CN103327422A - 一种用于视频监控的低成本无源光网络 - Google Patents

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一种用于视频监控的低成本无源光网络，适用于点对多点星形、树形拓扑建网并要求低成本的视频监控网络。网络采用1550nm中心波长的光信号进行时分双工通信，OLT发送的下行光携带少量控制数据，大部分为空载，ONU利用RSOA反射式半导体光放大器调制上行视频等数据；多个ONU之间利用TDMA接入，且上行带宽相对固定的分配方式；各种控制帧和视频帧（ITU-R的BT.656标准，分辨率为4CIF(704*576)格式非压缩视频码流）都以IEEE802.3以太网格式封装。

Description

一种用于视频监控的低成本无源光网络
技术领域
本发明涉及一种用于多前端视频监控信号传输的无源光网络（Passive Optical Network，PON）方案，适用于点对多点星型、树型拓扑建网并要求低成本的视频监控网络。
背景技术
随着现代城市建设“平安城市”的安全需求，视频监控越来越凸显其重要性。通常一个片区的监控点有数百个甚至上千个，要保证职能部门能在第一时间掌握实时、清晰高品质的视频图像，就凸现出光纤资源的紧张。PON（无源光网络）技术能够很好地解决这一问题，能充分发挥光纤的带宽优势、解决光纤资源紧张、提高网络的健壮性。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端（OLT），多个安装于用户场所的光网络单元（ONU）以及在OLT与ONU之间包含了光纤以及无源分光器或者耦合器的光配线网（ODN）。无源光网络从中心到驻地网之间不存在任何有源器件，取而代之的是将无源光器件，使得用户不再需要向传输环路中的有源器件供能和保养，大大节约了建网成本和维护成本。PON技术已被证明是当前综合宽带接入中非常经济有效的方式，目前常用的是EPON和GPON。
以EPON为例，采用点到多点拓扑结构，下行（OLT到ONU）和上行（ONU到OLT）分别通过TDM和TDMA方式传输数据。网络上下行传输速率都在1Gbps左右，由多个用户共享。由于EPON设计的目的是为了方便用户的一般数据接入，对于视频监控传输并没有特别的优化，主要表现在以下方面：
（1）EPON初衷是为了正常的对称双工通信，但视频监控系统近似于单工传输，多个前端（ONU）将视频数据发送到中心监控点（或者汇聚点）（OLT），中心监控点发送少量控制数据到前端，即网络中下行数据很少，基本是控制数据；上行数据量大，基本是视频数据。因此造成当EPON用于视频监控系统时下行带宽的浪费和不必要的系统成本：比如ONU中必须有激光光源进行上行传输，OLT的上行接收电路必须采用动态阈值调整电路，以适应不同ONU的发送功率。
（2）EPON的上行带宽分配是采用DBA动态分配算法，算法由厂家具体实现。然而视频前端的数据带宽一般比较稳定，压缩视频数据码率在2Mbps-20Mbps，非压缩视频数据码率在100Mbps左右。因此必然会带来算法的浪费和多余的成本。
（3）EPON的用户数据是封装在以太帧、IP包、TCP/UDP包中，开销较大，对视频数据的带宽影响较大。且EPON对视频的传输质量QoS没有约束。
总之，将EPON或者GPON用于视频监控的传输，系统总体实现成本较高且性能无法得到很好的保障。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种性能可靠且成本较低的用于视频监控的低成本无源光网络。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提出一种用于视频监控的低成本无源光网络，其特征在于：网络拓扑是星型或者树型结构，包括一个光线路终端OLT，所述的OLT网络光端口通过单根G.652光纤连接到一个或多个无源光分束器的合光端口，无源光分束器再通过分光端口的多根G.652光纤连接到多个光网络单元ONU的光端口或者其他无源光分束器的合光端口，所述的ONU通过单根G.652光纤连接到无源光分束器的一个分光端口。
所述的OLT内部结构是脉冲发生器的电信号输出连接到Mach-Zehnder调制器电接口，1550nm连续激光源输出光连接到MZ调制器的光输入接口，MZ调制器光输出接口连接到光环行器端口1。光环行器端口2连接到网络端口，端口3连接到上行光探测器，并依此通过滤波器、数字判决器。采用分时双工通信：当下行通信时，下行数字序列（控制信息）通过脉冲发生器生成NRZ脉冲，将1550nm的连续激光源通过MZ调制器产生下行信号输入到光环行器输出到光纤；上行通信时，脉冲发生器产生恒‘1’直流，MZ调制器产生空载波到光环行器再输出到光纤，经过上行调制后的上行光信号从光纤中经光环行器进入到探测器和滤波器后进行数字判决接收恢复数字序列（视频数据）。
所述的ONU内部结构是光网络端口连接到1:2光分束器合光端口，分束器的两个分光端口分别连接下行探测器和反射式半导体光放大器RSOA，探测器的输出端口连接到滤波器，再连接到数字判决器，RSOA的电输入端口连接脉冲发生器。当下行通信时，进入下行探测器的信号依此通过滤波器和数字判决器从而恢复下行数字序列（控制信息）；上行通信时，进入反射放大器的信号经上行数字序列（视频数据）产生的NRZ脉冲调制后反射回分束器和网络端口并最终回到OLT。
多个ONU之间以TDMA时分多址接入方式依次发送上行视频数据，并采用固定的上行带宽分配方式：多个ONU视频前端平均分享上行带宽。OLT在每周期（125us）开始前根据当前激活（指已注册并在上个周期中报告带宽）的ONU数量N，计算出该周期每个ONU的上行带宽=上行总带宽Bu/N=(链路总带宽B-下行带宽Bd)/N。其中下行带宽Bd由OLT根据当前下行数据队列状态动态调整。
网络采用IEEE802.3以太网帧格式封装的控制帧、视频帧和其他帧。所述的控制帧格式在IEEE802.3MAC控制帧格式上增加了时间戳字段，包括开窗帧、注册帧、注册请求帧、注册确认帧、注销帧类型；所述的视频帧在IEEE802.3数据帧格式基础上增加了视频类型、色度、奇偶场、行号、偶校验、时间戳字段，支持ITU-R的BT.656标准，分辨率为4CIF(704*576)格式非压缩视频码流。
本发明的技术构思为：提出了一种用于视频监控的低成本无源光网络架构，网络采用1550nm中心波长的光信号进行分时双工通信，下行光携带少量控制数据，大部分为空载，上行利用RSOA反射式半导体光放大器调制视频等数据，多个ONU之间利用TDMA接入。
本发明的有益效果为：网络ONU端不需要激光器，节省了网络成本，降低了ONU的功耗；ONU上行带宽较为固定，更适合视频监控的实际需求，OLT端动态带宽分配DBA算法可以不需要，简化了软件设计；网络具有良好的升级性，利用WDM（加入1310nm）技术可扩展带宽；RSOA的加入可以改善上行信号的传输距离。以太网封装格式适合在不同网络中传输。
附图说明
图1为本发明系统总体架构示意图（星形拓扑为例）
图2为本发明OLT的内部功能模块连接示意图
图3为本发明ONU的内部功能模块连接示意图
图4为本发明OLT端口发射光频谱仿真图（中心波长1550nm，平均功率为0dBm，仿真软件Optisystem7.0）
图5为本发明ONU端口反射光频谱仿真图（网络分支比1:16，传输距离20km，仿真软件Optisystem7.0）
图6为本发明下行信号眼图和误码率仿真图（网络分支比1:16，传输距离20km，速率10Gbps，仿真软件Optisystem7.0）
图7为本发明上行信号眼图和误码率仿真图（网络分支比1:16，传输距离20km，速率2Gbps，仿真软件Optisystem7.0）
图8为本发明网络控制帧格式示意图
图9为本发明网络视频帧格式示意图
图10为本发明网络上下行带宽分配示意图（ONU数量N=3为例）
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。假设网络中ONU的数量有N个（N=16、32、64、128等）。
一种用于视频监控的低成本无源光网络，其特征在于：网络拓扑是星型或者树型结构，包括一个光线路终端OLT，所述的OLT网络光端口通过单根G.652光纤连接到一个或多个无源光分束器的合光端口，无源光分束器再通过分光端口的多根G.652光纤连接到多个光网络单元ONU的光端口或者其他无源光分束器的合光端口，所述的ONU通过单根G.652光纤连接到无源光分束器的一个分光端口。
所述的OLT内部结构是脉冲发生器的电信号输出连接到Mach-Zehnder调制器电接口，1550nm连续激光源输出光连接到MZ调制器的光输入接口，MZ调制器光输出接口连接到光环行器端口1。光环行器端口2连接到网络端口，端口3连接到上行光探测器，并依此通过滤波器、数字判决器。采用分时双工通信：当下行通信时，下行数字序列（控制信息）通过脉冲发生器生成NRZ脉冲，将1550nm的连续激光源通过MZ调制器产生下行信号输入到光环行器输出到光纤；上行通信时，脉冲发生器产生恒‘1’直流，MZ调制器产生空载波到光环行器再输出到光纤，经过上行调制后的上行光信号从光纤中经光环行器进入到探测器和滤波器后进行数字判决接收恢复数字序列（视频数据）。
所述的ONU内部结构是光网络端口连接到1:2光分束器合光端口，分束器的两个分光端口分别连接下行探测器和反射式半导体光放大器RSOA，探测器的输出端口连接到滤波器，再连接到数字判决器，RSOA的电输入端口连接脉冲发生器。当下行通信时，进入下行探测器的信号依此通过滤波器和数字判决器从而恢复下行数字序列（控制信息）；上行通信时，进入反射放大器的信号经上行数字序列（视频数据）产生的NRZ脉冲调制后反射回分束器和网络端口并最终回到OLT。
多个ONU之间以TDMA时分多址接入方式依次发送上行视频数据，并采用固定的上行带宽分配方式：多个ONU视频前端平均分享上行带宽。OLT在每周期（125us）开始前根据当前激活（指已注册并在上个周期中报告带宽）的ONU数量N，计算出该周期每个ONU的上行带宽=上行总带宽Bu/N=(链路总带宽B-下行带宽Bd)/N。其中下行带宽Bd由OLT根据当前下行数据队列状态动态调整。
网络采用IEEE802.3以太网帧格式封装的控制帧、视频帧和其他帧。所述的控制帧格式在IEEE802.3MAC控制帧格式上增加了时间戳字段，包括开窗帧、注册帧、注册请求帧、注册确认帧、注销帧类型；所述的视频帧在IEEE802.3数据帧格式基础上增加了视频类型、色度、奇偶场、行号、偶校验、时间戳字段，支持ITU-R的BT.656标准，分辨率为4CIF(704*576)格式非压缩视频码流。
网络第一次启动或者有新的ONU加入网络时，启动ONU的自动注册流程：
（1）OLT每隔1s向系统广播发送目的地址为广播LLID（全零）的开窗帧，并根据系统内距离最远的ONU确定开窗大小。开窗帧的发送是否开启有网管决定。OLT发送注册开窗后，等待ONU的应答，一旦发现有ONU应答，则到步骤（2）；如果没有应答，那么1s后重新发送，当OLT收到网管的停止加入的信息后，就停止发送开窗帧。
（2）OLT接收到ONU发出的注册请求帧后，为该ONU分配ONU ID，然后向该ONU发送注册帧，目的MAC地址指向该ONU。只有当OLT在同一个注册开窗内收到唯一一个ONU的注册请求帧时，OLT才对此注册请求帧进行处理，否则将不作任何处理。若有多个ONU需要注册，则利用二进制指数倒退方式回避竞争，ONU错过了本次注册窗口只能等待下次窗口。
（3）在发送了注册帧后，OLT为注册确认帧发送注册确认帧授权（带宽授权），并等待该ONU发出的注册确认帧，该授权在OLT认为ONU注册失败前始终有效。如果OLT在发出注册确认帧授权后50ms内没有收到该ONU发出的注册确认帧，那么OLT认为注册失败，向该ONU发送要求其重新注册的信息。
（4）新ONU收到注册帧后，用新分配的ONU LLID覆盖原来的ONU LLID，同时等待OLT的注册确认帧授权以发送注册确认帧，通知OLT新ONU ID刷新成功，同时等待最小带宽授权。如果ONU在发送了注册确认帧后，100ms内还没有收到OLT发出的最小带宽授权，那么ONU认为自己注册失败，ONU ID自动复位，重新等待注册授权。
（5）OLT在发送注册确认帧授权后的50ms内收到ONU的注册确认帧，那么OLT认为该ONU刷新ONU ID完成，该ONU注册成功，否则认为ONU注册失败。
ONU注销时，在正常上行数据帧中发送注销帧，OLT收到后核对信息，重新分配所有的ONU上行带宽，在下行帧中广播，注销的ONU收到广播后停止工作。
参照图1，本发明的网络总体架构，以星形拓扑为例，1个OLT通过G.652单光纤连接到1个1：N分光器，分光器通过N根G.652光纤连接到N个ONU，从而实现一对多的PON网络。其中OLT设备具有下行发射器（含光源）和上行接收器模块，ONU设备具有下行接收器和反射放大器模块（无光源）。下行数据主要是控制信息，而上行数据则主要是视频数据和其他数据（音频、报告等）。
参照图2，OLT的内部详细模块图，下行数字序列通过脉冲发送器生成NRZ脉冲，将1550nm的连续激光源通过Mach-Zehnder调制器产生下行信号输入到光环行器输出到光纤。而上行光信号从光纤中经光环行器进入到探测器（如PIN二极管）和滤波器后进行数字判决接收恢复数字序列。由于采用时分双工方式，当网络进行上行通信时，下行信号为空载波，也即下行数字序列变成全‘1’序列。
参照图3，ONU的内部详细模块图，下行信号从光纤中经1:2分束器分别进入下行接收器和反射放大器。进入下行接收器的信号经探测器（如PIN二极管）和滤波器后进行数字判决接收恢复数字序列；进入反射放大器的信号经上行数字序列产生的NRZ脉冲调制后反射进入光纤。
参照图4，OLT端口发射光频谱仿真图，单纵模连续激光器中心波长1550nm，平均功率为0dBm，线宽100MHz，仿真软件为Optisystem7.0。
参照图5，下行空载波信号（图4的频谱）经过网络分支比1:16的分支器和距离20km的G.652光纤（损耗为0.2dB/km）传输，再经过RSOA反射放大后ONU端口反射光频谱仿真图，仿真软件为Optisystem7.0。
参照图6，下行数据速率为10Gbps的伪随机序列，调制到下行光信号中，经过网络分支比1:16的分支器和距离20km的G.652光纤（损耗为0.2dB/km）传输、1:2分束器分光进入探测器（PIN二极管以及滤波器后得到的信号眼图和误码率仿真图，仿真软件为Optisystem7.0。
参照图7，上行数据速率为2Gbps的伪随机序列，利用RSOA调制到下行空载波光信号中，经过网络分支比1:16的分支器和距离20km的G.652光纤（损耗为0.2dB/km）传输、探测器（PIN二极管以及滤波器后得到的信号眼图和误码率仿真图，仿真软件为Optisystem7.0。
参照图8，网络控制帧格式示意图，以IEEE802.3格式为基础封装，Type字段为固定的0x8808，表示为MAC控制帧类型。接着是1字节的代码字段，定义了暂停帧、开窗帧、注册帧、注册请求帧、注册确认帧、注销帧。然后是4字节的时间戳域，用来进行OLT-ONU之间的RTT测量和时间同步。数据域从41字节到1495字节不等。最后是CRC32的数据校验，校验范围为全帧，生成式与802.3的定义一致。
参照图9，网络视频帧格式示意图，以IEEE802.3格式为基础封装，Length字段为帧的数据字节长度。支持ITU-R B.656标准，分辨率为4CIF(704*576)格式非压缩视频码流。接着是2字节的代码字段，由2bit类型、1bit色度、1bit奇偶场、9bit行号、1bit偶校验组成，其详细含义见图，偶校验范围为代码字段。然后是4字节的时间戳域，用来进行OLT-ONU之间的RTT测量和时间同步。数据域从40字节到1494字节不等。最后是CRC32的数据校验，校验范围为全帧，生成多项式与802.3的定义一致。
参照图10，网络上下行带宽分配示意图，在每个传输周期（125us）开始前OLT根据当前激活（指已注册并在上个周期中报告带宽）的ONU数量N，计算出该周期每个ONU的上行带宽=上行总带宽Bu/N=(链路总带宽B-下行带宽Bd)/N。以ONU数量N=3为例，周期内下行带宽所占时隙为1/10，而剩余时隙则为9/10，平均分配给3个ONU，每个ONU所占时隙为3/10。
本发明提出了一种用于视频监控的低成本无源光网络，能够在符合视频监控需求的条件下实现较低成本的网络传输，并具有良好的升级性和扩展性，对于需要大规模布置视频监控光网络的场合具有较好的应用价值。

Claims (3)

1.一种用于视频监控的低成本无源光网络，其特征在于：网络拓扑是星型或者树型结构，包括一个光线路终端OLT，所述的OLT网络光端口通过单根G.652光纤连接到一个或多个无源光分束器的合光端口，无源光分束器再通过分光端口的多根G.652光纤连接到多个光网络单元ONU的光端口或者其他无源光分束器的合光端口，所述的ONU通过单根G.652光纤连接到无源光分束器的一个分光端口；
所述的OLT内部结构是脉冲发生器的电信号输出连接到Mach-Zehnder调制器电接口，1550nm连续激光源输出光连接到MZ调制器的光输入接口，MZ调制器光输出接口连接到光环行器端口1；光环行器端口2连接到网络端口，端口3连接到上行光探测器，并依此通过滤波器、数字判决器；采用分时双工通信：当下行通信时，下行数字序列通过脉冲发生器生成NRZ脉冲，将1550nm的连续激光源通过MZ调制器产生下行信号输入到光环行器输出到光纤；上行通信时，脉冲发生器产生恒‘1’直流，MZ调制器产生空载波到光环行器再输出到光纤，经过上行调制后的上行光信号从光纤中经光环行器进入到探测器和滤波器后进行数字判决接收恢复数字序列；
所述的ONU内部结构是光网络端口连接到1:2光分束器合光端口，分束器的两个分光端口分别连接下行探测器和反射式半导体光放大器RSOA，探测器的输出端口连接到滤波器，再连接到数字判决器，RSOA的电输入端口连接脉冲发生器；当下行通信时，进入下行探测器的信号依此通过滤波器和数字判决器从而恢复下行数字序列；上行通信时，进入反射放大器的信号经上行数字序列产生的NRZ脉冲调制后反射回分束器和网络端口并最终回到OLT。
2.如权利要求1所述的一种用于视频监控的低成本无源光网络，其特征还包括：所述的光网络单元ONU有多个，ONU之间以TDMA时分多址接入方式依次发送上行视频数据，并采用固定的上行带宽分配方式，多个ONU视频前端平均分享上行带宽。OLT在每周期开始前根据当前激活的ONU数量N，计算出该周期每个ONU的上行带宽=上行总带宽Bu/N=(链路总带宽B-下行带宽Bd)/N；其中下行带宽Bd由OLT根据当前下行数据队列状态动态调整。
3.如权利要求1或2所述的一种用于视频监控的低成本无源光网络，其特征还包括：网络采用IEEE802.3以太网帧格式封装的控制帧、视频帧和其他帧；所述的控制帧格式在IEEE802.3MAC控制帧格式上增加了时间戳字段，包括开窗帧、注册帧、注册请求帧、注册确认帧、注销帧类型；所述的视频帧在IEEE802.3数据帧格式基础上增加了视频类型、色度、奇偶场、行号、偶校验、时间戳字段，支持ITU-R的BT.656标准，分辨率为4CIF(704*576)格式非压缩视频码流。
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