視頻監控承載網的關鍵技術研究

[摘要]討論視頻監控的發展及其存在的問題，較為詳細和深入地分析了全數字IP視頻監控如何引入EPON作為接入網技術，使用EPON作為IP視頻監控承載網的優點及其在實際應用中要特別注意和解決的關鍵問題，并在此基礎上給出了一個實際系統的架構，系統的運行情況和測試均取得了滿意的效果。視頻監控是一種安全防范能力很強應用廣的綜合系統。隨著高校的發展，需要監控的范圍越來越大，區域分布越來越廣，而且要布設的監控點也越來越多，如何建立一個高效先進且經濟上合理可行的安全防范系統顯得尤為重要。

[關鍵詞]視頻監控；以太無源光網絡；承載網；接入網；應用

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）01-0102-05 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.01.022

引言

安全是智能化、數字化建設的重要組成部分，對管理起著極為重要的作用。視頻監控是一種信息內容豐富、直觀準確、安全防范能力很強且應用極廣的綜合系統。隨著高校的發展，需要監控的范圍越來越大，區域分布越來越廣，而且要布設的監控點已遠遠不是像以前只局限于少數幾個重要的路口和樓道，而是要求要覆蓋到幾乎每一個地方。視頻監控業務因其獨特的特性，不僅對上行帶寬和網絡承載要求頗高，且對服務品質要求也很嚴苛。如何建立一個高效先進且經濟上合理可行的校園安全防范系統顯得尤為重要。

以往使用的安防監控系統大部分是基于LAN架構的。這種架構存在著諸如：覆蓋面積小，設備供電成本高且受停電、雷電等不可避免的客觀因素的影響大，擴展、管理維護難，視頻質量差、可靠性低等突出問題。IP視頻監控系統由于其安裝成本低，有較好的可靠性、安全性和可擴展性，可以進行遠程監控，已安防監控行業的發展方向。但IP視頻監控也存在一些問題，如何在現有網絡資源的不充分以及有限的帶寬資源條件下確保網絡帶寬的有效占用和視頻監控圖像質量以及系統的穩定性是制約IP視頻監控應用和發展的瓶頸。解決這一問題的切入點是引入一些新型的、先進的寬帶傳輸方式。相比較之下，EPON（Ethemet Passive Optical Network）接入網技術具有足夠的帶寬，通過一根光纖就可以解決幾乎所有的監控媒體終端的接入；同時其無源特性又可提高系統的安全性和可靠性。但EPON應用的普及也存在一些問題。本文討論視頻監控的發展及其存在的問題，較為詳細地分析了全數字IP視頻監控如何引入EPON作為接入網技術，使用EPON作為IP視頻監控承載網絡的優點及其在實際應用中要特別注意和解決的關鍵問題，并給出一個實際的應用系統的架構和應用效果。

一、視頻監控的發展及其存在的問題

第一代的視頻監控是閉路電視監控系統，主要以模擬攝像機、畫面分割設備、音視頻電纜、視頻矩陣以及硬盤錄像機等構成。它包括后來發展的可以利用計算機來進行圖形界面操作的系統。該技術的核心是模擬切換，設備的核心是矩陣。由于矩陣的穩定性和多年的使用習慣，系統的安裝調試以及后期的維護按照圖紙就能夠輕松地進行，上了電就可以進行工作，就如同家電的連接和使用一樣。維護人員并不需要太多的計算機或者網絡方面的知識。

第一代系統存在的弊端也是明顯的。前端模擬攝像機需要連接龐雜的線路，分別用來傳輸音視頻和其他數據信號。后端處理和管理模擬信號，模擬信號先被轉化成數字信號進行存儲并且歸檔，在需要查詢和調閱的時候，又必須重新還原成模擬信號。當需要實時查詢或跨部門信息共享等較復雜的操作時，模擬視頻數據的處理效率之低是無法忍受的。另外，由于全部的視音頻切換和控制都需要通過矩陣來進行，而矩陣采用的又全都是CPU加視頻擴展卡的方式，因而系統很難進行擴展。而更為困難的是如果系統需要聯網，還必須使用音視頻I/O卡、光纖、同軸電纜和光端機等大量設備先對矩陣進行級聯，因而不但增加大量的成本而且在距離上受到很大限制。級聯聯網后的矩陣在使用上也非常不方便。

第二代系統采用數字硬盤錄像機（DVR）將視頻圖像數字化。它雖然已經使用了計算機和網絡技術，可以通過網絡遠程管理存儲在硬盤上的音視頻數據。但是，在日常的使用中還需要矩陣的配合來進行圖像的切換和控制。因此稱之為模數結合構架。目前仍有人認為DVR是最為合適的技術，是一個最終的解決方案，甚至還有人誤以為這已經是一個完全數字化、網絡化的監控技術。實際上這是錯誤的。

與第一代系統相比較，第二代系統在圖像質量、快速檢索、方便性等方面有很大進步。但是那些龐雜的音視頻電纜仍然不能減免，距離較遠時圖像的質量仍然不能保證。DVR必須以每次一定路數的規模來擴展，若要增加新的通道就必須另外增加數字硬盤錄像機。此外，系統的接入網絡大部分是基于LAN的?；贚AN的架構存在著諸多方面的突出問題，比如：覆蓋面積??；中間設備是有源的，供電成本高，受停電、雷電等不可避免的客觀因素的影響大；交換機的安裝協調麻煩；上行端口帶寬擴展困難；中間匯聚設備和接入層樓道交換機太多，管理維護難；經多級矩陣級聯之后視頻質量明顯下降；視頻接入點采用模擬信號，可靠性低；當有大量客戶訪問時需要通過流媒體服務器轉發，存在流媒體轉發服務器的性能瓶頸；等等。

第三代系統稱為全數字IP視頻監控。系統組成包括：（1）前端設備：音視頻以及數據的采集，如攝像機、云臺、網絡視頻服務器等；（2）傳輸設備：各種網絡傳輸設備，如網絡交換機、光傳輸設備等等；（3）監控中心設備：視頻瀏覽、控制、管理設備，如視頻解碼設備、服務器、管理軟件、磁盤陣列；（4）工作站設備：視頻的瀏覽和控制如服務器、客戶端軟件等。全數字IP視頻監控以IP攝像機及編碼器為核心設備，傳統的矩陣被稱為虛擬矩陣的網絡和軟件取代。視頻信號在前端由音視頻編碼器進行壓縮后通過網絡協議進行傳輸，并通過網絡和軟件對監控系統進行總體控制、查閱和存儲。一體化、數字化、傳輸網絡化、智能化管理和高度集成化是IP視頻監控的特點，它能輕松地滿足海量存儲、多區域甚至是跨城市的應用需求。

視頻監控點龐大，監控范圍極廣，而且常常需要和110報警、市政等其他系統進行集成聯動。因此系統往往需要金字塔式的向上形成分級分域的統一管控管理，位于金字塔頂端的管理者需要能夠對系統內所有的監控點進行統一管理和控制，而監控的數據錄像則需要在不同的地理位置進行分布存儲，而且要求無論存儲在哪里，用戶都可以對系統中的數據進行查詢和處理。要達到上面幾點，傳統的模擬監控很難做到，但是IP網絡監控卻可以輕松完成。在IP監控系統中，用戶數據和音視頻文件等信息都可以通過網絡進行傳輸，讓管理者更加輕松地對系統進行全局的管理和維護，而且用戶通過授權就可以在任意時間、任意位置通過網絡對所有的音視頻信息進行訪問和準確地控制。

IP視頻監控另外一個主要優點是部署的低成本和簡便性。IP視頻監控系統的部署簡單。在IP監控系統中，當用戶希望擴展系統增加監控點的時候，每次只需要增加一路的通道就可完成。由于現有的大多數設備都已經聯網，因此在一般情況下都不需要重新布線。比如網絡攝像機可以在現有單位網絡即插即用。因此，能方便靈活、低成本地實現遠程訪問和多點訪問；通過開放的網絡協議實現與其他的系統的集成和聯動，還可以非常方便地實現多級別、多層次的網絡構架和多級別、多權限的系統管理。

二、以EPON承載網絡的視頻監控

IP視頻監控有許多優點，也是安防監控的發展方向。但是，在IP視頻監控系統中，視頻源完成模數轉換后，本地數字錄像機也變成了網絡視頻錄像，傳輸過程采用了IP網絡，顯示部分再實現數模轉換。視頻傳輸需要占用較大的帶寬資源。視頻數據從監控點往監控中心發送，終端設備數量龐大并且分散在不同區域，同時還存在著多個監控中心同時查看一個監控點的情況。因此，如何在現有網絡資源的不充分以及有限的帶寬資源條件下確保網絡帶寬的有效占用和視頻監控圖像質量以及系統的穩定性成為了制約IP視頻監控應用和發展的瓶頸。解決這一問題的切入點是引入一些新型的、先進的寬帶傳輸方式。相比較之下，EPON作為接入網技術，具有可通過無源光纖進行點到多點傳輸，實現數據、語音和視頻的全業務接入和遠距離傳送，可提供高達1.25Gbps甚至升級到10Gbps的上下行對稱帶寬和長達20km接入范圍特長。

總結起來，使用EPON作為IP視頻監控承載網絡具有如下諸多優點：

（1）通過無源光纖進行點到多點傳輸，實現數據、音視頻的和幾乎所有的監控媒體終端的全業務接入和遠距離傳送；

（2）ONU自動發現和同步管理，OLT定期掃描并觸發ONU進行注冊和時間同步，無需人工的干預就能完成對新ONU的識別和注冊，使得中斷或者是新加入的ONU能自動加入到系統中而不會影響到其他ONu；

（3）具有保證完整并且靈活的用戶帶寬動態調整能力；

（4）視頻圖像數字化，可以利用計算機對其進行壓縮存儲；通過視頻分析，可以及時發現異常問題并聯動報警；全數字化還便于利用計算機管理和快速檢索；

（5）適合遠距離傳輸，抗干擾能力強，不易受傳輸線路信號衰減的影響。EPON的上行信道和下行信道在傳輸中不會發生丟幀現象：

（6）無供電消耗、不受供電故障、電磁干擾和雷電等惡劣環境的影響；

（7）簡單的架構使整個系統發生故障的幾率降低，并可通過遠程操作對系統進行升級和維護。由于無需使用有源設備，所以中間設備基本上不需要維護，也不需要單獨設置機房和供電設施，在擴展上可以通過ONU的遠端自動測距完成。這些都將大大減少整個系統的維護和升級的費用：

（8）通過設置不同的權限級別和授權大大提高系統的安全性；由于繼承了以太網統一的幀結構，可以很好地實現各網之間的無縫連接且無需進行協議和格式的轉換；

（9）與現有的設備具有很好的兼容性；

（10）不需要使用復雜的協議就可實現中心網絡與用戶端的雙向的數據的精準傳送，其多點控制協議MPCP使得EPON擁有統計分析多任務的能力，低成本實現高質量高效率的監控。

在實際應用中EPON監控網絡傳輸有一些關鍵問題需要解決：

（1）如何實現系統之間的時間同步。視頻監控需要實時查看和記錄突發事件，對歷史的查閱也需要有準確的時間，其時鐘精度要求是ms級的。如果僅使用控制中心單元所提供的時鐘源，即使該時鐘源與標準時間的誤差不大，但是長時間運行后，隨著誤差的積累，就需要人為修正。因此，視頻監控系統要求網絡各個節點以及通過網絡連接的各個應用界面的時鐘必須與世界時（UTC）同步。

解決此問題的一種可行的方案是讓對外服務器從互聯網獲取時間，再讓系統控制中心與對外服務器進行時間同步，最后讓系統中的所有設備與系統控制中心進行時鐘同步。也可以在網絡內部設置單獨的時鐘服務器，然后讓系統控制中心以及系統中的設備與時鐘服務器進行同步。實現同步的方法如下：由所需同步的設備向時間服務器發送一個打上設備本地時間標簽的NTP協議（網絡時間協議）數據包；時間服務器接受后反饋給設備三個時間標簽：服務器所收到的時間標簽、服務器發出數據包的時間標簽和服務器接收數據時刻的時間標簽；設備端接收后再打上一個本地時間標簽，然后設備端即可根據這4個時間標簽算出傳輸的時延和時鐘偏差。

（2）如何實現視頻的多點傳輸。視頻監控往往需要多個用戶或者操作人員在同一的時間訪問同一的監控源。如果同時傳輸多路視頻數據，這將嚴重占用網絡的帶寬，而實時視頻數據是一種面向非連接的UDP報文，傳輸中一旦有數據丟失，圖像就不完整。所以監控終端必須能夠提供可靠連接和高效的存儲流。

通過組播來減小網絡的傳輸壓力是解決這一問題的有效方案。組播只有一份數據從源主機發出，組播組中的同樣數據拷貝可被所有的接收者接收，而且只有處于組播組內的主機才能夠接收到該數據。因此在EPON中，可通過組播方式關閉無需實時監控的點。在OLT側設置用戶組播業務權限控制表，以判斷用戶是否具有權限并下放組播表到ONU，ONU側則設置一張組播地址過濾和轉發表，處理本地ONU內當前的組播業務流控制并執行對該業務流的轉發或關斷。采用組播技術后，可以將每一個編碼器作為組播源，當網絡中有多個用戶需要同時觀看監控圖像時，即可對監控圖像進行復制和轉發，如果網絡中沒有用戶，又可將圖像丟棄。這樣整個監控系統無論規模的大小和同步訪問同一監控源用戶數的多少，都可以預先計算出對網絡帶寬的要求，從而為規劃與設計提供依據。

（3）多級多域管理。在大型監控網絡中，需要根據應用的需求將整個系統分成獨立的若干區域的子系統，這些子系統獨立完成監控業務并通過域間接口向其他區域提供監控業務，上級管理多個下級子系統，上下級之間可直接信令交換和媒體交換，平級之間由上級轉發或者經上級允許后直接交換。

解決方案可以通過配置域問路由來實現。在系統中，為每個區域統一分配唯一的區域ID；在上級區域中，為每個下級配置一條到達下級區域的路由，下級區域則向上級區域注冊，上級根據是否成功注冊來判斷路由是否可達；上下級之間根據配置的域問路由信息進行交互，下級之間的交互經向上級查詢另一個下級區域的路由后通過上級中繼進行數據交換。具體細節還包括：（a）域間設備資源配置，不同域之間的設備資源只有被授權才能被訪問和控制（包括攝像頭的控制等操作），授權可以通過設備的規劃完成。（b）域間用戶優先級配置，先為域內用戶分配本區域設備的控制權，再規劃出可以給域外使用的設備和控制權，域內用戶通過權限搶占資源，域外用戶需要訪問時，若其權限高于本域用戶權限，則由域外用戶搶先獲得控制權。（c）跨域視頻實時瀏覽，下級根據可被訪問的前端設備列表發送請求，上級域根據外域標識轉發請求，被訪問域根據其域內策略控制前端設備將數據流發送給請求的用戶。

（4）在點到多點的模式之下，任何一個ONU都可以接收到OLT發送給所有ONU的數據包。這可能是不安全的。因此，在上行方向上ONU之間的通信必須通過OLT而不能直接傳送和接受，在OLT上可以設置禁止其之間的通信。在下行方向上，由于是廣播傳輸數據，因此在ONU接入的時候，系統應對ONU進行認證，如果不是自己的數據就直接丟棄，不讓上傳。另外可能還要通過加密和VLAN方式對不同用戶或業務進行限制，以保障ONU間的信息隔離。

（5）光纖不能直接接ONU，需要用分光器，避免ONU接收到的光強度超過ONU光接受飽和光功率-3db。光衰減最大的地方光功率不能小于-23db，否則將超出ONU的接受靈敏度，致使OLT無法發現ONU。

三、應用

1.系統需求

某大學現有185個監控點。原系統是基于數模轉換的構架，存在諸如信號的信噪比低；圖像失真嚴重；矩陣和視頻服務器之間沒有一個相互控制管理的機制，并且也無法同時間的控制前端攝像機；無法獲得同級的其他區域圖像；調用圖像必須要通過服務器轉發；視頻服務器的性能瓶頸嚴重等問題。而當前學校已發展成多校區、跨地域、跨城際。

因而，需要監控終端能夠做到只需一次編碼就可供全網使用的實時流，并且這種數據流不應該因高收斂而影響圖像的質量；不能只提供實時單流網絡，要分出一路基于面向可靠連接的存貯流以實現高可靠數據存儲，要求實時流和存儲流可分別根據需求靈活地進行編碼并且互相不影響，必須要有足夠的鏈路帶寬來傳輸監控視頻流。由于視頻監控點分布分散、距離遠，因此要求傳輸系統要具有很好的可分路性和公平性以及足夠的傳輸距離。系統還要求有很好的可擴展性，以方便監控點的增加。監控中心內部及中心問互聯的IP網絡性能指標應符合通信行業標準YD/T 1171-2001中所規定的1級（交互式）或1級以上服務質量（QoS）等級：前端設備與監控中心間端到端的信息延遲時間不大于1秒；前端設備與用戶終端間端到端的信息延遲時間不大于2秒。建成之后的校園安防監控系統能夠作為全校園安防管理、信息化管理的有效、快速反應的統一指揮途平臺。

2.總體架構

根據校園光纖布置的特點，通過EPON技術來實現系統的前端接入和傳輸的高效性和靈活性?？傮w架構如圖1所示。傳輸網絡使用了基于校園主干光纜+分支光纜+同軸電纜的方式，在系統前端配置了嵌入式視頻服務器（帶存儲功能），前端攝像機的視頻信號通過視頻線接入視頻服務器，通過視頻服務器接入到校園網，在監控中心通過綜合管理平臺軟件將數字信號解碼還原成視頻信號后上電視墻。

（1）前端到中心網絡采用組播。前端攝像頭輸出組播實時流，再經由組播優化的交換機進行分發視頻流，前端ONU同時輸出單播存儲流寫入中心。

（2）安裝在前端的攝像機把圖像信號攝入后，經過視頻編碼器該視頻信號被轉換為IP網絡信號，EPON分光設備負責將多個視頻監控點的IP網絡信號匯聚，再通過光纜傳輸至監控中心。

（3）在監控接入層，前端的監控媒體終端負責把視頻源傳送過來的模擬信號轉換成IP數據流并進行壓縮，再通過IP網絡傳送。在本層還要實現對組播流和存儲單播流的支持。

（4）承載交換層采用開放式TCP/IP協議IP承載網。它負責把各種數據流傳送到目的地址，同時把原有的監控系統的控制信號和碼流轉換成標準的IP信號并由控制管理層進行處理。

3.應用效果

系統在一根光纖上承載多個監控點的音視頻傳輸，視頻編碼設備部署在前端通過EPON接入網將視頻IP化并上傳。視頻流可快速靈活地傳輸至各級監控中心。整個監控系統的圖像均不用依靠矩陣進行交換，可通過監控系統軟件向視頻編碼器發出指令實現在網絡的任意位置的直接調用。系統的監控點與監控中心具備千兆數據交換能力。系統與先前的設備有很好的兼容性。此外，通過ONU自動同步管理，系統具有很好的隨用戶需求變動進行動態調整和擴展的能力。

本監控系統以學校的保衛處為監控指揮中心，首先在校行政辦公大樓、全校的公共機房和多媒體教室監控實施，再逐步擴展到綜合教學樓、各個院系以及學生公寓。其初步運行的情況以及對幾個主要位置的測試均取得滿意效果。監控中心內部及中心間互聯的IP網絡性能指標達到通信行業標準1級（交互式）服務質量（QoS）。經丟幀和吞吐量統計分析，其在不同位置下的ONU下載速率沒明顯差異，最大吞吐量與平均吞吐量大體相同，最小吞吐率相近，且沒有發現丟包的現象。

在跨VLAN情況下，單播流量正常，在加入組播之后，也能夠順利接收到不帶TAG的組播報文。

監控設備控制的情況如下：對前端設備（攝像頭、云臺）進行控制及回放。按照IP地址規劃對攝像頭進行配置，在管理軟件上拖動任意一路攝像頭到窗格和監視器經過調整分辨率和碼率可以清晰流暢地看到圖像，在軟件上流暢觀看歷史視頻回放，并上傳圖像至電視墻。云臺可完成指定的動作，可以準確按照預設位轉動。

四、結束語

EPON為用戶提供光纖接入的經濟有效的方式，降低施工復雜度，具有低成本的架構和共享式的傳輸，可利用FTTX的方式在中心端和客戶端之間提供多樣性的服務，并且可以輕松承載網絡上日益增加的流量以滿足人們對網絡各種寬頻服務的需要，同時其無源特性也提高了網絡的安全性和可靠性。但在實際應用中，可以相互參照的實踐經驗較少，根據不同的實際應用情況仍然要特別注意和解決一些關鍵問題，本文主要討論了EPON的在視頻監控中的應用。此外，EPON在實際應用中還存在的一些問題，比如標準還未盡完善，存在一些內部私有協議；光分路器基本上都不是EPON廠家生產，存在差距等。

編輯：小西