基于無源光網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)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(jiān)控建設(shè)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(shè)正逐步成為政府實現(xiàn)公共安全治理目標(biāo)的基礎(chǔ)和保障，自黨的十八大報告提出深化平安建設(shè)至黨的十九大報告提出建設(shè)平安中國，加快社會治安防控體系以來，全國各地紛紛響應(yīng)平安中國的建設(shè)，并在平安城市、平安校園、智慧交通、智慧機場、天網(wǎng)工程等領(lǐng)域不斷加快視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和優(yōu)化，全面實現(xiàn)對重點公共場所、重點區(qū)域全天候的監(jiān)控。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模正在急劇擴張，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也逐步從單一網(wǎng)絡(luò)向多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，從單個系統(tǒng)向多個復(fù)雜系統(tǒng)擴展，監(jiān)控點位從幾十向成千上萬，甚至上百萬擴展.隨著監(jiān)控點位的急劇增長，網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵，基于EPON技術(shù)以其低成本、高傳輸帶寬和較遠傳輸距離的發(fā)展正符合當(dāng)前快速發(fā)展的需要。

【關(guān)鍵詞】公共安全 視頻監(jiān)控 平安城市EPON

1 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步從模擬化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，這一發(fā)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(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬、存儲空間也提出了更高的要求。當(dāng)前IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種綜合性的多媒體應(yīng)用系統(tǒng)，它同時并行運行24h實時音視頻編碼和存儲等業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)進程。不同業(yè)務(wù)進程對于傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求也各不一樣，在業(yè)務(wù)進程流量的方向、模型、特征上區(qū)別較大。傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬是前后端設(shè)備視頻數(shù)據(jù)流的關(guān)鍵傳輸通道，視頻數(shù)據(jù)流中主要包含視頻、音頻和控制信息三類數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控全天候24h實時運行。若按照30路視頻監(jiān)控點、30天的錄像進行存儲、8M/s的碼率進行計算：

則網(wǎng)絡(luò)帶寬=1080P錄像路數(shù)×1080P碼率，由此可計算出30路視頻監(jiān)控點所需網(wǎng)絡(luò)帶寬為240M/s;

則全量錄像存儲裸容量=1080P錄像路數(shù)×1080P碼率×1080P錄像天數(shù)×1024×1024×CBR×24×3600÷8÷1000÷1000÷1000÷1000，由此可計算出30路視頻監(jiān)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(wǎng)絡(luò)帶寬、視頻存儲的高要求是其發(fā)展的關(guān)鍵。由此可見IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)在為客戶提供更直觀的交流及監(jiān)控手段的同時，也給其基礎(chǔ)層的IP傳輸網(wǎng)絡(luò)、存儲空間帶來了巨大壓力。

2 高清視頻監(jiān)控接入網(wǎng)現(xiàn)狀

以平安城市（公安主導(dǎo)建設(shè)）中的視頻監(jiān)控為例，由于各派出所轄區(qū)前端監(jiān)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(jiān)控點與派出所監(jiān)控中心傳輸距離通常較遠，通常采用裸光纖方式實現(xiàn)前端監(jiān)控點與派出所監(jiān)控中心的互聯(lián)，并經(jīng)成對的光端機傳輸?shù)浇尤雽咏粨Q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(xiàn)收發(fā)功能[2]，這樣使得光纖資源的建設(shè)成本大大增加。另外，每路高清視頻監(jiān)控的平均碼流可達到8Mbps，在密集高并發(fā)頻繁調(diào)用的視頻監(jiān)控覆蓋區(qū)，若網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，則視頻數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)流量的集中爆發(fā)將導(dǎo)致整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)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(dāng)前組網(wǎng)方式對于快速發(fā)展的視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，仍存在大量弊端，具體表現(xiàn)在：

（1）點對點的傳輸主要通過光端機來完成一收一發(fā)即，意味著需要兩對纖芯資源，這使得光纜網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)，然而放置在監(jiān)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(tǒng)一，后臺系統(tǒng)還無法進行統(tǒng)一的管理，只能通過人工進行現(xiàn)場進行故障處理，這直接影響了系統(tǒng)的維護效率。

（3）點對點傳輸需要開通連接點較多，缺乏統(tǒng)一有效的保護措施，直接導(dǎo)致業(yè)務(wù)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(shù)的組網(wǎng)

EPON技術(shù)可滿足當(dāng)前高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的平臺化、集中存儲和遠程多級調(diào)用的需求，前端攝像機數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)可以實現(xiàn)無限擴展，大大降低了投資成本。

基于EPON的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。OLT放在機房，ONI放在前端監(jiān)控處，為監(jiān)控圖像傳輸提供網(wǎng)絡(luò)接口。ODN為OLT和ONU提供了數(shù)據(jù)傳輸通道。EPON由OLT（光網(wǎng)絡(luò)終端）、ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）和ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）三大系統(tǒng)組成。

EPON網(wǎng)絡(luò)通過波分復(fù)用技術(shù)（WDM）在一根光纖上實現(xiàn)雙向傳輸（下行1490nm、上行1310mn），且在上行采用分組復(fù)用，可避免碰撞通過光分器即光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）實現(xiàn)點到多點的傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。上行采用時分多址（TDMA）方式實現(xiàn)ONU向OLT的數(shù)據(jù)傳輸;下行采用廣播方式實現(xiàn)OLT向所有ONU發(fā)送數(shù)據(jù)，ONU僅接收自己的數(shù)據(jù)幀。

EPON通過光信號進行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸結(jié)構(gòu)采用“一對多”的方式;一方面，利用EPON的拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入;另一方面，采用以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。因此，EPON技術(shù)是既為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)，方便管理。此外，EPON網(wǎng)絡(luò)還具備以下優(yōu)勢：

（1）數(shù)據(jù)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(jiān)控點位，即每個監(jiān)控點位的數(shù)據(jù)傳輸速率可達9Mbps，該速率足以滿足高清監(jiān)控8Mbps的碼流，即可支持高清視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸和調(diào)看;

（2）節(jié)約了建設(shè)和維護成本，光分配網(wǎng)絡(luò)可為多個監(jiān)控點位共享同一條主鏈路，且分路器對供電和環(huán)境并無太多要求，極大地節(jié)約了建設(shè)和維護成本;

（3）節(jié)約了電力成本，核心網(wǎng)與前端視頻監(jiān)控的互聯(lián)采用無源光網(wǎng)絡(luò)，可節(jié)省電力成本;

（4）組網(wǎng)靈活，可支持不同的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)，如樹形、星形、網(wǎng)狀型等;

（5）節(jié)約光纖資源，即單纖芯資源即可實現(xiàn)收發(fā)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(shù)在平安城市中的設(shè)計方案

視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)由前端視頻采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、后端的視頻監(jiān)控中心組成。如圖2所示為基于EPON技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，其中網(wǎng)絡(luò)傳輸層可分為核心網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)匯聚層和接入層。

在該系統(tǒng)架構(gòu)中前端監(jiān)控采集的視頻數(shù)據(jù)通過ONI上聯(lián)到ODN網(wǎng)絡(luò)，ODN通過1：N分光器實現(xiàn)與各監(jiān)控點位的ONI互聯(lián)。編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)無源光網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心。由此可見，傳統(tǒng)高清視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案相對于基于EPON監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢主要在組網(wǎng)靈活、方便，一方面可有效節(jié)約纖芯資源，同時ODN網(wǎng)絡(luò)部分采用的均為無源器件，在一定程度上節(jié)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(wǎng)絡(luò)中具有更廣闊的應(yīng)用。

參考文獻

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

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

[3]王凡.基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)接入與帶寬分配技術(shù)研究[D]西安：西安電子科技大學(xué)，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(jiān)控應(yīng)用主流[N].通信產(chǎn)業(yè)報，2009-02-23（07）.

[6]井明[J].高清監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸方案設(shè)計創(chuàng)新[J].中國安防，2012（Zl）：59-64.