话密钥的EMM消息。

步骤256表示生成适当的过滤命令的处理。换言之，在步骤256，微处理器128使用PMT块194中的信息(在一些实施例中还使用CAT表中的数据)生成过滤命令，以使得TS解复用器136从传输流滤出所请求业务的所有分组，包括有条件访问数据。

步骤258表示从步骤256提取的MPEG分组恢复业务数据的处理。具体地说，MPEG分组中的MAC帧包含经加密的视频、音频、辅助数据、PCR数据和ECM消息数据。在步骤258，使用从MPEG帧恢复的MAC帧中的MAC地址来丢弃并非定向到本STB的MAC帧。步骤258还表示如下处理：恢复MAC帧中封装的IP分组(或其他分组或信元类型——以下统称为IP分组)，并使用IP分组中的地址将IP分组有效负载(也可以使用可寻址的其他分组)中包含的数据路由到STB中适当的电路以用于进一步处理。加密的ECM消息路由到使用会话密钥来解密ECM消息以恢复业务密钥并将业务密钥发送给有条件访问解密引擎的处理。加密的视频分组(可能还有音频分组)路由到有条件访问解密引擎以使用业务密钥来解密从而解密视频有效负载。

步骤260表示恢复针对所请求业务的EMM消息的处理。在一些实施例中，这通过生成适当的过滤命令以提取具有DOCSIS PID的MPEG分组而完成。恢复提取的DOCSIS PID MPEG分组中的MAC帧，丢弃并非定址到该STB的所有MAC帧。在使用CAT表的实施例中，这通过生成过滤命令以提取具有PID 1的MPEG分组而完成。恢复其中的MAC帧，并将其中的IP分组路由到重构CAT表的CAT表重构处理。使用所请求业务的标识符来搜索CAT表并找出包含EMM消息的MPEG分组的PID。然后，微处理器生成过滤命令以提取这些包含EMM消息的MPEG分组。恢复这些分组中的MAC帧。

步骤262表示从在步骤260恢复的MAC帧恢复承载EMM消息的IP分组的处理。使用这些IP分组中的IP端口地址来路由EMM消息。承载EMM消息的IP分组寻址到EMM消息解密处理的端口。步骤262还表示恢复具有DOCSIS PID的承载其他M&C数据的MPEG分组的处理。恢复其中的MAC帧，并恢复封装的IP帧。然后将这些IP分组中的M&C数据路由到IP分组的端口标识符标识的处理以进一步处理。

在步骤264，使用STB的专用用户密钥对包含会话密钥的加密EMM消息进行解密。通常，使用智能卡上的安全微处理器来使用STB的专用用户密钥对EMM消息进行解密以恢复会话密钥、然后使用该会话密钥对ECM消息进行解密以恢复业务密钥或者控制字。在另选实施例中，可以使用通用微处理器128完成这些功能。

在步骤266，微处理器将恢复的会话密钥发送到使用会话密钥对ECM消息中的业务密钥或者控制字进行解密的其他处理。

在步骤268，将控制字或者业务密钥发送到有条件访问解密引擎150(其也接收到了加密视频分组数据(和/或该业务的任何其他加密数据))。在那里，使用业务密钥来对节目或业务的视频或其他加密数据分组的有效负载进行解密。

在步骤270，在STB的其他电路中使用在包含DOCSIS PID的MPEG分组上发送到STB的其他管理和控制数据以控制STB的功能、显示节目指南数据、加载应用软件、管理STB等。

将包含解密ECM的会话密钥的EMM放入多个EMM消息中，每个EMM消息由一个STB的秘密用户密钥加密。在一些实施例中，每个STB接收全部的EMM，并使用该STB的专用用户密钥对使用其专用用户密钥加密的EMM进行解密。在其他实施例中，EMM仅发送到使用其专用用户密钥对该EMM加密的那个STB。

优选的有条件访问方法

在优选实施例中，频繁地更换具有业务密钥的ECM，并将其作为MPEG-2传输流的一部分作为加密视频的一个属性发送。然而仅根据来自STB的需求发送具有会话密钥的EMM，并且经由DOCSIS仅将该EMM发送到请求它的STB。在本发明的该优选实施例中，我们在DOCSIS PID上带内发送EMM消息并且仅仅根据请求向请求它们的STB发送EMM消息，并且我们消除CAT表。

图8至11中的有条件访问电路可以实现这些另选实施例中的任一个。可以通过图8至11中的微处理器128来保持用于解密EMM消息的用户密钥或者可以将其保存在有条件访问电路中，过滤指令控制传输流解复用器从传输流提取ECM和EMM消息以及包含所希望节目或业务的分组，并将所有这些分组发送到有条件访问电路。

参照图13，示出了接收对管理和控制数据的上行请求并通过在DOCSIS PID上下行发送所请求的管理和控制数据来进行响应的总体处理的流程图。步骤222表示在纯DOCSIS信道上接收一个或者更多个上行请求的处理，该上行请求请求向特定的STB下行发送支持数字广播、交互式业务或视频点播请求的一项或更多项管理和控制数据。这些项可以是应用软件、节目指南数据等等。步骤224表示以下处理：生成或者获取所请求的管理和控制数据并将其定址到请求了该数据的STB，并将所请求的管理和控制数据与要广播到所有STB的任何其他管理和控制数据打包到一个或者更多个具有DOCSIS PID的MPEG-2分组中。通常，将获取或生成的数据封装在IP分组或可以定址到请求该数据的STB的其他分组类别中，随后将IP分组封装到MAC帧中并将MAC帧封装到MPEG-2分组中。步骤226表示以下处理：将承载管理和控制数据并具有DOCSIS PID的MPEG-2分组与承载数字视频广播、交互式业务或视频点播数据的一个或更多个MPEG传输流的MPEG-2分组合并，以形成单个MPEG-2传输流或者传输流的复用。

DOCSIS M&C信道带宽考虑和负载均衡

当下行流上的用户数量到达高水平的时候，M&C下行信道可能变得过载。将业务量从一个下行转移到另一下行(实现为DOCSIS PID上有M&C信道的MPEG-2传输流)的任何常规负载均衡方案都足以实现本发明的负载均衡方面。为了减轻DOCSIS PID上的拥塞，将产生M&C业务量的节目或业务转移到同一复用中的其他MPEG传输流或不同下行信道频率的另一复用(在权利要求中称为“另一MPEG复用流”)。在这种情况下，属于所转移节目并且已经在其来自的下行的下行队列中的任何M&C消息都会丢失。重新发送这些M&C消息和属于转移到其他MPEG传输流的节目或业务的任何其他M&C消息，或者，在新M&C消息的情况下，在DOCSIS PID包括在其他MPEG传输流中的MPEG分组中发送这些M&C消息和属于转移到其他MPEG传输流的节目或业务的任何其他M&C消息。这减轻了原始传输流中的DOCSIS PID上的拥塞。在丢失M&C消息的情况下，上面的IP可靠性层必须对在新的DOCSIS PID下行流上重新发送这些M&C消息进行处理。首端也必须向请求了被转移业务的STB或者调谐到已转移的数字广播的STB发送消息，告诉这些STB调谐到哪个新下行以获得所请求的业务或广播。

可以以多种不同方式中的任一种来触发这种用于均衡的对节目或业务的转移。CMTS知道哪些STB预订了业务。在一个实施例中，CMTS可以基于在MPEG传输流上传送的业务的数量和类型简单地假设：当预订了预定阈值的节目和业务时该传输流的DOCSIS PID上的M&C数据太多。这个触发点也可以基于预订的业务类型，并且当预订了具有大量M&C业务量的业务(例如软件下载和节目指南数据)时可以降低。可以使用对于不同数量的各类节目或业务用于开始负载均衡转移的阈值数不同的查找表，从而引起负载转移的M&C业务量大的节目或业务的数量小于对M&C业务量小的其他节目或业务的情况。

监视DOCSIS PID上的负载的另一种方法是当STB进行上行请求时使其启动一硬件或软件定时器，并且当该请求被兑现且传送业务时停止该定时器。存储经过的时间，并自发地或者在CMTS向STB询问该类型数据时将其在上行消息中发送给CMTS。当经过的时间超过某预定阈值时CMTS认为DOCSIS M&C下行信道上的负载过高。

首端IP交换/路由

使用MPEG传输协议来传送交互式业务和视频点播或指向特定STB的其他数字业务数据的一个缺点是：由于MPEG不包括任何连接管理或任何无连接路由机制，因此它并非作为交换环境的广域网络协议。通过图16的首端体系结构来解决这个问题。视频点播服务器235在线路237上输出封装在IP分组中的MPEG分组中的VOD电影的MPEG传输流。交互式业务服务器259在线路261上输出封装在IP分组中的MPEG分组中的交互式业务的MPEG传输流。这些IP分组定址到请求了该业务的STB中的装置或处理，或者通过总线或LAN连接到该STB。块263代表的互联网上和/或首端的一个或者更多个服务器在线路265上以IP分组提供诸如电子邮件或网页等的业务。这些IP分组集中在首端的可选的聚集器267，并且在首端提供给IP交换网络269(IP云)，该IP交换网络包括将IP分组路由到它们各种目的地的路由器和交换机。在另选实施例中，消除聚集器267，IP云269是位于任何地方的路由器和交换机的任意集合，并且服务器235、259和263将其IP分组直接提供给IP云网络269中的交换机或路由器。CMTS 271在线路273上向IP云269提供封装在IP分组中的下行DOCSIS MPEG分组(DOCSIS数据分组)。这些下行DOCSIS数据分组包括M&C数据。这些DOCSIS数据分组定址到三个HFC系统(各自的下行介质分别由线路275、277和279表示)中的各STB中或与各STB相连的各个装置或处理。

由连接到CMTS 271的线路281集中代表这三个HFC系统中的每一个的上行介质。来自与这三个HFC系统相连接的各种装置的上行IP分组作为DOCSIS数据码元在线路281代表的三个上行流上到达。CMTS进行常规的DOCSIS上行处理以恢复所述码元中编码的MPEG分组并恢复封装在MPEG分组中的MAC帧。CMTS还进行常规的处理以恢复封装在MAC帧中的IP分组。这些IP分组经由线路291发送到路由器285。然后上行IP分组在各种数据路径(由线路287集中表示)上路由到其定址到的各种服务器，包括服务235、259和263。

定址到三个HFC网络之一上的装置的来自服务器235、259和263的IP分组通过IP云路由器路由到IP交换机/路由器293(可以认为其是IP交换网络或者云269的一部分)，该交换机/路由器293具有间接连接到三个HFC系统中的每一个的输出数据路径。在那里，定址到HFC #1上的装置和处理的IP分组在线路295上输出给下面说明的由块297表示的电路以在HFC #1上进一步处理和下行传送。定址到HFC #2上的装置和处理的IP分组在线路298上路由到块300表示的电路以在HFC #2上处理和下行传送。定址到HFC #3上的装置和处理的IP分组在线路302上路由到块304表示的电路以在HFC #2上处理和下行传送。块304内的电路与块300和297内包括的电路类型相同。该电路包括IP剥离和去抖动和重新定时电路306。该电路306剥离IP头部并消除将MPEG传输流分组封装在IP分组中而引起的任何抖动。该电路还通过调整时间戳来对MPEG传输流进行重新定时以解决由视频数据MPEG分组对音频数据MPEG分组的IP打包处理而引起的不同延迟，从而节目的视频和音频保持同步。

IP剥离器具有针对具有DOCSIS PID的MPEG分组的输出308(其可以跳过去抖动和重新定时处理)和在其输出VOD、交互式和其他业务的MPEG分组的输出310。MPEG复用器312将线路308和310上的MPEG分组组合为线路314上的MPEG复用。正交调幅器316将复用中的MPEG分组分解为码元，并对具有相同频率但相位相差90度的两个射频载波进行正交调幅，使用各码元的某些位对一个RF载波进行调幅并使用各码元的其他位对另一载波进行调幅。在一些实施例中，如现有技术中所公知的，采用使用希尔伯特变换的无载波调制。

图16的结构如下地解决了在Pegasus现有技术中发现的MPEG传送机制不能很好地适用于交换广域网的问题：将MPEG分组基本封装在具有适当地址的IP分组中，路由该IP地址并随后剥离IP头部并且在HFC系统上传送原始MPEG分组。

优点概述

总而言之，在MPEG-2复用传送交互式和VOD和数字广播业务中使用DOCSIS M&C信道的优点是：

(1)DOCSIS是已经设计和构造的以现有硬件和软件来实现的经过考验的技术；

(2)瘦DOCSIS信道使得可以无需OOB信道地进行网络管理，使得STB可以较简单且较便宜，并且使得可以从首端管理它们；

(3)通过经由仅用于单向密钥传输下行的瘦DOCSIS信道对有条件访问数据的点播下载来进行订户管理以防止对下行MPEG-2复用节目的未授权观看或访问(另选地，可以使用DOCSIS密钥交换协议以使得下行和上行DOCSIS信道安全并防止对下行MPEG-2复用节目的未授权观看或访问)；

(4)仅将需要的应用仅下载到需要它的STB的安全软件应用下载——这简化了STB并使它们更便宜地制造，并且它使得可以从首端进行错误修改和升级，从而使STB将来经得起考验；

(5)瘦DOCSIS信道的双向性质使得可以实现交互式和点播业务，并且，其可以以更安全的方式实现，因为DOCSIS密钥交换协议验证对交互式或VOD业务的请求的源；

(6)瘦DOCSIS信道使得可以通过以下方式的事件提供：使得可以收集来自STB对按观看次数收费的事件的请求，并且发送有条件访问密钥以对MPEG-2复用中传送的按观看次数收费事件的MPEG分组进行解密；

(7)可以在瘦DOCSIS信道上实现只将需要的节目指南数据只传送到请求它的STB的根据需要传送，从而防止了在OOB或带内信道中的数据轮播的带宽的浪费；以及

(8)瘦DOCSIS信道还使得可以在MPEG-2复用中传送紧急警示系统数据。

虽然根据本文公开的优选和另选实施例公开了本发明，但是本领域技术人员应当理解对本文所公开教导的不偏离本发明的精神和范围的可能的另选实施例和其他变型例。旨在将所有这些另选实施例和其他变型例包括在所附权利要求的范围之内。

Claims (29)

1、一种向提供数字广播、数字交互式业务和数字视频点播业务的电缆电视系统中的机顶盒发送管理和控制数据的处理方法，包括以下步骤：

1)接收常规DOCSIS上行流上的请求下行管理和控制数据的上行管理和控制消息；

2)通过生成和/或获取所请求的管理和控制数据、将所述管理和控制数据定址为请求了所述管理和控制数据的机顶盒、并且将定址的下行管理和控制数据打包在一个或更多个MPEG分组中，从而生成下行管理和控制分组，每个MPEG分组具有DOCSIS节目标识符；

3)将该下行管理和控制分组合并到MPEG传输流或者包含多个MPEG传输流的MPEG复用中。

2、根据权利要求1的处理方法，其中，步骤1还包括接收对宽带互联网访问数据或任何其他数字业务的数据的上行请求的步骤，并且其中，步骤2还包括以下步骤：

获取作为网际协议的所请求宽带互联网访问数据或所请求的其他数字业务的数据，即网际协议分组；

将所述宽带互联网访问数据网际协议分组封装到定址到请求了该数据的机顶盒的媒体访问控制帧中；以及

将所述媒体访问控制帧封装到具有DOCSIS节目标识符的MPEG-2分组中，并且将所述具有DOCSIS节目标识符的MPEG-2分组合并到所述MPEG传输流或复用中；

并且其中，步骤2包括以下步骤：将所述管理和控制数据分组封装到定址到运行请求了或需要所述管理和控制数据的处理的所述机顶盒中的端口的网际协议分组中，并将所述网际协议分组封装到定址到请求了或需要该管理和控制数据的机顶盒的媒体访问控制帧中。

3、根据权利要求1的处理方法，其中，步骤2包括以下步骤：仅仅获取和/或生成所请求的管理和控制数据，并将所请求的管理和控制数据打包在定址到请求了所述管理和控制数据的机顶盒的网际协议分组中，或者在所述网际协议分组中使用包括请求了所述管理和控制数据的所有机顶盒的多播地址。

4、一种在数字数据传送网络上带内发送管理和控制数据下行流的处理方法，所述数字数据传送网络在MPEG传输流上发送交互式业务下行流，该处理方法包括以下步骤：

(1)生成和/或检索出与要提供给一个或更多个订户或者一个或更多个订户所请求的一个或更多个业务相关的管理和控制数据，所述管理和控制数据将被发送到一个或更多个以下称为机顶盒的机顶接收器/解码器电路；

(2)将所述管理和控制数据打包在具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组中；

(3)打包到一个或更多个业务的MPEG分组数据中，所述一个或更多个业务可以包括交互式业务、视频点播、数字视频广播和/或通过数字数据提供的任何其他类型的业务，并且向各个所述业务的MPEG分组赋予一个或更多个唯一的节目标识符；以及

(4)将具有所述DOCSIS节目标识符的所述MPEG分组与所述一个或更多个业务的MPEG分组合并到一MPEG传输流或多于一个MPEG传输流的MPEG复用中，并在数据传送网络上将所述传输流或者复用下行流发送给多个订户。

5、根据权利要求6的处理方法，还包括以下步骤：接收来自一个或更多个订户的一个或更多个机顶盒的对于节目指南数据、软件应用程序、有条件访问密钥数据或者任何其他管理和控制数据的上行请求，并且通过如下地进行步骤(1)来对其进行响应：生成和/或检索出响应于所述接收的上行请求的管理和控制数据，并将所述管理和控制数据打包到各自定址到请求了封装在该分组中的管理和控制数据的特定机顶盒的分组中。

6、根据权利要求5的处理方法，其中，所述接收来自一个或更多个机顶盒的上行请求的步骤包括：将所述上行请求作为DOCSIS上行流上的数据接收，所述DOCSIS上行流在DOCSIS消息收发协议中链接到包含具有所述DOCSIS节目标识符的所述MPEG分组的DOCSIS下行流。

7、根据权利要求6的处理方法，其中，使用普通DOCSIS协议来执行所述接收上行请求的步骤。

8、根据权利要求7的处理方法，其中，所述普通DOCSIS协议在各个机顶盒至少包括以下步骤：

(1)锁定在所述DOCSIS节目标识符上发送的DOCSIS下行流，并针对标识初始上行站保持间隔的MAP消息来搜索下行DOCSIS消息，并且接收定义所述DOCSIS上行流的特性的下行UCD消息；

(2)在所述初始站保持间隔期间进行DOCSIS测距和训练；

(3)接收定址到发送所述测距脉冲的所述机顶盒的测距响应消息，并且根据所述测距响应消息中的偏移数据来调整所述机顶盒的上行DOCSIs发送器中的发送参数；

(4)等待通过下行DOCSIS节目标识符发送的消息，该消息包括在随后的周期性站保持间隔中进行循环测距和训练的邀请，并且发送周期性站保持脉冲并接收响应于其的测距响应消息，并且使用该测距响应消息中的偏移数据来更新所述机顶盒的上行DOCSIS发送参数；

(5)在测距和训练成功之后，在带宽请求争用间隔期间发送上行消息，并对接收到的下行MAP消息进行扫描以确定所述带宽请求是否已经被成功接收并且给予了上行带宽，如果为否，则在随后的带宽请求争用间隔期间重新发送请求；

(6)如果已经给予了上行带宽，那么从各个机顶盒在分配给所述机顶盒的上行小时隙期间使用如定义所述上行DOCSIS信道的所述UCD消息中所定义的上行信道参数来发送上行管理和控制消息。

9、根据权利要求4的处理方法，还包括以下步骤：

(1)生成从在电缆电视系统的首端的电缆调制解调器终端系统来远程管理一个或更多个所述机顶盒所需要的任何管理数据；

(2)将所述管理数据打包在定址到该管理数据需要发送到的特定机顶盒的分组中，并且将所述分组打包在具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组中；以及

(3)将所述具有DOCSIS节目标识符并包含管理数据的MPEG分组以及具有DOCSIS节目标识符并承载管理和控制数据的其他MPEG分组一起合并到所述MPEG传输流或复用中。

10、一种在提供数字广播、数字交互式业务和数字视频点播业务的电缆电视系统中的机顶盒中发送和接收管理和控制数据或其他数据的处理方法，包括以下步骤：

在连接到电缆电视系统传输介质的以下称为机顶盒的机顶接收器/解码器接收一个或更多个用户命令，所述一个或更多个用户命令表示用户希望通过电视或连接到所述机顶盒的其他外围装置使用的数字广播、交互、视频点播业务和/或其他业务的类型；

在纯DOCSIS信道上行发送管理和控制数据，所述管理和控制数据请求对支持或使得能够利用所请求业务的管理和控制数据的下行发送；

在接收到所述用户命令的所述机顶盒中，从下行MPEG传输流或复用恢复MPEG分组，并从其中提取具有DOCSIS节目标识符并承载包括定址到所述机顶盒的有条件访问数据并属于所述用户请求的所述业务的管理和控制数据的MPEG分组，将所述具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组路由到被编程为控制所述机顶盒的微处理器，从承载所述所请求业务的数据的所述MPEG复用中提取MPEG分组，将加密的MPEG分组路由到有条件访问电路，并且如果MPEG分组没有被加密则将未加密的MPEG分组路由到解码器；

对所述有条件访问数据进行解密以获取所述有条件访问电路对包含所述所请求业务的数据的所述加密MPEG分组的有效负载进行解密所需要的一个或更多个工作密钥；

在所述有条件访问电路中使用所述工作密钥对所述加密MPEG分组的有效负载部分进行解密，并对解密的有效负载数据进行解压缩以生成一个或更多个所请求业务的未压缩数据；

如果所请求业务中的任一个都未被加密，则对所述未加密MPEG分组进行解压缩以获得一个或更多个所请求业务的未压缩数据；

使用编码器按对于电视或连接到所述机顶盒的任何其他外围装置的适当格式将所请求业务的所述未压缩数据编码为适当的电视或其他信号、数据或分组。

11、一种向机顶盒发送管理和控制数据以及有条件访问数据的处理方法，包括以下步骤：

(1)在电缆调制解调器终端系统接收至少表示以下称为机顶盒的机顶接收器/解码器预订了的业务的上行DOCSIS消息；

(2)检索出所述业务的数据并将其封装在定址到预订了所述业务的所述机顶盒的媒体访问控制地址的媒体访问控制帧中，并且将所述媒体访问控制帧封装在具有节目标识符的MPEG分组中，所述节目标识符表示所述MPEG分组中的数据属于哪个业务；

(3)检索出或生成所述机顶盒需要的管理和控制数据，包括所述机顶盒向用户提供所述业务需要的全部管理和控制数据以及会话密钥；

(4)使用所述会话密钥对所述业务的控制字进行加密；

(5)使用所述机顶盒的专用用户密钥对所述会话密钥加密，将所述加密的会话密钥封装在EMM消息中，将所述EMM消息封装在网际协议分组中，将所述网际协议分组封装在定址到所述机顶盒的所述媒体访问控制地址的媒体访问控制帧中，并将所述媒体访问控制帧封装在MPEG传输流的具有保留DOCSIS节目标识符的MPEG分组中；

(6)将步骤(3)中检索或生成的所有其他管理和控制数据封装在网际协议分组中，将所述网际协议分组封装在定址到所述机顶盒的媒体访问控制帧中，并将所述媒体访问控制帧封装在具有所述保留DOCSIS节目标识符的MPEG分组中；以及

(7)将包含所述业务的数据以及所述管理和控制数据的所有所述MPEG分组组合到一个或更多个MPEG传输流中，并将所述一个或更多个MPEG传输流发送到所述机顶盒。

12、根据权利要求11的处理方法，其中，步骤(3)包括以下步骤：检索出包含所述机顶盒需要的一个或更多个软件应用的管理和控制数据，使用DOCSIS安全软件下载协议对所述软件应用进行认证，并将所述软件应用发送给所述机顶盒以下载和执行。

13、一种在机顶接收器/解码器接收加密的业务数据的处理方法，所述机顶接收器/解码器即机顶盒，该处理方法包括以下步骤：

(1)在机顶盒接收预订业务的命令，并使用DOCSIS兼容电缆调制解调器的发送器部分发送一个或更多个上行DOCSIS消息，所述一个或更多个上行DOCSIS消息预订所述业务并且表示包括所述机顶盒需要的任何有条件访问数据的任何其他管理和控制数据，以及；

(2)使用所述DOCSIS兼容电缆调制解调器的接收器部分接收下行MPEG复用，提取具有节目标识符O的MPEG分组，并根据所述提取的分组中的数据构造节目分配表；

(3)使用所述节目分配表中的数据以确定在所述MPEG复用中是哪些MPEG传输流以及哪些个传输流承载所述所请求业务的数据、并确定所述传输流中的承载所述传输流的节目映射表数据的MPEG分组的节目标识符，该节目映射表定义所述机顶盒预订的业务中的MPEG分组的节目标识符；

(4)使用所述DOCSIS兼容电缆调制解调器的接收器部分提取具有所述节目映射表的所述节目标识符的MPEG分组，并根据所述提取的分组中的数据构造节目映射表；

(5)使用所述节目映射表中的数据来确定包含所述业务的数据的所述MPEG复用中的MPEG分组的节目标识符号，所述业务的数据包括PCR定时数据和任何必需的有条件访问ECM消息，并且生成过滤命令以从所述MPEG复用提取具有所述机顶盒预订的所述业务的节目标识符的MPEG分组；

(6)从所述MPEG复用提取包含管理和控制数据以及有条件访问EMM消息并具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组；

(7)恢复在步骤(5)和(6)提取的所述MPEG分组中的媒体访问控制帧，并丢弃并非定址到预订了所述业务的所述机顶盒的任何媒体访问控制帧；

(8)从步骤(7)中未丢弃的所述媒体访问控制帧提取承载所述业务数据、管理和控制数据、EMM消息以及ECM消息的网际协议分组，并将其路由到所述机顶盒中的适当电路或通过总线或局域网连接与所述机顶盒相连接的适当电路；

(9)从包含EMM消息的网际协议分组中提取针对所述机顶盒预订的所述业务的加密会话密钥，该网际协议分组已经被路由到所述机顶盒中或者插入所述机顶盒的智能卡或其他模块或电路卡中的具有非易失存储器的安全微处理器电路，并且使用存储在所述非易失存储器中的所述机顶盒的专用用户密钥对所述EMM消息进行解密从而恢复所述会话密钥；

(10)使用所述会话密钥对路由到所述安全微处理器的所述ECM消息进行解密，从而恢复所述机顶盒预订的各个所述业务的控制字；

(11)使用所述控制字对包含所述机顶盒预订的所述业务的所述业务数据的分组的有效负载数据进行解密，对任何压缩数据进行解压缩，并根据所述经解密和解压缩的数据生成适当的视频或其他格式的信号。

14、根据权利要求13的处理方法，其中，步骤(11)包括将所述经解密和解压缩的业务数据发送给连接到请求了所述业务的所述机顶盒的装置。

15、一种带内发送有条件访问数据的处理方法，包括以下步骤：

(1)在DOCSIS上行信道上接收来自一个或更多个以下称为机顶盒的机顶接收器/解码器的上行管理和控制消息，该管理和控制消息请求对支持一个或更多个所请求业务的有条件访问密钥数据的下行发送；

(2)至少针对机顶盒预订的各个加密业务检索出或生成会话密钥；

(3)用机顶盒预订的各个业务的会话密钥对所述业务的控制字进行加密，并且将各个所述加密控制字封装在ECM消息中；

(4)将各个所述ECM消息封装在网际协议分组中，所述网际协议分组具有多播地址以使得所有机顶盒都可以接收所述网际协议分组；

(5)将在步骤(4)生成的各个所述网际协议分组封装在具有多播地址的媒体控制访问帧中；

(6)将在步骤(5)生成的各个所述媒体访问控制帧封装在一个或更多个MPEG分组中，所述一个或更多个MPEG分组具有针对各个所述MPEG分组表示它包含特定业务的ECM消息的节目标识符；

(7)在首端，用机顶盒的专用用户密钥对所述机顶盒预订的业务的各个所述会话密钥进行加密，并将所述加密的会话密钥封装在EMM消息中；

(8)将各个所述EMM消息封装在定址到预订了所封装EMM消息所属的所述业务的机顶盒的网际协议分组中，或者，如果机顶盒不具有网际协议地址，则将各个所述EMM消息封装在具有多播地址的网际协议分组中；

(9)将在步骤(8)生成的包含属于特定业务的EMM消息的各个网际协议分组封装在定址到预订了所述业务的机顶盒的媒体访问控制地址的媒体访问控制帧中，并将各个所述媒体访问控制帧封装在具有预定节目标识符的MPEG分组中，并且，将其他管理和控制数据封装在网际协议分组中，将网际协议分组封装在定址到需要所述管理和控制数据的机顶盒的媒体访问控制地址的媒体访问控制帧中，并将所述媒体访问控制帧封装在具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组中；

(10)将在步骤9生成的所述MPEG分组加入MPEG传输流或者传输流的复用；以及

(11)调整承载一个或更多个业务的数据的所述MPEG传输流或者传输流复用的节目分配表以及一个或更多个节目映射表中的数据以反映MPEG分组的节目标识符，所述MPEG分组包含各个所述业务的数据、各个所述业务的PCR定时数据、各个所述业务的ECM分组，并且，如果所述业务的所述EMM消息不是在具有所述DOCSIS节目标识符的MPEG分组中发送的而是在具有表示该MPEG分组包含特定业务的EMM消息的节目标识符的MPEG分组中发送的，则调整有条件访问表中的数据以指向各个业务的EMM消息的节目标识符。

16、根据权利要求15的处理方法，其中，步骤9包括以下步骤：将包含EMM消息的各个所述网际协议分组封装在定址到预订了所述EMM消息所属的业务的机顶盒的媒体访问控制地址的媒体访问控制帧中，并且将各个所述媒体访问控制帧封装在具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组中。

17、根据权利要求15的处理方法，其中，步骤9包括以下步骤：将包含EMM消息的各个所述网际协议分组封装在定址到预订了所述EMM消息所属的业务的机顶盒的媒体访问控制地址的媒体访问控制帧中，并且将各个所述媒体访问控制帧封装在具有表示该MPEG分组包含属于特定业务的EMM消息的节目标识符的MPEG分组中，所述特定业务具有分配给所述业务的EMM消息的所述节目标识符。

18、一种在MPEG复用的DOCSIS节目标识符上发送管理和控制数据并在所述MPEG复用上发送业务数据的首端装置，包括：

交互式业务服务器，被编程为接收对交互式和/或视频点播业务的请求、并且通过提供包含所请求业务并具有定义哪些分组包含来自哪些业务的数据的一个或更多个节目标识符的MPEG分组的MPEG传输流对其进行响应；

被编程为提供支持所述交互式业务的管理和控制数据的服务器；

电缆调制解调器终端系统，被编程为接收所述管理和控制数据并执行DOCSIS处理以生成具有DOCSIS节目标识符并在其中封装有所述管理和控制数据的MPEG分组；

计算机，执行传输复用器处理并被编程为接收包含所请求业务的所述MPEG分组和具有所述DOCSIS节目标识符的所述MPEG分组，并用于将所述MPEG分组合并到包括MPEG复用的一个或更多个MPEG传输流中；

并且其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为执行DOCSIS物理介质依赖层处理，接收所述一个或更多个MPEG传输流，并对其进行DOCSIS处理以生成在混合光纤同轴电缆系统上下行发送的码元。

19、根据权利要求18的首端装置，还包括数字视频广播服务器，所述数字视频广播服务器被编程为输出包含常规调度数字视频广播的数据的MPEG分组的MPEG传输流，并且其中，执行传输复用器处理的所述计算机被编程为从所述数字视频广播服务器接收所述MPEG传输流并将所述传输流与所述交互式业务服务器输出的所述MPEG传输流和具有所述DOCSIS节目标识符的所述MPEG分组合并到MPEG复用中。

20、根据权利要求18的首端装置，还包括：数字视频广播服务器，被编程为输出包含常规调度数字视频广播的数据的MPEG分组的MPEG传输流；以及一个或更多个其他业务提供服务器，被编程为与所述电缆调制解调器终端系统双向传递其他业务的数据，其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为将所述其他业务的下行数据封装在定址到请求了所述业务数据的装置和/或处理的一个或更多个网际协议分组中、将所述网际协议分组封装在定址到包含或连接到请求了所述其他业务数据的装置和/或处理的一个或更多个机顶盒的媒体访问控制地址的一个或更多个媒体访问控制帧中、并将所述媒体访问控制帧封装在具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组中，并且其中，执行传输复用器处理的所述计算机被编程为从所述数字视频广播服务器接收所述MPEG传输流并将所述传输流与所述交互式业务服务器输出的所述MPEG传输流和具有所述DOCSIS节目标识符的所述MPEG分组合并到MPEG复用中。

21、根据权利要求18的装置，其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为从任何来源接收网际协议分组，并且使用常规DOCSIS处理作为传输机制以经由混合光纤同轴电缆系统将所述网际协议分组透明地传送给一个或更多个机顶盒和/或与其相连接的装置。

22、根据权利要求18的装置，其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为执行常规DOCSIS处理，包括与连接到所述混合光纤同轴电缆系统的各个机顶盒中的DOCSIS兼容电缆调制解调器电路交换消息以使得所述DOCSIS兼容电缆调制解调器电路执行测距和训练从而建立纯DOCSIS上行信道的常规DOCSIS处理，所述常规DOCSIS处理包括：通过在带宽请求争用间隔期间在具有所述DOCSIS节目标识符的MPEG分组中发送下行MAP消息并接收来自所述机顶盒的上行带宽请求消息从而建立所述带宽请求争用间隔，处理所述带宽请求消息以向特定机顶盒授予上行小时隙以用于上行发送，并在具有所述DOCSIS节目标识符的MPEG分组中发送指出其间特定机顶盒可以进行发送的特定上行小时隙的下行MAP消息，并且其中，所述DOCSIS处理包括：经由所述纯DOCSIS上行信道接收从所述机顶盒发送的上行DOCSIS消息，对所述DOCSIS消息进行处理以恢复封装在该DOCSIS消息中的媒体访问控制帧以及封装在所述媒体访问控制帧中的网际协议分组，并将所述网际协议分组路由到具有所述网际协议分组中指定的网际协议地址的装置或处理。

23、根据权利要求18的装置，其中，被编程为提供管理和控制数据的所述服务器在网际协议分组中提供所述数据，并且其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为接收其中具有管理和控制数据的所述网际协议分组、将所述网际协议分组封装在仅仅定址到需要所述管理和控制数据的机顶盒的媒体访问控制地址的DOCSIS媒体访问控制帧中、并且将所述媒体访问控制帧封装在具有所述DOCSIS节目标识符的MPEG分组中。

24、根据权利要求18的首端装置，还包括：数字视频广播服务器，被编程为输出包含常规调度数字视频广播的数据的MPEG分组的MPEG传输流；以及一个或更多个其他业务提供服务器，被编程为与所述电缆调制解调器终端系统双向传递其他业务的数据，其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为将所述其他业务的下行数据封装在定址到请求了所述业务数据的装置和/或处理的一个或更多个网际协议分组中、将所述网际协议分组封装在定址到包含或连接到请求了所述其他业务数据的所述装置和/或处理的一个或更多个机顶盒的媒体访问控制地址的一个或更多个媒体访问控制帧中、并将所述媒体访问控制帧封装在具有专用数据节目标识符的MPEG分组中，并且其中，执行传输复用器处理的所述计算机被编程为从所述数字视频广播服务器接收所述MPEG传输流并将所述传输流与所述交互式业务服务器输出的所述MPEG传输流和具有所述DOCSIS节目标识符的所述MPEG分组合并到MPEG复用中。

25、根据权利要求18的首端装置，其中，所述电缆调制解调器终端系统被进一步编程为以任何方式监视在DOCSIS节目标识符即管理和控制信道上下行发送的管理和控制数据的业务量水平、并且使用任一常规负载均衡方案以将一些节目和/或业务以及相关联管理和控制数据转移到所述MPEG复用中的其他MPEG传输流并将所述相关联管理和控制数据放在所述其他MPEG传输流上的具有DOCSIS节目标识符的MPEG分组中。

26、根据权利要求25的首端装置，其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为通过保持关于所述机顶盒预订的特定类型的业务和/或节目的数量的记录来监视所述管理和控制信道上的负载，并且当节目和/或业务的数量达到或超过预定阈值时认为所述管理和控制信道上的负载过高。

27、根据权利要求25的首端装置，其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为通过保持关于预订的业务和/或节目的数量和类型的记录并查询一查找表来对所述管理和控制信道上的负载进行监视，该查找表具有对于针对预订的各种数量的不同类型的节目和业务应该何时启动负载均衡转移的不同阈值数。

28、根据权利要求25的首端装置，其中，所述电缆调制解调器终端系统被编程为通过从所述机顶盒接收包含响应时间等待的消息来对所述管理和控制信道上的负载进行监视，所述响应时间等待表示所述机顶盒在对节目和/或业务的上行请求被兑现之前必须等待的时间量，并且当等待变得太长时确定应该启动将节目和/或业务转移到其他MPEG传输流的负载均衡。

29、一种首端装置，用于将承载视频点播和/或交互式业务数据和/或其他业务数据以及管理和控制数据的MPEG分组发送给与多个数据分配信道相连接的特定机顶接收器/解码器，即机顶盒，所述数据分配信道将数据从首端传送到所述机顶盒，所述首端装置包括：

一个或更多个服务器，被编程为接收对业务的请求并通过输出承载所述所请求业务的数据的网际协议分组或者传输流中封装在网际协议分组中的MPEG分组来进行响应，所有所述网际协议分组都定址到所述机顶盒中的或者连接到所述机顶盒的装置或处理；

网际协议交换网络，包括被连接以从所述一个或更多个服务器和其他来源接收所述网际协议分组的一个或更多个路由器和/或交换机，并被编程为根据所述网际协议分组中的定址信息将各个所述网际协议分组路由到所述路由器和/或交换机的一个或更多个不同的输出；

电缆调制解调器终端系统，被连接以从所述多个数据分配信道中的每一个接收DOCSIS上行流，并被编程为提取包括对业务的请求的管理和控制消息并将包括所述请求的所述管理和控制数据发送给路由器以路由到需要所述管理和控制数据以及请求的服务器，所述电缆调制解调器终端系统还被编程为生成封装在MPEG分组中的下行DOCSIS消息并将其输出到所述网际协议交换网络，所述MPEG分组封装在网际协议分组中，所述DOCSIS消息包括包含管理和控制数据的消息，所述网际协议分组定址到机顶盒中的或连接到机顶盒的需要管理和控制数据的装置和/或处理；

对于连接到所述多个数据分配信道中的一个的所述网际协议交换网络的各个输出，一电路将所述输出连接到所述数据分配信道，所述电路包括：

网际协议剥离和去抖动和重新定时电路，其进行作用以从出现在所述输出的所述网际协议分组剥离网际协议分组头部，并且，将具有DOCSIS节目标识符的封装MPEG分组路由到第一输出，将具有所述一个或更多个服务器提供的业务数据的节目标识符的封装MPEG分组路由到去抖动和重新定时处理，在去抖动和重新定时处理消除将所述MPEG分组封装在网际协议分组中而引起的抖动以恢复原始MPEG传输流，并且其中对所述MPEG传输流中的时间戳数据进行调整以使音频数据与视频数据同步，并且进行作用以在第二输出输出经去抖动和重新定时的MPEG分组；

MPEG复用器，连接到所述第一输出和第二输出以用于将出现在所述第一输出和第二输出的MPEG分组合并为MPEG传输流或包括多个MPEG传输流的MPEG复用；以及

正交调幅器，被连接以接收所述MPEG传输流或MPEG复用，并进行作用以据其生成正交调幅的射频信号。

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