樓宇智能化全光融合解決方案最新版本.doc

樓宇智能化全光融合解決方案XX省電信有限公司XX市分公司2007年4月目 錄一.前言3二.需求分析3三.各類樓宇弱電子系統(tǒng)43.1.典型弱電系統(tǒng)舉例43.1.1.門禁系統(tǒng)43.1.2.可視對講系統(tǒng)53.1.3.視頻監(jiān)控系統(tǒng)63.1.4.其他弱電系統(tǒng)63.2.功能實現(xiàn)特點73.3.組網特點73.4.通信接口及支持的協(xié)議8四.無源光網絡簡介94.1.技術簡介94.2.EPON設備介紹9五.全光融合解決方案115.1.拓撲結構及通訊方式115.2.帶寬能力及應用領域125.3.所支持的接口125.4.如何融合125.4.1.融合的范疇125.4.2.融合的基礎135.4.3.解決方案13（1）額外開銷15（2）末端接入16（3）安全機制16六.融合成本控制16七.成功案例177.1.案例介紹177.2.效益分析17一. 前言樓宇智能化是現(xiàn)代通信技術和計算機技術相結合的產物。簡單來講，樓宇智能化即指以樓宇綜合布線為基礎，通過系統(tǒng)集成方法，將通信技術與計算機技術進行有機的結合，實現(xiàn)對樓宇智能化設備和信息資源的管理，實現(xiàn)樓宇與樓宇使用者之間的互動，最終為樓宇使用者提供舒適、便利、靈活、高效和安全的居住、工作環(huán)境的一項綜合化系統(tǒng)集成技術。樓宇智能化涵蓋了以下三個方面：辦公自動化系統(tǒng)（OAS）、通信自動化系統(tǒng)（CAS）和樓宇自動化系統(tǒng)（BAS），本文討論的范圍僅僅是限于在后兩個系統(tǒng)的范疇內進行的。二. 需求分析樓宇智能化的需求普遍存在，例如樓宇或者小區(qū)安全防范的需求在物管公司和廣大業(yè)主看來都認為是不可或缺的。而視頻監(jiān)控、可視對講、門禁、電子巡更、紅外線對射安防、一卡通、有線電視、IPTV、無線網絡等弱電系統(tǒng)都是構建樓宇智能化的重要組成。樓宇智能化同時可以為開發(fā)商提高自身樓盤檔次，為樓盤增值，增加樓盤在競爭日益激烈的市場中的受關注程度，從而進一步拓展市場份額。但是隨著線纜原材料價格的不斷攀升，諸多的弱電系統(tǒng)在樓宇內一次又一次的重復布線，導致實現(xiàn)樓宇智能化的成本急劇上升。數(shù)量繁多的網絡布線也給樓宇管理維護帶來極大的不便，并且為以后網絡系統(tǒng)的升級以及追加新的弱電子系統(tǒng)等擴容工程埋下隱患。從維護管理的角度來看，令人眼花繚亂的布線系統(tǒng)使得故障發(fā)生后無從下手去查判原因和解決問題；從利用現(xiàn)有資源的角度來看，由于大多數(shù)弱電系統(tǒng)各走各網，無法利用已經建好的綜合布線系統(tǒng)，最后導致整棟樓宇的管網資源不足，需重新鋪設管線，無形中增加了擴容子系統(tǒng)的投資，也影響了樓宇內部的美觀整潔。樓宇智能化讓投資者望而卻步，進而紛紛對智能化是否能夠真正有效的實現(xiàn)提出了質疑。隨著光進銅退的大勢所趨，近年來越來越多的樓宇都實現(xiàn)了光纖到戶，大有取綜合布線系統(tǒng)而代之的勢頭，許多弱電系統(tǒng)集成所遇到的數(shù)據(jù)流量瓶頸問題、眾多的網絡難以實現(xiàn)集中管理維護等問題得以找到有效的解決途徑。實現(xiàn)基于全光網絡的弱電系統(tǒng)融合解決方案迫在眉睫。三. 各類樓宇弱電子系統(tǒng)3.1. 典型弱電系統(tǒng)舉例3.1.1. 門禁系統(tǒng)門禁系統(tǒng)一般由以下幾部份組成：前端讀卡器、控制器、控制軟件，屬于“分立設置、軟件集成”的系統(tǒng)結構。目前主流的門禁系統(tǒng)分為兩種：一種是現(xiàn)場總線型的門禁系統(tǒng)，其特點是以現(xiàn)場總線為基礎，如CAN、RS485等，可以控制大量的信息，并實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，且支持TCP/IP協(xié)議；另一種是基于局域網的門禁系統(tǒng)，其特點是系統(tǒng)容量擴充方便，對局域網的依賴性強，完全兼容以太網絡。前者需獨立布放控制總線，后者可利用已有的綜合布線系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)的組網示意圖如下：3.1.2. 可視對講系統(tǒng)目前市面上的可視對講系統(tǒng)按演進的歷程可分為模擬方式和全數(shù)字化方式兩種。模擬方式（總線型）的可視對講系統(tǒng)屬于第二代對講系統(tǒng)，于90年代中后期得到迅速發(fā)展。此類可視對講系統(tǒng)在樓宇內的控制網絡技術主要采用了單片機以及現(xiàn)場總線技術（如RS485等），系統(tǒng)主要由終端設備、音/視頻線纜、數(shù)據(jù)總線以及控制設備組成，終端設備（如門口機、用戶機等）與控制設備之間的通信是通過兩套布線來實現(xiàn)的。而全數(shù)字化（局域網型）的可視對講系統(tǒng)，為新興的第三代對講系統(tǒng)，全程采用TCP/IP協(xié)議，其數(shù)字室內機實現(xiàn)了數(shù)字、語音、圖像通過一根網線傳輸，從而不需要再布防音、視頻線和數(shù)據(jù)總線。模擬方式可視對講系統(tǒng)的網絡拓撲結構可以用下面的示意圖來表示：3.1.3. 視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)又分為模擬監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)兩種類型。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端監(jiān)控設備、傳輸線路以及監(jiān)控中心三大部分組成。對于模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，傳輸線路部分除了視頻線纜以外，可能還需另外布放云臺控制線纜，以實現(xiàn)監(jiān)控中心對前端攝像槍云臺的轉向控制。而對于全數(shù)字化的監(jiān)控系統(tǒng)而言，則僅需要提供以太網接口即可，既其網絡布線可利用到樓宇的綜合布線系統(tǒng)。模擬攝像槍也可以通過編解碼設備將模擬的視頻信號轉換成數(shù)字信號，然后通過轉換設備所提供的以太網接口實現(xiàn)數(shù)字傳輸。3.1.4. 其他弱電系統(tǒng)其他弱電系統(tǒng)還有：UPS系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、紅外線對射安防系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)、停車場系統(tǒng)、電子公告板系統(tǒng)、電子點餐系統(tǒng)、電梯層控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)、樓宇自控（BA）系統(tǒng)和有線電視系統(tǒng)以及IPTV系統(tǒng)等等。3.2. 功能實現(xiàn)特點上述子系統(tǒng)的共同特點就是都有各自的主控設備，利用單片機技術或計算機技術負責控制各系統(tǒng)的終端與終端之間、主控設備與終端之間的數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸，整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)無外乎以下幾個方面：主控設備接受外部指令，想系統(tǒng)內部的相關終端發(fā)送指令，使其執(zhí)行一系列指定的動作，如打開門鎖、開啟攝像頭并上傳音/視頻信號等；終端設備接受外部操作，向主控設備發(fā)送相關數(shù)據(jù)和請求，主控設備接收到數(shù)據(jù)及請求后，按照事先定制的流程進行處理，然后將結果及指令發(fā)往發(fā)出請求的終端或者其他終端，要求終端完成一系列的動作，如可視對講門口機在輸入密碼后自動開啟門鎖、紅外線對射設備在檢測到入侵之后上報控制中心觸發(fā)警報等。3.3. 組網特點從上述對各類典型弱電系統(tǒng)的介紹看來，對于采用傳統(tǒng)總線方式實現(xiàn)控制的弱電系統(tǒng)，根據(jù)其拓撲結構的特點，可將整體系統(tǒng)分為三個主要組成部分（如下圖所示）：一，終端接入部分；二，數(shù)據(jù)及控制信號傳輸網絡部分；三、控制管理部分。對于傳統(tǒng)的弱電系統(tǒng)組網方式，可以將其第二部分，也就是數(shù)據(jù)及控制信號傳輸網絡部分完全可以抽離出來，通過其他更先進的傳輸網絡進行替代，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合統(tǒng)一傳送，通過實現(xiàn)終端接入部分和控制管理部分的協(xié)議轉換來建立二者間的連接并實現(xiàn)弱電系統(tǒng)內部的控制和通訊。3.4. 通信接口及支持的協(xié)議弱電系統(tǒng)一般采用現(xiàn)場總線組網方式，如CAN、RS485等。部分弱電系統(tǒng)也支持TCP/IP協(xié)議并提供標準以太網接口。目前市面上有較豐富的并且應用較為廣泛的RS232/RS485/RS422轉10/100Base-T的協(xié)議轉換設備，為弱電系統(tǒng)的終端設備接入以太網絡提供了條件。下面簡單介紹一下RS485串行通信技術的特點：1. RS485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（26）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（26）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。 2. RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。3. RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。 4. RS485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達 3000米，另外RS232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器， 即單站能力。而RS485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設備網絡。 因RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。 因為RS485接口組成的半雙工網絡，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。 RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。四. 無源光網絡簡介4.1. 技術簡介無源光網絡（即PON）是一種點到多點的光纖接入技術，其經典組網結構中一般有下列三類組成構件：局端的光線路終端（OLT）、用戶端的光網絡單元（ONU）以及唯一“無源”的局間設備光分配網絡（ODN）。無源光網絡之所謂“無源”則即指此最后一類設備，ODN中不含任何有源電子元器件，包括電源，而是全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。局端的OLT和用戶端的ONU則均為有源設備。PON網絡中，數(shù)據(jù)傳輸一般下行采用時分復用（TDM）廣播方式，而上行則采用時分多址接入（TDMA）方式，可以靈活的組成樹型、星型以及總線型等拓撲結構，其中樹型為較典型的應用拓撲結構。PON技術自提出到如今，經歷了十數(shù)年的技術革新，從窄帶PON到BPON（ATMPON）再到EPON進而發(fā)展到GPON，其技術的標準化得到了ITU-T（國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組）的支持，推出了一系列的標準化建議，而近年來IEEE（美國電氣及電子工程師學會）也表現(xiàn)活躍，推出了802.3ahEPON標準。PON技術發(fā)展到今天，主要是基于G/EPON的應用，二者之間的差異以及各自的優(yōu)劣在此不作贅述，從下一章開始我們將以EPON為例，用上述PON網絡經典拓撲結構和基本組成構件來討論樓宇智能化全光融合的解決方案。4.2. EPON設備介紹用戶端FTTH室內型終端ONU設備數(shù)據(jù)終端類：D400： 410 /100M兼容接口 D500： 410 /100M兼容接口 +2 POTS接口綜合終端類（后期提供）：D50x：多業(yè)務家用終端，12V DC供電接口： 14FE14POTS可選12CATV接口可選 WLAN接口可選 Bluetooth接口局端C220/C600 OLT設備概述中等容量產品以太網L2/L3交換容量140G單框40/80個PON，相當于接入(1280/2560ONT）支持EPON、GPON等，提供完善的綜合光接入能力，支持FTTC、B、H、O的應用與平滑演進單板與C200兼容互換五. 全光融合解決方案EPON作為光纖接入網的最優(yōu)方式，成為建設FTTx（包括FTTB、FTTH甚至FTTD等）的重要技術，其提出的初衷是為了解決現(xiàn)有基于DSL或者LAN（基于電纜傳輸介質）的接入方式無法滿足更高帶寬需求的問題，如用戶對IPTV、高清晰視頻會議、視頻聊天等數(shù)據(jù)流量巨大的應用的需求。而其實EPON的能力在解決這些問題后還有充分的應用空間。當一棟樓宇利用EPON技術實現(xiàn)了光纖到戶（FTTH）之后，善用無處不在的ONU作為各種樓宇智能化弱電系統(tǒng)的接入層，一方面可以有效的避免上一章中所提到的各類繁多的弱電系統(tǒng)在樓宇中的重復布線，節(jié)省投資；另一方面也可以有機整合各弱電系統(tǒng)于一體，提供統(tǒng)一的管理平臺，節(jié)省運行成本。全光網絡的帶寬承載能力趨于無限，理論上可以無限疊加更多的弱電系統(tǒng)，當然，這里暫不考慮終端接入成本和后臺控制的二次開發(fā)成本。5.1. 拓撲結構及通訊方式EPON組網結構為樹型拓撲，以OLT為根結點，ONU作為各葉子結點，ONU可以通過級聯(lián)的方式實現(xiàn)多級組網。EPON網絡的通信是采用的下行TDM廣播/上行TDMA方式，ONU與ONU之間沒有直達的通信線路，所有數(shù)據(jù)均為先送往根結點OLT之后再以廣播的方式下發(fā)到各葉子結點，OLT在網絡中承擔著數(shù)據(jù)交換處理的重擔，也是整個系統(tǒng)中最為復雜也最為重要的構件。OLT除了負責整個網絡中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂坪吞幚碇?，作為核心構件，OLT也擔負著外接數(shù)據(jù)源（如有線電視信號源、IPTV流媒體源等）、控制源的重任。EPON的基本拓撲結構如下：5.2. 帶寬能力及應用領域由于全程光纖組網，EPON網絡雙向至少可達到1G甚至以上的帶寬速率，物理上傳輸速率可以得到充分的保障，在完成傳統(tǒng)意義上的諸如有線電視、IPTV、視頻會議等高帶寬的應用傳輸后，系統(tǒng)還有豐裕的帶寬空間可以利用。5.3. 所支持的接口EPON網絡的局端設備OLT支持V5、PRI、ATM、E1以及GE/FE接口，用戶端設備ONU可提供FE、POTS、CATV視頻接口等。5.4. 如何融合5.4.1. 融合的范疇本文所討論的全光融合解決方案對于弱電系統(tǒng)的終端以及后臺控制設備的取電問題不作考慮，因為即使是號稱“無源”的PON網絡，其作為融合解決方案中接入層的構件ONU本身都需要解決供電問題。各弱電系統(tǒng)的終端如何接入PON網絡，其各自的數(shù)據(jù)流和控制信號的傳送如何以PON網絡為承載網，后臺控制管理如何有機的整合等才是本文所謂“融合”的范疇。5.4.2. 融合的基礎全光網絡的另一個優(yōu)勢在于，與傳統(tǒng)組網中的銅介質線纜傳輸性質不同，組網應用中將不再存在距離超長、信號干擾等問題。由于帶寬及傳輸質量可以得到充分的保障（EPON網絡甚至可以支持QoS），由EPON技術實現(xiàn)的FTTH所布設的無所不在的光纖網絡可完全替代所有弱電系統(tǒng)的傳統(tǒng)布線部分，以全光傳輸網為承載網，實現(xiàn)所有弱電系統(tǒng)的集成，具有極大的融合度和可擴展性。樓宇智能化全光網絡融合解決方案的基礎在于兩個方面：其一，就是解決弱電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流/控制信號將如何通過ONU接入并在網絡中進行傳輸?shù)膯栴}；其二，就是解決弱電系統(tǒng)中控制部分如何通過OLT對各接入終端進行控制（如可視對講系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和一卡通系統(tǒng)等），或者弱電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)源如何通過OLT實現(xiàn)接入并實現(xiàn)向各終端設備進行內容推送（如CATV、IPTV等）以及控制信號傳遞的問題。5.4.3. 解決方案首先，在一棟樓宇沒有實現(xiàn)FTTH的之前，樓宇智能化將在整棟樓中規(guī)劃許多張管網，以供不同的弱電系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)流/控制信號，各網絡間相互獨立，無法進行有效的融合，增加了許多重復投資，也增加了今后的維護管理復雜度，成為真正實現(xiàn)智能化的羈絆。在沒有全光網絡作為融合基礎網的情況下，樓宇智能化的情形如下圖所示：然后，當樓宇內實現(xiàn)了FTTH之后，樓宇智能化將得到真正的實現(xiàn)，本文在這里提出全光融合解決方案的三層結構：第一層，也就是上文中多次提到的“接入層”，是作為弱電系統(tǒng)各類終端設備接入光網絡的界面，其主要構件就是ONU設備；第二層，就是無源光網絡，稱為“承載層”，負責進行組網以及光信號的傳輸，其主要構件就是ODN設備；第三層，稱之為“應用層”，擔負集成弱電控制平臺、外接數(shù)據(jù)源的重任，它的主要構建則是OLT設備。我們可以從下圖看到，整棟樓宇中僅存在一張管網（物理網絡），并且直到每一個接入端之前，整張網絡中的傳輸均在“無源”的情況下進行，極大的降低了故障點數(shù)量和故障發(fā)生率。各弱電系統(tǒng)的終端設備通過EPON網絡的用戶端ONU設備進行接入，各自的控制中心/數(shù)據(jù)源則通過局端OLT設備進行有機整合統(tǒng)一，真正意義上實現(xiàn)了弱電系統(tǒng)的全面融合，使得樓宇智能化更具有實用性和方便性。由上圖我們看到，在接入層，各弱電系統(tǒng)的終端設備與EPON網絡的ONU設備間的對接采用的是以太網協(xié)議。本文第二章中提到過的各類弱電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流/控制信號的接口，都分別可以通過模數(shù)轉換、接口轉換設備轉換成以太網接口，然后通過ONU所提供的數(shù)字接口（如FE口）進行數(shù)據(jù)的接收和上傳處理。在應用層，OLT可通過豐富的接口（E1、FE等）外接各種數(shù)據(jù)源，同時實現(xiàn)控制源的接入，可以有機的將各類弱電系統(tǒng)的管理控制部分整合統(tǒng)一為一個中心平臺，實現(xiàn)對各類終端的統(tǒng)一控制以及對數(shù)據(jù)流進行分別處理。（1）額外開銷可以看到，無論接入層還是應用層的接入，除了本身具備數(shù)字網絡接口的弱電系統(tǒng)終端（如數(shù)字攝像槍，其設備自身即提供RJ45接口）以外，均需要增加轉換設備的額外開銷，不過由于目前市面上存在諸多的諸如RS232/RS485/RS422轉10/100Base-T協(xié)議轉換等設備，并且價格并不昂貴，這部分的開銷尚可預知和控制。（2）末端接入當然，所謂全光融合解決方案也并不排除在最后幾米或者幾十米的接入采用傳統(tǒng)的銅質線纜傳輸方式，由于是在末端實現(xiàn)，并不影響光網絡融合的初衷，而僅僅作為末端接入的補充手段，有時反而可以使得終端接入顯得更加靈活。（3）安全機制EPON采用的是點到多點的傳輸模式，下行采用的是廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)給OLT下掛的所有ONU，任何一個ONU均可以收到實際上是發(fā)送給某些ONU的數(shù)據(jù)包，而這一點對于