視頻監控系統建設與應用

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1引言

視頻監控系統逐步從模擬化向數字化、網絡化、智能化發展，這一發展對視頻清晰度同步提出了更高的要求，高清晰度的視頻意味著攝像機的像素高，對網絡傳輸帶寬、存儲空間也提出了更高的要求。當前IP視頻監控系統是一種綜合性的多媒體應用系統，它同時并行運行24h實時音視頻編碼和存儲等業務進程，與此同時，它還需兼顧錄像回放、音視頻解碼、云臺控制等業務進程。不同業務進程對于傳輸網絡的需求也各不一樣，在業務進程流量的方向、模型、特征上區別較大。傳輸網絡帶寬是前后端設備視頻數據流的關鍵傳輸通道，視頻數據流中主要包含視頻、音頻和控制信息三類數據，視頻監控全天候24h實時運行。若按照30路視頻監控點、30天的錄像進行存儲、8M/s的碼率進行計算：則網絡帶寬=1080P錄像路數×1080P碼率，由此可計算出30路視頻監控點所需網絡帶寬為240M/s；則全量錄像存儲裸容量=1080P錄像路數×1080P碼率×1080P錄像天數×1024×1024×CBR×24×3600÷8÷1000÷1000÷1000÷1000，由此可計算出30路視頻監控點位，在30天的存儲量需要約82TB的存儲資源進行存儲。因此網絡帶寬、視頻存儲的高要求是其發展的關鍵。由此可見IP視頻監控系統在為客戶提供更直觀的交流及監控手段的同時，也給其基礎層的IP傳輸網絡、存儲空間帶來了巨大壓力。

2高清視頻監控接入網現狀

以平安城市（公安主導建設）中的視頻監控為例，由于各派出所轄區前端監控分布較廣，且覆蓋不均勻，傳輸通道資源需進行有效合理的分配，然而，前端監控點與派出所監控中心傳輸距離通常較遠，通常采用裸光纖方式實現前端監控點與派出所監控中心的互聯，并經成對的光端機傳輸到接入層交換機進行匯聚，然而，由于傳輸距離的限制，點對點光纖通道的傳輸將需要一對光纖實現收發功能[2]，這樣使得光纖資源的建設成本大大增加。另外，每路高清視頻監控的平均碼流可達到8Mbps，在密集高并發頻繁調用的視頻監控覆蓋區，若網絡帶寬有限，則視頻數據、控制數據流量的集中爆發將導致整個系統網絡出現嚴重擁塞、延時、誤碼的概率也將急劇增加，在一定程度上促使整體性能急劇下降，因此當前組網方式對于快速發展的視頻監控系統而言，仍存在大量弊端，具體表現在：（1）點對點的傳輸主要通過光端機來完成一收一發即，意味著需要兩對纖芯資源，這使得光纜網絡主干纖芯資源被快速消耗，光纜資源日趨緊張。（2）點對點傳輸主要通過光端機實現，然而放置在監控點的光端機的管理和維護成本較高，市場上近遠端光端機的廠商較多，接口無法統一，后臺系統還無法進行統一的管理，只能通過人工進行現場進行故障處理，這直接影響了系統的維護效率。（3）點對點傳輸需要開通連接點較多，缺乏統一有效的保護措施，直接導致業務開通和障礙處理耗費大量人力，這在一定程度上直接增加了后期運維的壓力和成本。

3基于EPON技術的組網

EPON技術可滿足當前高清網絡視頻監控系統的平臺化、集中存儲和遠程多級調用的需求，前端攝像機數量以及網絡組網可以實現無限擴展，大大降低了投資成本。基于EPON的視頻監控網絡架構如圖1所示。OLT放在機房，ONU放在前端監控處，為監控圖像傳輸提供網絡接口。ODN為OLT和ONU提供了數據傳輸通道。EPON由OLT（光網絡終端）、ONU（光網絡單元）和ODN（光分配網絡）三大系統組成。EPON網絡通過波分復用技術（WDM）在一根光纖上實現雙向傳輸（下行1490nm、上行1310nm），且在上行采用分組復用，可避免碰撞。通過光分器即光分配網絡（ODN）實現點到多點的傳輸網絡架構。上行采用時分多址（TDMA）方式實現ONU向OLT的數據傳輸；下行采用廣播方式實現OLT向所有ONU發送數據，ONU僅接收自己的數據幀。EPON通過光信號進行數據傳輸，其傳輸結構采用“一對多”的方式；一方面，利用EPON的拓撲結構實現網絡接入；另一方面，采用以太網協議實現數據傳輸。因此，EPON技術是既為監控網絡提供了高帶寬，又降低了成本。同時還具備較強的擴展性，且能接入以太網，方便管理。此外，EPON網絡還具備以下優勢：（1）數據傳輸速率高，平均每條鏈路可達到1.25Gbps，每條鏈路最多可承載128個監控點位，即每個監控點位的數據傳輸速率可達9Mbps，該速率足以滿足高清監控8Mbps的碼流，即可支持高清視頻數據的實時傳輸和調看；（2）節約了建設和維護成本，光分配網絡可為多個監控點位共享同一條主鏈路，且分路器對供電和環境并無太多要求，極大地節約了建設和維護成本；（3）節約了電力成本，核心網與前端視頻監控的互聯采用無源光網絡，可節省電力成本；（4）組網靈活，可支持不同的網絡組網架構，如樹形、星形、網狀型等；（5）節約光纖資源，即單纖芯資源即可實現收發功能；（6）傳輸距離遠，OLT接1:32的分光器可傳輸最大距離為20KM。

4基于EPON技術在平安城市中的設計方案

視頻監控系統整體架構由前端視頻采集層、網絡傳輸層、后端的視頻監控中心組成。如圖2所示為基于EPON技術的視頻監控系統設計方案，其中網絡傳輸層可分為核心網絡層、數據匯聚層和接入層。在該系統架構中前端監控采集的視頻數據通過ONU上聯到ODN網絡，ODN通過1：N分光器實現與各監控點位的ONU互聯。編碼壓縮后的視頻數據經無源光網絡上傳至監控中心。由此可見，傳統高清視頻監控網絡方案相對于基于EPON監控網絡的優勢主要在組網靈活、方便，一方面可有效節約纖芯資源，同時ODN網絡部分采用的均為無源器件，在一定程度上節約了電力成本和維護管理成本。相信在下一代的視頻接入層，EPON會在平安城市、平安校園、智慧城市等信息化網絡中具有更廣闊的應用。

參考文獻

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作者:劉博斐 朱雨豪 陳鎖 廖光文 單位:中電科新型智慧城市研究院有限公司