Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

IP - система видеонаблюдения с беспроводным WiMAX - соединением

IP - система видеонаблюдения с беспроводным WiMAX - соединением

В рубрику "IP-security" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

IP-система видеонаблюдения с беспроводным WiMAX-соединением

В.А. Юдинцев
Ведущий инженер ГУП НПЦ "Элвис"

В последнее время все большее внимание уделяется проблеме обеспечения безопасности, в решении которой важную роль играют системы видеонаблюдения. Созданные в 1940-е гг. системы первоначально использовались для защиты банков. В настоящее время они стали наиболее популярным средством, входящим в состав разнообразных средств защиты и обеспечения безопасности

Мировые затраты на обеспечение национальной безопасности в 2007 г. превысят 572 млрд долларов США (данные фирмы Equity nternational). Одним из инструментов, ориентированных на выполнение задач обеспечения безопасности различных объектов, являются системы видеонаблюдения. По некоторым оценкам, только в США каждый год устанавливается от 2 до 3 млн новых камер видеонаблюдения. По данным фирмы Frost&Sullivan, рынок камер видеонаблюдения вырастет с 435,8 млн долларов США в 2005 г. до 6,48 млрд долларов в 2012 г.

Благодаря переходу с аналогового формата на цифровой становится возможным использовать для видеонаблюдения IP-протокол. Кроме того, все большее распространение получают беспроводной доступ, цветные системы с повышенным разрешением, биометрия, интеллектуальные датчики, программные средства для выполнения интеллектуального анализа видеоизображения. Новые возможности расширяют области применения систем видеонаблюдения - в промышленности и на транспорте, на объектах связи и в финансовых учреждениях, в здравоохранении и образовании, в розничной торговле, игровых комплексах (казино). Видеонаблюдение применяется в государственных системах мониторинга и национальной безопасности и системах, предназначенных для защиты населения.

В беспроводных IP-системах используются два испытанных технических решения: внешняя беспроводная передача данных и проводное сетевое видеонаблюдение. Это позволяет решить многие проблемы, с которыми сталкиваются конечные пользователи при установке систем наблюдения и мониторинга (значительные расстояния, неудовлетворительная сетевая инфраструктура и др.).

Преимущества беспроводного соединения

Беспроводные сети

Все большее количество организаций, которые предъявляют повышенные требования к обеспечению безопасности, обращаются к использованию фиксированных беспроводных сетей. Назовем основные причины, объясняющие интерес ктаким решениям.

  • Быстрое, легко реализуемое развертывание

    Беспроводная система может быть размещена фактически везде, включая водные объекты, пересеченную местность, удаленные места. Монтаж беспроводных сетей не требует больших временных затрат.
  • Приемлемая стоимость

    Беспроводная система обходится заказчику гораздо дешевле, чем оптоволоконная, так как стоимость прокладки нескольких километров кабеля может достигать нескольких сот тысяч долларов.
  • Гибкость

    Беспроводное исполнение обеспечивает гибкость всей системе. Поскольку сеть безопасности является беспроводной, камеры и абонентские устройства при необходимости могут быть с минимальными усилиями перемещены с одного места на другое, чтобы уже через несколько минут начать выполнять свои функции.
  • Высокая пропускная способность

    Пропускная способность беспроводных сетей составляет от 11 до 860 Мбит/с. Это позволяет передавать видеоизображение высокого разрешения в реальном времени, что необходимо для наблюдения.
  • Надежность

    Модели беспроводных сетей высокого класса (старшие модели) обеспечивают надежность 99,999%.
  • Многоуровневые беспроводные решения

    Широкий выбор решений означает, что любая организация может реализовать сеть безопасности для различных применений. Старшие модели беспроводных систем предназначены для применения во всепогодных условиях, а также для использования в крупномасштабных проектах. Более экономичные решения характерны для моделей невысокого класса (младших моделей).
  • Масштабируемость

    При использовании специального протокола SWRESV (Scalable Wireless LAN Flow Reservation) в системе IEEE 802.11 беспроводные сети получают свойство масштабируемости, которое делает эффективным использование решений на основе беспроводных сетей (wireless WAN) в системах наблюдения и безопасности.

Достоинства систем IP-наблюдения

Благодаря использованию сетевых камер беспроводные системы имеют преимущества перед аналоговыми CCTV. Рост популярности указанных систем объясняется их несомненными достоинствами.

  • Дистанционный доступ

    Любой поток видеоданных в режиме реального времени или в записи может быть передан в любую точку мира по проводной или беспроводной сети. Интранет или Интернет обеспечивают ускоренный доступ к изображениям при значительном уменьшении стоимости передачи и сокращении времени, необходимого для получения информации от контролируемых объектов. Изображения могут также автоматически храниться вне сайта (по соображениям удобства и безопасности).
  • Масштабирование

    IР-наблюдение может быть масштабировано. В ином случае объединяются от 1 до 1000 камер при одинаковых сетевых принципах работы.
  • Сетевая конвергенция

    Чтобы эффективно управлять данными, видеоданными, голосом, требуется лишь один тип IP-сети
  • Снижение системной стоимости

    Во многих случаях применение IP-системы наблюдения обходится дешевле, чем системы на базе стандартного цифрового видеозаписываю-щего устройства. Открытая и стандартная сеть, сервер и оборудование хранения данных обеспечивают экономичное решение.
  • Увеличенная надежность

    Передача данных на базе IP дает возможность хранения данных вне Интернет-узла (сайта) и использовать резервные инфраструктуру, сервер и память. Управляющее ПО обеспечивает работу в режиме реального времени и за счет максимального быстродействия позволяет принимать упреждающие меры для поддержания работы системы
  • Работа в открытых стандартах

    Работа IP-систем наблюдения базируется на открытых стандартах, допускающих использование прикладного ПО и оборудования (коммутаторы, серверы и др.) различных производителей. Это дает возможность выбора оборудования с необходимыми характеристиками по оптимальной для пользователя цене.

IP-системы наблюдения для систем безопасности

Гибкость и масштабируемость беспроводного Р-наблюдения позволяют создавать системы в соответствии с бюджетными возможностями конечных пользователей.

С применением беспроводной техники и сетевых камер можно быстро и легко реализовать простую сеть системы безопасности. В частности, простое решение обеспечивают беспроводные Ethernet-системы.

Современные видеокамеры позволяют преобразовывать изображения в IP-пакеты, которые можно легко передавать с помощью прямого соединения и многопунктовой связи. Камеры в многочисленных местах расположения просто подсоединяются к беспроводным мостам (абонентские устройства), которые посылают данные к беспроводной базовой станции, расположенной в контрольном центре безопасности организации. При необходимости быстродействующие прямые решения могут быть использованы для наблюдения за объектом, удаленным от центра управления на расстояние свыше 64 км. Видеоизображения высокого разрешения, поступающие от видеокамер, установленных в разных точках, могут быть загружены на большой смотровой экран в центре контроля и управления.

В целом IP-наблюдение, совмещенное с многообразными возможностями беспроводной передачи данных, предоставляет практические выгоды для каждого конечного пользователя независимо от размера, применения и бюджетных возможностей, а именно:

  • обеспечение наружного размещения;
  • быстрое и простое размещение оборудования;
  • возможность отказа от аналого-цифрового и цифроа налога во го преобразования;
  • размещение камер в любом месте и их легкое перемещение;
  • простота увеличения и уменьшения количества камер;
  • широкий набор аппаратных комбинаций, связанный с гибкостью и масштабируемостью, позволяет использовать беспроводные системы IP-видеонаблюдения на любых объектах.

IР-видеонаблюдение при наличии двух главных компонентов - сетевых камер и беспроводной передачи данных - обеспечивает наблюдение и мониторинг с беспрецедентными уровнями характеристик и экономичности.

Вариант реализации беспроводной системы IP-видеонаблюдения

Один из вариантов реализации беспроводной системы IP-видеонаблюдения представлен на рис. 1

В архитектуру включено кодирующее устройство на стороне интерфейса главного компьютера с графическим процессором для сжатия и кодирования видеоданных до поступления их на вход ультраширокополосного (UWB) передатчика. На приборной стороне используется дешифратор, а также процессор и запоминающее устройство для реализации IP-стека и выполнения вспомогательных операций для дешифратора дисплея.

Области применения и функции IP-видеонаблюдения

Беспроводные системы IP-видеонаблюдения находят широкое применение в самых разнообразных областях деятельности и на разных объектах. К ним относятся

  • предприятия (безопасность периметра зданий; мониторинг погрузочных платформ);
  • торговые центры (безопасность заказчика в местах стоянки автотранспорта);
  • банковские и финансовые учреждения (увеличение безопасности при использовании банкоматов и банковского оборудования);
  • муниципальные службы (мониторинг пересечений движения транспорта; обеспечение безопасности городских парков и муниципальных зданий);
  • правительственные задачи (антитеррористические системы наблюдения, выполняющие задачи обеспечения национальной безопасности);
  • транспорт (обеспечение защиты плотин, мостов, шоссе и тоннелей);
  • военные учреждения (обеспечение защиты внутри и вокруг военных учреждений);
  • поддержание правопорядка (предотвращение преступлений и насилия в напряженных зонах).

В зависимости от выполняемых беспроводным IP-наблюдением задач можно выделить две функции: текущий контроль (мониторинг) и собственно наблюдение.

Наиболее простая из них - текущий контроль -реализуется, если конечному пользователю необходимо видеть фиксируемое камерами действие, но сохранение видеоинформации не требуется. Примером здесь может служить проверка идентичности при проходе через пункт допуска на объект. На рис. 2 и 3 показаны примеры мониторинга и наблюдения.

Варианты соединения

Надежные и легкие для развертывания беспроводные сети используют два варианта соединения: двухточечное (сквозное) и многоточечное. Для цели безопасности и наблюдения больше подходят многоточечные системы, однако двухточечные также используются, если требуется работа на больших расстояниях и высокая пропускная способность сети.

Многоточечная система состоит из нескольких беспроводных мостов, называемых абонентскими устройствами (Subscriber Units - SU), которые связаны с беспроводной базовой станцией. Сетевые камеры подсоединяются к SU, их размещение определяется конкретной необходимостью. SU передают цифровые данные к базовой станции. Скорость передачи данных - от 11 до 60 Мбит/с, а расстояние передачи данных составляет от 4,8 до 19,3 км.

Двухточечные системы идеальны при необходимости соединения удаленных объектов, для выполнения наблюдения на расстоянии до 64,5 км от центра. Скорость передачи данных составляет от 11 до 430 Мбит/с.

Хотя изображения, генерируемые IP-системой наблюдения (при сжатии методом Motion JPEG), естественны для большинства стандартных Web-браузеров, достоинства IP-устройств лучше всего реализуются при использовании профессионального ПО-мониторинга и программных средств записи, что связано с подключением сервера к сетевому видеозаписы-вающему устройству. Настоятельно рекомендуется использовать прикладное ПО при работе с камерами. Оно дает пользователю более гибкие варианты просмотра и, что еще важнее, позволяет хранить видеоинформацию и управлять ею с помощью сетевого видеозаписываю-щего устройства. ПО может быть предназначено для одного ПК или усовершенствовано для работы по принципу клиент/сервер, обеспечивая одновременную поддержку многочисленных пользователей. В любой системе может применяться от одной до тысячи камер. В некоторых случаях конечный пользователь может выбрать ПО, которое осуществляет поддержку систем видеонаблюдения и контроля доступа. Выбор пакета программ, соответствующего приложению и целям системы, является одним из ключевых моментов при конструировании эффективной системы.

Особенности использования беспроводных IP-систем

Существуют некоторые особенности использования беспроводных IP-систем видеонаблюдения. Интернет может применяться для передачи всех данных с обеспечением таких корректных мер защиты, как, например, межсетевой экран (firewall) и пароли.

Использование банками и финансовыми учреждениями Интернета в качестве сферы глобальных денежных транзакций заставляет развивать эту сеть как проверенную среду для других защитных приложений, в том числе связанных с наблюдением и мониторингом, которые осуществляют системы видеонаблюдения. IP-техника наблюдения обеспечивает безопасность при помощи внутренних установок защиты с применением паролей.

Использование фиксированных беспроводных приборов для передачи данных может сопровождаться некоторыми трудностями в обеспечении безопасности. Поскольку фиксированные беспроводные мосты передают сигналы по "воздуху", возможен перехват пользовательских данных. Провайдеры услуг беспроводной связи принимают разнообразные меры по защите данных, в том числе введение паролей, кодирование передаваемых данных и сигналов, что требует использования для декодирования одинакового оборудования на обоих концах.

Поскольку Интернет-провайдеры и предприятия постоянно увеличивают количество беспроводных соединений, появляется вероятность возникновения интерференции между системами, работающими на близкой частоте в нели-цензированной полосе. Защиту от интерференции может обеспечить правильный выбор частоты в конструкции для конкретного применения. Так, в 2,4-ГГц беспроводной системе, предназначенной для наружного использования, устройство Tsunami MP. 11 фирмы Proxim позволит уменьшить интерференцию и улучшить качество связи. Для работы на частоте 5,8 ГГц предлагается применять устройство Tsunam Multipoint, сконструированное для противодействия интерференции с использованием различных мер, включая направленные антенны и многочастотные канальные планы. Это устройство в сочетании с техникой активного подавления интерференции обеспечивает защиту беспроводных сетей от таких помех в режиме реального времени.

Реализация беспроводных IP-систем наблюдения на базе стандарта WiMAX

Большинство беспроводных IP-систем видеонаблюдения в настоящее время работают в стандарте IEEE 802.11 ввиду эффективности стандарта на беспроводную связь Wi-Fi. Однако 802.11-решение обеспечивает ограниченную область охвата, делая его пригодным только для применения внутри помещений, например, для мониторинга при наблюдении за детьми и для выполнения функции видеонаблюдения на предприятиях малого бизнеса. Однако следует отметить, что Wi-Fi можно использовать и на улице, например, в прямой видимости от 11 2 м/54 Мбит/с до 500 м/6 Мбит/с. Для решения проблем безопасности некоторые поставщики используют свои беспроводные технические решения. Стоимость применяемого в этом случае оборудования высока, так как речь идет об использовании несерийных компонентов и сравнительно небольших объемах заказа.

В настоящее время появилось новое поколение беспроводных IP-систем видеонаблюдения. IEEE предложил для беспроводной мегаполисной цифровой сети (MAN) беспроводной стандарт 802.16, аналогичным которому является WiMAX.

Возможности WiMAX

WiMAX поддерживает более высокую скорость передачи данных и действует на больших расстояниях, чем многие конкурирующие беспроводные технологии. Максимальная скорость передачи необработанных данных в стандарте WiMAX достигает 72 Мбит/с, что почти в 7 раз выше, чем при работе в стандарте IEEE 802.11 b, и на 50% -при работе в стандарте IEEE 802.11 a/g. Проводное исполнение обеспечивает скорость передачи данных 1 Мбит/с, на коаксиальном проводе- 10 Мбит/с, на витой паре - до 1000 Мбит/с. Расстояние, охватываемое WiMAX-сетью, составляет десятки километров; для сравнения - сеть Wi-Fi охватывает расстояние 100 м и сотни метров с понижением скорости. На рис. 4 сравниваются характеристики сетей Wi-Fi и WiMAX.

Стандарт IEEE 802.16 (WiMAX) позволяет покрыть сигналом площадь радиусом до 11 2,6 километров, 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 2 Мбит/с, в зависимости от условий.

Основанный на проверенной технологии OFDM (мультиплексирование с ортогональным разделением каналов), стандарт позволяет эффективнее, чем Wi-Fi, решать проблемы, связанные с невидимыми (Non-Line of Sight - NLOS) участками среды, в особенности 802.11 a/g. Такие участки, являющиеся главной причиной многоканальной среды, могут вызывать задержки сигнала, и в наружной среде сигналы обычно проходят большее расстояние, чем во внутренней. Для борьбы с NLOS в WiMAX используется больше поднесущих. В то время как в IEEE 802.11 a/g используются 64 поднесущие, в WiMAX в процессе беспроводной передачи - 256. Отношение неиспользуемых данных к общему количеству поднесущих в WiMAX гораздо меньше, чем при использовании Wi-Fi. Поэтому WiMAX имеет повышенную эффективность и лучшие характеристики при работе с NLOS.

Кроме того, WiMAX использует алгоритм направления с целью обеспечения необходимого качества услуг (Quality of Service - QoS) для трафика, критичного по времени (голос и видео) WiMAX имеет также встроенные возможности кодирования передаваемых данных для предотвращения их прослушивания. В WiMAX используется стандарт кодирования данных (Data Encryption Standard - DES) и тройной DES - для кодирования ключа.

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

Передача данных

На рис. 5 показана блок-схема беспроводной Р-камеры видеонаблюдения на базе WiMAX. Конструкция беспроводной камеры может быть разделена на два модуля: видеокамеру и беспроводной WiMAX-модем. В качестве интерфейса между двумя модулями чаще всего используется интерфейс Ethernet, так как большинство видеопроцессоров на рынке (например, TMS320DM64X и WiMAX СнК) снабжено интерфейсом Ethernet MAC. В случае невысокой скорости передачи данных с успехом может быть использован последовательный периферийный интерфейс (SPI), встроенный в WiMAX СнК и служащий в качестве интерфейса связи.

Видеокамера захватывает изображения и передает (обычно через усилитель) на вход матрицы формирователей изображения. От матрицы данные поступают к АЦП. Теперь уже в цифровом формате они идут к декодеру, который преобразует цифровые видеосигналы в параллельный поток цифровых данных. Затем видеопроцессор сжимает цифровые сигналы от видеодекодера в разнообразные форматы (JEPG, MPEG-2, MPEG-4 и Н.264) для передачи их встроенному интерфейсу Ethernet. Некоторые видеопроцессоры осуществляют также функции анализа изображений, другие предлагают варианты голосовых возможностей.

Затем IP-видеоизображения передаются на модуль WiMAX беспроводного модема через интерфейс Ethernet. СнК упаковывает Ethernet-пакеты в WiMAX-кадры до передачи их в СВЧ-мо-дуль. СВЧ-модуль преобразует WiMAX цифровые сигналы в аналоговые на заданной рабочей частоте и передает СВЧ-сигналы на антенну. Беспроводной WiMAX-модем также получает поступающие сигналы, обеспечивая управляющие сигналы (типа панорамирования, наклона и изменения масштаба изображения), предназначенные для управления видеокамерой.

Возможности WiMAX СнК

WiMAX СнК имеет интерфейс, благодаря наличию которого разработчики могут использовать внешний процессор, игнорируя внутренний ARM-процессор. Конструкция позволяет использовать более мощный процессор, чем ARM, если для приложения, требующего высокого разрешения, нужна повышенная скорость передачи данных. Кроме того, такие конструкции позволяют разработчикам предложить больше вариантов интерфейса связи.

WiMAX СнК МВ87М3550 (архитектура системы представлена на рис. 6) содержит контроллер доступа к среде и процессор для обработки смешанного сигнала. Схема может быть использована как в базовой, так и в абонентской станции. Это важно, поскольку большинство беспроводных систем видеонаблюдения являются системами прямой связи (point-to-point) или системами ограниченного многоточечного соединения (point-to-multipoint). СнК поддерживает все канальные размеры на частоте до 20 МГц, обеспечивая оптимальную производительность систем видеонаблюдения высокого разрешения или крупномасштабных распределенных систем видеонаблюдения.

В настоящее время большинство изделий на рынке (в особенности реализуемые на базе беспроводных локальных сетей) имеют низкую производительность, из-за чего качество полученного изображения невысокое. В рассматриваемом примере используется усовершенствованное программное обеспечение, позволяющее во многих приложениях применять вычислительные алгоритмы для автоматизации процесса наблюдения, что не может быть реализовано в системах с низким разрешением. СнК обеспечивает необходимое качество видеоизображений при сравнительно большой скорости передачи данных, увеличивая точность наблюдения. В аппаратных средствах кодирования/декодирования используются алгоритмы AES и DES, обеспечивая полную защиту передаваемых изображений.

Особенности СнК МВ87М3550

Основными особенностями СнК МВ87М3550 являются:

  • полная совместимость со стандартом IEEE 802.16-2004;
  • поддержка как абонентских, так и базовых станций для TDD- или FDD-приложений;
  • возможности высокоэффективной модуляции;
  • 256 OFDM физических слоев с модуляцией 64QAM, 16QUAM, GPSK и BPSK;
  • использование до 16 подканалов для передачи информации со станции низкого уровня на станцию более высокого уровня;
  • гибкая конфигурация, обеспечивающая легкую системную интеграцию:

    - быстродействующие АЦП и ЦАП для гибкого сопряжения по частоте модулирующего сигнала;
    - автоматический контроль частоты с использованием интегрированного ЦА;
    - динамический выбор частоты с использованием интегрированного АЦП;
    - интегрированный АЦП для передачи и приема данных мощности;
    - обширный набор интегрированных периферийных устройств и устройство ВЧ-контроля;
    - программируемое АРУ для поддержки большого набора ВЧ-аттенюаторов;
    - обеспечение безопасности базируется на принципах кодирования/декодирования DES, AES/CCM;
    - два RISC процессорных ядра для реализации верхнего и нижнего слоя устройства контроля доступа к передающей среде;
    - интегрированные контроллеры памяти и прямого доступа к памяти;
    - использование в качестве сетевого интерфейса Ethernet;
    -436 выводной корпус BGA.

На рис. 7 показан пример реализации сети WiMAX IP-системы видеонаблюдения.

Источники

  1. Wireless IP-surveillance for security applications (www.proxim.com)
  2. W. Daniel. Choosing the best wireless digital-video architecture (www.embedded.com/sha-red/printableArticle.jhtml?articlelD=1 99903828).
  3. Fixed WiMAX Application Focus: IP Video Surveillance Networks (http://us.fujitsu.com/micro)
  4. H. Huang. The Transformation of Video Surveillance Systems (www.wirelessdesigna-sia.com/print.asp?id=6646)
  5. G. Athmanathan. IP Surveillance in 2007: Am Exciting Cluster of Opportunities Ahead (www.f rost.com/prod/servlet/market-insight-print. pag?docid=93681745).
  6. Fixed WiMAX Applications Focus: IP Video Surveillance Networks (White Paper) (http://us.fuj-itsu.com/micro)
  7. WiMAX Products. Fixed WiMAX - 802.16 -2004 (www.fujitsu.com/us/services).

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2008
Посещений: 20114


  Автор
Юдинцев В.А.

Юдинцев В.А.

Ведущий инженер ГУП НПЦ "ЭЛВИИС"

Всего статей:  5

В рубрику "IP-security" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций