PON技術在平安城市中的應用：上?！俺鞘泄饩W”技術創(chuàng)新和應用實踐之七

朱 俊，汪國榮

（中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120）

平安城市視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)使用數字或模擬視頻技術、計算機通信技術、網絡技術及相關系統(tǒng)和設備，通過實時動態(tài)監(jiān)控、記錄查詢、網絡傳輸、分級控制、授權訪問、資源共享等方式，實現對城市卡口、主要道路、重要目標、重點單位、要害部位、治安復雜區(qū)域等目標的治安監(jiān)控。PON（passive optical network）技術作為近年來“城市光網”的主流接入技術，它面向應用的組網模式使接入網絡靈活性更高，接入業(yè)務類型更豐富,在解決“平安城市”視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入網絡覆蓋范圍廣、接入點位設置不確定、接入前端設備數字化等問題上都有很好的適應性。

本文通過分析視頻監(jiān)控技術的演進，研究模擬與數字承載網絡技術的發(fā)展，分析比較各種承載網技術的優(yōu)劣，闡述采用以PON技術為基礎的城市光網，在平安城市承載應用具備的優(yōu)勢。同時，提出PON承載視頻監(jiān)控系統(tǒng)需關注的運維和技術問題，并探討其解決方案。

1 視頻監(jiān)控技術的演進

視頻監(jiān)控技術的發(fā)展在經歷了模擬時代、數字時代、遠程時代后，正大步跨入城域、廣域互連的嶄新階段。監(jiān)控行業(yè)的數字化進程正方興未艾，網絡化進程剛剛起步，智能化進程已呼之欲出。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以歸納為以下4代。

（1）第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)

以視頻矩陣、分割器、錄像機為核心，系統(tǒng)采用視頻切換矩陣連網，多路數視頻光端機上傳視頻圖像，第一代技術成熟、信號清晰、可靠性高、市場認知程度較高。但需要大量類似于矩陣類的配套設備，建設與維護成本遠大于數字系統(tǒng)。由于采用同軸電纜，模擬監(jiān)控系統(tǒng)僅適合于小范圍的區(qū)域監(jiān)控。

（2）第二、三代數字遠程系統(tǒng)

2000年后硬盤錄像機（DVR）應用到模擬監(jiān)控系統(tǒng)中，開啟了數字化道路。2004年后數字視頻服務器（DVS）大量應用，其基于TCP/IP，實現視頻在網上傳輸和監(jiān)控系統(tǒng)內數據的切換、傳輸、存儲的數字化。數字監(jiān)控系統(tǒng)在組網方式上與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控和基于PC平臺的監(jiān)控方式有極大的不同，視頻服務器輸出已完成模擬到數字的轉換并壓縮，采用統(tǒng)一的協(xié)議在網絡上傳輸，支持跨網關、跨路由器的遠程視頻傳輸，方便在多種網絡環(huán)境下運行。由于采用身份認證、權限管理、痕跡保留和信源、信道及網絡加密等技術，系統(tǒng)的安全性遠高于傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)。但由于采用了數字編碼，其視頻質量、實時性相對不如模擬系統(tǒng)。

（3）第四代聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)

第四代聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)基于IP網實現大容量多級聯(lián)網，統(tǒng)一呼叫信令格式、視音頻媒體表示格式、控制與報警格式，采用流媒體技術實現視頻在網上傳輸。聯(lián)網監(jiān)控中心的所有原始數據和視頻圖像都來自于各分中心，在監(jiān)控中心實現資源共享。同時，聯(lián)網監(jiān)控中心為監(jiān)控分中心做數據備份，負責向監(jiān)控分中心下發(fā)路網統(tǒng)一時鐘，下達交通控制指令或建議，在緊急情況下，可接管監(jiān)控分中心的控制權，直接參與控制方案的執(zhí)行。

聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)是視頻監(jiān)控技術的發(fā)展趨勢，它可以使監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮應有的效率，最大限度地滿足對平安城市監(jiān)控系統(tǒng)的控制、監(jiān)督和指導。

2 數字編碼技術

一幅沒有經過壓縮的640 dpi×480 dpi大小的視頻圖像，數據量約為900 KB，而未經壓縮的相同幅面的視頻圖像傳輸速率高達175 Mbit/s。視頻壓縮技術的核心是利用人的視覺心理特性（如視覺暫留、大塊著色原理等）以及信息論的理論，去除視頻圖像中的信息冗余部分，達到數據壓縮的目的。

國際上音視頻編解碼標準主要有兩大系列：ISO/IEC JTC1制定的MPEG系列標準；ITU針對多媒體通信制定的H.26x系列視頻編碼標準和G.7系列音頻編碼標準。1994年由MPEG和ITU合作制定的MPEG-2是第一代音視頻編解碼標準的代表，也是目前國際上最為通行的音視頻標準。

經過10年多的演變，音視頻編碼技術本身和產業(yè)應用背景都發(fā)生了明顯變化，后起之秀輩出。目前，音視頻產業(yè)可以選擇的信源編碼標準有 4個：MPEG-2、MPEG-4、AVC（簡稱 AVC，也稱 JVT、H.264）、AVS。從制定者分，前3個標準由MPEG專家組完成，AVS是我國自主制定的。從發(fā)展階段分，MPEG-2是第一代信源標準，其余3個為第二代標準。從主要技術指標——編碼效率比較，MPEG-4是MPEG-2的1.4倍，AVS和AVC相當，都是MPEG-2的2倍以上。

由于音視頻編碼技術的革新，視頻監(jiān)控承載網技術也隨之不斷演進，從非壓縮的模擬、數字承載技術演變到壓縮編碼的數字承載技術，下面的章節(jié)將進一步作闡述。

3 模擬承載技術

模擬承載采用PFM調制技術實時傳輸圖像信號，是早些年第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)常用的承載技術。發(fā)射端將模擬視頻信號先進行PFM調制，再進行電—光轉換，光信號傳到接收端后，進行光—電轉換，然后進行PFM解調，恢復出視頻信號。由于采用了PFM調制技術，其傳輸距離可以達到30 km左右，有些產品的傳輸距離可以達到80 km甚至上百千米。并且圖像信號經過傳輸后失真很小，具有很高的信噪比和很小的非線性失真。通過使用波分復用技術，還可以在一根光纖上實現圖像和數據信號的雙向傳輸，滿足監(jiān)控工程的實際需求。這種模擬光端機也存在一些缺點：如生產調試較困難；單根光纖實現多路圖像傳輸較困難，性能會下降；抗干擾能力差，受環(huán)境因素影響較大；由于采用的是模擬調制解調技術，其穩(wěn)定性不夠高，隨著使用時間的增加或環(huán)境特性的變化，光端機的性能也會發(fā)生變化，給工程的使用帶來一些不便。

4 非壓縮數字承載技術

非壓縮數字承載技術是第二、三代數字遠程系統(tǒng)常用的承載網技術，是將單路或多路模擬基帶的視頻、音頻、數據進行高分辨率數字化，形成高速數據流，然后將多路數字流進行復用，通過發(fā)射光端機進行發(fā)射。然后，通過另一端的接收光端機進行接收、解復用，恢復成各路數字化信號，再通過數字模擬變換恢復成模擬視頻、音頻、數據。非壓縮數字視頻光端機傳輸的信號有視頻、音頻、開關量、RS-485數據/RS-232數據 (優(yōu)選 RS-485數據)、以太網數據等。

數字視頻光端機相比模擬視頻光端機具有明顯的優(yōu)勢：如傳輸距離較長，可達80 km，甚至更遠（120 km）；支持視頻無損再生中繼，因此可以采用多級傳輸模式；受環(huán)境干擾較小，傳輸質量高；支持的信號容量可達16路，甚至更多（32路、64路、128路）等。非壓縮數字視頻傳輸系統(tǒng)如圖1所示。

5 編碼壓縮數字承載技術

編碼壓縮數字承載技術一般采用圖像壓縮技術，它能將活動圖像壓縮成N×2 Mbit/s的數據流通過標準電信通信接口傳輸或者直接通過光纖傳輸，是第三、四代視頻監(jiān)控系統(tǒng)的常用承載技術。由于采用了圖像壓縮技術，它能大大降低信號傳輸帶寬。表1給出了各類攝像機圖像信號經過編碼后的傳輸帶寬需求。

表1 各類編碼帶寬需求

對于編碼壓縮數字承載有兩種主要技術：一是通過點對點的方式采用光纖收發(fā)器/以太網交換機；二是通過點對多點的方式采用EPON技術。

（1）光纖收發(fā)器/以太網交換機承載方案

光纖收發(fā)器/以太網交換機承載方案如圖2所示。前端監(jiān)控攝像機分IPC數字和模擬攝像機，IPC攝像機內部已經過編碼，輸出的是數字信號（以太網電信號），模擬攝像機通過DVS數字編碼輸出數字信號（以太網電信號），再經過光纖收發(fā)器轉換成以太網光信號，經過光纖傳輸至局端多端口以太網交換機。

這一承載方案技術成熟，設備及網絡結構簡單，是前些年常用的一種承載方案。但該方案的缺點是：點對點的網絡結構，光纖資源消耗過大，前端一個攝像機通過光纖收發(fā)器傳輸就需要收/發(fā)一對光纖。

（2）PON 承載方案

PON承載方案如圖3所示。基于PON的FTTx是新一代光纖用戶接入網，用于連接電信運營商到終端用戶，采用光纖媒質代替部分或全程的傳統(tǒng)銅線媒質，將光纖從局端位置向用戶端延伸。目前，有兩種主流PON技術得到規(guī)模應用，一個是由ITU/FSAN制定的GPON標準，另一個是由IEEE 802.3ah工作組制定的EPON標準，上海電信目前以發(fā)展EPON為主。

EPON是一種新型的光纖接入網技術，它采用點到多點結構、無源光纖傳輸，在以太網上提供多種業(yè)務，它在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網協(xié)議，利用PON的拓撲結構實現了以太網的接入。因此，它具有低成本、高帶寬、擴展性強、靈活快速的服務重組、與現有以太網兼容等特性。EPON技術的基本特點主要有：OLT與ONU之間的信號傳輸基于IEEE 802.3以太網幀；傳輸線路速率下行和上行分別為 1 250 Mbit/s、1 250 Mbit/s，以MAC控制子層的 MPCP（multi point control protocol）機制為基礎，MPCP通過消息、狀態(tài)機和定時器來控制訪問P2MP的拓撲結構；P2P仿真子層是EPON/MPCP中的關鍵組件；邏輯分光比最大為1∶64；EPON下行采用廣播方式，上行采用TDMA的工作原理。

無論是EPON技術還是GPON技術均是以點到多點單纖雙向的方式進行傳輸。在平安城市視頻監(jiān)控項目實際網絡部署時，各監(jiān)控點攝像機輸出圖像信號（標清模擬固定攝像機經過DVS編碼器進模數轉換后）通過ONU設備接入PON，通過光分路器實現多點到點的傳輸。數字視頻流通過OLT設備上聯(lián)板卡的GE/10 GE端口連至分控中心監(jiān)控平臺交換設備。在平安城市承載網的實際項目中，PON方案非常適用于卡口高清固定攝像機、高清固定攝像機和標清模擬固定攝像機等的接入組網。

6 各種承載方案比較

綜上所述，從技術方案、建設運維成本等各方面綜合比較各種承載網技術，具體參見表2。

視頻光端機方案和交換機方案都是較為成熟的承載網技術，PON技術已經大規(guī)模應用在寬帶網FTTH/FTTB，在政企寬帶、專線、VPN有著廣泛的應用，可見PON已經是非常成熟的承載技術。由于PON采用的是點到多點的單纖雙向技術，通過光纖1∶32或者1∶64的分光可以同時接入幾十個遠端，光纜以及設備的投資將大幅減少。參考2011年某區(qū)平安城市項目投資，共計約500個高清攝像點位，采用PON點對多點承載方案與光纖收發(fā)器/以太網交換機點對點方案比較，光纜投資節(jié)省65%。因此，PON技術在建設成本和運維成本上有很大的優(yōu)勢。

由于PON的部署采用1級或2級分光的方式，對于平安城市視頻監(jiān)控的布點擴容非常便利，只需網絡做好規(guī)劃可從分光點增加尾纖的連接，擴容的網絡部署也非常快速靈活。

表2 各種承載方案對比

PON技術有著國際統(tǒng)一的標準體系，EPON為802.3ah、GPON為G.984，其運維管理體系相對于其他兩種承載技術更為標準化，甚至于PON設備可以實現不同廠家OLT與ONU的互聯(lián)互通，在統(tǒng)一網管下管理不影響端到端的運維管理。PON的標準體系在原有的以太網標準基礎上增加了很大一塊OAM的管理要求，進一步提升了PON的運維管理能力，如光鏈路測量和異常診斷、設備掉電告警、光鏈路保護等機制，這些功能都是其他承載網技術所缺乏的。

PON技術本身還在不斷地演進，其整體功能、性能、運維支撐系統(tǒng)的能力還在不斷提升。目前，主流的PON技術為EPON和GPON，未來演進方向分別為10 GEPON和X GPON，速率從GE、2.5 Gbit/s提高到10 Gbit/s。相對于其他兩種技術，PON的產業(yè)鏈環(huán)境更佳，更有利于技術的發(fā)展和成本的下降。因此，采用PON作為平安城市視頻監(jiān)控的主流承載技術是必然的趨勢。

7 PON承載需重點關注的問題

盡管PON承載平安城市監(jiān)控系統(tǒng)是最佳技術選擇，但在建設與運維中有以下幾方面的問題需重點考慮和關注。

（1）建設規(guī)劃方面

需著重考慮光分比、ODN距離長度、OLT局站設置點及覆蓋范圍。目前，無論是EPON還是GPON技術均已支持1∶32甚至1∶64的分光比，但是鑒于平安城市視頻業(yè)務的實時性、高帶寬性的特點，PON ODN的分光比不宜太高，建議采用1∶32的分光比。同時，考慮到初期視頻監(jiān)控點開通率不高(有后續(xù)擴容需求)、光纖管道資源不足等因素，宜采用二級分光方式，主要采用 1∶2/1∶16 和 1∶4/1∶8 靈活配置，根據前端視頻監(jiān)控點位密集情況在點位較密集區(qū)域選用 1∶2/1∶16 模式，在點位較稀疏區(qū)域使用 1∶4/1∶8 模式。此外，采用二級分光的架構在滿足網絡后續(xù)發(fā)展要求，節(jié)省了整體投資的同時，還有利于采用光功率檢測法進行ODN故障段落定位。在ODN距離方面，每臺PON OLT設備覆蓋半徑一般在5～10 km，若出現覆蓋范圍較廣、前端視頻監(jiān)控點至OLT超過10 km時，可以采用減少光分比，或OLT設備下沉的方式解決。OLT設置的局（站）應能適應未來網絡和業(yè)務發(fā)展的需要，具備便于設備擴容，提升用戶接入帶寬所需的各項條件，同時滿足網絡整體結構的長期穩(wěn)定性和區(qū)域結構的靈活性兩個要求。

（2）帶寬分配方面

由于視頻監(jiān)控上行流量的特殊性，還需規(guī)劃好帶寬流量。PON技術采用動態(tài)帶寬分配算法(DBA)進行上行帶寬的調度，根據PON ONU終端接入視頻監(jiān)控點的數量，可以配置不同的DBA模板滿足不同上行流量的需求，如配置保證帶寬35 Mbit/s、最大帶寬100 Mbit/s的DBA模板用于標清視頻監(jiān)控業(yè)務，采用保證帶寬60 Mbit/s、最大帶寬100 Mbit/s的DBA模板用于高清視頻監(jiān)控業(yè)務。同時通過控制OLT PON口內接入ONU的數量實現上行保證帶寬不超過900 Mbit/s。

（3）VLAN 規(guī)劃方面

按照全覆蓋的方式進行，確保為每個監(jiān)控點預留足夠的業(yè)務VLAN，以避免由于將來視頻監(jiān)控點擴容導致現有VLAN資源不足或需要對現有VLAN進行大幅調整的情況發(fā)生。由于平安城市業(yè)務滲透率高且有安全隔離的需求，應采用PUPSPV(per user per service per VLAN，每用戶每業(yè)務每VLAN)模式，但是由于VLAN資源消耗多，單層VLAN無法滿足需求，因此可以結合靈活QinQ技術進行VLAN資源的擴展。QinQ在PON OLT設備上開啟：QinQ域起于OLT，終結于監(jiān)控平臺交換設備。業(yè)務VLAN規(guī)劃原則為：外層SVLAN用于識別不同的視頻業(yè)務(如卡口業(yè)務、數字高清業(yè)務等)，內層CVLAN用于識別不同的用戶(即ONU終端)。為簡化ONU終端的VLAN配置則采用統(tǒng)一默認的VLAN規(guī)劃，如4端口ONU設備每個以太網端口統(tǒng)一配置為VLAN ID101～104。由OLT根據不同ONU設備進行VLAN轉換，轉換為CVLAN，再啟用QinQ根據不同業(yè)務配置外層SVLAN。

（4）安全性方面

由于平安城市視頻監(jiān)控安全性方面的特殊要求，為保證PON系統(tǒng)內數據的安全性，下行方向應啟用加密算法，OLT和ONU之間建立密鑰請求、密鑰生成、密鑰更新機制，使用密鑰對業(yè)務數據進行實時攪動。例如在EPON系統(tǒng)中可以三重攪動進行加密，密鑰長度為48 bit，密鑰總數為248。采用簡單窮舉法進行破譯需要的時間大大超過密鑰更新周期，因此具有較好的安全性。在GPON系統(tǒng)采用AES加密算法同樣具有很高的保密性。在PON系統(tǒng)內上行方向開啟合法ONU接入認證進一步保證系統(tǒng)的安全性。目前，OLT設備啟用基于ONU邏輯標識符的ONU認證方式，一旦邏輯標識符與局端OLT內保存的白名單不匹配便無法在PON系統(tǒng)內完成認證注冊，并且在ONU注冊后通過將邏輯標識符與PON口綁定，還可以保證ONU設備無法在其他PON口使用，進一步提高PON系統(tǒng)安全性。另外，為了防止非法監(jiān)控視頻攝像機接入PON，在PON系統(tǒng)內部還應啟用終端MAC地址綁定功能，在系統(tǒng)內部建立白名單，有效管理合法的終端(視頻攝像機)MAC地址。而一旦有非法視頻攝像機接入(即非法MAC地址接入)，將關閉接入的以太網端口，并上報告警。為了提高PON的安全性，PON系統(tǒng)還應開啟環(huán)路檢測功能、廣播風暴抑制功能，防止PON內產生環(huán)路風暴和廣播風暴。

（5）時延問題

現階段大量的前端標清模擬可控需求仍以非壓縮數字視頻光端機承載為主，主要原因是控制信號對于時延的要求非常高，一般要求在300 ms以下。視頻光端機是通過RS-485接口直接將控制信號傳輸至局端，如采用編碼壓縮數字承載技術，控制信號通過DVS編碼后通過以太網傳輸至局端，經測試時延在500 ms以上。一般PON承載網絡的時延在1～1.5 ms，主要的時延是在編碼上產生的，因此編碼技術降低時延是一個需要突破的重大問題。另外也可以考慮控制信號與業(yè)務信號分離的模式，即控制信號不經過編碼壓縮直接傳輸至控制平臺，這樣也可避免由于編碼技術帶來的時延。

（6）室外型 ONU

由于平安城市的前端設備一般都放置在室外，其對于環(huán)境如溫度、濕度、防雷有一定的要求。目前，在平安城市的應用中使用的ONU其溫度、濕度的標準如下：類別1，溫度-0℃～40℃，相對濕度 10%～90%（非凝結）；類別 2，溫度-30℃～40℃，相對濕度 10%～90%（非凝結）；類別 3，溫度-10℃～55℃，相對濕度 10%～90%（非凝結）。其中，SFU 應支持3種類別中的一種 （生產廠商往往按照類別1執(zhí)行），MDU應支持類別2、3的一種?？梢钥闯瞿壳癙ON的 SFU終端采用的標準僅能滿足室內使用的要求，遠遠不能滿足室外部署運行要求?？紤]到室外環(huán)境較為惡劣，加上北方和南方的溫度/濕度相差較大，因此室外型ONU需要適應南方夏季悶熱高溫和北方冰雪霜凍的惡劣條件，其溫度標準在低溫方面需要達到-30℃，高溫至少需要達到+60℃，濕度需滿足5%～95%濕度條件下無凝結。除此之外，充分考慮到野外供電環(huán)境的復雜性，室外型ONU應實現220 V交流電源接入或60 V交流電源接入兩種方式，并適應寬范圍的電壓波動。在電氣特性方面，室外ONU的電源接口和網口需有6 kV防雷能力，滿足山區(qū)或多雷地區(qū)的設備部署。特殊環(huán)境下還應具備帶防水套和鉸鏈等防水套設計。室外型ONU運行可靠性也是一個關鍵指標，其MTBF（平均無故障工作時間）至少應達到30 000 h，長時間運行30 000 h不應出現業(yè)務中斷或性能下降。

1 中國電信集團公司.EPON設備技術要求V3.0

2 中國電信股份有限公司上海分公司.基于EPON的FTTx寬帶接入網資源及業(yè)務配置規(guī)范