基于EPON技術的大型視頻監控系統的設計

文｜大連職業技術學院 董春利

1 大型視頻監控系統的現狀與困境

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

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

1.1 大型視頻監控系統的特點

泛范圍的視頻監控系統，包括大型智能小區的監控系統，具有攝像頭數量多、傳輸距離遠、對聯網技術要求高的特點。因此，大型智能小區的視頻監控系統的組網，既要能滿足完成遠距離傳輸的需要，又要能減少對主干光路資源的占用。

泛范圍視頻監控系統的信號承載網絡基本都采用以太網；除包含以太網的技術特點外，還具有一些獨特之處。

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

（2）承載網絡對上行帶寬的要求很高。視頻監控系統的數據信號傳輸主要是由監控點向監控中心傳送（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，某住宅區若采用720p高清網絡攝像機，上行帶寬要求為2Mbps；若采用1080p全高清網絡攝像機，則要求上行帶寬為4Mbps。

（3）前端監控點分布較廣、呈現不規則形態，因此在進行網絡覆蓋的規劃時，就需要對網絡光纖線路的建設和資源分配提出較高的要求。

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

（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控中心同時實時查看一個點的視頻的情況，視頻監控系統的IP網絡必須具有極高的QoS支持能力。

1.2 IP視頻監控系統承載網面臨的問題

IP視頻監控系統中包含有視頻、音頻、數據三種類型的數據信號，并行運行著24小時實時音視頻編碼、傳輸、存儲的業務進程，偶爾還需要并行運行視頻回放和音視頻解碼、觀看等業務進程。這些都給網絡流量帶來了巨大壓力。

另外，不同業務進程對于承載網絡的需求也各不一樣，在業務進程流量的方向、模型、特征上區別較大。比如：對于視頻存儲而言，數據安全性是第一位的，在數據傳輸過程中，首先要保障的是可靠性；而對于實時視頻查看業務，用戶的感官體驗是首先要考慮的，數據傳輸時要優先考慮實時性——低延時的網絡對實時視頻業務來說是最重要的。

1.3 IP視頻監控對承載網絡的壓力

IP視頻監控對承載網絡的壓力如圖1所示。

（1）高帶寬的要求

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

（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承載網中出現了流量的局部熱點，呈現出整體網絡流量分布的不均衡。

（3）短時延的要求

根據國際電信聯盟《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不超過300ms，即單向延時不超過150ms。可感知的網絡時延基線是200ms，網絡時延高于200ms后，用戶滿意度將大打折扣。因此，隨著4Mbps、8Mbps等碼率的高碼率應用的普及，現有IP網絡將難以滿足高清視頻監控實時業務的傳輸要求。

（4）高可靠性要求

由于視頻監控系統是安全防范系統最核心的部分，通常可以運用于司法服務中，因此其存儲的數據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。網絡的一般故障或者中斷都將對業務進程的可用性、音視頻數據的可靠性構成巨大威脅。

2 EPON大型視頻監控系統

2.1 EPON技術分析

EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太無源光網絡）技術是一種新型的光纖接入網技術，它基于物理層無源光網絡 PON（Passive Optical Network）技 術，在鏈路層使用以太網CSMA/CD協議。簡言之，EPON采用無源光纖傳輸，可在以太網上提供多種業務服務。

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

本文提出的基于EPON技術的IP視頻監控系統解決方案，就是將視頻編碼設備（DVS、IPC等）部署在前端，通過將其視頻碼流接入EPON網內，實現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控中心；各級監控中心通過IP網絡連接，通過分布在各監控中心的視頻解碼器將圖像轉化為模擬信號進行輸出顯示。

2.2 EPON視頻監控系統的架構組成

本文提出的EPON視頻監控系統解決方案中，室外監控點的攝像機內建編碼器上需集成光網絡單元ONU模塊。當攝像機完成圖像采集之后，編碼器進行數據壓縮處理，形成IP報文，并通過ONU模塊將其上傳至光線路終端OLT設備——這樣就完成了EPON方式的接入。

EPON網絡技術采用的是點至多點的拓撲結構，因此在取代了交換機網絡技術的點到點結構后，可大幅減少光纖用量、交換機設備等，從而節約材料、設備的采購成本，現場的運輸施工成本，系統投運后的服務管理成本。

EPON支持的基本組網方式為星型和樹型。通過這兩種基本組網結構，結合不同類型（均分、固定非均分、可調分光比）的分光器可以衍生出其他多種網絡形式，滿足多種應用的需要。

OLT的 GE（Gigabit Ethernet，千兆以太網）接口可通過光纖或電纜為視頻監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，經無源分光后，再通過分出來的光纖分別連接到各個監控點的攝像機內置的ONU模塊，通過ONU上的FE（Fast Ethernet，快速以太網）接口經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節點，可以根據不同情況提供不同的組網接入方式。

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用提供便利。

如果數據量很大，在必要時，可以把OLT的4個GE端口聚合組成相關鏈路，這樣不但能夠保證帶寬滿足要求，也可以對數據起到保護作用。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控業務進程進行各種控制和服務與安全保證。

3 EPON視頻監控系統的設計與實現

下面以EPON在一個大型別墅區的視頻監控系統中的應用為例，對EPON視頻監控系統的設計與實現進行詳細說明。

3.1 EPON視頻監控系統的設計

（1）EPON視頻監控系統的網絡設計

大連紅旗谷高爾夫別墅區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生活區組成的12個組團。其視頻監控系統包括會館區的監控系統和別墅區外的監控系統。會館區監控包括會館區內各單體的監控，如會館監控、地下停車場監控、游泳館監控、物業管理中心監控等；別墅區監控包括區內道路監控、區間綠地監控、區周界監控等。其中區周界監控系統、道路監控系統等遠距離監控系統的信息傳輸介質通常為沿路和周界鋪設好的光纖。EPON可在這些系統中發揮傳輸平臺和核心的作用。

該項目EPON視頻監控系統的組成如圖2所示。

圖2 紅旗谷EPON視頻監控系統的組成圖

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，必須設置多臺OLT設備進行級聯，而這些設備通常安裝在建筑物內各單體的監控中心中。OLT通過配置很多個EPON接口來實現視頻監控系統的接入。

為了節約光纖資源，別墅區監控的EPON網絡一般可采用1×5的逐級分光形式，同時根據監控點攝像機分布特點，進行詳細的分光設計。因為監控點一般比較分散，比如別墅區周界，一般要每隔近100m才設置一個監控點，因此需采用每臺ONU設備只連接一路監控，通過以太網與視頻監控系統編碼器相連的模式。另外，如果采用具有ONU功能的編碼器，可以減少設備的單點故障，有利于提高系統的可靠性。

在監控中心中，OLT設備再通過以太網直接和會館區監控系統傳輸平臺相連，從而實現與監控中心監控平臺的通信。

EPON網絡可以采用樹型線性形式的網絡連接，各節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，因此非常適合應用于高速公路視頻監控項目。

（2）EPON系統的IP地址規劃

考慮到整個EPON視頻監控系統的規模，可采用10.0.0.0這一互聯網所保留的私用A類IP地址空間，進行統一規劃。采用靜態和動態結合的IP地址分配方式，按照不同的建筑物進行劃分。采用DHCP Server實現對所有上網用戶的動態地址分配，實現總體的分配策略。

①會館區有上網用戶的地方，其IP地址采用動態的IP地址分配原則。

②對別墅區部分關鍵用戶的IP地址，采用靜態分配的原則——如此可以在交換機上通過IP地址來設置這些用戶的優先級或保證其訪問網絡的帶寬。

③服務器的IP地址適用靜態分配的原則。

④網絡設備的管理IP地址適用靜態分配的原則。

（3）EPON視頻監控系統的VLAN設置

全部光纖鏈路采用全局統一網管；視頻監控中心設立EPON視頻監控系統的IP網管中心，并設置網管服務器；各個組團的視頻監控中心設遠程終端，分權、分域地進行用戶管理和設備管理。

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

設置“VLAN1”作為管理VLAN；該管理VLAN覆蓋全網的每一臺交換機，但在第三層接口上需要與其他業務VLAN有效隔離。為網管工作站另外設置一個“VLAN2”——與VLAN1在第三層上相通，同時允許部分業務VLAN訪問網管VLAN，從而實現網管的分布式監控布局。

在“VLAN1”和“VLAN2”的第三層路由接口處設置訪問控制列表，只允許特定主機直接訪問每一臺設備，對其他主機均予以過濾。將其他的應用服務器群設置在一個單獨的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可控的用戶服務。

3.2 EPON視頻監控系統的實現與選型

（1）EPON系統OLT位置的選擇

EPON系統可支持較長的內部傳輸距離，其光纖分配網絡ODN的覆蓋允許OLT位置在直徑15km的范圍內可選。綜合考慮投資、網絡升級、維護等多方面因素，根據現有系統的規模、使用的性質，以及本系統作為視頻監控系統的業務需求，可考慮將光線路終端OLT設置在各個外管網人孔處的接入柜中。

（2）EPON系統實現方式

本次設計中光纖分配網絡ODN的部署以樹型結構為主，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量，容易對故障點定位，系統帶寬很容易優化。這些方面一級分光方式都比二級分光方式更有優勢。

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、兩個服務生活區，共12個組團。所以，基于對線路成本、OLT設備成本、PON端口成本、系統維護成本、系統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、游樂場和生活服務區采用一級分光。

（3）EPON系統的設備選擇

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的熔融拉錐式光纖分路器（Fused Fiber Splitter），另一種是基于光學集成技術生產的平面光波導分路器（PLC Splitter）。這兩種光分路器各有優缺點，其中平面光波導分路器更適用于本項目的EPON視頻監控系統，因此本系統使用的是平面光波導分路器。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。只要經光路傳輸的光功率的值在ONU光器件的過載光功率的可接受靈敏度范圍內，ONU都能正常工作。因此，在進行EPON視頻監控系統方案設計時，必須對PON鏈路損耗進行預算，以確定該EPON視頻監控系統的方案是否可行。這一計算的結果有助于確定所選擇的光發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的線路富余度，取值為2dB。

表1 兩種分光器性能對比表

4 結束語

基于EPON技術的承載網絡除了能夠傳輸高清視頻監控信號之外，還可以提供語音、數據、辦公等綜合業務數據傳輸通道；也就是說，EPON承載網絡在將各個監控點的圖像信號傳送到監控中心之外，還可以接入監控點的語音、數據、辦公等業務——具體到本項目中，能夠完成物業管理等類型的辦公業務；從更廣泛的意義上講，更加適合在公安、消防、交通等部門應用。

1 閻德升.EPON——新一代寬帶寬接入技術與應用.北京：機械工業出版社，2011

2 李雪瑩.EPON建設的幾大關鍵點.電信技術，2007（8）

3 董春利.建筑智能化系統工程設計手冊.北京：中國電力出版社，2012

4 李玉行，等.EPON在FTTH中的應用優勢.電信快報，2010（3）

5 王莉.EPON測試技術.電信網技術，2010（6）

6 胡玉輝.EPON將成IP視頻監控應用主流.通信產業報，2009-02-23

7 蒙國華.應用于區域實時監控的EPON網絡設計與實現.西安電子科技大學，2009

8 趙斌雄.EPON建設分析以及應注意的問題.科技創新導報.2008-12-21

9 井明川.高清監控網絡傳輸方案設計創新.中國安防，2012（2）