基于EPON技術(shù)的大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

文｜大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院 董春利

1 大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與困境

近年來，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模急劇擴大，其應(yīng)用也開始從樓內(nèi)向外擴展。單一視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控點數(shù)已經(jīng)從十幾個、幾十個擴展到成百上千個；復(fù)合的視頻監(jiān)控系統(tǒng)甚至可以連接幾百個單一系統(tǒng)，組成包含幾萬個，甚至十幾萬個監(jiān)控點的大型系統(tǒng)。系統(tǒng)的覆蓋范圍也從單一系統(tǒng)的一兩平方千米，擴大到復(fù)合系統(tǒng)的幾十、上百平方千米。

點數(shù)和覆蓋范圍的擴大，給視頻監(jiān)控工程建設(shè)帶來了很多問題。其中最大的難題就是怎樣低成本地實現(xiàn)視頻監(jiān)控資源的大規(guī)模、多路數(shù)、遠距離、無損失的接入。

1.1 大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點

泛范圍的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，包括大型智能小區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)，具有攝像頭數(shù)量多、傳輸距離遠、對聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求高的特點。因此，大型智能小區(qū)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)，既要能滿足完成遠距離傳輸?shù)男枰?，又要能減少對主干光路資源的占用。

泛范圍視頻監(jiān)控系統(tǒng)的信號承載網(wǎng)絡(luò)基本都采用以太網(wǎng)；除包含以太網(wǎng)的技術(shù)特點外，還具有一些獨特之處。

（1）IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為唯一的網(wǎng)絡(luò)選擇。由于整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入點數(shù)量眾多，少則幾百個，多則上千個；因此用傳統(tǒng)的視頻矩陣控制主機來切換監(jiān)控點幾乎是不可能的，IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是必然的，也是唯一的選擇。

（2）承載網(wǎng)絡(luò)對上行帶寬的要求很高。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號傳輸主要是由監(jiān)控點向監(jiān)控中心傳送（上行）；單路上行帶寬受容量和攝像機解像率的影響，在500kbps～3Mbps不等，甚至更高。比如，某住宅區(qū)若采用720p高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，上行帶寬要求為2Mbps；若采用1080p全高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，則要求上行帶寬為4Mbps。

（3）前端監(jiān)控點分布較廣、呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，因此在進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋的規(guī)劃時，就需要對網(wǎng)絡(luò)光纖線路的建設(shè)和資源分配提出較高的要求。

（4）使用交換機組網(wǎng)的方式級連成本很高，對網(wǎng)絡(luò)光纖資源的占用很多，后期的技術(shù)維護也十分困難。

（5）對QoS支持能力的要求很高。由于實際工程中存在著多個分監(jiān)控中心同時實時查看一個點的視頻的情況，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)必須具有極高的QoS支持能力。

1.2 IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)承載網(wǎng)面臨的問題

IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)中包含有視頻、音頻、數(shù)據(jù)三種類型的數(shù)據(jù)信號，并行運行著24小時實時音視頻編碼、傳輸、存儲的業(yè)務(wù)進程，偶爾還需要并行運行視頻回放和音視頻解碼、觀看等業(yè)務(wù)進程。這些都給網(wǎng)絡(luò)流量帶來了巨大壓力。

另外，不同業(yè)務(wù)進程對于承載網(wǎng)絡(luò)的需求也各不一樣，在業(yè)務(wù)進程流量的方向、模型、特征上區(qū)別較大。比如：對于視頻存儲而言，數(shù)據(jù)安全性是第一位的，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，首先要保障的是可靠性；而對于實時視頻查看業(yè)務(wù)，用戶的感官體驗是首先要考慮的，數(shù)據(jù)傳輸時要優(yōu)先考慮實時性——低延時的網(wǎng)絡(luò)對實時視頻業(yè)務(wù)來說是最重要的。

1.3 IP視頻監(jiān)控對承載網(wǎng)絡(luò)的壓力

IP視頻監(jiān)控對承載網(wǎng)絡(luò)的壓力如圖1所示。

（1）高帶寬的要求

目前，D1 480i制式已經(jīng)成為數(shù)字電視主流標準，而分辨率更高的D4 720p和D5 1080p也在逐步得到應(yīng)用，因此，4Mbps、8Mbps碼率的視頻應(yīng)用逐漸成為主流。

（2）流量均衡要求

由于實時視頻查看、實時視頻存儲、歷史視頻回放的需求同時存在，存儲單元集中匯聚了多路視頻的接入，這使得整個IP承載網(wǎng)中出現(xiàn)了流量的局部熱點，呈現(xiàn)出整體網(wǎng)絡(luò)流量分布的不均衡。

（3）短時延的要求

根據(jù)國際電信聯(lián)盟《單向傳播時間》（ITU-T G.114-2003）標準的建議，滿足人感知舒適性要求的音視頻傳輸雙向延時應(yīng)不超過300ms，即單向延時不超過150ms?？筛兄木W(wǎng)絡(luò)時延基線是200ms，網(wǎng)絡(luò)時延高于200ms后，用戶滿意度將大打折扣。因此，隨著4Mbps、8Mbps等碼率的高碼率應(yīng)用的普及，現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)將難以滿足高清視頻監(jiān)控實時業(yè)務(wù)的傳輸要求。

（4）高可靠性要求

由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)最核心的部分，通常可以運用于司法服務(wù)中，因此其存儲的數(shù)據(jù)一般須具有可查證性、可追溯性。這樣一來，就對可靠性提出了很高的要求。網(wǎng)絡(luò)的一般故障或者中斷都將對業(yè)務(wù)進程的可用性、音視頻數(shù)據(jù)的可靠性構(gòu)成巨大威脅。

2 EPON大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 EPON技術(shù)分析

EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)是一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù)，它基于物理層無源光網(wǎng)絡(luò) PON（Passive Optical Network）技 術(shù)，在鏈路層使用以太網(wǎng)CSMA/CD協(xié)議。簡言之，EPON采用無源光纖傳輸，可在以太網(wǎng)上提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)。

EPON具有成本低、帶寬高、擴展性強、服務(wù)重組靈活快速、與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性好、方便管理等特點。理論上，EPON是目前泛范圍的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的最佳組網(wǎng)方式。選用EPON進行組網(wǎng)，除可滿足視頻監(jiān)控需求外，還與國家倡導(dǎo)的“光進銅退”的政策不謀而合。

本文提出的基于EPON技術(shù)的IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，就是將視頻編碼設(shè)備（DVS、IPC等）部署在前端，通過將其視頻碼流接入EPON網(wǎng)內(nèi)，實現(xiàn)IP化的視頻信號的上傳。在該方案下，IP視頻流可以靈活地傳輸至各級監(jiān)控中心；各級監(jiān)控中心通過IP網(wǎng)絡(luò)連接，通過分布在各監(jiān)控中心的視頻解碼器將圖像轉(zhuǎn)化為模擬信號進行輸出顯示。

2.2 EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)組成

本文提出的EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案中，室外監(jiān)控點的攝像機內(nèi)建編碼器上需集成光網(wǎng)絡(luò)單元ONU模塊。當攝像機完成圖像采集之后，編碼器進行數(shù)據(jù)壓縮處理，形成IP報文，并通過ONU模塊將其上傳至光線路終端OLT設(shè)備——這樣就完成了EPON方式的接入。

EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用的是點至多點的拓撲結(jié)構(gòu)，因此在取代了交換機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的點到點結(jié)構(gòu)后，可大幅減少光纖用量、交換機設(shè)備等，從而節(jié)約材料、設(shè)備的采購成本，現(xiàn)場的運輸施工成本，系統(tǒng)投運后的服務(wù)管理成本。

EPON支持的基本組網(wǎng)方式為星型和樹型。通過這兩種基本組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同類型（均分、固定非均分、可調(diào)分光比）的分光器可以衍生出其他多種網(wǎng)絡(luò)形式，滿足多種應(yīng)用的需要。

OLT的 GE（Gigabit Ethernet，千兆以太網(wǎng)）接口可通過光纖或電纜為視頻監(jiān)控中心提供雙向傳輸通道。OLT的PON端口通過光纖連接至無源分光器POS，經(jīng)無源分光后，再通過分出來的光纖分別連接到各個監(jiān)控點的攝像機內(nèi)置的ONU模塊，通過ONU上的FE（Fast Ethernet，快速以太網(wǎng)）接口經(jīng)電纜連接至高清視頻攝像機。如此，每臺OLT可以覆蓋直徑20km的范圍，最多可以接入256個ONU節(jié)點，可以根據(jù)不同情況提供不同的組網(wǎng)接入方式。

OLT可提供靈活的主干鏈路保護功能。OLT上的任意兩個PON口都可以互為主備冗余；不需要設(shè)置冗余時，每個PON口都可以獨立傳輸信號——可以為用戶的靈活配置和應(yīng)用提供便利。

如果數(shù)據(jù)量很大，在必要時，可以把OLT的4個GE端口聚合組成相關(guān)鏈路，這樣不但能夠保證帶寬滿足要求，也可以對數(shù)據(jù)起到保護作用。同時，無論是OLT還是ONU都具有強大的二層功能，可以通過VLAN、QoS、QinQ等手段對用戶的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)進程進行各種控制和服務(wù)與安全保證。

3 EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

下面以EPON在一個大型別墅區(qū)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，對EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行詳細說明。

3.1 EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

（1）EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

大連紅旗谷高爾夫別墅區(qū)位于大連西郊的兩個山溝中，南北長5km，東西長6km，其中包括高爾夫球場，以及由300套別墅、一個酒店、兩個會議中心、一個游樂中心和兩個服務(wù)生活區(qū)組成的12個組團。其視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括會館區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)和別墅區(qū)外的監(jiān)控系統(tǒng)。會館區(qū)監(jiān)控包括會館區(qū)內(nèi)各單體的監(jiān)控，如會館監(jiān)控、地下停車場監(jiān)控、游泳館監(jiān)控、物業(yè)管理中心監(jiān)控等；別墅區(qū)監(jiān)控包括區(qū)內(nèi)道路監(jiān)控、區(qū)間綠地監(jiān)控、區(qū)周界監(jiān)控等。其中區(qū)周界監(jiān)控系統(tǒng)、道路監(jiān)控系統(tǒng)等遠距離監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸介質(zhì)通常為沿路和周界鋪設(shè)好的光纖。EPON可在這些系統(tǒng)中發(fā)揮傳輸平臺和核心的作用。

該項目EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 紅旗谷EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成圖

EPON的最大ONU和OLT間距離為20km，在實際距離超過此值的情況下，必須設(shè)置多臺OLT設(shè)備進行級聯(lián)，而這些設(shè)備通常安裝在建筑物內(nèi)各單體的監(jiān)控中心中。OLT通過配置很多個EPON接口來實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入。

為了節(jié)約光纖資源，別墅區(qū)監(jiān)控的EPON網(wǎng)絡(luò)一般可采用1×5的逐級分光形式，同時根據(jù)監(jiān)控點攝像機分布特點，進行詳細的分光設(shè)計。因為監(jiān)控點一般比較分散，比如別墅區(qū)周界，一般要每隔近100m才設(shè)置一個監(jiān)控點，因此需采用每臺ONU設(shè)備只連接一路監(jiān)控，通過以太網(wǎng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)編碼器相連的模式。另外，如果采用具有ONU功能的編碼器，可以減少設(shè)備的單點故障，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

在監(jiān)控中心中，OLT設(shè)備再通過以太網(wǎng)直接和會館區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸平臺相連，從而實現(xiàn)與監(jiān)控中心監(jiān)控平臺的通信。

EPON網(wǎng)絡(luò)可以采用樹型線性形式的網(wǎng)絡(luò)連接，各節(jié)點間以無源方式分光。值得一提的是，由于其可提供高達1Gbps的傳輸帶寬，因此非常適合應(yīng)用于高速公路視頻監(jiān)控項目。

（2）EPON系統(tǒng)的IP地址規(guī)劃

考慮到整個EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模，可采用10.0.0.0這一互聯(lián)網(wǎng)所保留的私用A類IP地址空間，進行統(tǒng)一規(guī)劃。采用靜態(tài)和動態(tài)結(jié)合的IP地址分配方式，按照不同的建筑物進行劃分。采用DHCP Server實現(xiàn)對所有上網(wǎng)用戶的動態(tài)地址分配，實現(xiàn)總體的分配策略。

①會館區(qū)有上網(wǎng)用戶的地方，其IP地址采用動態(tài)的IP地址分配原則。

②對別墅區(qū)部分關(guān)鍵用戶的IP地址，采用靜態(tài)分配的原則——如此可以在交換機上通過IP地址來設(shè)置這些用戶的優(yōu)先級或保證其訪問網(wǎng)絡(luò)的帶寬。

③服務(wù)器的IP地址適用靜態(tài)分配的原則。

④網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理IP地址適用靜態(tài)分配的原則。

（3）EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的VLAN設(shè)置

全部光纖鏈路采用全局統(tǒng)一網(wǎng)管；視頻監(jiān)控中心設(shè)立EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的IP網(wǎng)管中心，并設(shè)置網(wǎng)管服務(wù)器；各個組團的視頻監(jiān)控中心設(shè)遠程終端，分權(quán)、分域地進行用戶管理和設(shè)備管理。

本項目所采用的中興公司的網(wǎng)管系統(tǒng)可支持256個OLT子框的管理，采用帶內(nèi)傳送的網(wǎng)管方式，通過VLAN隔離網(wǎng)管信息，利用IP網(wǎng)承載網(wǎng)管信息流量。

設(shè)置“VLAN1”作為管理VLAN；該管理VLAN覆蓋全網(wǎng)的每一臺交換機，但在第三層接口上需要與其他業(yè)務(wù)VLAN有效隔離。為網(wǎng)管工作站另外設(shè)置一個“VLAN2”——與VLAN1在第三層上相通，同時允許部分業(yè)務(wù)VLAN訪問網(wǎng)管VLAN，從而實現(xiàn)網(wǎng)管的分布式監(jiān)控布局。

在“VLAN1”和“VLAN2”的第三層路由接口處設(shè)置訪問控制列表，只允許特定主機直接訪問每一臺設(shè)備，對其他主機均予以過濾。將其他的應(yīng)用服務(wù)器群設(shè)置在一個單獨的VLAN中，通過核心交換機全線速的三層交換和四層過濾機制來實現(xiàn)可控的用戶服務(wù)。

3.2 EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)與選型

（1）EPON系統(tǒng)OLT位置的選擇

EPON系統(tǒng)可支持較長的內(nèi)部傳輸距離，其光纖分配網(wǎng)絡(luò)ODN的覆蓋允許OLT位置在直徑15km的范圍內(nèi)可選。綜合考慮投資、網(wǎng)絡(luò)升級、維護等多方面因素，根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)的規(guī)模、使用的性質(zhì)，以及本系統(tǒng)作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，可考慮將光線路終端OLT設(shè)置在各個外管網(wǎng)人孔處的接入柜中。

（2）EPON系統(tǒng)實現(xiàn)方式

本次設(shè)計中光纖分配網(wǎng)絡(luò)ODN的部署以樹型結(jié)構(gòu)為主，主要采用三級以下的分光方式。

如果使用一級分光方式，PON系統(tǒng)需要占用較多的主干光纜和配線光纜，但是可以減少故障點的數(shù)量，容易對故障點定位，系統(tǒng)帶寬很容易優(yōu)化。這些方面一級分光方式都比二級分光方式更有優(yōu)勢。

但是，從提高光纜的資源利用率和PON端口使用率的角度考慮，二級分光方式更適用于用戶較分散的場合。

本項目是一個占地面積很大的別墅群，計有300套別墅、一個酒店、兩個會議中心、兩個游樂中心、兩個服務(wù)生活區(qū)，共12個組團。所以，基于對線路成本、OLT設(shè)備成本、PON端口成本、系統(tǒng)維護成本、系統(tǒng)可擴展性等因素的綜合考慮，本項目的ODN部署基本上以二級分光為主，一級分光為輔。別墅采用二級分光，酒店、會議中心、游樂場和生活服務(wù)區(qū)采用一級分光。

（3）EPON系統(tǒng)的設(shè)備選擇

目前工程上常用的光分路器有兩種類型，一種是采用拉錐耦合器工藝生產(chǎn)的熔融拉錐式光纖分路器（Fused Fiber Splitter），另一種是基于光學(xué)集成技術(shù)生產(chǎn)的平面光波導(dǎo)分路器（PLC Splitter）。這兩種光分路器各有優(yōu)缺點，其中平面光波導(dǎo)分路器更適用于本項目的EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)使用的是平面光波導(dǎo)分路器。兩種分光器的性能如表1所示。

（4）PON鏈路的衰減

光路傳輸中主要的光功率損耗有光傳輸距離的損耗、光分路器的分光損耗、各類光器件的插入損耗等。只要經(jīng)光路傳輸?shù)墓夤β实闹翟贠NU光器件的過載光功率的可接受靈敏度范圍內(nèi)，ONU都能正常工作。因此，在進行EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計時，必須對PON鏈路損耗進行預(yù)算，以確定該EPON視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方案是否可行。這一計算的結(jié)果有助于確定所選擇的光發(fā)送和接收模塊的靈敏度范圍是否合適，其計算原則為：

◆按照最壞值法計算（同傳輸設(shè)備的計算方法）；

◆ 光纖衰耗按照衰耗大的，1310nm光信號的衰耗計算。

具體的計算方法為：

式中，與R—S（信源—信宿）點允許的最大衰耗相對應(yīng)的線路富余度，取值為2dB。

表1 兩種分光器性能對比表

4 結(jié)束語

基于EPON技術(shù)的承載網(wǎng)絡(luò)除了能夠傳輸高清視頻監(jiān)控信號之外，還可以提供語音、數(shù)據(jù)、辦公等綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸通道；也就是說，EPON承載網(wǎng)絡(luò)在將各個監(jiān)控點的圖像信號傳送到監(jiān)控中心之外，還可以接入監(jiān)控點的語音、數(shù)據(jù)、辦公等業(yè)務(wù)——具體到本項目中，能夠完成物業(yè)管理等類型的辦公業(yè)務(wù)；從更廣泛的意義上講，更加適合在公安、消防、交通等部門應(yīng)用。

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8 趙斌雄.EPON建設(shè)分析以及應(yīng)注意的問題.科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2008-12-21

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