軌道交通高清視頻傳輸技術(shù)解讀：光纖傳輸添助力

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)是保證城市軌道交通行車組織和安全的重要手段。視頻監(jiān)控系統(tǒng)給地鐵運(yùn)營管理者、調(diào)度員和值班員提供一個(gè)直觀、實(shí)時(shí)、真實(shí)的現(xiàn)場圖像畫面。利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)視列車運(yùn)行、客流情況、變電所設(shè)備室設(shè)備運(yùn)行情況，是提高行車指揮透明度的輔助通信工具。

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)承載了軌道交通系統(tǒng)中關(guān)鍵的視頻信息記錄、緊急情況的處理，替代了大量的人力。其故障將引起系統(tǒng)的混亂或關(guān)鍵信息的丟失，給軌道交通運(yùn)輸造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中就有發(fā)生過因視頻監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，影響到軌道交通故障的處理，影響到地鐵公安的辦案。因此，軌道交通系統(tǒng)對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提出了極為嚴(yán)格的要求。傳輸系統(tǒng)作為視頻網(wǎng)絡(luò)高清傳輸中的關(guān)鍵部分，傳輸方式和傳輸技術(shù)嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。本文對軌道交通高清視頻方案的傳輸技術(shù)進(jìn)行列舉和總結(jié)。

　　1.雙絞線網(wǎng)絡(luò)傳輸

　　雙絞線網(wǎng)絡(luò)傳輸是目前最常見的一種網(wǎng)絡(luò)高清視頻傳輸方式，在各行各業(yè)都有應(yīng)用。雙絞線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)劣勢都很明顯，優(yōu)勢在于布線方便、總體造價(jià)低、可同時(shí)為攝像機(jī)提供電源。劣勢也有很多，如傳輸距離過短、傳輸抗干擾能力弱、可靠性低、需要考慮防雷等。

　　在軌道交通最常見場景——車站中，車站的攝像機(jī)到機(jī)房的距離90%左右是超過100米的。如采用雙絞線網(wǎng)絡(luò)傳輸，必須使用接入交換機(jī)或前置交換機(jī)。

　　因車站的環(huán)境相對機(jī)房環(huán)境惡劣很多，在車站內(nèi)建議使用工業(yè)級交換機(jī)進(jìn)行設(shè)備接入。但采用了接入交換機(jī)的方案中，會造成網(wǎng)絡(luò)管理的難度提高，工業(yè)交換機(jī)的造價(jià)過高、網(wǎng)絡(luò)防雷防浪涌導(dǎo)致的成本增加，雙絞線會因?yàn)檠趸鴮?dǎo)致可靠性的降低。

　　目前部分建設(shè)較早的軌道交通項(xiàng)目使用雙絞線傳輸。

　　2.光纖直連傳輸

　　光纖傳輸漸漸在軌道交通行業(yè)中開始普及開來。光纖傳輸能夠解決傳輸距離只有100米的問題，傳輸距離完全足夠站點(diǎn)、車輛段使用，能夠解決可靠性較低的問題。光纖使用二氧化硅材料避免了因氧化造成的可靠性的降低，同樣避免了雷擊、浪涌等電磁干擾。

　　光纖傳輸目前也存在有多種方式，通常RG45網(wǎng)口的攝像機(jī)使用光纖傳輸，需要多個(gè)設(shè)備進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。具體如下圖。攝像機(jī)到后端交換機(jī)需要2臺光電轉(zhuǎn)換設(shè)備。

　　普通攝像機(jī)光傳輸鏈路

　　大華股份為了簡化傳輸鏈路，減少傳輸中的中間節(jié)點(diǎn)，推出了光纖高清攝像機(jī)，攝像機(jī)可直接插入SFP模塊。具體如下圖，光纖可使用SFP模塊直接連接到后端的光口交換機(jī)。減少了中間的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，較少了故障節(jié)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　光纖攝像機(jī)光傳輸鏈路

　　使用光纖高清攝像機(jī)還具有抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，對于地鐵項(xiàng)目，由于機(jī)車的動力電源遠(yuǎn)高于市電。電磁干擾強(qiáng)很多，極易對網(wǎng)絡(luò)信號產(chǎn)生干擾，通過光纖傳輸，傳輸?shù)氖枪庑盘?，能夠有效避免電磁干擾，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

　　SFP模塊(Small Form-factor Pluggables：小封裝可插拔收發(fā)器)，是將千兆/百兆位電信號轉(zhuǎn)換為光信號的接口器件。SFP設(shè)計(jì)上可以為熱插拔使用。SFP是一種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的可互換產(chǎn)品。在軌道交通行業(yè)中的攝像機(jī)通常使用的單模單纖SFP模塊。

　　交換機(jī)接口密度也是影響光纖直接接入的一個(gè)因素。每個(gè)攝像機(jī)直接連接到交換機(jī)，相應(yīng)的交換機(jī)需要有足夠的SFP接口和攝像機(jī)連接。這就要去交換機(jī)需要有較高的接口密度。目前的交換機(jī)可以達(dá)到整體最大400個(gè)SFP或1U上48個(gè)SFP接口的密度。能夠支持單個(gè)車站所以攝像機(jī)的點(diǎn)對點(diǎn)接入。

　　目前大多軌道交通項(xiàng)目采用光纖傳輸，如杭州地鐵、南京地鐵、武漢地鐵等。

　　3.PON光纖傳輸

　　PON(Passive Optical Network：無源光纖網(wǎng)絡(luò))以組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、簡化網(wǎng)絡(luò)層次等優(yōu)越性，為多個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)提供的先進(jìn)的動力和技術(shù)支撐。但由于其節(jié)點(diǎn)多、覆蓋面廣等諸多因素，如果我們在使用中不能合理運(yùn)用，會給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來很大的危害。目前FTTH(Fiber To The Home：光纖入戶)等接入技術(shù)大多使用PON技術(shù)。但PON是否適合使用在軌道交通行業(yè)。還需要具體分析。

　　PON系統(tǒng)由多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)，一個(gè)光線路終端(OLT)和一個(gè)或多個(gè)分光器組成(見下圖)。在下行方向，OLT所發(fā)送的信號廣播到所有的ONU上。在上行方向，采用TDMA多址接入技術(shù)，多個(gè)ONU的上行信息組成一個(gè)TDM信息流傳送到OLT。

　　PON技術(shù)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸示意圖

　　數(shù)據(jù)從OLT到多個(gè)ONU以廣播式下行(時(shí)分復(fù)用技術(shù)TDM)，當(dāng)數(shù)據(jù)信號到達(dá)ONU時(shí)，ONU在物理層上做判斷，接收給它自己的數(shù)據(jù)幀，摒棄那些給其它ONU的數(shù)據(jù)幀。

　　對于安全性的考慮。上行方向，ONU不能直接接收到其它ONU上行的信號，所以O(shè)NU之間的通信，都必須通過OLT。

　　成本上，PON技術(shù)在大范圍的接入有很大的優(yōu)勢，因分光的原理，能夠節(jié)約大量的光纖資源。但對于軌道交通中站點(diǎn)的視頻監(jiān)控應(yīng)用，大多數(shù)的視頻接入點(diǎn)都在400米以內(nèi)，對于光纖的節(jié)約量非常有限。而對于軌道交通中站點(diǎn)的視頻監(jiān)控應(yīng)用，由于區(qū)間距離較長，光纖的節(jié)約量較大，目前常用PON技術(shù)或環(huán)網(wǎng)交換技術(shù)。PON技術(shù)采用PON組網(wǎng)減少了OLT線卡的使用數(shù)量，但是OLT線卡價(jià)格高于交換線卡，所以交換機(jī)星型組網(wǎng)與PON組網(wǎng)在成本上是差別不大的。因攝像機(jī)采用PON技術(shù)增加的成本和光纖的節(jié)約量也基本持平。

　　可靠性上，PON采用總線型結(jié)構(gòu)，如果OLT端的總線出現(xiàn)了發(fā)生了鏈路中斷，則該P(yáng)ON口下，所有IPC的連接會發(fā)生中斷，可靠性較低。如采用全交換的星型網(wǎng)絡(luò)如光纖直連傳輸，光纖中斷僅有一路IPC會受到影響，對整個(gè)系統(tǒng)影響很小。

　　安全上，PON技術(shù)也存在較多問題，目前的正在通過技術(shù)手段進(jìn)行規(guī)避但交換組網(wǎng)會有更好的解決方案。

　　a) PON可對于接入設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。如不符合要求的設(shè)備進(jìn)行接入，會被拒絕接入。在交換組網(wǎng)上也有類似的技術(shù)，如用戶安全準(zhǔn)入系統(tǒng)，可支持對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入認(rèn)證。

　　b) PON的上行采用時(shí)分復(fù)用。在安全性存在較嚴(yán)重問題，分光器對各個(gè)鏈路沒有限制，如果分光器上接一個(gè)外來發(fā)光設(shè)備，持續(xù)發(fā)光，整條PON鏈路上的數(shù)據(jù)都會受到干擾，該P(yáng)ON口下都無法正常通信，影響大批攝像機(jī)。

　　c) PON的下行采用廣播方式。每個(gè)ONU通過區(qū)分LLID來判斷是否為自己的數(shù)據(jù)幀，如果不是則丟棄。但下行數(shù)據(jù)包為廣播方式分發(fā)，意味著每個(gè)ONU都可以收到下行的報(bào)文，通過修改ONU芯片信息可以做到接受所有數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)下行數(shù)據(jù)的竊取

　　d) PON組網(wǎng)較交換組網(wǎng)在協(xié)議支持上有缺陷。目前還沒有廠家在PON設(shè)備上支持所有的交換組網(wǎng)協(xié)議。如在802.1x上PON網(wǎng)絡(luò)支持的比較簡單，僅為CHAP/EAP認(rèn)證，但交換機(jī)廠商通常會做得更多(如：與以下相關(guān)協(xié)議聯(lián)動 port based、mac based、動態(tài)vlan下發(fā)、動態(tài)acl下發(fā)、guest vlan，旁路MAC認(rèn)證，認(rèn)證失敗端口跳轉(zhuǎn)指定vlan)等。

　　綜上所述，PON技術(shù)目前在發(fā)展的高峰時(shí)期。雖然少數(shù)項(xiàng)目在軌道交通使用了PON技術(shù)，但就各方面分析后，在軌道交通的站點(diǎn)視頻監(jiān)控并不是PON應(yīng)用的最好場景。PON技術(shù)在軌道交通的區(qū)間監(jiān)控上會有較大的發(fā)展。

　　4.同軸電纜傳輸

　　同軸電纜傳輸是模擬視頻信號最常使用的傳輸方式?，F(xiàn)在隨著高清技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)廠家也提出了通過同軸電纜傳輸高清信號的技術(shù)。同軸電纜傳輸高清技術(shù)在原軌道交通站點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)清改造高清有重要的意義，能夠避免線路的更換，只進(jìn)行設(shè)備的替換就能達(dá)到高清的效果。

　　大華股份推出的HDCVI技術(shù)能夠?qū)?080P信號在75-5同軸電纜上傳輸400米的距離，能夠滿足站點(diǎn)視頻監(jiān)控的需求。

　　目前大華的HDCVI技術(shù)有延時(shí)低、傳輸距離長、可同時(shí)傳輸控制信號等優(yōu)點(diǎn)。

　　軌道交通車站HDCVI高清視頻監(jiān)控拓?fù)鋱D

　　車站的HDCVI攝像機(jī)使用同軸電纜傳輸?shù)胶蠖说腍DCVI編碼器。使用HDCVI編碼器將高清信號編碼然后通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行存儲或供調(diào)用。

　　通過同軸電纜傳輸是目前軌道交通站點(diǎn)標(biāo)清視頻監(jiān)控進(jìn)行高清改造的優(yōu)秀方案。能夠降低成本、減少工期、便于實(shí)施。

　　總結(jié)

　　本文對軌道交通網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控領(lǐng)域用到的雙絞線傳輸、光纖直連傳輸、PON光纖傳輸、同軸電纜傳輸四種傳輸方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。分析了四種傳輸方式在軌道交通中使用的優(yōu)勢和劣勢。指導(dǎo)了軌道交通網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控傳輸技術(shù)的選擇。