一种同轴高清网络交换机的制作方法

本发明涉及应用于HFC网络的同轴交换机设备，尤其涉及一种同轴高清网络交换机。

背景技术：

在宽带光纤网络完成广域和全面覆盖的基础之上，以传统闭路系统(CCTV)的同轴电缆作为监控前端设备的接入网络并结合光纤骨干网络，实现了面向视频监控系统的用户提供高清监控和远程服务的HFC网络。在光纤骨干网的基础上，视频监控的覆盖范围有效延伸，信号质量可以达到高清要求，满足实时化远程监视、控制和附加服务的要求，并且充分利用了现有的同轴电缆线路和硬件传输设备，实现了资源利用的合理化。

现有的高清视频监控HFC网络结构如图1所示，前端高清摄像机1001拍摄的高清视频信号和其他类型监控设备采集的监控信号复用后通过同轴电缆布线连接至同轴交换机1002，并且同轴交换机1002通过光纤介质连接到光纤骨干网1003，同轴交换机1002将同轴电缆线路上传输的数字信号转化为可在光纤介质传输的信号，并且经光纤骨干网1003发送到远程服务器1004。在此基础上，以远程服务器1004作为远程监控服务的中枢，通过功能扩展，可以为接入该服务器的用户终端1005实现高清监控视频的广播或点播、对前端高清摄像机的互动控制、语音通话等。同时，远程服务器日益成为高清监控视频的媒体中枢，可以安装存储服务器或数字矩阵等设备。其中，存储服务器能够实现对整个平台监控数据的云存储，以达到备份等目的。

为了保证信号传输的质量和可靠性，在同轴电缆一侧，同轴交换机1002为每台前端高清摄像机1001预设固定的上、下行带宽分配，其中保留较多的带宽用于高清视频信号的上行发送，而设置相对较低的下行带宽以实现控制指令或配置信息的传输。前端高清摄像机的信号通过同轴电缆接口接入同轴交换机。在光纤骨干网络一侧，同轴交换机1002配置百兆或千兆以上以太网光纤接口若干，以实现多路数据的并行传输。在带宽匹配的基础上，同轴交换机1002实现若干路同轴电缆接口到一路以太网光纤接口的复用。

当监控平台足够庞大因而包含的前端高清摄像机1001足够多时，单独一台同轴交换机1002有限的交换和收发能力无法满足全部高清视频信号的传输需求，因而就要设置多层交换机的网络架构，一般可以形成接入层、汇聚层、核心层组成的三层架构。其中，所述同轴交换机位于接入层，其下接若干台前端高清摄像机的同轴电缆线路，并且通过光纤上接汇聚层的二层交换机，当下接的前端高清摄像机较少时，接入层的同轴交换机可选用百兆级上接接口，当下接的前端高清摄像机较多时则采用千兆级上接接口。汇聚层的二层交换机下接接入层的同轴交换机，上接核心层的核心交换机，汇聚层的上接接口和下接接口均采用光纤接口，并且上接接口需要采用千兆级接口。核心交换机下接汇聚层的二级交换机，上接监控系统的远程服务器1004以及存储服务器等设备；核心交换机一般选用上下全千兆级光纤接口。

通过上述HFC网络实现的监控平台可以满足远程监控服务的需要，但同时，整个网络搭建的硬件成本高昂，高清视频信号传输的开销较大，并且由于负荷重、带宽配置不足的原因经常出现卡顿、延时的现象。事实上，视频监控的绝大多数视频数据未携带关键画面，可用度不高，远程访问率较低，占用云存储空间的意义不大。可以通过接入层的同轴交换机或者汇聚层的二级交换机为所属的监控前端挂载硬盘存储器等本地设备，以实现视频监视数据的本地备份等功能。根据远程监控服务的需要，可以通过同轴交换机或者二级交换机的交换建立数据传输通道，实现对硬盘存储器中的高清视频监视数据或者前端高清摄像机实时采集的高清视频监视数据的远程传输。

现有的基于HFC网络架构实现的远程视频监控平台存在以下不足：同轴交换机采用固定的接口配置方案进行同轴电缆接口与以太网光纤接口之间的数据交换，没有考虑各路传输负载之间的均衡化，一方面存在传输能力闲置的状态，另一方面当其中某一路的高清视频信号得到监控平台的远程调用时，又会因固定分配的带宽不足而影响实时传输的质量；同轴电缆接入网络缺乏灵活性，无法进行高清摄像机等监控设备扩展，普遍采用一台高清摄像机对应一条同轴电缆的架构，不能实现线缆的复用；前端挂载的硬盘存储器容易损坏，造成数据不可逆的丢失。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术中存在的以上问题，本发明提出一种同轴高清网络交换机。本发明用于实现同轴电缆信号与光纤骨干网传输的以太网信号之间的转换，并且在多路同轴电缆信号接口与多路以太网接口之间实现信号交换。本发明利用前端高清摄像机进行高清视频监视数据和普通视频监视数据的并行生成，基于接入层的同轴电缆网络进行高清视频监视数据和普通视频监视数据的传输，对高清视频监视数据执行本地硬盘存储器的备份，普通视频监视数据用于向监控平台的远程服务器传输，以便支持远程实时监控等服务。同轴高清网络交换机实现对各路同轴信号接口数据传输负荷的监测，并且通过调整接口配置方案实现数据传输负荷均衡；特别是当需要向监控平台传输前端高清摄像机实时采集或者本地硬盘存储器备份的高清视频监视数据时，该交换机调用预设的非专用高清视频信号传输接口建立交换通道，实现高质量、无延迟的高清视频监视数据上传，以实现高清视频监视画面的远程监看以及云存储备份；并且该交换机适应性调整接口配置方案，实现原非专用高清视频信号传输接口承载的数据传输负荷的二次分配。本发明的交换机支持一定数量且多类型的前端监控设备共享同轴电缆布线，并且允许灵活的前端监控设备扩展，对于扩展引起的数据传输负荷的改变，通过适应性调整接口配置方案再次实现均衡。

本发明提供的所述同轴高清网络交换机，其特征在于，包括：

若干路同轴电缆接口，用于连接自前端高清摄像机输入的同轴电缆；通过所述同轴电缆输入前端高清摄像机生成的包括高清视频监视数据和普通视频监视数据的视频监视数据；

若干路数据转换单元，每一路所述数据转换单元连接一路同轴电缆接口，用于对同轴电缆接口输入的信号进行解调、包解析以及包格式转换，从而为来自每一路前端高清摄像机的视频监视数据包附加前端摄像机ID和交换分配标识；

数据缓存队列单元，用于为每一路同轴电缆接口维护若干个数据缓存队列，其中至少包括第一数据缓存队列和第二数据缓存队列；根据每一个视频监视数据包附加的交换分配标识，将该视频监视数据包分配给相应的数据缓存队列进行缓存，其中，每一路同轴电缆接口上输入的高清视频监视数据根据其交换分配标识被分配给第一数据缓存队列，而每一路同轴电缆接口上输入的普通视频监视数据则根据其交换分配标识被分配给第二数据缓存队列；

交换模块，包括物理输入端口和物理输出端口，其中，物理输入端口的数量与数据缓存队列单元所维护的数据缓存队列的队列数相同，每个数据缓冲队列向一个对应的物理输入端口依序传输其缓冲的数据；每个物理输出端口对应一个同轴高清网络交换机上接的以太网接口；所述交换模块在任一个物理输入端口与任一个物理输出端口之间建立起数据交换链路的通道，通过该数据交换链路的通道实现数据缓存队列中的视频监视数据到以太网接口之间的输出；

若干路以太网接口，用于连接光纤，并通过多路光纤实现对光纤骨干网的并行数据传输；其中预置若干具有特定用途的以太网接口，包括至少一个本地备份接口、至少一个非专用高清视频信号传输接口以及至少两个普通传输接口；同轴高清网络交换机通过所述本地备份接口连接本地或汇聚层的硬盘存储器；当不进行高清视频监视信号的远程上传时，所述非专用高清视频信号传输接口以及普通传输接口均用于进行普通视频监视数据的远程传输；当需要向监控平台传输前端高清摄像机实时采集或者本地硬盘存储器备份的高清视频监视数据时，通过交换模块调用预设的非专用高清视频信号传输接口建立交换通道，用于高清视频监视数据的传输；并且适应性调整接口配置方案，将原先由非专用高清视频信号传输接口承载的普通视频监视数据根据数据传输负荷分配给普通传输接口；

并且，其中，对各路以太网接口数据传输负荷进行监测，并且交换模块通过调整接口配置方案实现数据传输负荷均衡。

优选的是，每一路数据转换单元包括：解调模块、包解析模块、转换模块；其中，解调模块对每一路同轴电缆输入的信号进行解调；包解析模块用于对视频监视数据执行包解析处理，为每个视频监视数据包确定作为数据源的前端高清摄像机的ID，以及根据该视频监视数据包的质量标识判定其属于高清视频监视数据还是普通视频监视数据；转换模块为转换之后的每个视频监视数据包附加前端摄像机ID标识和交换分配标识，其中，为高清视频监视数据还是普通视频监视数据分配不同的交换分配标识。

优选的是，数据缓存队列单元进一步包括：计时器单元，用于统计每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的缓存周期；传输负荷监测单元，用于统计每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的数据量。

优选的是，所述交换模块的一个物理输出端口对应于多个物理输入端口而分别与之建立数据交换链路通道，从而使得多个物理输入端口复用物理输出端口的传输带宽。

优选的是，交换模块从数据缓存队列单元的计时器单元获得每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的缓存周期T，以及从数据缓存队列单元的传输负荷监测单元获得每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的数据量C；交换模块将所述缓存周期换算为传输速率系数S＝k/T，k为转换系数，计算每条数据缓存队列的传输负荷B＝C/S，将与每个以太网接口建立了数据交换链路的各数据缓存队列的传输负荷之和作为该以太网接口的数据传输负荷。

优选的是，所述交换模块保存并更新维护接口配置方案表，该接口配置方案表记录了各数据缓存队列对应的物理输入端口与物理输出端口之间的交换链路映射关系；所述交换模块基于该接口配置方案表的记录，在具有映射关系的物理输入端口与物理输出端口之间建立起数据交换链路的通道；并且通过修改接口配置方案表的映射关系调节物理输入端口到物理输出端口之间的交换链路。

优选的是，当需要向监控平台传输前端高清摄像机实时采集或者本地硬盘存储器备份的高清视频监视数据时，交换模块立即修改接口配置方案表的映射关系，使得需要传输的前端高清摄像机接入的同轴电缆接口的第一数据缓冲队列对应的物理输入端口与非专用高清视频信号传输接口对应的物理输出接口之间建立起数据交换链路的通道，使该非专用高清视频信号传输接口连接的光纤链路专门用于对该路高清视频监视数据的上传；原本映射到非专用高清视频信号传输接口对应物理输出接口的物理输入端口由所述交换模块分配与其它的物理输出端口建立交换链路。

综上所述，本发明的有益效果是：采用了可灵活调节的接口配置方案，实现同轴电缆接口与以太网光纤接口之间的数据交换，即能够避免传输资源闲置，又能够保证某一路的高清视频信号得到监控平台的远程调用时，具有足够的接口带宽实现实时、高质量传输，并支持云存储等功能实现。

说明书附图

图1是现有技术中的高清视频监控HFC网络结构示意图；

图2是本发明提供的同轴高清网络交换机应用网络架构示意图；

图3是本发明提供的同轴高清网络交换机结构示意图；

图4是本发明的数据转换单元结构框图；

图5是本发明的数据缓存队列单元结构框图；

图6是本发明的交换模块以及以太网接口结构框图。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

图2是本发明提供的同轴高清网络交换机应用网络架构示意图。如图2所示，前端高清摄像机2001通过同轴电缆2002连接至同轴高清网络交换机2003的下接接口即同轴电缆接口，或者，若干前端高清摄像机2001或者其它类型的前端监控设备2004通过同轴电缆分路器的分支端汇合为一路，然后连接至同轴高清网络交换机2003的同轴电缆接口，其中各个前端高清摄像机2001和前端监控设备2004通过频分复用共用同一条同轴电缆2002的不同传输频段。通过同轴电缆分路器实现了不同的监控前端共享同一同轴电缆线，并且同轴电缆分路器预留的空接口可以实现方便的监控前端扩展。

同轴高清网络交换机2003通过光纤介质向上连接到光纤骨干网2005，同轴高清网络交换机2003将同轴电缆线路上传输的数字信号转化为可在光纤介质传输的信号，并且经光纤骨干网2005发送到监控平台的远程服务器和云存储服务器。在多层接入光纤骨干网的架构中，本发明的同轴高清网络交换机2003属于接入层，还进一步由汇聚层、核心层的交换设备组成的三层架构。同轴高清网络交换机2003通过光纤上接汇聚层的二层交换机2006，汇聚层的二层交换机2006通过光纤上接至核心层的核心交换机2007，核心交换机2007连接远程监控系统的远程服务器以及存储服务器等设备。

本发明的前端高清摄像机2001用于拍摄监控现场画面并进行数字化，其内置或者外加的线缆调整器可将数字的视频监视数据调整为可在同轴电缆上传输的信号，并通过同轴电缆2002进行传输。前端高清摄像机2001可以支持不同质量的视频监视数据的生成，例如在原始生成的高清视频监视数据的基础上，通过下采样处理，生成标清质量的普通视频监视数据，从而实现高清视频监视数据和普通视频监视数据的并行生成与输出。前端高清摄像机2001基于接入层的同轴电缆2002进行高清视频监视数据和普通视频监视数据向同轴高清网络交换机2003的传输。

图3是本发明提供的同轴高清网络交换机结构示意图。如图3所示，同轴高清网络交换机2003通过下接的多路同轴电缆接口2003A(图示为三路)分别连接输入的同轴电缆2002。

同轴高清网络交换机2003的每一路同轴电缆接口2003A连接数据转换单元2003B，由数据转换单元2003B对每一路同轴电缆通过该接口输入的信号进行解调、包解析以及包格式转换，数据缓存队列单元2003C对转换后的包数据进行缓存，然后将包数据传输给交换模块2003D。

图4是本发明的数据转换单元结构框图，每一路数据转换单元包括解调模块、包解析模块、转换模块。其中，解调模块对每一路同轴电缆输入的信号进行解调。对于自每一路同轴电缆接口输入的视频监视数据，数据转换单元2003B通过包解析模块对视频监视数据执行包解析处理，为每个视频监视数据包确定作为数据源的前端高清摄像机的ID，以及根据该视频监视数据包的质量标识判定其属于高清视频监视数据还是普通视频监视数据。在此基础上，在包格式转换处理当中，转换模块为转换之后的每个视频监视数据包附加前端摄像机ID标识和交换分配标识，其中，为高清视频监视数据还是普通视频监视数据分配不同的交换分配标识。在后续的处理中，数据缓存队列单元2003C将根据该交换分配标识，将转换之后的数据包分配给不同的数据缓存队列，最终根据所属的数据缓存队列将数据包分配到不同的上接以太网接口。

图5是本发明的数据缓存队列单元结构框图。数据缓存队列单元2003C用于维护数据缓存队列，其中，为每个同轴电缆接口2003A维护若干个数据缓存队列，例如，每一个同轴电缆接口2003A对应第一数据缓存队列和第二数据缓存队列。根据每个视频监视数据包所附加交换分配标识，将该视频数据包分配给相应的数据缓存队列进行缓存，其中，每一路同轴电缆接口上输入的高清视频监视数据根据其交换分配标识被分配给第一数据缓存队列，而每一路同轴电缆接口上输入的普通视频监视数据则根据其交换分配标识被分配给第二数据缓存队列。数据缓存队列单元2003C还包括计时器单元以及传输负荷监测单元，其中，计时器单元统计每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的缓存周期；传输负荷监测单元统计每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的数据量。

图6是本发明的交换模块以及以太网接口结构框图。交换模块2003C具有物理输入端口和物理输出端口，其中，物理输入端口的数量与数据缓存队列单元所维护的数据缓存队列的队列数相同，每个数据缓冲队列向一个对应的物理输入端口依序传输其缓冲的数据。并且，交换模块2003C具有若干物理输出端口，每个物理输出端口对应一个同轴高清网络交换机上接的以太网接口，物理输出端口与以太网接口二者之间通过图6所示的外围电路(如网络变压器)进行连接。交换模块2003C能够在任一个物理输入端口与任一个物理输出端口之间建立起数据交换链路的通道，通过该通道，实现数据缓存队列中的视频监视数据到以太网接口之间的输出。

由于以太网接口的传输带宽明显大于同轴电缆接口的传输带宽，因此，为了实现负载的相互匹配，在交换模块2003C当中，一个物理输出端口可以对应于多个物理输入端口而分别与之建立数据交换链路通道，从而使得多个物理输入端口复用物理输出端口的传输带宽。

本发明的同轴高清网络交换机通过多路以太网接口连接光纤，并通过多路光纤实现并行的数据传输。其中，该同轴高清网络交换机预置若干具有特定用途的以太网接口，如图6所示，包括至少一个本地备份接口、至少一个非专用高清视频信号传输接口以及至少两个普通传输接口。

其中，同轴高清网络交换机通过所述本地备份接口连接本地的硬盘存储器，交换模块2003将各个同轴电缆接口输入的高清视频监视数据交换至该本地备份接口，通过该接口将高清视频监视数据传输给本地的硬盘存储器或者汇聚层的硬盘存储器执行本地备份。

当不进行高清视频监视信号的远程上传时，所述非专用高清视频信号传输接口以及普通传输接口均可以用于进行普通视频监视数据的远程传输；普通视频监视数据用于支持远程实时监控等服务；当需要向监控平台传输前端高清摄像机实时采集或者本地硬盘存储器备份的高清视频监视数据时，该交换机调用预设的非专用高清视频信号传输接口建立交换通道，实现高质量、无延迟的高清视频监视数据上传，以实现高清视频监视画面的远程监看以及云存储备份；并且该交换机适应性调整接口配置方案，实现原非专用高清视频信号传输接口承载的普通视频监视数据向普通传输接口的二次分配。另外，同轴高清网络交换机实现对各路以太网数据传输负荷的监测，并且通过调整接口配置方案实现数据传输负荷均衡；并且允许灵活的前端监控设备扩展，对于扩展引起的数据传输负荷的改变，通过适应性调整接口配置方案再次实现均衡。

具体实现方面，所述交换模块2003C保存并更新维护接口配置方案表，该接口配置方案表记录了各数据缓存队列对应的物理输入端口与物理输出端口之间的交换链路映射关系。例如，将某个同轴电缆接口2003A的第一数据缓冲队列对应的物理输入端口(下称物理输入端口I)映射到本地备份接口对应的物理输出端口(下称物理输出接口I)，并且将该同轴电缆接口2003A的第二数据缓冲队列对应的物理输入端口(下称物理输入端口II)映射到非专用高清视频信号传输接口对应的物理输出接口(下称物理输出接口II)。将另一个同轴电缆接口2003A的第一数据缓冲队列对应的物理输入端口(下称物理输入端口III)映射到本地备份接口对应的物理输出端口I，并且将该同轴电缆接口2003A的第二数据缓冲队列对应的物理输入端口II映射至一普通传输接口对应的物理输出接口III。以上映射关系记录在接口配置方案表当中。所述交换模块2003C基于该接口配置方案表的记录，在具有映射关系的物理输入端口与物理输出端口之间建立起数据交换链路的通道。

交换模块2003C还从数据缓存队列单元2003C的计时器单元获得每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的缓存周期T，以及从数据缓存队列单元2003C的传输负荷监测单元获得每个数据缓存队列上缓存的视频监视数据包的数据量C。交换模块2003C将所述缓存周期换算为传输速率系数S＝k/T，k为转换系数，显然，缓存队列中的视频监视数据包的缓存周期越长则该队列对应的传输通道的传输速率越低。计算每条数据缓存队列的传输负荷B＝C/S，将与每个以太网接口建立了数据交换链路的各数据缓存队列的传输负荷之和作为该以太网接口的数据传输负荷，并且基于传输负荷实现负载的均衡分配，例如，当某条以太网接口对应的传输通道的总数据传输负荷过高时，可通过修改接口配置方案表的映射关系的方式，将该通道的至少一个数据缓存队列对应的物理输入端口映射到负荷较低的物理输出端口。

当需要向监控平台传输前端高清摄像机实时采集或者本地硬盘存储器备份的高清视频监视数据时，交换模块2003C立即修改接口配置方案表的映射关系，使得需要传输的前端高清摄像机接入的同轴电缆接口的第一数据缓冲队列对应的物理输入端口——例如前面提到的物理输入端口I-与非专用高清视频信号传输接口对应的物理输出接口II之间建立起数据交换链路的通道，该非专用高清视频信号传输接口连接的光纤链路此时专门用于对该路高清视频监视数据的上传，从而调用了足够的传输带宽。并且，原本映射到物理输出接口II的物理输入端口II被分配给其它的物理输出端口，以便利用普通传输接口对应的物理输出接口执行普通视频监视数据的上传。可以根据针对其它各个物理输出端口分别统计相应以太网接口的总传输负荷进行再分配，以实现负荷的均衡。计算除了与非专用高清视频信号传输接口建立链路的数据缓存队列以外，其它每条数据缓存队列的传输负荷B＝C/S，根据需要与每个普通传输接口建立了数据交换链路的各数据缓存队列的传输负荷，在至少两个普通传输接口之间均匀分配，并相应建立对应物理输入接口和物理输出接口之间的映射关系。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。