有条件接收系统(CAS)概述

 

　　有条件接收系统(CAS)是开展付费电视的核心技术，了解它的运行机制，掌握好它的使用和维护对付费电视业务的成功开展非常关键。

　　一、有条件接收基本原理

　　CAS的组成包括有：用户管理系统SMS、业务信息生成系统SIG、节目管理PMS/SI编辑系统、节目调度处理EIS、用户授权管理系统SAS、条件接收CA等。主要有两大块：一块是管理用户的SMS，一块是管理节目的CA。CA主要分为两大部分：一是信号加扰部分，它是通过一个随机码发生器所产生的随机码(称为控制字CW)来控制加扰器对信号的加扰;二是加密部分，要使加扰的信号在接收端成功地解扰，接收端也必须要有和加扰端一模一样的控制字来控制解扰器，所以，要将前端的CW传送到接收端，如果直接传送会很容易被黑客截获而使CAS失去作用，为此，要对CW进行加密传送，这种加密是一种多层加密机制，从而增加CW传送的安全性，直接对CW加密的第一层所产生的密文称为授权控制信息ECM，通过复用器与加扰的码流一起传送，ECM还含有时间、节目价格、节目授权控制等信息，因此ECM是面向节目的管理信息。对CW加密的密钥称为工作密钥SK，SK通常又叫月密钥，每月换一次，每换一次SK，系统都要从新对所有用户进行授权。第二层加密是用称为节目密钥PDK对SK进行加密，所产生的密文和从SMS获取的授权指令通过SAS生成的授权信息组成授权管理信息EMM，EMM还含有智能卡号、授权时间、授权等级等用户授权信息。这些信息主要是完成对用户的授权，因此EMM是面向用户的管理信息，EMM对用户在什么时间看、看什么频道进行授权，它也通过复用器与加扰码流一起传送，以上这些组成了CA最基本的加密系统。

　　为了防止密钥在传送中被黑客截获，一般采用双密钥法，对每一用户分配一对密钥，其中一个是使用者本人掌握的密钥称为私有密钥，它只用于解密，通常这个密钥都存储在用户智能卡中。另一个是公开密钥，它只用于加密，两个密钥通过算法结成一一对应的关系，只有通过对应的私有密钥才能解开用公开密钥所加的密。这样我们根本不需直接传送密钥，因此具有很高的安全性，这是一种称为数字签名的认证过程。一般私有密钥(PDK)都存储于用户的智能卡中，所以在接收端，EMM的解密是唯一的，即一个智能卡只能解密与其有关的EMM信息，解密后就可以得到用于解ECM的所有信息，再通过解密ECM得到CW，将CW送到机顶盒内的解扰器完成解扰工作，这些解密过程都在智能卡中的解密系统完成。授权采用中心寻址与智能卡共用的方式，其过程如下：

　　机顶盒检测到DVB码流如果是加扰码流，则驱动读卡器工作，将智能卡管理程序调入中央处理器启动运行，将智能卡的卡号读出。在传送流中寻找PSI，在PSI中找到条件接收表CAT，根据CAT表中给出的EMM包标识码(PID)，找到相应的EMM信息，然后将智能卡的卡号与EMM内的授权信息中的卡号进行校对，也就是进行寻址比较操作，如果校对无效，在屏幕上将有提示你还未经授权不能收看的相关信息显示。如果校对成功则将ECM和EMM传送给智能卡，在智能卡内调用解密程序(为了增强CAS的安全性，整个解密过程都在智能卡里进行)，用智能卡中的私有密钥(PDK)对EMM、ECM进行逐层解密得到SK并得到CW，将CW送回机顶盒完成对节目码流的解扰(如图1和图2所示)。同时将密钥SK存储在智能卡中，今后的解密和解扰就直接调用卡中的SK就可以了，不需要重复执行授权过程，此时系统只需传送ECM就行了(因为一般来说每5---10秒CW就换一次，所以ECM也要每5--10秒发送一次)，只有当运营商要更新SK时才开始一个新的授权过程，通常每更新一次SK，运营商都要用几天的时间(具体可根据用户的多少来确定)不断发送EMM给用户进行授权，如果有些用户由于其他原因在授权期间没有开机，可通过电话联系，由前端确认后，向该用户发送专用的EMM。

　　改变授权有以下方式：

　　1、 在前端的SMS发现某用户时间已到，则向CA发出指令关闭授权，通过发送EMM来更新SK并重新授权。

　　2、 利用智能卡中储存的授权时间与下行信号中的时间(此时间信息在ECM中)进行比较，如果下行信号的时间不在授权时间的区间内，则撤消授权。

　　3、 利用智能卡中储存的授权信息与ECM中的附加参数进行比较，如果不符合节目接入条件，则撤消授权。

　　为给用户在节目订购方面提供更多的选择，CAS除了最基本的节目定期预订(Subscription)外还提供了分次付费收视PPV(Pay-per-View)、即时付费收视IPPV(Impulse PPV)和计时付费等多种授权方式，这些授权方式都附于节目上，并用附加参数来描述(预约类型、PPV费用、预览时间等)，一般，它们像控制字那样被携带于ECM信息中。在智能卡中存有多个私有密钥，每个密钥都对应一种授权方式，每一种的授权方式都对应一种EMM。

　　综观整个授权的过程，CAS的安全性取决于智能卡的保密性，智能卡必须要具有可靠的防复制性能。

　　对于不同的节目产品包(由单个或多个节目组成的一个或多个TS流)，就有不同的ECM和EMM与之对应，每一个节目产品包对应一个ECM和多个EMM(视订购的用户而定，对于每一个产品包来说，有多少个订户就有多少个EMM)，可分为单播和多播形式。

　　单播是将单个节目作为一个产品包，用户可以任意选购一个或多个产品包，所以，对于用户来说选择非常灵活多样，但它的授权信息量较大。设每个EMM的数据量是100个字节，现有用户60万，共有节目60套，也即有60个节目产品包，每6个产品包占用一个传输信道(调制在一个QAM调制器上)，如果每个用户都购买全部产品包(这是极端的情况)，那么所产生的ECM数量有60个,智能卡必须能存储60个不同的SK，在解密时通过不同的节目标识来启用不同的SK。EMM总数据量是：600000*100*8*60=28800Mb，庞大的数据会使授权时间变长，从而影响用户的正常收看。

　　多播是将多个节目捆绑在一起组成一个产品包，以套餐的形式供用户选择购买，这种方式多用于数字电视发展的初期，向用户提供类似“买一送二”的优惠政策，在这种方式下，ECM和EMM的数据量都将减少。同样，设每个EMM的数据量是100个字节，用户60万，共有节目60套，每6套节目组成一个产品包，共有10个产品包，每个产品包占用一个传输信道(调制在一个QAM调制器上)，如果每个用户同样都购买全部产品包，那么所产生的ECM还是60个，EMM总数据量是：600000*100*8*10=4800Mb，可见数据量比单播方式少多了。

　　为了减少每次授权的时间，我们可以通过合理地分配信道带宽或采用一些调度算法来加以解决。例如在64QAM、6.875Mb/s符号率的调制方式下,每个信道可得到(6.875*6*188)/204=38Mb/s(64QAM的理论频谱效率为6bits/s/hz、188,204是RS编码的结构，204个字节中188个有效数据，16个冗余字节，用于纠错编码)的数据带宽。我们可以为EMM、SI及其它信息预留约5Mb/s的带宽，剩下的33Mb/s带宽传输的电视节目不宜超过6套。这时视频码率维持平均5Mb/s左右，在这种码率下，肉眼感觉不到图像质量的下降。