Беспроводная инфраструктура для видео (часть2)

3. Преимущества и недостатки WiMAX с точки зрения применения в сетях видеонаблюдения

Большинство из предлагаемых в настоящее время на рынке беспроводных IP систем видеонаблюдения — это системы на основе стандарта IEEE 802.11, чему способствует высокая рентабельность Wi—Fi. Однако решения на основе 802.11 имеют ограниченную зону покрытия (на уровне круга с радиусом 100 метров), что делает их подходящими только для применений внутри зданий, таких как наблюдение за детьми или наблюдение на предприятиях малого бизнеса. Основанный на преодолении коллизий MAC стандартов 802.11 также бросает вызов реализации тех решений, которые требуют от систем видеонаблюдения повышенной пропускной способности и обеспечения QoS.

Построенным в соответствии со стандартами Wi—Fi сетям также свойственны менее надежные параметры защищенности, что влечет за собой опасность несанкционированного просмотра передаваемой ими видеоинформации. Чтобы достичь необходимой защищенности, некоторые производители предлагают решения, заимствованные из других беспроводных технологий. Вследствие относительно низкого объема производства и наличия компонентов систем, требующих специальной разработки, стоимость такого оборудования обычно высока.

Наличие всех этих трудностей подготовило почву для внедрения следующего поколения беспроводных IP систем видеонаблюдения. Благодаря ранее достигнутому успеху стандарта IEEE 802.11, пользователям был привит вкус к мобильности и гибкости беспроводных сетей. Институт IEEE предложил другой стандарт беспроводных сетей — 802.16, который предлагает лучшие параметры. «Wi—Fi» – это синоним стандарта IEEE 802.11, а новый термин, WiMAX – это синоним новых беспроводных технологий, которые соответствуют семейству стандартов IEEE 802.16.

Сети WiMAX поддерживают более высокие скорости передачи данных и обеспечивают сигналом большие зоны покрытия, чем многие конкурирующие с ними беспроводные технологии. Максимальная скорость передачи некодированных данных для стандарта WiMAX достигает 72 Мбит/с, что почти в 7 раз выше, чем для стандарта IEEE 802.11 b, и на 50% — для стандартов IEEE 802.11 a/g. Надо отметить, что сегодня многие проводные сети обеспечивают скорость передачи данных до 1 Мбит/с, в то время как предельные скорости передачи по коаксиальному кабелю — 10 Мбит/с, а по витой паре — до 1000 Мбит/с. Радиус зоны, покрываемой сетью WiMAX, составляет десятки километров; для сравнения — сеть Wi-Fi покрывает зону радиусом всего 100 м при полной скорости и несколькосотен метров при пониженной скорости. На Рисунке 5 даны сравнительные характеристики сетей Wi-Fi и WiMAX. Сети стандарта IEEE 802.16 (WiMAX) должны покрывать сигналом круг радиусом до 12,6 Км без прямой видимости. Реальные тесты показывают более скромные результаты, около 5-8 км. Пропускная способность WiMAX по стандарту составляет порядка 70 Мбит/с. Тесты показывают пропускную способность от 500 Кбит/с до 20 Мбит/с, в зависимости от условий передачи. Основанный на испытанной технологии OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), стандарт позволяет эффективнее, чем Wi-Fi (особенно это относится к стандартам 802.11 a/g), решать проблемы, связанные с режимом распространения без прямой видимости (Non-Line of Sight — NLOS).

 

Условия NLOS, являющиеся главной причиной возникновения многолучевого режима распространения, могут вызывать задержки сигнала, которые  вне помещений могут быть большими, чем внутри помещений. Для борьбы с NLOS в WiMAX используется большее количество поднесущих. В то время как в IEEE 802.11 a/g используются 64 поднесущих, в WiMAX в процессе беспроводной передачи — 256.

Отношение количества поднесущих, на которых не передаются данные, к общему количеству поднесущих у WiMAX гораздо меньше, чему Wi-Fi. Поэтому WiMAX имеет более высокую спектральную эффективность и лучшие характеристики при работе в режиме NLOS. Кроме того, WiMAX использует алгоритм управления сетью с целью обеспечения необходимого качества услуг (Quality of Service — QoS) для трафика, критичного по отношению ко времени (голос и видео). WiMAX включает в себя также встроенную систему кодирования передаваемых данных, не допускающую несанкционированного доступа к ним. Используется надежный стандарт кодирования данных (Data Encryption Standard — DES), а также тройной DES — для кодирования в особо ответственных случаях.

Использование микросхем с высокой степенью интеграции, поддерживающих WiMAX, таких как системы на кристалле (SoC) и СВЧ ИС, позволяет значительно сократить количество компонентов на плате и снизить общую стоимость изготовления устройства.

Например, WiMAX SoC МВ87М3550 содержит контроллер доступа к среде и процессор для обработки смешанного сигнала. Схема может использоваться в составе как базовой, так и  абонентской станций. Это важно, поскольку большинство беспроводных систем видеонаблюдения являются системами «точка-точка» (point-to-point) или системами точка-многоточка (point-to-multipoint) ограниченных размеров.

Данная SoC поддерживает все возможные полосы частот радиоканала вплоть до 20 МГц, обеспечивая оптимальную производительность для систем видеонаблюдения высокого разрешения или крупномасштабных разветвленных систем видеонаблюдения. В настоящее время большинство изделий на рынке (в особенности реализуемых на базе беспроводных локальных сетей) имеет низкую производительность, из-за чего качество полученных изображений невысокое. В рассматриваемой микросхемеиспользуется усовершенствованное программное обеспечение, позволяющее во многих приложениях применять вычислительные алгоритмы для автоматизации процесса наблюдения, которые не могут быть реализованы в системах с низким разрешением.Указанная SoC обеспечивает необходимое качество видео и сравнительно большую скорость передачи данных, тем самымувеличивая возможности систем наблюдения. В аппаратных средствах кодирования/декодирования используются алгоритмы AES и DES, обеспечивая полную защиту передаваемых изображений. WiMAX (802.16) использует эффективный протокол TDMA. Однако из-за ориентации производителей на целевые для WiMAX рынки, прежде всего, рынок телекоммуникаций последней мили, оборудование пока довольно дорого. Базовая станция WiMAX для 200 подписчиков может стоить более чем 2000$. Оборудование WiMAX для помещения клиента может стоить от 500$ до 1000$ для одного подписчика.

Что еще более важно, оборудование WiMAX разработано так, чтобы быть предпочтительно асимметричным для прямого канала или в направлении загрузки (от базовой станции к CPE), тогда как задачи видеонаблюдения преимущественно требуют  асимметричности в пользу обратного канала или направления от источника загрузки. Большинство оборудования WiMAX для помещения клиента не может поддерживать в режиме TDMA такие скорости в обратном канале, которые необходимы для построения больших сетей видеонаблюдения.

На Рисунке 6 показана структурная схема IP камеры, предназначенной для работы в сетях WiMAX. Она состоит из двух основных модулей: модуля видео и беспроводного модуля WiMAX. В модуле видео видеокамеры головка видеокамеры производит съемку и подает изображение на матрицу датчика изображения, обычно через усилитель. Матрица передает данные к аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Полученные в цифровом формате данные передаются на декодер, который преобразовывает цифровые видео сигналы в параллельный цифровой поток данных. Затем процессор видео сжимает поступающие от видеодекодера цифровые сигналы согласно какому-либо из желательных форматов, таких как Motion JPEG, MPEG2, MPEG4 или H.264, прежде чем передать их на его встроенный интерфейс Ethernet. Некоторые из процессоров видео выполняют также интеллектуальные функции анализа изображения, в то время как другие поддерживают обработку голоса.

Изображения в формате IP видео затем передаются к беспроводному модулю модема WiMAX через интерфейс Ethernet. SoCформирует из пакетов Ethernet кадры WiMAX перед тем, как передать их через эфир посредством модуля RF. Модуль RF преобразует цифровой сигнал WiMAX в аналоговые сигналы в одном из предпочтительных рабочих диапазонов частот и передает сигналы RF к антенне. Беспроводный модем WiMAX также принимает сигналы в противоположном направлении, позволяя управляющим сигналам, предназначенным для наведения по горизонтали, регулирования угла наклона и изменения масштаба изображения, управлять присоединенной видеокамерой.

У WiMAX SoC имеется интерфейс, позволяющий проектировщикам использовать внешний процессор, чтобы обойти внутренний процессор ARM. Предлагается гибкое решение, предоставляющее возможность использовать более производительный процессор, чемARM, если для применений с высокой разрешающей способностью необходима более высокая скорость передачи данных. Кроме того, это решение позволяет проектировщикам иметь больше вариантов коммуникационных интерфейсов. Плата за это – дополнительная стоимость внешнего процессора.

3. Выбор оптимальной инфраструктуры беспроводной сети

Зная требования предприятия-заказчика к системе видеонаблюдения, можно исследовать различные варианты развертываемойинфраструктуры для передачи беспроводного видео. Доступны четыре варианта, являющиеся отнюдь не идеальными с точки зрения современного рынка систем физической безопасности, которые включают:

    — наследуемые аналоговые радиосистемы,

    — беспроводные Wi-Fi, EV-DO сотовые широкополосные сети и mech сети.

Наследуемые аналоговые беспроводные системы используют беспроводное соединение типа точка-точка для соединения скаждой камерой. Сосредоточение множества систем типа точка-точка в одном месте является проблематичным, потому что в случае, если радиолинии занимают одни и те же полосы частот, то при близком расположении приемных антенн может возникнуть интерференция их сигналов друг с другом. С помощью аналоговых беспроводных систем не могут быть реализованы преимущества, свойственные современным основывающимся на IP сетям передачи охранного телевидения. Основанная на IP сеть может поддерживать топологию точка-многоточка (то есть: базовая станция с множествои беспроводных видеокамер). Эта основанная на IP архитектура использует широкий радиоканал, который в режиме TDMA делится между несколькими видеокамерами при минимальной интерференции с другими системами. Использование беспроводных линий Wi-Fi или муниципальной сети Wi-Fi может быть привлекательным вариантом для того, чтобы уменьшить стоимость инфраструктуры сети, но это снижение стоимости достигается в ущерб сетевой безопасности, надежности и предсказуемости параметров. Кроме того, при хранении частных данных возникаютмногочисленные угрозы безопасности сетей Wi-Fi. Муниципальные сети «типично открыты» сообществу для доступа и не используютсредств достижения безопасности или шифрования данных. Кроме того, производительность сети будет в этом случае низкой,поскольку доступная для сети пропускная способность делится с другими агентствами или широкой публикой. Эти недостаткиисключают коллективное использование Wi-Fi для тех приложений, которые требуют безопасного режима передачи видео.

Широкополосная сотовая сеть EV—DO завоевывает популярность как широкополосная технология доступа к IP сетям для самого разного бизнеса, индивидуальных потребителей и  учреждений. В ней найдется место и для передачи сигнала мобильной видеостанции. Однако ясно, что скорости передачи данных, достигнутые в сегодняшних сетях EV—DO, намного ниже минимальных требований для применений видеонаблюдения в реальном времени, для которых являются приемлемыми скорости передачи данных выше 2 Мбит/с для получаемых от каждой камеры потоков, а минимально приемлемое время задержки измеряется миллисекундами.Хотя услуга EV—DO оказалась полезной для легкого доступа к удаленным IP данным, предшествующее применение этой общей открытой архитектуры также показало, что обслуживание доступно далеко не всегда, а пропускная способность сильно изменяется отзоны к зоне. Кроме того, помесячная плата за пользование делает эту технологию слишком дорогой для использования на постояннойоснове.

Беспроводные mesh сети предоставляют новые возможности для эффективного соединения камер, позволяя вести передачу одного и того же сигнала по разным трассам. Однако при неправильном построении преимущества mesh сети могут быть сведены на нет. Теоретически вы устанавливаете достаточно много концентраторов сети и создаете полностью резервируемую систему, которая всегда доступна. Но для того, чтобы развернуться mesh сеть, потребуется вложение средств, оцениваемое  в 40000$ на квадратный километр. Даже в случае, если вы будете в состоянии затратить такие средства на строительство сети mesh, вы в результате только увеличите системное время задержки и уменьшите предсказуемость вашей сети, добавив разнообразные дополнительные пути от и до ваших источников видео. Попытавшись подвести итог сделанному, вы быстро откажетесь от этого варианта, тем более в том случае, если каждый  новый «пролет» добавит время задержки.

В этом случае, чем больше пролетов проходит сигнал видео, тем большей интерференции подвергнутся кадры видео и тем менее предсказуемым окажется канал передачи. Поэтому каждый концентратор mesh, который находится в пространстве между камерой и сетью, требует управления временем задержки за счет применения специальной системы, которая позволит доставить чувствительное ко времени видео до пункта назначения, оставаясь в пределах приемлемых параметров. Кроме того, низкие скорости передачи данных 1 — 6 Мбит/с, которые типичны для существующих mesh сетей, вместе с высоким коэффициентом пакетных ошибок делают кадры видео непригодными, подчеркивая тот факт, что обычные mesh сети недостаточно хороши для передачи видео. Для того чтобы получить возможность в полной мере использовать их преимущества, потребуется тщательно исследовать различные виды mesh архитектуры.

Применение архитектуры mesh при построении сетей видеонаблюдения сталкивается еще с одной проблемой. Хотя любая беспроводная сеть mesh теоретически может поддерживать видео, беспроводные концентраторы mesh, использующие единственные или сдвоенные радиоканалы, обладают ограниченной способностью к масштабированию. Масштабируемость, конечно же, не является проблемой для маленькой сети видеонаблюдения, если нет вероятности того, что может потребоваться расширение сети в будущем. Однако, для крупномасштабных сетей видеонаблюдения и любых сетей, которые должны будут быть впоследствии расширены, достижение масштабируемости – это та техническая проблема, на которую нельзя не обращать внимания.

Какие существуют ограничения при масштабировании для одноканальных и со сдвоенным радиоканалом беспроводных концентраторов mesh?

Для того чтобы понять, какие технические ограничения существуют для одноканальных и со сдвоенным радиоканалом концентраторов, надо рассмотреть алгоритмы, используемые для оптимизации их пропускной способности. Концентраторы с единственным радиоканалом вообще испытывают недостаток в полосе пропускания, необходимой для того, чтобы эффективно поддерживать сети видеонаблюдения. Там, где полоса пропускания достаточна, сеть полностью сохраняет свою емкость только тогда, когда используется в конфигурации точка–точка. Но единственное соединение точка-точка является совершенно не гибким. Чтобы обеспечить гибкость, концентраторы должны быть определенным образом включены в сеть или связаны с другими соседними концентраторами в том же самом беспроводном канале и на той же самой частоте.

При включении дополнительных концентраторов в сеть mesh доступная полоса пропускания распределяется среди всех концентраторов, ограничивая полезную емкость и создавая высокое и непредсказуемое время ожидания и джиттер, если трафик растет. Такие свойства являются неподходящими для сетей видеонаблюдения, которые для поддержания высокого качества видео требуют высокой производительности и низкого времени задержки, а также незначительного джиттера.

Применение концентраторов со сдвоенным радиоканалом несколько улучшает ситуацию. При этом каждый радиоканал в концентраторе отдается отдельному ТВ каналу, который по радиолинии, используя тот же самый радиоканал, передается смежным концентраторам, за счет чего эффективно удваивается емкость, доступная для концентраторов с единственным радиоканалом, используемых в режиме точка-точка. Хотя это и делает доступной большую полосу пропускания для сети, все же в результате этого в сети также появляются недостаточно гибкие связи. В действительности все заканчивается той же самой нехваткой гибкости, которая свойственна единственному радиоканалу точка-точка или даже традиционной проводной сети, и теряется одно из главных преимуществ mesh сети. С другой стороны, концентраторы со сдвоенным радиоканалом могут быть развернуты таким образом, что оба радиоканала объединяются и связываются через mesh c соседними концентраторами, эффективно работая как концентратор с единственным радиоканалом в режиме mesh, но с удвоенной полосой пропускания. Хотя в этом случае полоса пропускания увеличивается, она все еще поделена между всеми соседними концентраторами, которые ограничивают полезную емкость сети и увеличивают при росте трафика время задержки и джиттер, опять приводя к режиму, неподходящему для качественной доставки видео. Для преодоления этого придется применить соответствующий режим. Придется ограничить размеры сети mesh и обеспечить больше дополнительных проводных линий или высокопроизводительных точка-точка беспроводных линий для более четкой работы. Из-за этих изначально присущих сети mesh, в том числе использующей сдвоенный радиоканал, трудностей с масштабированием при расширении сети видеонаблюдения снижается ее рентабельность и гибкость.

Выводы

Беспроводные сети mesh действительно помогают создавать и впоследствии расширять большие сети для передачи видео. Этому способствует также наличие широкополосного обратного канала в конфигурациях точка-точка и точка-многоточка. При развертывании сети, покрывающей большую территорию, по-видимому, лучшей конфигурацией будет конфигурация, которая будет использовать все три возможных топологии. Основное требование к сети – это наличие широкополосного обратного канала, который необходим для передачи видео в режиме TDMA. Важно также точно знать, какого качества видео необходимо пользователям. Часто пользователи плохо представляют себе, чего они, в конечном счете, хотят от своей сети видеонаблюдения, и простое следование их пожеланиям приводит к неоптимальному построению системы.