建設農場“平安城市”EPON系統(tǒng)的應用

徐永久

黑龍江農墾廣播電視網(wǎng)絡有限公司北安分公司 黑龍江省 北安市 164300

前 言

建設農場位于小興安山南麓的北安市，初步完成了小城鎮(zhèn)建設。隨著農場的不斷發(fā)展，流動人口與外來車輛逐步增多，如何在低溫條件下建設合理、科學、經(jīng)濟的“平安城市”項目是關系到農場平穩(wěn)發(fā)展的一項大事。從視頻監(jiān)控技術來看，IP 視頻監(jiān)控技術逐漸成為主流，其訪問方式也越來越受到人們的關注。由于EPON 技術的成熟及其內在優(yōu)勢，在建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，滿足了視頻監(jiān)控對上行帶寬的巨大需求，具有分散監(jiān)控前端節(jié)點的特點。

1 EPON系統(tǒng)在視頻應用中的特點及建設農場“平安城市”系統(tǒng)建設需求

EPON 系統(tǒng)是無源光網(wǎng)絡，采用廣播用戶網(wǎng)絡拓撲和光纖實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、語音和視頻的全業(yè)務接入，大大減少了光纖線路和有源設備的數(shù)量。EPON 的上下游線路速率為1.25Gbp/s，支持以太網(wǎng)業(yè)務，設備可靠性高，集成芯片成熟，建設成本低，適用于純網(wǎng)絡接入，減少了建設成本和維保的成本。EPON 在監(jiān)測工程中具有高質量的接入、帶寬增加、項目維護簡單、監(jiān)控管理、可節(jié)約光纖資源等優(yōu)勢。EPON系統(tǒng)拓撲結構，如圖1所示。

圖1 EPON 系統(tǒng)拓撲結構圖

1.1 EPON技術特點

1.1.1 EPON 帶寬大

EPON 系統(tǒng)每個PON 端口提供上下對稱的1.25Gbit/s 帶寬，有效地解決了承載網(wǎng)絡對視頻監(jiān)控業(yè)務上行帶寬的要求。如果按照1 架高清智能球機8M 帶寬需求，每個PON 端口能夠接入120 臺高清智能球機，EPON 上行帶寬優(yōu)勢十分明顯，普通接入技術無法做到。

1.1.2 EPON 組網(wǎng)靈活

網(wǎng)絡結構不受約束，通過不同光比的光分路器組合，可以靈活構建鏈、樹、星網(wǎng)絡。根據(jù)攝像頭分布位置的不同和使用者的實際需求，可以按實際需求組網(wǎng)，充分合理的利用網(wǎng)絡資源。

1.1.3 網(wǎng)絡的穩(wěn)定性高

EPON ODN（光網(wǎng)絡）是一種光學設備和光纖，主要部件為玻璃，損耗周期長。在沒有活動設備的情況下，具有較高的網(wǎng)絡可靠性，大大降低了維護成本。EPON 技術的引入，大大降低了各節(jié)點的維護次數(shù)。

1.1.4 系統(tǒng)擴容簡單

EPON 對業(yè)務的傳輸在一定的范圍內是透明的，攝像頭數(shù)量發(fā)生變化時，局端及線路傳輸擴容方便。

1.1.5 組網(wǎng)成本低

EPON 系統(tǒng)比傳統(tǒng)的解決方案更便宜，可以節(jié)省很多光收發(fā)器和其他設備。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)以光纖收發(fā)器+光纖電纜+光纖收發(fā)器的形式，向視頻服務器傳輸視頻信號。采用EPON 技術后，可通過網(wǎng)線將100 米范圍內的多臺攝像機連接起來，每臺攝像機的視頻圖像通過網(wǎng)線傳輸?shù)奖镜匾曨l監(jiān)控中心，減少了連接設備的數(shù)量。隨著方案的改變，電纜數(shù)量也大大減少。

1.1.6 維護簡單成本低

EPON 的綜合網(wǎng)絡管理支持使得遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的維護變得簡單。利用被動光網(wǎng)絡系統(tǒng)提供的拓撲管理、故障管理、性能管理、安全管理、配置管理等功能，大大降低了運行成本。

1.2 建設農場“平安城市”系統(tǒng)建設分析

1.2.1 上行帶寬

監(jiān)控的視頻數(shù)據(jù)需要傳輸回終端監(jiān)控點的監(jiān)控中心。每個信道的上行帶寬要求為4～8Mbp/s，基本上排除了xDSL 技術。

1.2.2 鏈形或樹形組網(wǎng)

如道路交通監(jiān)控、住宅區(qū)監(jiān)控、公共場所區(qū)域等監(jiān)控，需依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境設計級網(wǎng)方案。

1.2.3 監(jiān)控終端數(shù)量多

監(jiān)控系統(tǒng)的終端數(shù)量少則幾十個，多則上百成千個。

1.2.4 地域分布廣

一個區(qū)內20km 左右的范圍廣泛分布。

1.2.5 結合IP 應用

存在多個監(jiān)控中心同一時間內實時對某個監(jiān)控點的查看情況，需具備較好的IP 組播承載能力。

1.2.6 環(huán)境溫度溫差大

建設農場地處高緯度地區(qū)，季節(jié)性溫度變化在30～40℃之間，季節(jié)性溫差達70℃，需對設備采取較好的保溫散熱措施，且要求終端設備具有較好的適應性。建設農場“平安城市”系統(tǒng)結構，如圖2所示。

圖2 建設農場“平安城市”系統(tǒng)結構圖

2 建設農場“平安城市”視頻監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結構

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端視頻采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、終端控制器和顯示記錄設備組成。圖像信息由集成智能攝像頭采集，前端攝像頭由局端的矩陣控制主機控制，電視墻的屏幕切換由矩陣主機同時控制，通過磁盤陣列內存存儲。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

系統(tǒng)主要由局端設備、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)和視頻管理中心組成。

2.2.1 局端設備

所有監(jiān)控攝像頭采用Smart Camera（智能攝像頭），并支持移動檢測、視頻遮擋、跨界入侵、區(qū)域入侵、場景變更、物品遺留智能報警等應用功能。球式攝像頭由控制中心的計算機控制，可對攝像頭進行水平、垂直轉動及變焦控制，用于采集各監(jiān)控點周邊實時視頻信號。前端攝像頭通過網(wǎng)線與ONU 相連，處理后的視頻圖像通過EPON 系統(tǒng)采集到本地視頻管理中心，可以實時監(jiān)控和查看各布控點的圖像。本地視頻管理中心的工作人員，可以通過局域網(wǎng)實時調用視頻圖像和遠程控制球型攝像機。

2.2.2 網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)

EPON 作為一種傳輸網(wǎng)絡，覆蓋了農場的廣泛區(qū)域，具有點對多點結構；網(wǎng)絡靈活，可根據(jù)監(jiān)測點的布局進行調整；EPON 具有很強的擴展性和備份鏈路和接口。如果以后需要增加監(jiān)控點，只需要部署短距離光纜，本地端不需要增加硬件，同時可以提高帶寬。數(shù)據(jù)從前端攝像設備到本地視頻管理中心的透明傳輸，同時本地視頻管理中心對前端攝像機發(fā)布控制指令。

2.2.3 視頻管理中心

視頻管理中心位于農場公安局控制室，主要由數(shù)字矩陣、視頻解碼器、磁盤陣列存儲器和網(wǎng)絡管理服務器組成。監(jiān)控管理中心負責接收每個監(jiān)控點通過EPON 系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l信息?？刂浦行耐ㄟ^液晶拼接屏顯示各監(jiān)控點的圖像信息，并對控制信號進行協(xié)調。視頻數(shù)據(jù)可以同時存儲在存儲服務器中，用于視頻存儲、檢索、回放、備份和恢復。監(jiān)視器可以通過計算機訪問存儲服務器查詢和播放視頻記錄。利用矩陣控制器，通過計算機控制實現(xiàn)攝像機鏡頭的視頻切換、光圈、焦距和變焦。上、下、左、右、遠程電源和攝像機開關可自動或輔助控制。

2.3 系統(tǒng)運行中的問題

為了積累經(jīng)驗，把握EPON 系統(tǒng)的特點，在住宅小區(qū)進行了一個試點工程。試驗區(qū)域建成后，對系統(tǒng)進行了調試。在此過程中，遇到了光路、系統(tǒng)帶寬分配和低溫等問題。光路和系統(tǒng)帶寬分配問題與原設計中的理論計算有很大的不同。低溫問題與該農場所處的高緯度地理環(huán)境有關。通過對問題的分析，找出問題的所在，積累了使用EPON 系統(tǒng)的經(jīng)驗。

2.3.1 光路問題的分析和解決

系統(tǒng)通電后，一部分ONU 不能注冊到OLT。通過對光路的檢查，只發(fā)現(xiàn)一小部分與光分路無關光路。在糾正了不同的光路之后，問題仍然存在。

通過對原設計的分析，發(fā)現(xiàn)問題可能在于光路徑的喪失。在EPON 系統(tǒng)中，OLT 和ONU 之間存在無源光網(wǎng)絡。ONU 通過光網(wǎng)絡接收傳輸?shù)墓?，必須滿足規(guī)劃的光功率要求。最低為-25dB，最高為-8dB。在這個范圍內，不需要衰減，低于這個范圍的ONU 不能在OLT 上注冊。從OLT 到ONU 的光損耗是由分路器的損耗、接頭的熔接損耗和光通過的各級光纜的損耗累積而成的。故障告警管理系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 故障告警管理系統(tǒng)圖

在原系統(tǒng)設計中，根據(jù)攝像頭的分布情況設計了網(wǎng)絡分光點。在實際光路中，由于器件質量一般，熔接質量不合格，且當串聯(lián)分路器較大時，接頭的累積損耗較大，分光器的累積損耗較大，使實際損耗大于計算損耗，經(jīng)測量最大損耗值為-37dB，所有未登記的責任都是由高光損耗引起的。為了解決這個問題，工作人員需要反復熔接和更換分路器，提高各級損耗增加的容忍度。用分組分光法代替就近支法，根據(jù)攝像頭的分布進行分組，并為每組設計一個分光點。在同一組中，一次性拆分到攝像頭，這樣只需要兩級分光。改造后，在控制熔接質量的條件下，系統(tǒng)成功地運行起來。

2.3.2 帶寬問題的分析和解決

社區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭采用1080p 網(wǎng)絡高清攝像頭。采用H.264 的編碼，平均帶寬4M。光路開通后，從圖像上傳至配送控制中心即可看到。一些圖像出現(xiàn)在卡登現(xiàn)象上，系統(tǒng)中選擇的EPON 設備的有效數(shù)據(jù)帶寬為1GB，系統(tǒng)開銷至少為800M 帶寬。即使總帶寬為560M，單元攝像頭的最大數(shù)量為140，比可用系統(tǒng)小得多，圖像不應該卡住。

顯示視頻信號傳輸存在延遲。通過對視頻流的測試，發(fā)現(xiàn)視頻流不是固定的。當屏幕改變時，碼流將增加數(shù)倍。原因是攝像頭工作在屏幕優(yōu)先模式，隨著屏幕的變化。為了保證屏幕的質量，它需要增加數(shù)據(jù)量。進一步的測試發(fā)現(xiàn)，許多攝像頭經(jīng)常出現(xiàn)同時增加數(shù)據(jù)量的情況，造成數(shù)據(jù)傳輸延遲。

時分復用（TDM）技術用于EPON 系統(tǒng)上行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。當向OLT 發(fā)送數(shù)據(jù)時，每個ONU 占用不同的時隙，并且每個時隙中只有一個ONU 進行通信。為了充分利用上行帶寬，OLT 根據(jù)ONU 的數(shù)據(jù)傳輸請求動態(tài)分配帶寬，并為需要上傳數(shù)據(jù)的ONU 分配一個較長的時隙，從而獲得更大的帶寬。這種現(xiàn)象就像一個十字路口，如果雙向車輛流量大，最好的辦法是先讓一個方向盡可能通過，然后讓另一個方向通過。相反，它必須是交錯的，以允許兩個方向通過保持暢通。ONU 時隙通信示意，如圖4所示。

圖4 ONU 時隙通信示意圖

了解了這一事實，可以重置系統(tǒng)的帶寬分配策略，將動態(tài)帶寬分配更改為固定帶寬分配，并為每個攝像機分配固定帶寬，這樣即使多個攝像機的碼流增加，也可以獲得機會傳輸數(shù)據(jù)。由于EPON 系統(tǒng)具有較大的上行帶寬，固定帶寬分配可以滿足實時顯示的需要，并且不會導致圖像出現(xiàn)卡頓。

2.3.3 低溫問題的分析和解決

建設農場地處高緯度地區(qū)，季節(jié)性溫度變化在30～40℃之間，季節(jié)性溫差達70℃。前期考慮到環(huán)境惡劣帶來的影響，小區(qū)攝像頭自身均帶有加熱功能，不影響低溫條件下的視頻圖像采集。但ONU 規(guī)劃的工作環(huán)境溫度為25～30℃之間，不能適應如此大的溫差變化，特別是-40℃低溫會導致ONU 光模塊的功用不穩(wěn)定，使得通訊數(shù)據(jù)呈現(xiàn)差錯。由于光模塊的溫度不在正常規(guī)劃范圍內會報警，通信數(shù)據(jù)會出現(xiàn)錯誤，模塊在此情況下會連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在光學模塊恢復正常工作之前，數(shù)據(jù)不會從一開始就被發(fā)送/接受。

針對這種實際環(huán)境狀況，在項目設計之初已經(jīng)考慮到對ONU 保溫問題，所以在集成箱體中增加了保溫綿，并增加加熱模塊，溫控溫度設定在-25℃。這樣當環(huán)境溫度低于-25℃時，加熱模塊自動啟動，使ONU 的工作環(huán)境溫度達到規(guī)劃的溫度區(qū)間，從而保證ONU 不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)。

結 束 語

綜上所述，EPON 技術確保在使用主光纖時，可以通過無源光分路器訪問多個分支光纖（最多32 個）。每根分支光纖可以連接到不同的用戶，完全解決了長距離問題和光纖接入過程中骨干光纖資源不足的瓶頸問題。由于PON 的自然融合結構，與傳統(tǒng)的點對點光纖接入層網(wǎng)絡相比，節(jié)省了大量的OLT 側光適配模塊。另外，EPON 技術可以提供1～1000M 的接入帶寬，真正實現(xiàn)“千兆到桌面”的寬帶接入，是其他組網(wǎng)技術不可比擬的，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡配置。

利用EPON 技術構建網(wǎng)絡接入層可以大大降低用戶的網(wǎng)絡建設成本，簡化用戶的網(wǎng)絡層次，充分滿足網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的需要。