建设农场“平安城市”EPON系统的应用

徐永久

黑龙江农垦广播电视网络有限公司北安分公司 黑龙江省 北安市 164300

前 言

建设农场位于小兴安山南麓的北安市，初步完成了小城镇建设。随着农场的不断发展，流动人口与外来车辆逐步增多，如何在低温条件下建设合理、科学、经济的“平安城市”项目是关系到农场平稳发展的一项大事。从视频监控技术来看，IP 视频监控技术逐渐成为主流，其访问方式也越来越受到人们的关注。由于EPON 技术的成熟及其内在优势，在建立视频监控系统时，满足了视频监控对上行带宽的巨大需求，具有分散监控前端节点的特点。

1 EPON系统在视频应用中的特点及建设农场“平安城市”系统建设需求

EPON 系统是无源光网络，采用广播用户网络拓扑和光纤实现对数据、语音和视频的全业务接入，大大减少了光纤线路和有源设备的数量。EPON 的上下游线路速率为1.25Gbp/s，支持以太网业务，设备可靠性高，集成芯片成熟，建设成本低，适用于纯网络接入，减少了建设成本和维保的成本。EPON 在监测工程中具有高质量的接入、带宽增加、项目维护简单、监控管理、可节约光纤资源等优势。EPON系统拓扑结构，如图1所示。

图1 EPON 系统拓扑结构图

1.1 EPON技术特点

1.1.1 EPON 带宽大

EPON 系统每个PON 端口提供上下对称的1.25Gbit/s 带宽，有效地解决了承载网络对视频监控业务上行带宽的要求。如果按照1 架高清智能球机8M 带宽需求，每个PON 端口能够接入120 台高清智能球机，EPON 上行带宽优势十分明显，普通接入技术无法做到。

1.1.2 EPON 组网灵活

网络结构不受约束，通过不同光比的光分路器组合，可以灵活构建链、树、星网络。根据摄像头分布位置的不同和使用者的实际需求，可以按实际需求组网，充分合理的利用网络资源。

1.1.3 网络的稳定性高

EPON ODN（光网络）是一种光学设备和光纤，主要部件为玻璃，损耗周期长。在没有活动设备的情况下，具有较高的网络可靠性，大大降低了维护成本。EPON 技术的引入，大大降低了各节点的维护次数。

1.1.4 系统扩容简单

EPON 对业务的传输在一定的范围内是透明的，摄像头数量发生变化时，局端及线路传输扩容方便。

1.1.5 组网成本低

EPON 系统比传统的解决方案更便宜，可以节省很多光收发器和其他设备。传统的视频监控系统以光纤收发器+光纤电缆+光纤收发器的形式，向视频服务器传输视频信号。采用EPON 技术后，可通过网线将100 米范围内的多台摄像机连接起来，每台摄像机的视频图像通过网线传输到本地视频监控中心，减少了连接设备的数量。随着方案的改变，电缆数量也大大减少。

1.1.6 维护简单成本低

EPON 的综合网络管理支持使得远程视频监控系统的维护变得简单。利用被动光网络系统提供的拓扑管理、故障管理、性能管理、安全管理、配置管理等功能，大大降低了运行成本。

1.2 建设农场“平安城市”系统建设分析

1.2.1 上行带宽

监控的视频数据需要传输回终端监控点的监控中心。每个信道的上行带宽要求为4～8Mbp/s，基本上排除了xDSL 技术。

1.2.2 链形或树形组网

如道路交通监控、住宅区监控、公共场所区域等监控，需依据现场环境设计级网方案。

1.2.3 监控终端数量多

监控系统的终端数量少则几十个，多则上百成千个。

1.2.4 地域分布广

一个区内20km 左右的范围广泛分布。

1.2.5 结合IP 应用

存在多个监控中心同一时间内实时对某个监控点的查看情况，需具备较好的IP 组播承载能力。

1.2.6 环境温度温差大

建设农场地处高纬度地区，季节性温度变化在30～40℃之间，季节性温差达70℃，需对设备采取较好的保温散热措施，且要求终端设备具有较好的适应性。建设农场“平安城市”系统结构，如图2所示。

图2 建设农场“平安城市”系统结构图

2 建设农场“平安城市”视频监控系统

2.1 系统结构

视频监控系统主要由前端视频采集系统、传输系统、终端控制器和显示记录设备组成。图像信息由集成智能摄像头采集，前端摄像头由局端的矩阵控制主机控制，电视墙的屏幕切换由矩阵主机同时控制，通过磁盘阵列内存存储。

2.2 系统实现功能

系统主要由局端设备、网络传输系统和视频管理中心组成。

2.2.1 局端设备

所有监控摄像头采用Smart Camera（智能摄像头），并支持移动检测、视频遮挡、跨界入侵、区域入侵、场景变更、物品遗留智能报警等应用功能。球式摄像头由控制中心的计算机控制，可对摄像头进行水平、垂直转动及变焦控制，用于采集各监控点周边实时视频信号。前端摄像头通过网线与ONU 相连，处理后的视频图像通过EPON 系统采集到本地视频管理中心，可以实时监控和查看各布控点的图像。本地视频管理中心的工作人员，可以通过局域网实时调用视频图像和远程控制球型摄像机。

2.2.2 网络传输系统

EPON 作为一种传输网络，覆盖了农场的广泛区域，具有点对多点结构；网络灵活，可根据监测点的布局进行调整；EPON 具有很强的扩展性和备份链路和接口。如果以后需要增加监控点，只需要部署短距离光缆，本地端不需要增加硬件，同时可以提高带宽。数据从前端摄像设备到本地视频管理中心的透明传输，同时本地视频管理中心对前端摄像机发布控制指令。

2.2.3 视频管理中心

视频管理中心位于农场公安局控制室，主要由数字矩阵、视频解码器、磁盘阵列存储器和网络管理服务器组成。监控管理中心负责接收每个监控点通过EPON 系统传输的视频信息。控制中心通过液晶拼接屏显示各监控点的图像信息，并对控制信号进行协调。视频数据可以同时存储在存储服务器中，用于视频存储、检索、回放、备份和恢复。监视器可以通过计算机访问存储服务器查询和播放视频记录。利用矩阵控制器，通过计算机控制实现摄像机镜头的视频切换、光圈、焦距和变焦。上、下、左、右、远程电源和摄像机开关可自动或辅助控制。

2.3 系统运行中的问题

为了积累经验，把握EPON 系统的特点，在住宅小区进行了一个试点工程。试验区域建成后，对系统进行了调试。在此过程中，遇到了光路、系统带宽分配和低温等问题。光路和系统带宽分配问题与原设计中的理论计算有很大的不同。低温问题与该农场所处的高纬度地理环境有关。通过对问题的分析，找出问题的所在，积累了使用EPON 系统的经验。

2.3.1 光路问题的分析和解决

系统通电后，一部分ONU 不能注册到OLT。通过对光路的检查，只发现一小部分与光分路无关光路。在纠正了不同的光路之后，问题仍然存在。

通过对原设计的分析，发现问题可能在于光路径的丧失。在EPON 系统中，OLT 和ONU 之间存在无源光网络。ONU 通过光网络接收传输的光，必须满足规划的光功率要求。最低为-25dB，最高为-8dB。在这个范围内，不需要衰减，低于这个范围的ONU 不能在OLT 上注册。从OLT 到ONU 的光损耗是由分路器的损耗、接头的熔接损耗和光通过的各级光缆的损耗累积而成的。故障告警管理系统，如图3所示。

图3 故障告警管理系统图

在原系统设计中，根据摄像头的分布情况设计了网络分光点。在实际光路中，由于器件质量一般，熔接质量不合格，且当串联分路器较大时，接头的累积损耗较大，分光器的累积损耗较大，使实际损耗大于计算损耗，经测量最大损耗值为-37dB，所有未登记的责任都是由高光损耗引起的。为了解决这个问题，工作人员需要反复熔接和更换分路器，提高各级损耗增加的容忍度。用分组分光法代替就近支法，根据摄像头的分布进行分组，并为每组设计一个分光点。在同一组中，一次性拆分到摄像头，这样只需要两级分光。改造后，在控制熔接质量的条件下，系统成功地运行起来。

2.3.2 带宽问题的分析和解决

社区视频监控系统的摄像头采用1080p 网络高清摄像头。采用H.264 的编码，平均带宽4M。光路开通后，从图像上传至配送控制中心即可看到。一些图像出现在卡登现象上，系统中选择的EPON 设备的有效数据带宽为1GB，系统开销至少为800M 带宽。即使总带宽为560M，单元摄像头的最大数量为140，比可用系统小得多，图像不应该卡住。

显示视频信号传输存在延迟。通过对视频流的测试，发现视频流不是固定的。当屏幕改变时，码流将增加数倍。原因是摄像头工作在屏幕优先模式，随着屏幕的变化。为了保证屏幕的质量，它需要增加数据量。进一步的测试发现，许多摄像头经常出现同时增加数据量的情况，造成数据传输延迟。

时分复用（TDM）技术用于EPON 系统上行链路的数据传输。当向OLT 发送数据时，每个ONU 占用不同的时隙，并且每个时隙中只有一个ONU 进行通信。为了充分利用上行带宽，OLT 根据ONU 的数据传输请求动态分配带宽，并为需要上传数据的ONU 分配一个较长的时隙，从而获得更大的带宽。这种现象就像一个十字路口，如果双向车辆流量大，最好的办法是先让一个方向尽可能通过，然后让另一个方向通过。相反，它必须是交错的，以允许两个方向通过保持畅通。ONU 时隙通信示意，如图4所示。

图4 ONU 时隙通信示意图

了解了这一事实，可以重置系统的带宽分配策略，将动态带宽分配更改为固定带宽分配，并为每个摄像机分配固定带宽，这样即使多个摄像机的码流增加，也可以获得机会传输数据。由于EPON 系统具有较大的上行带宽，固定带宽分配可以满足实时显示的需要，并且不会导致图像出现卡顿。

2.3.3 低温问题的分析和解决

建设农场地处高纬度地区，季节性温度变化在30～40℃之间，季节性温差达70℃。前期考虑到环境恶劣带来的影响，小区摄像头自身均带有加热功能，不影响低温条件下的视频图像采集。但ONU 规划的工作环境温度为25～30℃之间，不能适应如此大的温差变化，特别是-40℃低温会导致ONU 光模块的功用不稳定，使得通讯数据呈现差错。由于光模块的温度不在正常规划范围内会报警，通信数据会出现错误，模块在此情况下会连续发送数据。在光学模块恢复正常工作之前，数据不会从一开始就被发送/接受。

针对这种实际环境状况，在项目设计之初已经考虑到对ONU 保温问题，所以在集成箱体中增加了保温绵，并增加加热模块，温控温度设定在-25℃。这样当环境温度低于-25℃时，加热模块自动启动，使ONU 的工作环境温度达到规划的温度区间，从而保证ONU 不间断发送数据。

结 束 语

综上所述，EPON 技术确保在使用主光纤时，可以通过无源光分路器访问多个分支光纤（最多32 个）。每根分支光纤可以连接到不同的用户，完全解决了长距离问题和光纤接入过程中骨干光纤资源不足的瓶颈问题。由于PON 的自然融合结构，与传统的点对点光纤接入层网络相比，节省了大量的OLT 侧光适配模块。另外，EPON 技术可以提供1～1000M 的接入带宽，真正实现“千兆到桌面”的宽带接入，是其他组网技术不可比拟的，能够满足监控系统所需的网络配置。

利用EPON 技术构建网络接入层可以大大降低用户的网络建设成本，简化用户的网络层次，充分满足网络监控系统的需要。