Радиоканал в системах видеонаблюдения

Нередко в практике проектирования систем видеонаблюдения встречается ситуация, когда проектировщик сталкивается, что называется, с «обстоятельствами непреодолимой силы», оказываясь в замешательстве. Одной из таких ситуаций является необходимость организовать соединение там, где прокладка кабеля невозможна либо затруднена.

Примеров довольно много. Это могут быть движущиеся объекты, например, лифты. Или объекты, где особенностью является трудность прокладки коммуникаций, объекты, находящиеся на значительном удалении друг от друга, где, скажем, прокладывание оптического кабеля неоправданно для бюджета или затруднено особенностями местности. Дороговизна, а иногда и физическая невозможность прокладывания кабельных линий можгут быть обусловлены насыщенностью кабельной структуры, хозяйственных коммуникаций, системой трубопроводов и т.п. Отдельную категорию составляют объекты, для которых вообще критично любое вмешательство в их структуру: памятники архитектуры, музеи, исторические объекты. В таких обстоятельствах подобные задачи могут превратиться в настоящую проблему.

Решение лежит на поверхности – использование связи по радиоканалу. Во многих ситуациях оно может быть единственной альтернативой. О том, насколько это просто или сложно, об особенностях применения такого решения мы сегодня поговорим и дадим некоторые рекомендации по применению радиосвязи для задач видеонаблюдения.

Wi-Fi и немного теории

Сегодня существует большое количество разных стандартов беспроводной связи, многие из которых предназначены для обеспечения абонентов доступом к тем или иным коммуникативным сервисам, будь то сотовая связь или доступ в Интернет для пользователей локальных и мобильных сетей.

Один из самых распространённых подобных стандартов - IEEE 802.11 или Wi-Fi, работающий в частотных диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц, наиболее доступен для применения, т.к. оборудование довольно дешево и позволяет быстро организовать радиомост на небольшом расстоянии.

В той части ультракороткого диапазона, к которой относятся частоты Wi-Fi, длина волны составляет несколько сантиметров. Такие радиоволны распространяются преимущественно в пределах прямой видимости, т.к. не огибают препятствия и плохо проходят через твердые объекты. Для среднестатистического WiFi-роутера максимальная дальность передачи сигнала составляет приблизительно 50 м для закрытых помещений и до 100-200 м для открытого пространства, но фактическое расстояние зависит от множества факторов, будь то помехи от других устройств или погодные условия, если соединение происходит на открытой местности. И здесь уже многое зависит от степени направленности и коэффициента усиления антенн, которыми оснащено устройство.

WiMAX и чуть больше теории

Другой технологией является стандарт IEEE 802.16, так называемый WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Networks), более известный под именем WiMAX. Хотя последнее название не вполне точно, мы будем применять его по причине большей расхожести термина. WiMAX подразумевает передачу сигнала в более широком диапазоне частот, чем обычный Wi-Fi, приблизительно от 1 ГГц до 10 ГГц для абонентского оборудования, и, соответственно, обеспечивает большую зону покрытия и улучшенные показатели скорости.

Говоря о WiMAX, стоит сказать, что поскольку изначально эта технология разрабатывалась как стандарт для операторов – поставщиков широкополосного доступа к городским беспроводным сетям, у аппаратной части данного стандарта следует разделять базовое приёмо-передающее оборудование, схожее со станциями сотовых операторов, и абонентское оборудование «последней мили», подобное точкам доступа и роутерам WiFi. Соответственно, их назначение и характеристики различны и применение к видеонаблюдению также имеет свою специфику, о чём мы ещё поговорим.

Если говорить более конкретно, то, например, для базового оборудования WiMAX 802.16d реальные значения скорости и дальности будут колебаться в районе 50-75 Mb/s на расстоянии до 3-4 км в идеальных погодных условиях и при минимальных помехах. Хотя для данной модификации стандарта заявлены максимальные скорость и дальность до нескольких десятков Mb/s и десятков километров соответственно для спецификаций стационарного оборудования, т.е. базовых станций для сетей WiMAX.

Чтобы яснее понять некоторые принципы беспроводной связи, на каком бы стандарте она ни базировалась, необходимо помнить, что пропускная способность (ширина канала) и расстояние обратно пропорциональны друг другу. Например, стандарт Wi-Fi 802.11n внутри диапазона 2400—2483,5 МГц имеет каналы шириной 40 МГц. Именно за счёт увеличения ширины канала увеличивается скорость трафика. Таким образом, присутствует следующая зависимость (упрощённо): чем шире полоса пропускания, тем выше внутри неё скорость передачи данных, но тем меньше расстояние, на которое эти данные можно передать. Соответственно, верно и обратное: если вы хотите увеличить дальность связи, то придётся пожертвовать скоростью при уменьшении ширины канала, если конечно степень направленности антенны и коэффициент усиления передатчика останутся прежними.

В отношении установки оборудования тоже имеются свои нюансы.

Хотя мы знаем, что хороший WiFi-роутер способен обеспечить мощность сигнала для преодоления нескольких твердых преград, например, стен, необходимо чётко понимать, что для организации стабильного соединения для передачи такого сетевого трафика, как видеопоток от IP-камер, прямая видимость или, как говорят, LOS (line of sight) приемно-передающих устройств практически необходима. От этого зависит надёжность соединения и скорость передачи данных.

Что касается технологии WiMAX, то и здесь формально прямая видимость точек доступа не имеет значения. Это в общем справедливо для частот в пределах 1-3 Ггц. Поскольку некоторые редакции стандарта подразумевают работу на данных частотах, то для простой установки связи отсутствие прямой видимости в этом случае может быть некритичным. Однако, для получения тех значений расстояний и скоростей, которые необходимы для передачи трафика в системе IP-видеонаблюдения, прямая видимость является совершенно обязательным условием.

С требованием получения более надёжного соединения связано появление ещё одного стандарта, точнее подстандарта, относящегося больше к области проприетарных решений, и о нём нельзя не упомянуть. Речь идёт о так называемом Pre-WiMAX. Данная модификация неофициально позиционируется (и рекламируется) как «стандарт стабильной связи» и отличается от WiMAX только тем, что условие прямой видимости точек установки оборудования предусматривается здесь в обязательном порядке.

Радиорелейная связь.

Если необходимо передать трафик с большей скоростью и на большие расстояния, то придётся применять решения на основе радиорелейной связи.

Обычно радиорелейная связь ассоциируется с чем-то глобальным, дорогим и применимым только в крайнем случае, какой бы отрасли это не касалось, и иногда это не далеко от истины. Но на самом деле не всё так сложно, как кажется на первый взгляд, и здесь наряду с действительно дорогими решениями существуют вполне компромиссные варианты, которые приемлемы по сложности реализации и стоимости в рамках многих проектов.

Как правило, «радиорелейка» используется там, где необходимо обеспечить наиболее надёжную коммуникацию на расстоянии до нескольких десятков километров, а в случае ретрансляции сигнала и на значительно большие расстояния. Такая связь работает в частотных диапазонах до 80-100 ГГц.

Радиорелейное оборудование сегодня представляет собой довольно компактные решения, устанавливаемые на крышах зданий или на отдельно стоящих опорах. Подразделяется на полностью наружную систему (исполнение), когда антенна, приёмник, передатчик и коммутационный блок представляют собой единое устройство, собранное в одном корпусе, и на смешанную двух-трёх компонентную систему, включающую наружную антенну и блок приёмника-передатчика с интегрированным или вынесенным в отдельное устройство коммутатором (так называемым модулем уплотнения частотного тракта или модулем доступа) для подключения к сети Ethernet. В последнем случае антенна и приёмо-передающее устройство устанавливаются на местности, а коммутационный блок может располагаться внутри помещения на значительном удалении (до сотен метров) от антенн. Модуль доступа, независимо от того, интегрирован он или выполнен в отдельном корпусе, может иметь несколько гигабитных портов, возможность установки FSP-модулей для подключения оптического кабеля и резервируемый блок питания. Такие коммутационные блоки могут обрабатывать сигнал от нескольких приёмо-передающих устройств.

Прямая видимость оборудования здесь является строго необходимым условием для установления связи, поскольку волны тех длин, которые соответствуют частотным диапазонам от 10 ГГц и выше, уже совершенно неспособны проникать сквозь твёрдые преграды и огибать их. С этим связано и ограничение по длине сегмента между соседними станциями, т.к. с учётом радиуса кривизны Земли для обеспечения прямой видимости на расстояниях в несколько десятков километров приёмо-передающие устройства необходимо размещать на значительной высоте от поверхности.

Радиорелейное оборудование также подразделяется в зависимости от поддержки полнодуплексного режима, т.е. возможности одновременной передачи сигнала в двух направлениях и может быть канальным (half duplex) или магистральным (full duplex). Так же как и в случае с WiFi и WiMAX передача происходит в некотором частотном диапазоне, допустим 15 ГГц, с выделенной шириной канала (как правило, 28 МГц или 56 МГц). Повторим, что чем более узким является канал, тем он мощнее, тем больше дальность связи и меньше ошибок трафика, но меньше и пропускная способность. Для увеличения скорости передачи данных придётся задействовать более широкий канал, жертвовать мощностью и расстоянием. При этом стоимость оборудования напрямую зависит от значения приведённых параметров. Скажем, для передачи на несколько десятков километров потока со скоростью 1 Gb/s в полном дуплексе необходимо использовать магистральное оборудование с большой шириной канала - 500 МГц и более (чаще всего это объединение нескольких каналов внутри общего диапазона), а цена такого комплекта может достигать нескольких миллионов рублей.

Для меньших скоростей и расстояний на рынке существуют более дешёвые, но не менее надёжные в работе решения на основе канальных радиорелейных станций. Например, для доставки потока 500 Mb/s на расстояние в 3-5 км будет достаточно оборудования стоимостью не более 300-400 т.р. за полный комплект.

Примеры использования соединения по радиоканалу в системах видеонаблюдения.

Каким образом может применяться связь по радиоканалу для передачи данных в системах видеонаблюдения? Какие решения будут достаточными, а какие избыточными? Как не переплатить и в то же время получить надёжную работу оборудования и гарантировано передать трафик, не потеряв ни бита данных?

Начнём с самого простого способа, соединения по WiFi-каналу. Такое соединение, как мы говорили выше, обеспечит не очень высокую пропускную способность на небольшом расстоянии. Но для определённых задач этого может оказаться достаточно. Хороший пример – видеонаблюдение в лифтовой кабине. Для получения потока с одной камеры понадобится два комплекта приемо-передающего оборудования с узконаправленными антеннами, установленными в шахте лифта в прямой видимости друг от друга. Мы подробно освещали данную тему в статье и пособии. В такой схеме подключения устройство, установленное на кабине лифта, работает в качестве передающей станции, другое, подключённое в проводную локальную сеть -  в качестве классической точки доступа. 

Если же необходимо доставить не слишком объёмный трафик, такой, как поток от той же IP-камеры, но на большее расстояние, скажем, несколько сотен метров, или, допустим, установить связь между двумя зданиями и передавать поток с группы камер, то можно применить более мощную технологию беспроводного соединения – WirelessMAN (WiMAX), в частности абонентское оборудование WiMAX, (т.е., те же точки доступа), которое обеспечит более надёжную связь при несколько большей дальности, чем WiFi.

Построение основано на том же принципе, что и в первом примере: организация соединения «точка-точка» с антенными блоками, вынесенными в зону прямой видимости. Стоимость решения будет несколько большей по сравнению с вариантом на оборудовании WiFi, но ненамного.

Стоит заметить, что в приведённых примерах передаваемый трафик, по идее, должен составлять в среднем не более 10 Mb/s (поток с одной IP-камеры). Но если необходимо обеспечить передачу этого трафика на расстояние, например, 10-15 км или же передать поток в пределах нескольких десятков Mb/s на расстояние 3-5 км, то уже не обойтись без более основательного оборудования, такого, как базовая станция для сетей WiMAX. Стоимость данного решения составит уже 1500 – 2000$, что, впрочем, может оказаться значительно меньше прокладывания оптического канала связи.

Другими задачами по передаче трафика «по воздуху» могут являться доставка потока от группы IP-камер или же видеопотока от сервера к посту охраны, расположенному на значительном удалении от помещения серверной. Ещё один пример – это сбор данных с нескольких территориально распределённых объектов, соединение сегментов сети. Понятно, что в этих случаях видеопоток может быть довольно большим, вплоть до сотен мегабит в секунду. А если ещё и расстояние 25-30 км? Как быть в этом случае?

В таких ситуациях придётся применять радиорелейную связь. Как было сказано выше, на средних расстояниях (5-10 км) может хватить и канальной станции с полудуплексным режимом.

Но если соединение должно происходить на десятках километров и скорости до сотен Mb/s и выше, то спасёт только магистральная радиорелейная станция с объединением нескольких каналов для получения большей пропускной способности, с поддержкой полного дуплексного режима. Прямая видимость здесь также обязательна, кроме того, на расстояниях более 10 км необходимо учитывать радиус кривизны Земли и размещать передатчик на естественном возвышении рельефа либо на отдельной опоре. Как мы отмечали выше, магистральное оборудование - это безусловно дорогое решение, но только оно способно обеспечить гигабитные скорости передачи данных на большие расстояния, и высокая стоимость может быть оправдана в масштабе проекта.

Лицензирование

Несколько слов о разрешительной части.

Сразу следует сказать, что в большинстве случаев для радиовещания на территории Российской Федерации необходима как минимум регистрация оборудования и получение разрешения на использование частотного диапазона. Такие ограничения связаны с возможностью эфирных коллизий, помех для связи на частотах госслужб и других участников пространства вещания, что особенно актуально в городских условиях с перенасыщенной радиочастотной обстановкой.

Если говорить о семействах 802.11 (WiFi) и 802.16 (WiMAX), то их преимуществом является то, что они расположены в области нерегистрируемых решений для применения внутри помещений и предполагают работу в безлицензионном диапазоне частот. Это означает отсутствие необходимости регистрации частоты и/или передатчика, т.е. их можно применять так же свободно, как, например, мобильный телефон.

Но, несмотря на формально свободный от лицензирования статус, во многих странах стандарты 802.11 (WiFi) имеют ограничения в применении. В России действующим законодательством определён регламент использования устройств, работающих в диапазонах 2400—2483,5 МГц и 5150 — 5350 МГц. Так, для перечисленных стандартов и полосы 2,4 ГГц свободное построение сетей возможно лишь внутри закрытых помещений, а мощность передатчика при этом не должна превышать 100 мВт. Для использования Wi-Fi вне помещений и/или c большей мощностью передатчика необходима регистрация устройства и получение разрешения на вещание в соответствующем диапазоне (и на соответствующем канале!) в данной географической точке.

Процесс лицензирования оборудования, в том числе и радиорелейного, особенно в случае использования высокого сантиметрового диапазона (70-80 ГГц), где даже в условиях мегаполиса есть свободные частотные каналы, не представляет значительных сложностей и вкратце сводится к получению заключения экспертизы о возможности использования желаемых частот, выдаваемого Главным радиочастотным центром (ГРЧЦ) при радиочастотной службе, находящейся в ведении Роскомнадзора. Единственной проблемой могут оказаться, пожалуй, только сроки рассмотрения, и на это следует делать поправку при подготовке проекта.

Помощь в получении необходимой разрешительной документации для проектируемого решения с удовольствием оказывают компании – продавцы радиоканального оборудования.

Плюсы и минусы различных стандартов связи для передачи видеоданных

В заключении приведём выжимку преимуществ и недостатков разных способов организации радиосвязи для соединения сегментов локальной сети.    

• Для самого простого способа связи, соединения по WiFi, плюсы и минусы очевидны: невысокая стоимость оборудования при малых расстояниях и скоростях в канале. Отдельно следует отметить плохую помехоустойчивость, подверженность воздействию различных устройств, генерирующих электромагнитные колебания. Особенно это касается использования внутри помещений, где не требуется лицензирования такого оборудования и частотное пространство может быть плотно и хаотично заполнено. Однако, вариант радиоканала на основе WiFi-соединения практически незаменим по параметру «качество-цена-простота развёртывания» при организации того же лифтового видеонаблюдения.

• Соединение с помощью абонентского оборудования WiMAX (WirelessMAN) в целом обладает теми же сильными и слабыми сторонами, что и WiFi, с поправкой на большую мощность и, вместе с тем, большие требования к дальности и скорости, поскольку такое оборудование чаще можно использовать вне помещений. Здесь стоит отметить, что большим препятствием в использовании WiFi и WiMAX в городских условиях вне помещений является потенциальная сложность получения разрешения на определённый диапазон из-за перенасыщения городского эфира на частотах 2,4 и 5 ГГц.

• Базовое оборудование WiMAX и канальная радиорелейная связь. Преимущества базовых станций – это, прежде всего, скорость соединения на довольно внушительных расстояниях в несколько километров. Канальные радиорелейные станции могут эффективно применяться для дальней связи между станционным оборудованием системы видеонаблюдения. Более высокая стоимость и необходимость монтажа приёмо-передающей части на возвышениях или отдельно стоящих опорах для обеспечения прямой видимости, возможно, потребует повышенного внимания к данным деталям проекта и соответствующих корректировок, что можно отнести к минусам.

• Магистральные радиорелейные станции являются бескомпромиссным решением рассматриваемого вопроса. В преимущества однозначно отнесём масштабируемость, т.е. возможность агрегации каналов внутри диапазона для достижения необходимых показателей пропускной способности. Вследствие этого – применимость для ёмких по трафику задач в крупных сегментах сети. Вопрос стоимости, думаем, уже не совсем уместен в данном контексте.

Особенности различных стандартов, лицензирование, практика внедрения радиоканальных систем подробно разбирается в вебинаре:

Заключение

Целью статьи не является подробный обзор технологий беспроводной связи. Тема слишком обширна. Мы хотели всего лишь задать вектор, в направлении которого кто-то, возможно, отыщет ответ на свой вопрос.

Сегодня на рынке существуют предложения разного оборудования для организации радиоканальной связи, с параметрами и ценовым диапазоном, дающими определённую свободу выбора решения.

Как правило, на сайтах производителей можно найти калькуляторы и таблицы, которые помогают более точно определить значения конкретных характеристик для поставленной задачи.

Несмотря на некоторые особенности и ограничения, при должном подходе и понимании специфики предмета, организация соединения сетевого оборудования для видеонаблюдения по радиоканалу не представляет значительных трудностей. В работе наших партнёров мы много раз сталкивались с необходимостью применения таких решений на реальных объектах.