Блог / Новости 

Беспроводная технология WI-FI в системах видеонаблюдения
Часть 1

 

Общие сведения

Наряду с проводными IP системами видеонаблюдения в настоящее время получили широкое применение и так называемые Wi-Fi IP видеокамеры и системы.
Рассмотрим технологию беспроводной передачи видеопотока для технологий WI-Fi.

Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity - "беспроводная точность", по аналогии с Hi-Fi) представляет собой  стандарт на оборудование Wireless LAN. Разработан консорциумом Wi-Fi Alliance на базе стандартов IEEE 802.11. Wi-Fi - торговая марка Wi-Fi Alliance.

Что такое цифровой поток?

Набор единиц и нулей «говорит» о цвете того или иного сегмента на матрице видеокамер, о движении, размере и цвете объекта и обо всем том, что мы видим на экране монитора. Передача осуществляется с помощью пакетной технологии. Если у IP видеокамер практически отсутствуют потери при передаче данных,  то у беспроводных (Wi-Fi) IP видеокамер могут отмечаться  существенные задержки и потери пакетов. Почему так происходит и при каких условиях? Все это и многое другое рассмотрим более подробно ниже.

На рис. 1 представлена схема пакетной передачи данных:

Рис. 1

• заголовок - часть пакета, содержащий следующую информацию:
• адрес источника;
• адрес местоназначения;
• информация, синхронизирующая передачу.
• данные - это часть пакета, содержащая собственно передаваемые данные;
• трейлер (или концевик) - это часть пакета, содержащая информацию для проверки ошибок при приеме пакета.

IP видеокамера с модулем WI-FI

В беспроводном видеонаблюдении используется диапазон частот 2.4 или 5 ГГц. Согласно свойствам данного диапазона волн ВЧ и КВЧ, дифракция радиоволн существенна мала, а сигнал может передаваться лишь в зоне прямой оптической видимости. В закрытых помещениях или при насыщенной постройками территории объекта происходит многократное отражение волн, что влияет на уровень и качество сигнала, и соответственно на пропускную способность канала в целом. Передача сигнала сквозь твердые поверхности здания (межэтажные перекрытия и  стены), на частоте 5ГГц и более, существенно затруднены. С помощью физических свойств можно это описать так: чем больше частота, тем меньше длина волны и тем меньше проникающая способность радиосигнала, применительно к выше указанным условиям.  Длина волны на частоте 2,5ГГц составляет 120мм, на частоте 5ГГЦ – 60милиметров, что сравнимо с толщиной перекрытий и стен, отсюда и большое затухание сигнала.

Внимание! Для работы любой Wi-Fi видеокамеры требуется прямая оптическая видимость между точкой доступа и видеокамерой. Трасса прохождения радиосигнала должна быть свободна от любых помех - деревьев, кустов, зданий и т.д.

IP видеокамера уличного исполнения с поворотным механизмом и с внешней антенной

 

Решением данной проблемы является использование кодирования с помощью технологии OFDM (Orthogonalfrequency-divisionmultiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Данное кодирование разработано для оборудования, работающего вне помещений. Основным преимуществом OFDM, по сравнению со схемой с одной несущей частотой, является её способность противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольные искажения (МСИ), а соответственно, сократить потери пакетов и информации в целом.

Данное кодирование реализовано за счет разнесенных друг от друга приемной и передающей антенн точки доступа. Такая технология хорошо зарекомендовала себя в построении сетей сотовых операторов связи и в сети WI- MAX.

Выбор месторасположения

Чтобы избежать взаимного влияния оборудования, следует располагать беспроводное оборудование (точки доступа, беспроводные адаптеры) подальше от трансформаторных подстанций, микроволновых печей и любых других приборов микроволнового излучения с различной мощностью. Обычная офисная гипсокартонная перегородка может сильно ослабить сигнал, а капитальная кирпичная или бетонная стена и вовсе стать преграждающим экраном на пути прохождения сигнала. Для обеспечения равномерной зоны покрытия необходимо использовать несколько точек беспроводного доступа. Кроме того, на беспроводную сеть влияет множество факторов (соседствующие беспроводные сети, климатическое состояние погоды, большие расстояния, расположение и тип используемых антенн, количество используемых беспроводных каналов и количество одновременно подключенных видеокамер к точке доступа, различные преграды на пути распространения сигнала и множество других факторов). При проектировании и инсталляции беспроводной сети очень сложно предугадать, как она будет работать в реальных условиях и на реальной местности. Каждое место установки точки доступа уникально количеством препятствий, материалами, из которых они (препятствия) состоят, погодными условиями (для внешней сети) и т.д. Поэтому на практике необходимо разворачивать некий стенд (точку доступа) с каналообразованием для WI-Fi IP видеокамер и смотреть, как себя будет вести сигнал в той или иной ситуации.

Беспроводные IP видеокамеры, а также другое беспроводное оборудование, работают в соответствии с международными стандартами семейства 802.11. Наиболее важные и распространенные из них - 802.11 а, 802.11b, 802.11g, 802.11n.

Стандарты WI-FI

Стандарты и семейства

802.11

Стандарт технологии IEEE 802.11 представляет собой набор стандартов связи, для коммуникации в беспроводном локальном сегменте локальной сети с частотным диапазоном 2,4; 3,6 и 5 ГГц. Он наиболее известен под названием Wi-Fi.

Стандарт диапазона работы - 2.4 ГГц. Изначально предполагалось, что стандарт IEEE 802.11 будет использован для передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с. В настоящее время он не используется. Ширина канала - 11 МГц.

802.11а

Стандарт, использующий диапазон 5ГГц, обеспечивает скорость работы от 54 до  6 Мбит/с. Ширина канала - 20МГц.

Стандарт 802.11а определяет следующие каналы:

Шаг каналов в диапазоне 5 ГГц составляет 5 - 20 МГц, а ширина канала для данного стандарта  составляет 20МГц. Таким образом каналы являются независимыми  и работа на этих частотах возможна без взаимных помех.

На каждый из каналов можно подключить до 4 беспроводных видеокамер, итого имеется возможность подключить 88 видеокамер при использовании беспроводной связи в диапазоне 5 ГГц.

802.11b

Дальнейшее развитие стандарта 802.11 с использованием диапазона 2.4ГГц с шириной канала уже 22МГц и со скоростью передачи данных от 11 до 1Мбит/с.

802.11g

Наибольшее распространение получил стандарт, обеспечивающий наилучшую по сравнению с 802.11b пропускную способность - 802.11g. Стандарт использует все тот же диапазон частот 2.4 ГГц, и обеспечивает скорости потока в 54, 36, 24, 18, 12 и 6 Мбит/с. А так же совместим со стандартом 802.11b, и, соответственно поддерживает скорости работы предыдущего стандарта в 11, 5.5, 2 и 1 Мбит/с. А ширина канала составляет - 20МГц. При увеличении расстоянии, скорость пропускной способности уменьшается за счет потери и задержки пакетов данных!

802.11n

Все вышеперечисленные стандарты имеют бытовое применение. Сетевое оборудование (сетевые карты) устанавливаются в наши компьютеры, ноутбуки и даже в телефоны. В разрез этим стандартам пришел  более «мощный» и привлекательный по пропускной способности, создаваемого им канала связи, стандарт. Стандарт 802.11 n повышает скорость передачи данных практически в 4 раза по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 480 Мбит/с при отсутствии всех факторов, способных оказать влияние на качество сигнала. Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4 — 2,5 или 5,0 ГГц. Однако, данная скорость передачи данных подразумевает использование большей ширины канала (40 МГц) и использования нескольких антенн для приема и передачи данных. Это позволяет использовать данный стандарт в помещениях здания, кроме того, из-за распространенности устройств Wi-Fi, работа со спектром 40 МГц в реальных условиях крайне маловероятна.

 

Используемые частоты и каналы в диапазоне 2.4 ГГц

Для беспроводной Wi-Fi связи используется определенный диапазон частот, причем в зависимости от страны, этот диапазон может быть различным. Весь диапазон частот разбит на несколько каналов, на которых может работать оборудование.

Стандарты 802.11b, 802.11g и 802.11n определяют следующие каналы:

 

Шаг каналов в диапазоне 2.4 ГГц составляет 5 МГц, а ширина канала составляет 20МГц. Это значит, что  учитывая спектр рабочих частот оборудования, независимых каналов, на которых можно работать, остается всего 3. Это не перекрываемые соседними каналами диапазоны частот. Скорость работы Wi-Fi устройств в реальных условиях не превышает 10 Мбит/с, следовательно, подключение по Wi-Fi множества устройств одновременно затруднено из-за ограничения пропускной способности канала. Опыт показывает, что подключение более 5 беспроводных Wi-Fi видеокамер с разрешением более 1,3MPix со скоростью в потоке до 3Мбит/с к одной точке доступа нецелесообразно. Так как, ограничение количества подключаемых видеокамер происходит не только из-за ширины вещательного канала, но и ограниченного быстродействия процессора точки доступа бытового значения, которая просто не успевает обрабатывать поступающие пакетные данные при подключении множества устройств одновременно. Данную проблему помогают решить устройства производителей с высоким классом и уровнем, которые занимают лидирующие позиции на рынке беспроводного сетевого оборудования.

Таким образом, с использованием стандартных средств можно подключить не более 12-15 видеокамер по Wi-Fi при стабильной скорости в 54Мбит/с.  Кроме того, нужно учитывать, что в настоящее время имеется ряд оборудования, работающего в данном диапазоне стандарта, и, соответственно, беспроводные каналы могут быть заняты другими радиосетями. Это делает еще более затруднительным  подключение IP видеокамер вне здания.

Согласно постановлениям Правительства Российской Федерации №539 от 12 октября 2004 г. "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств" и №476 от 25 июля 2007 г. "О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. №539 "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств"  не требуется регистрация следующего оборудования: пользовательское (оконечное) оборудование радиодоступа (беспроводного доступа) в полосе радиочастот 2400 - 2483,5 МГц с мощностью излучения передающих устройств до 100 мВт включительно (то есть беспроводные Wi-Fi-адаптеры и прочие встроенные в клиентские устройства модули), но нужно учесть, что обязательной регистрации подлежат все устройства, содержащие беспроводные точки доступа 802.11b/g для передачи данных по технологии Wi-Fi.

Для преодоления данного ограничения существует два пути - использовать оборудование, работающее в диапазоне 5 ГГц или использовать нестандартные частоты в диапазоне 2.4 ГГц.

Схема реализации сетей передачи видеоизображения по каналу Wi-Fi и оптическому кабелю

При неких затруднениях реализации беспроводного канала передачи данных, используется оптоволоконный коммутатор (СВИЧ) с оптическим кабелем, как среда передачи данных.

Примечание. К оптическому коммутатору  подводится оптический кабель и создается кольцевая топология системы передачи данных между свичами (коммутаторами сетевыми), тем самым позволяя исключить влияние обрыва  одного из кабелей и потерю  сегмента системы в целом.

Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи
Технология	Стандарт	Использование	Пропускная способность	Радиус действия	Частоты
Wi-Fi	802.11a	WLAN	до 54 Мбит/с	до 300 метров	5,0 ГГц
Wi-Fi	802.11b	WLAN	до 11 Мбит/с	до 300 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11g	WLAN	до 54 Мбит/с	до 300 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11n	WLAN	до 450 Мбит/с (в перспективе до 600 Мбит/с)	до 300 метров	2,4 — 2,5 или 5,0 ГГц
WiMax	802.16d	WMAN	до 75 Мбит/с	25-80 км	1,5-11 ГГц
WiMax	802.16e	Mobile WMAN	до 40 Мбит/с	1-5 км	2.3-13.6 ГГц
WiMax	802.16m	WMAN, Mobile WMAN	до 1 Гбит/с (WMAN), до 100 Мбит/с (Mobile WMAN)	н/д (стандарт в разработке)	н/д (стандарт в разработке)
Bluetooth v. 1.1	802.15.1	WPAN	до 1 Мбит/с	до 10 метров	2,4 ГГц
Bluetooth v. 2.0	802.15.3	WPAN	до 2.1 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
Bluetooth v. 3.0	802.11	WPAN	от 3 Мбит/с до 24 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
UWB	802.15.3a	WPAN	110-480 Мбит/с	до 10 метров	7,5 ГГц
ZigBee	802.15.4	WPAN	от 20 до 250 Кбит/с	1-100 м	2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов), 868 МГц (один канал)
Инфракрасный порт	IrDa	WPAN	до 16 Мбит/с	от 5 до 50 сантиметров, односторонняя связь — до 10 метров

 

Данная таблица взята из электронной энциклопедии в сети Интернет

Более подробную информацию о беспроводных технологиях и других стандартов можно найти в электронной энциклопедии http://ru.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi

Нестандартные частоты и каналы в диапазоне 2.4 ГГц

Некоторое оборудование может работать за пределами стандартного диапазона частот, определенного стандартом Wi-Fi. Это свойство полезно при зашумленности или занятости стандартных Wi-Fi каналов.

Так как в данном случае используются нестандартные частоты, то должно применяться только совместимое оборудование.

Нестандартные каналы, доступные для оборудования Ubiquiti:

Канал	237	238	239	240	241	242	243	244	245	246	247	248	249	250
Частота, ГГц	2,31	2,32	2,32	2,33	2,33	2,34	2,34	2,35	2,35	2,36	2,36	2,37	2,37	2,38
Канал	251	252	253	254	255	256
Частота, ГГц	2,38	2,39	2,39	2,4	2,4	2,41

 

При использовании нестандартных каналов связи к одной точке доступа  можно подключить 7 нестандартных неперекрывающихся Wi-Fi каналов, к каждому из которых возможно подключение до 4-5 беспроводных видеокамер, и, в итоге, получить до 35 видеокамер, подключенных к одной точке доступа в данном диапазоне.

Однако применение такого оборудования требует оформление соответствующих лицензий и разрешений в соответствии с законодательством РФ.

Используемые частоты и каналы в диапазоне 5 ГГц

Для беспроводной Wi-Fi связи в диапазоне 5 ГГц в Европе используется два диапазона частот 5150МГц-5350МГц (нижний диапазон) и 5470МГц-5850МГц (верхний диапазон). Это связано с тем, что в этом диапазоне очень маленькая длина волны и сложно изготовить антенну, которая одинаково хорошо работает на всем диапазоне 5 ГГц в следствие ограничений на геометрические размеры элементов.

Применение оборудования Wi-Fi требует оформления соответствующих лицензий и разрешений в соответствии с законодательством РФ.