EPON技術在視頻監控系統中的應用

韓誠 郝先鵬 陳曉紅

摘要：本文通過對EPON網絡原理、優點的討論，分析了EPON網絡對視頻數據傳輸中存在的時間同步問題和點到多點問題的解決方案，得出EPON網絡作為視頻監控系統承載網絡的必然性結論。

關鍵詞：EPON；視頻監控；無源光網絡

中圖分類號：O434文獻標識碼： A

1.引言

隨著社會經濟的日益發展，公共場所的活動越來越多。為了保護人民群眾生命財產安全，構建一個良好的社會環境，視頻監控系統發揮著越來越重要的作用。

隨著網絡技術的發展，視頻監控的網絡化，呈現出分布式處理與集中式管理相結合的發展趨勢。從視頻監控系統的架構上看，隨著前端視頻收集設備數量的迅速增長以及網絡復雜程度的加深，越來越多的視頻圖像處理功能向前端轉移。另外，由于視頻監控系統規模越來越大、分布越來越廣，致使業務呈現出多點對一點的現象，每路視頻業務的帶寬需求往往在1～10M之間。

針對目前視頻監控系統攝像機數量眾多、傳輸距離遠、對聯網技術要求高的特點，必須采用一種遠距離、高帶寬、易于管理的傳輸方式，采用EPON（以太無源光網絡）技術組網能夠滿足以上需求。通過一根光纖接入多個監控點，解決大規模接入問題，光纖接入系統，可以實現數據、語音以及視頻的綜合業務接入，并具有良好的經濟性。

2.EPON網絡的工作原理

EPON技術是一種新型的光纖接入技術，它采用單點到多點結構、無源光纖傳輸，在以太網之上提供多種業務。它在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網協議，利用PON技術，在鏈路層使用以太網協議，利用PON的拓撲結構實現了以太網的接入。EPON是由IEEE802.3EFM工作組（Ethernet in the First Mile Study Group）引入的一種新接入技術標準，EPON網絡中傳輸IEEE802.3規定的以太網數據幀，即802.3ah協議。

EPON技術采用點到多點的網絡拓撲結構，利用光纖實現數據、語音和視頻的全業務接入的目的。典型的EPON網絡由光線路終端OLT、光網絡終端ONU和無源分光器POS組成。OLT相當于master的角色，放在中心局端，除了提供監控網絡的集中接入，還可以根據要求進行動態帶寬分配，進行監控網絡的安全管理等；ONU相當于slave的角色，放在網絡攝像機布點附近，實現了成本低廉的以太網第二層甚至是第三層交換，并可通過層疊來提高共享帶寬；POS是一個連接OLT和ONU的無源設備，它的功能是分發下行數據，并集中上行數據。EPON中使用單芯光纖，在一根芯上傳送上下行兩個波對數據進行區分。前端攝像機生成JPEG或MPEG4數據文件通過以太網端口或無線上行至ONU，經過授權的客戶可以從網絡中訪問數據，實現遠程監控管理。

該系統的下行信號的傳輸原理是EPON網絡的局端核心設備OLT發出的以太數據包經過一個1:n的無源光分路器或若干級分路器傳送到每一個ONU，其中n的典型取值在4到64之間（由可用光功率預算所限制），其發送的廣播式數據包供各ONU設備有選擇的提取。EPON在上行方向上的行為特點與點到點網絡相同，但是，不同于一個真正的點到點網絡，在每一臺OLT設備覆蓋下的所有ONU都屬于同一個沖突域，來自不用的ONU的數據包如果同時傳輸依然可能會沖突。因此，在上行方向，EPON需要采用某種仲裁機制來避免數據沖突，這種仲裁機制就是時分復用（TDMA）。由于系統上、下行數據的物理通道都會在單根光纖上進行傳輸，為了避免其數據沖突而采用了單纖波分復用技術。

3.EPON網絡的優點

3.1 相對成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級。EPON結構在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設，基本不用維護，長期運行成本和管理成本的節省很大；EPON系統是面向未來的技術，大多數EPON系統都是一個多業務平臺，對于向全IP網絡過渡是一個很好的選擇。同時，提高了光纖資源的利用率，節省了大量光纖資源。

3.2 提供非常高的帶寬。EPON目前可以提供上下行對稱的1.25Gbps的帶寬，并且隨著以太網技術的發展可以升級到10Gbps。有效地保證了網絡帶寬和網絡支持能力，解決了大容量的傳輸要求。

3.3 服務范圍大。EPON作為一種點到多點網絡，以一種扇形的結構來節省有限的光纜資源，服務大量用戶。

3.4 帶寬分配靈活，服務有保證。對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。EPON可以實現對每個接入點進行帶寬分配，并保證每個用戶的服務質量。動態的帶寬劃分方式可以方便地實現高優先級的數據始終位于一幀的開始處，有效地降低了高級別數據的延時和延時抖動，同時當有新的ONU加入初始化時，高優先數據不被打斷，保證了其低時延的要求。在OLT端控制優先級數據的接入量，防止由于分配不公正造成的丟包現象。

3.5 網絡改造、擴容靈活方便，可靠性高，在原網絡中任意一段光纖均可插入光分路器實現系統的擴容。整個系統標準開放，靈活性高，可以實現一網多用，可以與OA網絡、語音網絡共用。

4.EPON傳輸視頻監控的解決重點

4.1 視頻監控系統時間同步

視頻監控系統所傳輸的視頻圖像的幀率一般小于每秒50幀，視頻監控的時鐘精度要求在毫秒級，如果通過控制中心單元所提供的時鐘源，會累積與標準時間的誤差，長時間運行后，需要人為修訂，精度較差。

可以通過設置對外服務器從互聯網獲取時間，系統控制中心與此服務器進行時間同步，再指定系統中的所有設備都與系統控制中心做時鐘同步的方法解決?；蛘呖梢栽诰W絡內部單獨設置時鐘服務器，系統控制中心單元以及系統中所有設備都與此時鐘服務器做時間同步。無論何種方法，均可由所需同步的設備向時間服務器發送一個NTP協議，在此數據包打上設備本地時間標簽，時間服務器接受后，反饋給設備三個時間標簽，設備端接收后再打上一個本地時間標簽，這樣設備端可根據時間標簽計算出傳輸的時間延遲和時鐘偏差進行調整。

4.2 視頻監控的多點傳輸

監控網絡通常需要多個用戶同一時間訪問同一監控源，如果同時傳輸多路視頻數據，這將嚴重影響網絡傳輸帶寬，傳送實時數據流是一種面向非連接的UDP報文，傳輸一旦丟失，圖像就會丟包，所以需要監控終端能夠提供基于可靠連接且有效的存儲流。

可以通過組播方式來減少網絡傳輸帶來的壓力，組播的基本原理是源主機只發送一份數據，這份數據的目的地址為組播地址，組播組中的所有接收者都可以接收到同樣的數據拷貝，并且只有組播組內的主機可以接收該數據?；诖丝稍贠LT設置用戶組播業務權限控制表，判斷用戶是否具有權限并下放組播表到ONU，ONU設置一個組播地址過濾和轉發表，處理本ONU內當前的組播業務流控制功能并執行對該用戶業務流的轉發或關斷。當OLT發送組播表時啟動一個計時器，用于控制用戶的預覽時間、次數以及間隔時間等。當OLT計時器超時后，OLT再發報文指定ONU刪除原組播表并復位定時器，同時根據是否有同一個PON內其他用戶申請了該組播業務流判斷是否停止向該PON口轉發該組播業務流。

5.視頻監控系統采用EPON技術的必然性

就數據接入網而言，視頻監控上行信息用于將圖像信息傳遞到監控中心，需要較大，每路視頻業務的帶寬需求往往在1～3M之間，下行帶寬主要是控制信號，信息量小，帶寬需求小，而且由于攝像機分布較為廣泛，視頻監控業務還呈現出多點對一點的特點。

采用EPON網絡平臺作為基礎架構，傳輸距離可達數十公里，線路采用一個無源分光器實現多個監控點共享光纖，也可大幅度降低光纖采購和建設成本。而傳統的以太網交換機由于在光纖資源、維護、投資等方面的因素，也不能很好地滿足視頻監控接入網的需求。

另外，采用EPON構建視頻監控平臺，除了可以滿足視頻監控的需求外，還符合了運營商的“光進銅退”策略。網絡視頻監控業務正在向高清晰圖像傳輸的方向發展，而基于EPON的FTTH正是這一發展方向的基礎。

EPON解決方案無需額外的設備，網絡結構簡單，實施方便，而且該方案的接入速率可高達千兆，完全滿足各監控點當前和未來擴展的需求。

6.結束語

EPON接入技術在視頻監控系統中的應用，很好地解決了目前視頻監控系統大規模監控所面臨的高密度、廣范圍的接入問題。通過對EPON的同一管理，有效地降低了系統的故障率，為系統的維護節約成本。

因此，EPON網絡作為視頻監控系統的承載網絡，極大地優化了網絡結構，降低用戶建網成本，消除了傳統監控網絡的線路高故障率，而且可以實現各網之間很好的無縫連接，大大提高網絡運行效率，同時還可以獲得極高的傳輸速率，很好地解決了視頻監控系統網絡距離、傳輸速度、成本和安全問題。

參考文獻

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