EPON技术在视频监控系统中的应用

韩诚 郝先鹏 陈晓红

摘要：本文通过对EPON网络原理、优点的讨论，分析了EPON网络对视频数据传输中存在的时间同步问题和点到多点问题的解决方案，得出EPON网络作为视频监控系统承载网络的必然性结论。

关键词：EPON；视频监控；无源光网络

中图分类号：O434文献标识码： A

1.引言

随着社会经济的日益发展，公共场所的活动越来越多。为了保护人民群众生命财产安全，构建一个良好的社会环境，视频监控系统发挥着越来越重要的作用。

随着网络技术的发展，视频监控的网络化，呈现出分布式处理与集中式管理相结合的发展趋势。从视频监控系统的架构上看，随着前端视频收集设备数量的迅速增长以及网络复杂程度的加深，越来越多的视频图像处理功能向前端转移。另外，由于视频监控系统规模越来越大、分布越来越广，致使业务呈现出多点对一点的现象，每路视频业务的带宽需求往往在1～10M之间。

针对目前视频监控系统摄像机数量众多、传输距离远、对联网技术要求高的特点，必须采用一种远距离、高带宽、易于管理的传输方式，采用EPON（以太无源光网络）技术组网能够满足以上需求。通过一根光纤接入多个监控点，解决大规模接入问题，光纤接入系统，可以实现数据、语音以及视频的综合业务接入，并具有良好的经济性。

2.EPON网络的工作原理

EPON技术是一种新型的光纤接入技术，它采用单点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON是由IEEE802.3EFM工作组（Ethernet in the First Mile Study Group）引入的一种新接入技术标准，EPON网络中传输IEEE802.3规定的以太网数据帧，即802.3ah协议。

EPON技术采用点到多点的网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的。典型的EPON网络由光线路终端OLT、光网络终端ONU和无源分光器POS组成。OLT相当于master的角色，放在中心局端，除了提供监控网络的集中接入，还可以根据要求进行动态带宽分配，进行监控网络的安全管理等；ONU相当于slave的角色，放在网络摄像机布点附近，实现了成本低廉的以太网第二层甚至是第三层交换，并可通过层叠来提高共享带宽；POS是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上传送上下行两个波对数据进行区分。前端摄像机生成JPEG或MPEG4数据文件通过以太网端口或无线上行至ONU，经过授权的客户可以从网络中访问数据，实现远程监控管理。

该系统的下行信号的传输原理是EPON网络的局端核心设备OLT发出的以太数据包经过一个1:n的无源光分路器或若干级分路器传送到每一个ONU，其中n的典型取值在4到64之间（由可用光功率预算所限制），其发送的广播式数据包供各ONU设备有选择的提取。EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同，但是，不同于一个真正的点到点网络，在每一台OLT设备覆盖下的所有ONU都属于同一个冲突域，来自不用的ONU的数据包如果同时传输依然可能会冲突。因此，在上行方向，EPON需要采用某种仲裁机制来避免数据冲突，这种仲裁机制就是时分复用（TDMA）。由于系统上、下行数据的物理通道都会在单根光纤上进行传输，为了避免其数据冲突而采用了单纤波分复用技术。

3.EPON网络的优点

3.1 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运行成本和管理成本的节省很大；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统都是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。同时，提高了光纤资源的利用率，节省了大量光纤资源。

3.2 提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，并且随着以太网技术的发展可以升级到10Gbps。有效地保证了网络带宽和网络支持能力，解决了大容量的传输要求。

3.3 服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，以一种扇形的结构来节省有限的光缆资源，服务大量用户。

3.4 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可以实现对每个接入点进行带宽分配，并保证每个用户的服务质量。动态的带宽划分方式可以方便地实现高优先级的数据始终位于一帧的开始处，有效地降低了高级别数据的延时和延时抖动，同时当有新的ONU加入初始化时，高优先数据不被打断，保证了其低时延的要求。在OLT端控制优先级数据的接入量，防止由于分配不公正造成的丢包现象。

3.5 网络改造、扩容灵活方便，可靠性高，在原网络中任意一段光纤均可插入光分路器实现系统的扩容。整个系统标准开放，灵活性高，可以实现一网多用，可以与OA网络、语音网络共用。

4.EPON传输视频监控的解决重点

4.1 视频监控系统时间同步

视频监控系统所传输的视频图像的帧率一般小于每秒50帧，视频监控的时钟精度要求在毫秒级，如果通过控制中心单元所提供的时钟源，会累积与标准时间的误差，长时间运行后，需要人为修订，精度较差。

可以通过设置对外服务器从互联网获取时间，系统控制中心与此服务器进行时间同步，再指定系统中的所有设备都与系统控制中心做时钟同步的方法解决。或者可以在网络内部单独设置时钟服务器，系统控制中心单元以及系统中所有设备都与此时钟服务器做时间同步。无论何种方法，均可由所需同步的设备向时间服务器发送一个NTP协议，在此数据包打上设备本地时间标签，时间服务器接受后，反馈给设备三个时间标签，设备端接收后再打上一个本地时间标签，这样设备端可根据时间标签计算出传输的时间延迟和时钟偏差进行调整。

4.2 视频监控的多点传输

监控网络通常需要多个用户同一时间访问同一监控源，如果同时传输多路视频数据，这将严重影响网络传输带宽，传送实时数据流是一种面向非连接的UDP报文，传输一旦丢失，图像就会丢包，所以需要监控终端能够提供基于可靠连接且有效的存储流。

可以通过组播方式来减少网络传输带来的压力，组播的基本原理是源主机只发送一份数据，这份数据的目的地址为组播地址，组播组中的所有接收者都可以接收到同样的数据拷贝，并且只有组播组内的主机可以接收该数据。基于此可在OLT设置用户组播业务权限控制表，判断用户是否具有权限并下放组播表到ONU，ONU设置一个组播地址过滤和转发表，处理本ONU内当前的组播业务流控制功能并执行对该用户业务流的转发或关断。当OLT发送组播表时启动一个计时器，用于控制用户的预览时间、次数以及间隔时间等。当OLT计时器超时后，OLT再发报文指定ONU删除原组播表并复位定时器，同时根据是否有同一个PON内其他用户申请了该组播业务流判断是否停止向该PON口转发该组播业务流。

5.视频监控系统采用EPON技术的必然性

就数据接入网而言，视频监控上行信息用于将图像信息传递到监控中心，需要较大，每路视频业务的带宽需求往往在1～3M之间，下行带宽主要是控制信号，信息量小，带宽需求小，而且由于摄像机分布较为广泛，视频监控业务还呈现出多点对一点的特点。

采用EPON网络平台作为基础架构，传输距离可达数十公里，线路采用一个无源分光器实现多个监控点共享光纤，也可大幅度降低光纤采购和建设成本。而传统的以太网交换机由于在光纤资源、维护、投资等方面的因素，也不能很好地满足视频监控接入网的需求。

另外，采用EPON构建视频监控平台，除了可以满足视频监控的需求外，还符合了运营商的“光进铜退”策略。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千兆，完全满足各监控点当前和未来扩展的需求。

6.结束语

EPON接入技术在视频监控系统中的应用，很好地解决了目前视频监控系统大规模监控所面临的高密度、广范围的接入问题。通过对EPON的同一管理，有效地降低了系统的故障率，为系统的维护节约成本。

因此，EPON网络作为视频监控系统的承载网络，极大地优化了网络结构，降低用户建网成本，消除了传统监控网络的线路高故障率，而且可以实现各网之间很好的无缝连接，大大提高网络运行效率，同时还可以获得极高的传输速率，很好地解决了视频监控系统网络距离、传输速度、成本和安全问题。

参考文献

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