基于無源光網絡的視頻監控系統建設與應用

劉博斐 朱雨豪 陳鎖 廖光文

摘要

近年來，隨著公共安全視頻監控建設效果逐步顯著，人們對公共安全的治理能力要求和期望越來越高。公共安全治理體系和能力的建設正逐步成為政府實現公共安全治理目標的基礎和保障，自黨的十八大報告提出深化平安建設至黨的十九大報告提出建設平安中國，加快社會治安防控體系以來，全國各地紛紛響應平安中國的建設，并在平安城市、平安校園、智慧交通、智慧機場、天網工程等領域不斷加快視頻監控系統的建設和優化，全面實現對重點公共場所、重點區域全天候的監控。目前，視頻監控系統規模正在急劇擴張，網絡架構也逐步從單一網絡向多源異構網絡發展，從單個系統向多個復雜系統擴展，監控點位從幾十向成千上萬，甚至上百萬擴展.隨著監控點位的急劇增長，網絡傳輸帶寬、存儲空間等正逐漸成為瓶頸，如何突破這些瓶頸順利完成各類高清視頻的接入是其中的關鍵，基于EPON技術以其低成本、高傳輸帶寬和較遠傳輸距離的發展正符合當前快速發展的需要。

【關鍵詞】公共安全 視頻監控 平安城市EPON

1 引言

視頻監控系統逐步從模擬化向數字化、網絡化、智能化發展，這一發展對視頻清晰度同步提出了更高的要求，高清晰度的視頻意味著攝像機的像素高，對網絡傳輸帶寬、存儲空間也提出了更高的要求。當前IP視頻監控系統是一種綜合性的多媒體應用系統，它同時并行運行24h實時音視頻編碼和存儲等業務進程，與此同時，它還需兼顧錄像回放、音視頻解碼、云臺控制等業務進程。不同業務進程對于傳輸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。傳輸網絡帶寬是前后端設備視頻數據流的關鍵傳輸通道，視頻數據流中主要包含視頻、音頻和控制信息三類數據，視頻監控全天候24h實時運行。若按照30路視頻監控點、30天的錄像進行存儲、8M/s的碼率進行計算：

則網絡帶寬=1080P錄像路數×1080P碼率，由此可計算出30路視頻監控點所需網絡帶寬為240M/s;

則全量錄像存儲裸容量=1080P錄像路數×1080P碼率×1080P錄像天數×1024×1024×CBR×24×3600÷8÷1000÷1000÷1000÷1000，由此可計算出30路視頻監控點位，在30天的存儲量需要約82TB的存儲資源進行存儲。

因此網絡帶寬、視頻存儲的高要求是其發展的關鍵。由此可見IP視頻監控系統在為客戶提供更直觀的交流及監控手段的同時，也給其基礎層的IP傳輸網絡、存儲空間帶來了巨大壓力。

2 高清視頻監控接入網現狀

以平安城市（公安主導建設）中的視頻監控為例，由于各派出所轄區前端監控分布較廣，且覆蓋不均勻，傳輸通道資源需進行有效合理的分配，然而，前端監控點與派出所監控中心傳輸距離通常較遠，通常采用裸光纖方式實現前端監控點與派出所監控中心的互聯，并經成對的光端機傳輸到接入層交換機進行匯聚，然而，由于傳輸距離的限制，點對點光纖通道的傳輸將需要一對光纖實現收發功能[2]，這樣使得光纖資源的建設成本大大增加。另外，每路高清視頻監控的平均碼流可達到8Mbps，在密集高并發頻繁調用的視頻監控覆蓋區，若網絡帶寬有限，則視頻數據、控制數據流量的集中爆發將導致整個系統網絡出現嚴重擁塞、延時、誤碼的概率也將急劇增加，在一定程度上促使整體性能急劇下降，因此當前組網方式對于快速發展的視頻監控系統而言，仍存在大量弊端，具體表現在：

（1）點對點的傳輸主要通過光端機來完成一收一發即，意味著需要兩對纖芯資源，這使得光纜網絡主干纖芯資源被快速消耗，光纜資源日趨緊張。

（2）點對點傳輸主要通過光端機實現，然而放置在監控點的光端機的管理和維護成本較高，市場上近遠端光端機的廠商較多，接口無法統一，后臺系統還無法進行統一的管理，只能通過人工進行現場進行故障處理，這直接影響了系統的維護效率。

（3）點對點傳輸需要開通連接點較多，缺乏統一有效的保護措施，直接導致業務開通和障礙處理耗費大量人力，這在一定程度上直接增加了后期運維的壓力和成本。

3 基于EPON技術的組網

EPON技術可滿足當前高清網絡視頻監控系統的平臺化、集中存儲和遠程多級調用的需求，前端攝像機數量以及網絡組網可以實現無限擴展，大大降低了投資成本。

基于EPON的視頻監控網絡架構如圖1所示。OLT放在機房，ONI放在前端監控處，為監控圖像傳輸提供網絡接口。ODN為OLT和ONU提供了數據傳輸通道。EPON由OLT（光網絡終端）、ONU（光網絡單元）和ODN（光分配網絡）三大系統組成。

EPON網絡通過波分復用技術（WDM）在一根光纖上實現雙向傳輸（下行1490nm、上行1310mn），且在上行采用分組復用，可避免碰撞通過光分器即光分配網絡（ODN）實現點到多點的傳輸網絡架構。上行采用時分多址（TDMA）方式實現ONU向OLT的數據傳輸;下行采用廣播方式實現OLT向所有ONU發送數據，ONU僅接收自己的數據幀。

EPON通過光信號進行數據傳輸，其傳輸結構采用“一對多”的方式;一方面，利用EPON的拓撲結構實現網絡接入;另一方面，采用以太網協議實現數據傳輸。因此，EPON技術是既為監控網絡提供了高帶寬，又降低了成本。同時還具備較強的擴展性，且能接入以太網，方便管理。此外，EPON網絡還具備以下優勢：

（1）數據傳輸速率高，平均每條鏈路可達到1.25Gbps，每條鏈路最多可承載128個監控點位，即每個監控點位的數據傳輸速率可達9Mbps，該速率足以滿足高清監控8Mbps的碼流，即可支持高清視頻數據的實時傳輸和調看;

（2）節約了建設和維護成本，光分配網絡可為多個監控點位共享同一條主鏈路，且分路器對供電和環境并無太多要求，極大地節約了建設和維護成本;

（3）節約了電力成本，核心網與前端視頻監控的互聯采用無源光網絡，可節省電力成本;

（4）組網靈活，可支持不同的網絡組網架構，如樹形、星形、網狀型等;

（5）節約光纖資源，即單纖芯資源即可實現收發功能;

（6）傳輸距離遠，OLT接1：32的分光器可傳輸最大距離為20KM。

4 基于EPON技術在平安城市中的設計方案

視頻監控系統整體架構由前端視頻采集層、網絡傳輸層、后端的視頻監控中心組成。如圖2所示為基于EPON技術的視頻監控系統設計方案，其中網絡傳輸層可分為核心網絡層、數據匯聚層和接入層。

在該系統架構中前端監控采集的視頻數據通過ONI上聯到ODN網絡，ODN通過1：N分光器實現與各監控點位的ONI互聯。編碼壓縮后的視頻數據經無源光網絡上傳至監控中心。由此可見，傳統高清視頻監控網絡方案相對于基于EPON監控網絡的優勢主要在組網靈活、方便，一方面可有效節約纖芯資源，同時ODN網絡部分采用的均為無源器件，在一定程度上節約了電力成本和維護管理成本。相信在下一代的視頻接入層，EPON會在平安城市、平安校園、智慧城市等信息化網絡中具有更廣闊的應用。

參考文獻

[1]謝培新.“平安城市”高清視頻監控系統監控資源接入網組網模式探討[J].信息通信，2015（09）.

[2]洪偉鵬，孫耀波.EPON技術在高速公路視頻監控系統中的應用研究[J].公路，2010，27（01）：102-105.

[3]王凡.基于以太網的無源光網絡接入與帶寬分配技術研究[D]西安：西安電子科技大學，2010.

[4]郎為民.EPON/GPON從原理到實踐[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5]胡玉輝.EPON將成IP視頻監控應用主流[N].通信產業報，2009-02-23（07）.

[6]井明[J].高清監控網絡傳輸方案設計創新[J].中國安防，2012（Zl）：59-64.