基于EPON技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

姜瑞 蔣春 喬曉軍

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的CATV閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當前日益增長的高清視頻監(jiān)控需求，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)由于圖像清晰、組網(wǎng)方式簡單、數(shù)字化傳輸、可擴展性高等原因得到了廣泛的應(yīng)用，當前乃至于以后很長一段時間仍然是解決視頻監(jiān)控傳輸?shù)闹髁鹘鉀Q方案。但是隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用深入，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控上行帶寬需求較大，監(jiān)控前端節(jié)點范圍廣的特點，導(dǎo)致監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，建設(shè)成本直線上漲，網(wǎng)絡(luò)管理問題也日漸突出。EPON技術(shù)的出現(xiàn)為監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)提供了一個無源的、低成本的組網(wǎng)方案，較好地解決了當前監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)高投入和難管理的困局。本文以EPON技術(shù)探討網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：EPON技術(shù);傳輸網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控

前言：當前網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控在維護社會安全和穩(wěn)定起到越來越重要的作用，小到保護家庭財產(chǎn)安全，大到城市治安管理等方面。由于廣泛應(yīng)用，監(jiān)控攝像頭分布于大街小巷的各個角落。如何讓這些前端監(jiān)控視頻信號回傳到監(jiān)控中心或云平臺進行集中管理，成了一個必須要解決的問題。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)是基于IP交換機組建的分組交換傳輸網(wǎng)絡(luò)，而每個攝像頭一般采用網(wǎng)線或光纖點對點接入就近交換機端口。但當有成百上千路攝像頭接入時，不斷地增加光纜和設(shè)備投入會使傳輸網(wǎng)絡(luò)成本逐漸遞增，并且傳輸網(wǎng)絡(luò)中存在大量的交換機和光纖收發(fā)器等有源設(shè)備會增加故障點，同時也不方便集中統(tǒng)一管理。EPON技術(shù)是基于無源的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以通過一根光纜實現(xiàn)一點對多點的雙向數(shù)據(jù)傳輸，從根本上解決了大規(guī)模分布式攝像頭的網(wǎng)絡(luò)接入問題，減少了網(wǎng)絡(luò)中有源設(shè)備數(shù)量，極大的降低了建設(shè)成本，提高了傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可擴展性。

一、EPON技術(shù)

EPON技術(shù)由IEEE802.3EFM工作組進行標準化。采用IEEE802.3ah標準，在該標準中將以太網(wǎng)和PON技術(shù)相結(jié)合，在無源光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，定義了一種新的物理層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，以實現(xiàn)在點到多點的以太網(wǎng)幀的TDMA（時分復(fù)用）接入。此外，還定義了運行、維護和管理（OAM）機制，以實現(xiàn)必要的運維功能。EPON技術(shù)它綜合了PON技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點：低成本;高帶寬;擴展性強，靈活快速的組網(wǎng);與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性高和方便管理等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于IP傳輸網(wǎng)絡(luò)。EPON技術(shù)最開始廣泛應(yīng)用于運營商寬帶接入服務(wù)，是一種實現(xiàn)光纖到戶的重要技術(shù)手段，后來逐漸被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控領(lǐng)域。

二、EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)一般由局端設(shè)備OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）、用戶端設(shè)備ONU（Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）以及光分配網(wǎng)ODN（Optical Distribution Network，光分配網(wǎng)）組成。OLT與ONU之間僅有光纖、光分路器等光無源器件，無需租用機房、無需配備電源、無需有源設(shè)備維護人員，因此，可有效節(jié)省建設(shè)和運營維護成本。EPON在一根光纖上同時傳送收發(fā)信號，使用1260～1360nm和1480～1500nm波長分別傳輸上下行信號，其數(shù)據(jù)傳輸能力上下行可以達到1.25Gb/s，最遠傳輸距離可達到20km，同時還可以在光纖疊加1550nm波長來傳輸CATV電視信號。

局端設(shè)備OLT是整個EPON網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備，負責管理ONU認證、注冊、測距、ONU調(diào)度等。OLT通過無源光網(wǎng)絡(luò)（ODN）向ONU發(fā)送廣播幀，ONU對廣播幀進行選擇性接收，上行傳輸方向ONU采用時分復(fù)用（TDMA）發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并利用測距技術(shù)保證上行數(shù)據(jù)幀不發(fā)生沖突。為了更好的利用光纜資源，EPON系統(tǒng)采用上下行波長分離的方式傳輸數(shù)據(jù)幀即波分復(fù)用技術(shù)，通常情況上行采用1310nm波長，下行采用1490nm波長。

EPON系統(tǒng)通過無源光網(wǎng)絡(luò)把分散的ONU單元匯聚到EPON口，為了更好的管理這些ONU單元，使用OAM協(xié)議數(shù)據(jù)單元管理、測試、診斷ONU狀態(tài)，并引入QOS機制保證ONU單元傳輸質(zhì)量。EPON系統(tǒng)的無源光網(wǎng)絡(luò)采用點對多點的組網(wǎng)方式，通過無源光分器實現(xiàn)以局端設(shè)備OLT為根節(jié)點的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，理論分離比可以達到1：64即一個EPON口最多可以實現(xiàn)64個ONU單元的接入。

三、EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)承載視頻監(jiān)控系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般是由前端攝像頭，傳輸網(wǎng)絡(luò)，后端設(shè)備組成。對于平安城市和園區(qū)這樣的大中型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，攝像頭數(shù)量多且相對分散，設(shè)備管理困難，傳統(tǒng)組網(wǎng)模式已經(jīng)很難滿足低成本投入、高效率運維、扁平化管理的需求。采用EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的視頻監(jiān)控系統(tǒng)很好的解決了這個問題。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的核心問題是如何通過IP網(wǎng)絡(luò)把前端攝像頭圖像回傳到監(jiān)控中心顯示和存儲。視頻監(jiān)控信號傳輸具有方向性，一般上傳數(shù)據(jù)量遠大于下載數(shù)據(jù)量。前端攝像頭通過編碼芯片把采集到圖像編碼為H.264或H.265視頻流格式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，后端設(shè)備通過傳輸網(wǎng)絡(luò)接收到各個攝像頭的流格式信號進行解碼上墻顯示和集中在線存儲。

EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)承載的視頻監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)組網(wǎng)最大區(qū)別是傳輸網(wǎng)絡(luò)的不同，EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)可以很好的替換基于IP交換機或點對點光纖傳輸?shù)姆绞?。系統(tǒng)建設(shè)不會因為網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不同導(dǎo)致后端設(shè)備無法兼容。機房端使用OLT設(shè)備取代監(jiān)控匯聚交換機，OLT設(shè)備上行端口模塊化設(shè)計，根據(jù)端口類型可以提供1000Mb或者更高10Gb的帶寬能力，解決了匯聚層上行端口瓶頸的問題。

無源光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計一般根據(jù)攝像頭點位分布的區(qū)域、距離、光衰等因素綜合考量，理論上一個EPON口可以提供1.25Gb的帶寬，光分配比可以達到1：64，ONU單元理論接收光強度可以低到-24dbm，但是實際施工過程中由于光纜和無源器件存在損耗，一般采用兩級光分組網(wǎng)，既同一個EPON口下一、二級光分的分配比不超過1：32，同時保證ONU單元接收光功率強度不得低于-24dbm。前端攝像頭直接與ONU單元（光貓）對接，ONU單元采集視頻流信號通過ODN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絆LT設(shè)備，OLT收集到各路視頻信號匯聚，通過上行端口傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控平臺進一步處理。

EPON系統(tǒng)還可以通過OAM管理協(xié)議對下掛ONU單元進行集中統(tǒng)一管理，在線監(jiān)測ONU狀態(tài)，通過網(wǎng)管平臺可以實時監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)流量和設(shè)備狀態(tài)，進一步保證了視頻監(jiān)控系統(tǒng)信號的穩(wěn)定可靠。

四、結(jié)束語

EPON技術(shù)最開始興起于寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于其低成本、速率高、范圍廣、安全穩(wěn)定等特點，后被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。整個EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡單，有源設(shè)備僅OLT和ONU單元，中間傳輸網(wǎng)絡(luò)由無源的光纖器件組成，工作穩(wěn)定、抗老化、壽命長。綜上所述EPON傳輸網(wǎng)絡(luò)是解決大中型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控建設(shè)的最佳選擇。