长距离以太网交换机在监控领域的应用

2010-09-27 09:37:26 作者:ZHOU 责任编辑: zhouzycps 收藏本文

目前，视频监控的应用涉及气象中心、电力系统、教育培训、防汛调度、应急指挥、环保监测、油田管控、施工管理、大型赛事、建筑设计、政府机关等领域，随着监控前端设备(摄像头、高速球、周界报警器等)的设计耗电量越来越低，功能越来越多样，以太网接入和供电(PoE)开始成为其监控组网方式的首选。本文邀请深圳市科地通信技术有限公司工程师胡财忺介绍该公司独有的长距离以太网交换机技术及其在监控领域的应用案例。

IP视频监控具备开放性、共享性、不受地域限制的远程联网监控等特点，以太网在监控领域的优势非常明显：(1)全开放的、全互联的：不同厂商之间的设备可以很容易实现互联；(2)易扩展：使得监控网络很容易与现存的信息网络融合，实现全网合一；(3)结构简单，成本低廉，可以利用现有的网络布线实现全方位监控；(4)通信速率高，有良好的兼容性；(5)通信实时性好，运行可靠。

传统以太网在视频监控中，会面临三大难题：(1) 传输距离有限：标准以太网在铜缆上的传输距离不能超过100米的规定，这在一定程度上阻碍了监控网络化的进程。为了实现网络化的视频监控、周界报警、可视对讲、门禁控制等，这100米的距离限制成为巨大的障碍。如果增加中继设备，无疑在增加设备和维护成本的同时降低了系统的可靠性；如果使用光缆，就必须要考虑工程造价的提高和工期的延长问题。(2) 电源供电问题：随着监控网络不断扩大，摄像头、高速球、周界报警器等前端设备会部署在马路边、院墙角落等偏僻的地方，而在这些地方，安装电源，无疑是一项费时费事的工作。既增加了施工难度，又降低了电源系统的可靠性。一旦电源失效，这些监控设备也将失效，监控系统就会出现盲区。(3) 广播风暴问题：以太网中，广播数据必须做到很好的抑制，否则，将严重占用带宽资源，使得网络延时，数据丢包。而视频监控中，恰恰会出现很多的广播数据包。这样一来，如果接入的前端监控点越来越多，那么，监控网络内，就产生广播风暴，引起监控数据丢包、超时、交换机死机等问题，最终导致监控网络将瘫痪。

科地通信的解决方案

1. 长距离以太网传输技术

为了解决距离这一难题，科地通信目前已推出长距离以太网交换机(LRE，Long Range Ethernet)，能够将10M以太网在普通5类线上的传输距离扩展到1400米以上。100M以太网在普通 5类线上的传输距离扩展到300米以上。以视频监控为例，有了LRE交换机，对600米以外的网络摄像机通过网络供电成为可能，这可以实现整个系统的进一步集成化，为施工布线及设备选址带来极大的方便。如果在供电端使用不间断电源(UPS)，还可以缩短停机时间、简化维护作业。长线交换机因此在以太网视频监控领域得到广泛应用，图1是普通以太网视频监控和长距离以太网交换机在视频监控领域应用的区别：

图1：长距离以太网交换机的应用距离。

看到上面的图例，很多人可能认为，长距离以太网交换机，仅仅是对网络信号的放大，才使传输距离得到延长。其实不然，双绞线距离的延长必将影响网络信号传输的质量和增加信号传输的延迟。为了保证信号的传输质量，科地通信自主研发和生产的LRE长距离以太网交换机采用了PAM4多电平信号传输技术，如图2所示。

图2：PAM4编码对比。

高效的PAM4编码的运用，减少了网络信号的电磁干扰和高频损耗。LRE还在信号接收端采用了信号均衡控制、电平漂移校正和串扰抑制等技术，解决了因长距离传输带来的各种问题；同时采用了DSP自适应技术，自动调节DSP参数，直至实现最佳匹配。事实证明，科地通信LRE长距离以太网交换机的应用丝毫不用担心信号传输质量和传输延迟的问题。每台长距离以太网交换机在出厂前都经过严格的测试，以保证不会出现丢包，长距离以太网与目标主机之间距离在1000米以上时，网络延迟在2毫秒以内。

2. PoE供电技术

PoE是诸如楼宇监控这类系统的最佳供电方案，它不仅为系统提供了高带宽的通信方式同时还有效的解决了节点供电问题，在市电中断时仅需一个UPS就能保证监控节点正常工作，其网络的铺设也比较简单。目前PoE已经在很多案例中成功应用，图2是PoE供电方法的典型结构图。

图3：采用PoE 的系统结构图。

科地通信已经将PoE很好应用于长距离以太网传输领域，全面支持IEEE802.3af标准，供电距离达250米，只为802.3af终端设备供电，因而不需要去担心会损坏私有标准的PoE或非PoE设备。LREtrans 5300系列经济的价格提供了一些需要简化无线接入点(AP)和基于IP的网络摄像头的安装的商业网络。这些远离电源插座的设备非常适合挂在墙壁高处或天花板上。PoE消除了为这些设备特意连接电源插座的麻烦。使那些连接交流电源困难的设备的连接更灵活，并且安装费用最小化。

3. 广播风暴抑制

一般来讲，广播数据包只会在同一个广播域内泛滥，因此，要有效地抑制广播泛滥，常见的解决办法之一是：分割广播域，将广播限制在小的、独立的环境之中，这样一来，就可以最大化保护其他设备不受其干扰。

科地通信的长距离以太网交换机支持基于端口的Vlan(虚拟局域网)技术，通过自动Vlan划分，来分割广播域，达到抑制广播风暴的目的。

4. 科地通信的长距离以太网交换机系列

产品型号	产品功能	传输距离
LS4200系列	上联100M，下联10M；支持PoE；光纤接口	250米
LS5300系列	上联100M，下联100M；支持PoE；光纤接口；支持VLAN	150米
ES3302系列	上联100M，下联100M，成对使用	300米
ES3202系列	上联10M，下联10M，成对使用	1400米

表1：科地长距离以太网交换机系列。

5. 利用长距离以太网交换机组网

科地通信的长距离以太网交换机，经典组网结构图如下：

图4：科地交换机经典组网拓扑图。

在上面的拓扑结构图中，利用LS4200系列长距离以太网交换机作为网络扩展核心，很容易将100M以太网延伸到400米以上，并且，同时为摄像头、无线AP等前端设备提供电源。

6. 科地长距离以太网交换机特性

(1)完全兼容 IEEE802.3 物理层部分协议。即插即用,无需软件及协议转换实现普通以太网与长距离以太网之间的转换。

(2)根据应用环境和产品特性，在成对使用或者单独使用的情况下传输速率为 10M 时，以太网在非屏蔽5 类线上的传输距离为 1400 米以上；速率为 100M 时，传输距离为300米以上。

(3)具有交叉线缆(cross over)自适应功能。

(4)支持长距离的以太网供电(PoE)。

(5)采用具有自主知识产权的专用集成电路核心，小型化设计，结构小巧，安装灵活方便。

(6)科地 ES全系列长线交换机采用两级防雷：防高压和静电，使用三极陶器放电管和TVS瞬态电压抑制器进行ESD防护。

7. 长距离以太网交换机的应用优势

传统的以太网监控当网络信号传输距离超过100米时，通常会选用“双绞线＋中继器/交换机”的方式来解决。这种方案尽管延长了以太网传输距离，但是却带来许多问题：中继器和交换机除了带来设备成本增加以外，也给网络设计增加了很多困难，它们都是在传输线中间的有源设备，需要设置电源；如果处于户外，就还要考虑防水、防晒等等。

科地长距离以太网交换机带来了一种全新的组网方式，所有上述问题都迎刃而解。从上述的应用模式中可以看到，只需要集成两台长距离以太网交换机或者加上两个转换器，就能实现中继器无法实现的传输距离。更为重要的是，由于这个长距离以太网交换机更靠近系统的两端，所以在整个传输距离上是没有任何设备的。在超市、厂房等布线距离常在 300～500 米的环境中，这种一线传输的方案带来的方便不言而喻。通过 LRE 连接，还能将网络延伸到传统布线模式下由于成本、供电等原因一些无法覆盖到的点。图5为中继模式与长距离以太网交换机模式的对比.

图5：组网模式对比。

另外，在长距离中可替代光缆。科地 LRE长距离以太网交换机在更远的距离(1000 米～3000 米)也有很大的应用空间。然而，通常在这个距离上，铺设光缆是唯一的选择。除了光缆和光端机的成本外，铺设工程本身也价格不菲。但由于在这个距离上中继器鞭长莫及，客户也只能接受昂贵的光缆方案。

长距离以太网交换机支持自身的级连，单颗长线交换机就可以作为转发器将10M以太网由1000 米转发到2000 米。同样，两次级连以后，10M以太网就可以通过5类线传送3000米(如图5所示)。这种应用，加上室外用超五类线，可以实现大范围内的低成本布线。整个方案不仅组网成本(包括设备、线缆和施工)是光缆方案的一半左右，同时大大缩短了施工时间，降低了施工困难度。

应用案例

LRE长距离以太网交换机在网络监控系统中有非常广泛的应用。它不仅可以用于对现有的基于双绞线以太网结构的改进，提高整个网络系统的可靠性，降低组网的成本；也可以用于取代远距离传输中常用的光缆和光端机，在缩短工期的同时，极大地降低了工程成本；同时，在应用此类长线交换机后，远距离设备供电也可以通过以太网供电(PoE)解决。图6是某超市监控的实际应用案例。