基于EPON技术的高清视频监控传输系统

　 系统概述

　　随着近些年平安中国、全球眼等项目的不断兴起，越来越多城市的重要场所、交通道路都将安装视频监控系统，实现对每一个重要公共场所的24小时监控。视频监控开始从楼宇、园区应用急剧扩大，监控点从十几个、几十个监控点扩展到数千个、十万个监控点，覆盖范围从一两平方公里扩大到几十、上百平方公里。很多问题也随之产生，视频监控工程建设中的最大难题就是：“如何低成本实现监控资源的大规模远程接入？”

　　城市范围的视频监控特点明显：摄像头数量众多、传输距离远，对联网技术的要求较高。网络模式即能完成远距离传输的要求又要减少主干光路的资源占用，同时如此庞大的网络结构要求具有极高的稳定性和易维护性。

　　视频监控承载网络属于城域网，同样用户终端接入网络也属于城域网接入网。视频监控承载网络技术特点除包含一般城域网技术特点外，视频监控接入网还有其独特之处：

　　■视频监控承载网络对网络的上行的带宽要求比较高，视频监控数据主要从监控点往监控中心传送，单路上行带宽在500K～3Mbps 甚至更高，如 AipStar 公司 720P 高清网络摄像机上行带宽要求1Mbps，1080P 全高清网络摄像机要求上行带宽 4Mbps，而目前主流的接入技术ADSL技术无法保证高清清晰视频的实时上传；

　　■前端监控点分布广， 并且呈不规则分布， 这就需要网络能够覆盖到，对网络光纤线路的建设提出了较高的要求；

　　■对于目前有较高视频监控建设需求的交通行业，组网需要利用最少的光纤资源组网，一般采用链形或树形组网，如沿主干道路每一公里左右路口或公共场所设几个接入点；这样采用传统的城域网以太网交换机的组网方式级连成本很高，维护将会非常困难；

　　■接入点多，整个监控系统接入点少则几百个，多则几万个接入点，这种情况下用传统的视频距阵切换监控点几乎不可能， IP技术成为必然的选择；

　　而IP 视频监控系统与 IP 应用紧密结合，由于存在着多个监控中心同时实时查看一个点的视频情况，一般会用 IP 技术解决，要求网络具有极高的QOS 支持能力。而PON是一种点到多点(P2MP)结构的无源光网络,是无源光网络的简称(Passive Optical Network )由光线路终端OLT(Optical Line Terminal)、光网络单元 ONU( Optical Network Unit)和无源分光器POS(Passive Optical Splitter)组成,是目前城市范围视频监控系统的最佳组网方式。

　　目前面临的高带宽低成本接入问题，正在随着FTTH（光纤接入）技术的发展得到解决。采用EPON产品，在光纤资源有限，或监控点成总线分布、监控点密集等情况下，可为用户提供低成本、高品质、大规模的视频监控接入解决方案。

　　采用EPON构建视频监控平台，除满足视频监控需求外，还符合了运营商的“光进铜退”策略。“全球眼”等网络视频监控业务正在向高清晰图像传输的方向发展，而基于 EPON的FTTH正是这一发展方向的主要基础。

　　EPON 解决方案无需额外的设备，网络结构简单，实施方便，而且该方案的接入速率可高达 1000M， 完全满足各监控点当前和未来扩容的容量需求。目前，各地在建设 FTTx时，已经把视频监控业务作为推动FTTx业务发展的一个主要因素。

　　基于EPON的视频监控解决方案是通过EPON以太无源光网络将视频编码设备(DVS、 IPC)部署在前端， 并通过 EPON接入网将IP 化的视频信号上传，IP 视频流可以灵活地传输至多级监控中心，多级监控中心通过IP 城域网络连接，通过分布在各监控中心的视频解码器将图像转化为模拟型号进行输出显示。

　　所有监控图像可以直接存储在总监控中心的 IP 存储设备当中。整个监控系统的图像调用不再依靠矩阵来进行多级的交换，而是通过监控系统软件向视频编码器发出指令实现在网络的任意位置的直接一级调用。

　　1.2 IP 视频监控承载网络面临的挑战 IP 视频监控系统作为综合性多媒体应用系统，包含了视频、音频、数据多种数据类型，并同时运行实时音视频编码/传输、音视频存储、历史视频回放以及实施音视频解码/观看等业务， 在提供客户更直观的交流及监控手段的同时，也给承载网络带来了巨大压力。

　　我们在考虑整个IP 视频监控系统建设的初期， 就要去了解IP 视频监控的流量特征，明白监控业务对IP 承载网的压力所在，并通过合理的网络规划、系统设计来减小网络的负载，让承载网络更好的保障其承载的多媒体业务正常运行。

　　1.2.1 理解视频监控流量模型

　　IP 视频监控集成了音视频多种业务，不同业务对于承载网络的需求也各不一样，在业务流量的方向、模型以及特征上区别较大。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要保障的是可靠性，而实时视频查看业务，用户的感官体验是首要考虑的，数据传输要优先考虑实时性，低延时的网络对实时视频业务来说是最重要的。

　　1)多媒体业务使能

　　2)当前 IP 视频监控系统中启用了哪些业务？视频数据是满足实时查看还是事后查询？视频数据的存储策略（集中存储或分布存储）？ 2)        多媒体数据的生产和消费 视频源（编码器/摄像头）部署在哪里？实时视频在哪里查看？视频源数据存储在哪里？

　　3)多媒体数据流向 音视频数据在IP 承载网中的路由方向、汇聚点。

　　4)多媒体业务的网络服务水平指标 考虑多媒体数据的的带宽需求，确定视频源的数量、音视频码率大小、以及为可能的数据突发考虑带宽冗余度。 考虑其他网络服务水平指标，包括丢包率、抖动、时延、乱序等。

　　5)系统扩展需求 需要了解整个视频监控系统可能的扩展需求，在网络接入端口扩容、核心网扩展以及存储系统扩展等方面留下必要的弹性空间。

　　1.2.2 IP 承载网络面临的压力

　　对于处于底层的IP 承载网来说，IP 视频监控系统承载说带来的压力和需求主要集中在以下几点：

　　高带宽需求

　　 早期视频监控系统由于显示系统以及模拟传输系统的限制，多为 CIF分辨率（352×288） ，随着数字编解码和显示系统技术的发展，高分辨率编解码和显示已经逐渐普及，D1（720×480/720×576）分辨率已经成为主流，而更高的 720P/1080P也在少量使用中，在这种背景下，对单路视频来说，2Mbps 码率下的图像清晰度已经不能满足客户的需求，4M、8M 码率的视频应用逐渐成为主流应用。

　　流量分布不均

　　视频存储和实时视频查看的需求同时存在，存储集中汇聚以及多路视频的接入造成了流量的局部热点，整体网络流量分布不均衡。

　　低时延要求

　　根据ITU-T G.114 建议，音视频传输双向延时不超过 300ms，即单向延时不超过 150ms。虽然传统 IP 网络的时延、抖动和丢包率的平均值满足要求，随着高码率应用的普及，现有 IP 网络难以满足 IP 视频监控实时业务的承载要求。

　　高可靠性要求

　　视频存储数据一般要求可查证、可追溯，对可靠性要求高，网络的震荡、故障乃至中断都对业务可用性、数据可靠性造成威胁。

　　业务优先级管理

　　业务优先级在不同类型的承载网络都是需要的， 对于IP 视频监控而言，在专网部署模式下需要考虑监控不同业务间的优先级设计问题，比如视频存储对可靠性的要求就高于实时视频；在非专网模式下需要考虑监控业务和其他生产业务的优先级设计问题，以免在数据传输中产生带宽争用和拥塞的情况。

　　IP 视频监控业务的实时性决定了其对于高可靠性承载网络的需求，在网络带宽、 丢包率、 时延以及抖动方面都提出了高于普通数据业务的要求。

　　带宽

　　网络可用带宽（Bandwidth）决定了多媒体应用的音视频码流速率，不同的码流类型由于压缩算法的不同，音视频的质量也有些不同，在相同的编解码设置下，码流速率越高，视频质量越好，但带宽需求也越大。

　　可用带宽需要综合考虑2 个方面

　　1)接入带宽，指多媒体终端接入的可用带宽，这是终端可感知、可控的带宽

　　2)会话端到端带宽，指多媒体应用会话建立后，音视频数据传输带宽。在 IP 网络下，会话端到端带宽通常是终端难以感知的，它取决于IP 链路多跳中的最小带宽点。

　　 音频数据的网络传输多采用 CBR 方式，发包间隔多为固定时间间隔，固定报文大小。以 G.711 编解码为例，打包间隔20ms，包长200bytes。因此带宽要求80Kbps，无突发流量 视频数据的网络传输也以 CBR方式为主，一般固定报文大小，固定帧间隔，由于I、P、B帧大小不一，存在突发流量。以高清视频为例，带宽2～15Mbps 不等（依编解码压缩比而不同）每秒 30 帧，每帧由长度不等的包组成，因此媒体流本身存在突发流量，一般为设定码率的 10%上下浮动。 如果 CBR 码率控制不佳的话， 突发流量会更大， 可达到设定码率的 2～3 倍或更多。

　　丢包率

　　丢包对音视频播放质量有直接的影响。无论音视频丢包的类型（I，B，P 帧） 、编码格式、码率，在没有适当的音视频解码补偿或者丢包重传机制下，音视频播放质量都会出现不同程度的下降。

　　丢包率 数据包丢失一般是由网络中断或拥塞引起，网络设备如果分配带宽不足或瞬间不足， 导致流量超出队列 Buffer 容量， 一般会造成数据包的丢失。

　　时延

　　时延（Latency）是处理和传输导致数据不能按时到达的延迟。为了避免网络抖动而产生视频播放效果恶化，网络节点和视频解码器往往需要对视频流进行缓冲。在缓冲的前提下，时延不影响视频观看的质量，但时延会导致回声干扰和交互性的劣化，降低用户满意度。

　　根据影响因素的不同，多媒体业务的端到端时延可以分解为固定时延和可变时延两部分(如下所示)。

　　固定时延是与采用的音视频压缩算法、数据封装大小、传输距离和传输链路相关。在给定网络拓扑、音视频压缩算法和打包时长的情况下，这部分时延可以较为准确地计算出来。固定时延优化只能通过选择合适的压缩算法、较小的发包间隔等方法降低这部分时延。

　　可变时延与设备的端口速率、网络的负载情况、设备对 QoS 的支持方式、 实现的QoS 算法等密切相关。 可变时延优化通过选择合理的报文大小、高端口速率、数据报文转发优先级设定等方法来降低这部分时延。

　　根据ITU-T G.114 建议，音视频传输单向延时不超过 150ms，而可感知的网络时延基线是 200ms，如下图所示，网络时延高于 200ms 后，用户满意度将大打折扣。

　　用户在建设IP 视频监控系统的时候，通常会面临一个选择：是建视频监控业务的专网？还是基于现有网络去承载视频监控业务？由于各个行业特点不一，用户需求和部署模式也各有不同，对于IP 承载网络选择专网模式或多业务网模式，没有绝对的好或不好，而是要分析用户需求，选择最合适的模式。

　　不论选择哪种承载网络模式，IP 视频监控系统的承载要求是一样的。不同建设模式下，要达到相同的效果，所付出的代价是不同的。

　　1.3 系统结构

　　EPON 网络采用点至多点的拓朴结构，取代点到点结构，大大节省了光纤的用量、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，结合不同类型的分光器（均分、固定非均分、可调分光比）可以衍生出其它多种网形式，可以满足多种应用的需要。

　　每台OLT提供4 个GE接口（可光可电）可以为公安二级监控中心提供双向传输通道， 而每台OLT的PON端口通过光纤连接无源分光器 （Spliter）进行无源分光， 分出来的光纤再分别连接不同监控节点的ONU， 再通过ONU的FE接口连接高清视频摄像机进行监控。每台OLT可以覆盖20KM ，最多256 个ONU 节点，而且体积小，方便安放。同时可以根据不同情况提供不同的组网接入方式。

　　带宽保证

　　视频监控项目图像质量是非常重要的，视频监控流主要是上行的带宽占用比较大，如果按照D1 压缩效果，这样每个视频流的上行带宽为2M。每台OLT为 4个PON，每个PON为上下对称1.25G带宽（有效带宽 900M），主要考虑上行数据带宽。

　　>每个派出所最大监控节点数：900M×4÷10M=360 个

　　>按照分光比1：32计算每个ONU下联的DVR/DVS最大带宽为：900M÷32=28M

　　>按照分光比1：64计算每个ONU下联的DVR/DVS最大带宽为：900M÷64=14M

　　本方案还可以通过对EPON 系统控制，对每个ONU 进行带宽控制和调节，用户可以根据每个监控节点情况来灵活的控制带宽。每个ONU带宽可以达到0-1000M（可调）。

　　网络安全和控制

　　 由于EPON是采用点对多点的连接方式，如果主干光纤断掉,下联所有监控的业务将全部中断，所以对主干光缆的链路保护功能必不可少，OLT提供了灵活的主干链路保护功能，OLT 上任意两个PON 口都可以互为主备保护，当不需要保护时每个PON 口可以独立承载业务，这样便于客户灵活的配置和使用。

　　由于本方案是要将视频流上传二级监控中心，那么这一段链路可以采用4 个GE 端口聚合上传，不但能够保证带宽，也可以对数据起到保护作用。同时 OLT 和ONU 都具有强大的二层功能，可以通过 ACL、VLAN、QOS、QinQ 等手段对用户的视频监控业务进行控制和安全保证。

　　网络管理

　　整个视频接入网EPON网络可为各级用户提供设备管理。

　　三级用户可以通console口管理到OLT和远端各个 ONU，也可以通过telnet方式登录管理。一、二级用户都可以通过带内的网管管理到各个派出所的OLT。

　　1.4 基于 EPON 的 IP 视频监控解决方案优势

　　■　有效保证了网络带宽和网络支持能力，解决了视频大容量传输要求

　　带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON 可以通过 DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED 等来实现对每个监控点进行带宽分配，并保证每个监控点视频流及用户的QoS。

　　■提高了光纤资源的利用率，节省了大量光纤资源

　　由于EPON 技术具有点对多点实现业务传输汇聚的特点，以及可以多级分光应用的应用模式，这使得基于主干道可以多级级联接入视频监控点，也就是说租用光纤的数量不再取决于监控点摄像机的多少，而是和整体其布局有关。

　　■ 网络改造、扩容灵活方便、可靠性高

　　原网络中任意一段光纤均可插入新的监控点，原网络中任意光纤均可插入光分路器实现系统的扩容。同时，网络结构灵活，星形网络、链形网络、树形网络，系统扩展能力强。系统采用全无源ODN网络，无源光器件故障率低，不易受外界环境干扰，分光器无需供电和维护。

　　■  视频监控图像一次编码压缩传输，避免多次投资的浪费

　　基于EPON的视频监控解决方案由于在摄像机前端完成了图像的IP化，因此在网络的任何位置浏览它都是一次传输，一次解压的过程，高速的骨干网络完全可以保障对于时延的要求。这种解决方案模式与传统方案相比网络更加平面化，无需经过矩阵收敛后的二次电光转化才能将图像信息上传至上级分中心和总中心。

　　■  整个系统标准开放，灵活性高

　　基于开放标准的IP 技术，用户可以在任何网络可达的地方部署视频监控点， 在视频存储方面也可以快速便利的采用IPSAN的存储方式进行部署，标准IP 化的技术也促使了利用视频监控平台来扩展全数字化应用平台。

　　■ 实现一网多用，可以与 OA 网络、语音网络共用

　　基于EPON 视频监控不仅仅只是体现在工程技术的革新，更重要的是它还丰富了语音等综合业务的发展途径。 EPON视频监控解决方案不但解决了数字监控接入平台的需求，而且能够提供语音等综合业务，可以将各个监控点的图像信号传送到监控中心，还可以接入监控点的语音业务，更加适合在公安、消防、交通等部门的应用。

（作者单位：深圳市宏电技术股份有限公司）