基于EPON技术的大型视频监控系统的设计

文｜大连职业技术学院 董春利

1 大型视频监控系统的现状与困境

近年来，视频监控系统的规模急剧扩大，其应用也开始从楼内向外扩展。单一视频监控系统的监控点数已经从十几个、几十个扩展到成百上千个；复合的视频监控系统甚至可以连接几百个单一系统，组成包含几万个，甚至十几万个监控点的大型系统。系统的覆盖范围也从单一系统的一两平方千米，扩大到复合系统的几十、上百平方千米。

点数和覆盖范围的扩大，给视频监控工程建设带来了很多问题。其中最大的难题就是怎样低成本地实现视频监控资源的大规模、多路数、远距离、无损失的接入。

1.1 大型视频监控系统的特点

泛范围的视频监控系统，包括大型智能小区的监控系统，具有摄像头数量多、传输距离远、对联网技术要求高的特点。因此，大型智能小区的视频监控系统的组网，既要能满足完成远距离传输的需要，又要能减少对主干光路资源的占用。

泛范围视频监控系统的信号承载网络基本都采用以太网；除包含以太网的技术特点外，还具有一些独特之处。

（1）IP网络技术成为唯一的网络选择。由于整个视频监控系统的接入点数量众多，少则几百个，多则上千个；因此用传统的视频矩阵控制主机来切换监控点几乎是不可能的，IP网络技术是必然的，也是唯一的选择。

（2）承载网络对上行带宽的要求很高。视频监控系统的数据信号传输主要是由监控点向监控中心传送（上行）；单路上行带宽受容量和摄像机解像率的影响，在500kbps～3Mbps不等，甚至更高。比如，某住宅区若采用720p高清网络摄像机，上行带宽要求为2Mbps；若采用1080p全高清网络摄像机，则要求上行带宽为4Mbps。

（3）前端监控点分布较广、呈现不规则形态，因此在进行网络覆盖的规划时，就需要对网络光纤线路的建设和资源分配提出较高的要求。

（4）使用交换机组网的方式级连成本很高，对网络光纤资源的占用很多，后期的技术维护也十分困难。

（5）对QoS支持能力的要求很高。由于实际工程中存在着多个分监控中心同时实时查看一个点的视频的情况，视频监控系统的IP网络必须具有极高的QoS支持能力。

1.2 IP视频监控系统承载网面临的问题

IP视频监控系统中包含有视频、音频、数据三种类型的数据信号，并行运行着24小时实时音视频编码、传输、存储的业务进程，偶尔还需要并行运行视频回放和音视频解码、观看等业务进程。这些都给网络流量带来了巨大压力。

另外，不同业务进程对于承载网络的需求也各不一样，在业务进程流量的方向、模型、特征上区别较大。比如：对于视频存储而言，数据安全性是第一位的，在数据传输过程中，首先要保障的是可靠性；而对于实时视频查看业务，用户的感官体验是首先要考虑的，数据传输时要优先考虑实时性——低延时的网络对实时视频业务来说是最重要的。

1.3 IP视频监控对承载网络的压力

IP视频监控对承载网络的压力如图1所示。

（1）高带宽的要求

目前，D1 480i制式已经成为数字电视主流标准，而分辨率更高的D4 720p和D5 1080p也在逐步得到应用，因此，4Mbps、8Mbps码率的视频应用逐渐成为主流。

（2）流量均衡要求

由于实时视频查看、实时视频存储、历史视频回放的需求同时存在，存储单元集中汇聚了多路视频的接入，这使得整个IP承载网中出现了流量的局部热点，呈现出整体网络流量分布的不均衡。

（3）短时延的要求

根据国际电信联盟《单向传播时间》（ITU-T G.114-2003）标准的建议，满足人感知舒适性要求的音视频传输双向延时应不超过300ms，即单向延时不超过150ms。可感知的网络时延基线是200ms，网络时延高于200ms后，用户满意度将大打折扣。因此，随着4Mbps、8Mbps等码率的高码率应用的普及，现有IP网络将难以满足高清视频监控实时业务的传输要求。

（4）高可靠性要求

由于视频监控系统是安全防范系统最核心的部分，通常可以运用于司法服务中，因此其存储的数据一般须具有可查证性、可追溯性。这样一来，就对可靠性提出了很高的要求。网络的一般故障或者中断都将对业务进程的可用性、音视频数据的可靠性构成巨大威胁。

2 EPON大型视频监控系统

2.1 EPON技术分析

EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太无源光网络）技术是一种新型的光纤接入网技术，它基于物理层无源光网络 PON（Passive Optical Network）技 术，在链路层使用以太网CSMA/CD协议。简言之，EPON采用无源光纤传输，可在以太网上提供多种业务服务。

EPON具有成本低、带宽高、扩展性强、服务重组灵活快速、与现有以太网的兼容性好、方便管理等特点。理论上，EPON是目前泛范围的视频监控系统的最佳组网方式。选用EPON进行组网，除可满足视频监控需求外，还与国家倡导的“光进铜退”的政策不谋而合。

本文提出的基于EPON技术的IP视频监控系统解决方案，就是将视频编码设备（DVS、IPC等）部署在前端，通过将其视频码流接入EPON网内，实现IP化的视频信号的上传。在该方案下，IP视频流可以灵活地传输至各级监控中心；各级监控中心通过IP网络连接，通过分布在各监控中心的视频解码器将图像转化为模拟信号进行输出显示。

2.2 EPON视频监控系统的架构组成

本文提出的EPON视频监控系统解决方案中，室外监控点的摄像机内建编码器上需集成光网络单元ONU模块。当摄像机完成图像采集之后，编码器进行数据压缩处理，形成IP报文，并通过ONU模块将其上传至光线路终端OLT设备——这样就完成了EPON方式的接入。

EPON网络技术采用的是点至多点的拓扑结构，因此在取代了交换机网络技术的点到点结构后，可大幅减少光纤用量、交换机设备等，从而节约材料、设备的采购成本，现场的运输施工成本，系统投运后的服务管理成本。

EPON支持的基本组网方式为星型和树型。通过这两种基本组网结构，结合不同类型（均分、固定非均分、可调分光比）的分光器可以衍生出其他多种网络形式，满足多种应用的需要。

OLT的 GE（Gigabit Ethernet，千兆以太网）接口可通过光纤或电缆为视频监控中心提供双向传输通道。OLT的PON端口通过光纤连接至无源分光器POS，经无源分光后，再通过分出来的光纤分别连接到各个监控点的摄像机内置的ONU模块，通过ONU上的FE（Fast Ethernet，快速以太网）接口经电缆连接至高清视频摄像机。如此，每台OLT可以覆盖直径20km的范围，最多可以接入256个ONU节点，可以根据不同情况提供不同的组网接入方式。

OLT可提供灵活的主干链路保护功能。OLT上的任意两个PON口都可以互为主备冗余；不需要设置冗余时，每个PON口都可以独立传输信号——可以为用户的灵活配置和应用提供便利。

如果数据量很大，在必要时，可以把OLT的4个GE端口聚合组成相关链路，这样不但能够保证带宽满足要求，也可以对数据起到保护作用。同时，无论是OLT还是ONU都具有强大的二层功能，可以通过VLAN、QoS、QinQ等手段对用户的视频监控业务进程进行各种控制和服务与安全保证。

3 EPON视频监控系统的设计与实现

下面以EPON在一个大型别墅区的视频监控系统中的应用为例，对EPON视频监控系统的设计与实现进行详细说明。

3.1 EPON视频监控系统的设计

（1）EPON视频监控系统的网络设计

大连红旗谷高尔夫别墅区位于大连西郊的两个山沟中，南北长5km，东西长6km，其中包括高尔夫球场，以及由300套别墅、一个酒店、两个会议中心、一个游乐中心和两个服务生活区组成的12个组团。其视频监控系统包括会馆区的监控系统和别墅区外的监控系统。会馆区监控包括会馆区内各单体的监控，如会馆监控、地下停车场监控、游泳馆监控、物业管理中心监控等；别墅区监控包括区内道路监控、区间绿地监控、区周界监控等。其中区周界监控系统、道路监控系统等远距离监控系统的信息传输介质通常为沿路和周界铺设好的光纤。EPON可在这些系统中发挥传输平台和核心的作用。

该项目EPON视频监控系统的组成如图2所示。

图2 红旗谷EPON视频监控系统的组成图

EPON的最大ONU和OLT间距离为20km，在实际距离超过此值的情况下，必须设置多台OLT设备进行级联，而这些设备通常安装在建筑物内各单体的监控中心中。OLT通过配置很多个EPON接口来实现视频监控系统的接入。

为了节约光纤资源，别墅区监控的EPON网络一般可采用1×5的逐级分光形式，同时根据监控点摄像机分布特点，进行详细的分光设计。因为监控点一般比较分散，比如别墅区周界，一般要每隔近100m才设置一个监控点，因此需采用每台ONU设备只连接一路监控，通过以太网与视频监控系统编码器相连的模式。另外，如果采用具有ONU功能的编码器，可以减少设备的单点故障，有利于提高系统的可靠性。

在监控中心中，OLT设备再通过以太网直接和会馆区监控系统传输平台相连，从而实现与监控中心监控平台的通信。

EPON网络可以采用树型线性形式的网络连接，各节点间以无源方式分光。值得一提的是，由于其可提供高达1Gbps的传输带宽，因此非常适合应用于高速公路视频监控项目。

（2）EPON系统的IP地址规划

考虑到整个EPON视频监控系统的规模，可采用10.0.0.0这一互联网所保留的私用A类IP地址空间，进行统一规划。采用静态和动态结合的IP地址分配方式，按照不同的建筑物进行划分。采用DHCP Server实现对所有上网用户的动态地址分配，实现总体的分配策略。

①会馆区有上网用户的地方，其IP地址采用动态的IP地址分配原则。

②对别墅区部分关键用户的IP地址，采用静态分配的原则——如此可以在交换机上通过IP地址来设置这些用户的优先级或保证其访问网络的带宽。

③服务器的IP地址适用静态分配的原则。

④网络设备的管理IP地址适用静态分配的原则。

（3）EPON视频监控系统的VLAN设置

全部光纤链路采用全局统一网管；视频监控中心设立EPON视频监控系统的IP网管中心，并设置网管服务器；各个组团的视频监控中心设远程终端，分权、分域地进行用户管理和设备管理。

本项目所采用的中兴公司的网管系统可支持256个OLT子框的管理，采用带内传送的网管方式，通过VLAN隔离网管信息，利用IP网承载网管信息流量。

设置“VLAN1”作为管理VLAN；该管理VLAN覆盖全网的每一台交换机，但在第三层接口上需要与其他业务VLAN有效隔离。为网管工作站另外设置一个“VLAN2”——与VLAN1在第三层上相通，同时允许部分业务VLAN访问网管VLAN，从而实现网管的分布式监控布局。

在“VLAN1”和“VLAN2”的第三层路由接口处设置访问控制列表，只允许特定主机直接访问每一台设备，对其他主机均予以过滤。将其他的应用服务器群设置在一个单独的VLAN中，通过核心交换机全线速的三层交换和四层过滤机制来实现可控的用户服务。

3.2 EPON视频监控系统的实现与选型

（1）EPON系统OLT位置的选择

EPON系统可支持较长的内部传输距离，其光纤分配网络ODN的覆盖允许OLT位置在直径15km的范围内可选。综合考虑投资、网络升级、维护等多方面因素，根据现有系统的规模、使用的性质，以及本系统作为视频监控系统的业务需求，可考虑将光线路终端OLT设置在各个外管网人孔处的接入柜中。

（2）EPON系统实现方式

本次设计中光纤分配网络ODN的部署以树型结构为主，主要采用三级以下的分光方式。

如果使用一级分光方式，PON系统需要占用较多的主干光缆和配线光缆，但是可以减少故障点的数量，容易对故障点定位，系统带宽很容易优化。这些方面一级分光方式都比二级分光方式更有优势。

但是，从提高光缆的资源利用率和PON端口使用率的角度考虑，二级分光方式更适用于用户较分散的场合。

本项目是一个占地面积很大的别墅群，计有300套别墅、一个酒店、两个会议中心、两个游乐中心、两个服务生活区，共12个组团。所以，基于对线路成本、OLT设备成本、PON端口成本、系统维护成本、系统可扩展性等因素的综合考虑，本项目的ODN部署基本上以二级分光为主，一级分光为辅。别墅采用二级分光，酒店、会议中心、游乐场和生活服务区采用一级分光。

（3）EPON系统的设备选择

目前工程上常用的光分路器有两种类型，一种是采用拉锥耦合器工艺生产的熔融拉锥式光纤分路器（Fused Fiber Splitter），另一种是基于光学集成技术生产的平面光波导分路器（PLC Splitter）。这两种光分路器各有优缺点，其中平面光波导分路器更适用于本项目的EPON视频监控系统，因此本系统使用的是平面光波导分路器。两种分光器的性能如表1所示。

（4）PON链路的衰减

光路传输中主要的光功率损耗有光传输距离的损耗、光分路器的分光损耗、各类光器件的插入损耗等。只要经光路传输的光功率的值在ONU光器件的过载光功率的可接受灵敏度范围内，ONU都能正常工作。因此，在进行EPON视频监控系统方案设计时，必须对PON链路损耗进行预算，以确定该EPON视频监控系统的方案是否可行。这一计算的结果有助于确定所选择的光发送和接收模块的灵敏度范围是否合适，其计算原则为：

◆按照最坏值法计算（同传输设备的计算方法）；

◆ 光纤衰耗按照衰耗大的，1310nm光信号的衰耗计算。

具体的计算方法为：

式中，与R—S（信源—信宿）点允许的最大衰耗相对应的线路富余度，取值为2dB。

表1 两种分光器性能对比表

4 结束语

基于EPON技术的承载网络除了能够传输高清视频监控信号之外，还可以提供语音、数据、办公等综合业务数据传输通道；也就是说，EPON承载网络在将各个监控点的图像信号传送到监控中心之外，还可以接入监控点的语音、数据、办公等业务——具体到本项目中，能够完成物业管理等类型的办公业务；从更广泛的意义上讲，更加适合在公安、消防、交通等部门应用。

1 阎德升.EPON——新一代宽带宽接入技术与应用.北京：机械工业出版社，2011

2 李雪莹.EPON建设的几大关键点.电信技术，2007（8）

3 董春利.建筑智能化系统工程设计手册.北京：中国电力出版社，2012

4 李玉行，等.EPON在FTTH中的应用优势.电信快报，2010（3）

5 王莉.EPON测试技术.电信网技术，2010（6）

6 胡玉辉.EPON将成IP视频监控应用主流.通信产业报，2009-02-23

7 蒙国华.应用于区域实时监控的EPON网络设计与实现.西安电子科技大学，2009

8 赵斌雄.EPON建设分析以及应注意的问题.科技创新导报.2008-12-21

9 井明川.高清监控网络传输方案设计创新.中国安防，2012（2）