Znane problemy bezprzewodowego monitorowania IP

W wielu przypadkach instalacja tradycyjnej sieci przewodowej na potrzeby transmisji wideo jest zbyt kosztowna. W dodatku budowa infrastruktury przewodowej może trwać bardzo długo. Sieci bezprzewodowe oferują możliwość szybkiego wdrożenia, dostarczając niezbędnych elementów transmisji wideo - wysokie bezpieczeństwo, duże przepływności, czy wreszcie łatwa integracja z istniejącą infrastrukturą. Technologia bezprzewodowego monitorowania IP oferuje znaczne korzyści dla klienta końcowego przy względnie niskich wydatkach. Podobnie jak w każdej innej technologii, także i tu występują problemy, które mogą zniechęcić użytkownika do stosowania bezprzewodowości w zakresie monitorowania.

Zazwyczaj struktury bezprzewodowe dostępne są w dwóch wariantach: punkt-punkt oraz punkt-wielopunkt. Z punktu widzenia monitorowania, systemy punkt-wielopunkt będą bardziej odpowiednie jako sieć dostępowa dla kamer IP, natomiast systemy punkt-punkt mogą zostać wykorzystane do połączeń na większe dystanse oraz realizować wyższe prędkości.

Zastosowanie radiowych nadajników pakietów IP, standardowych interfejsów Ethernet oraz łatwość wdrożenia - to zalety systemów punkt-wielopunkt. Taki system zawiera przeważnie kilka stacji klienckich, komunikujących się z bezprzewodową stacją bazową. Sieciowe kamery są przyłączone do stacji klienckich, które mogą zostać zainstalowane w dogodnych lokalizacjach. Stacje klienckie wysyłają dane do centralnie zlokalizowanej stacji bazowej. Wśród standardów realizujących taką strukturę są 802.11a/b/g, 802.16d/e czy technologie komórkowe.

Systemy punkt-punkt łączą dwie lokalizacje. Taki system oferuje wyższe przepustowości oraz znacznie większy zasięg, niż systemy punk-wielopunkt. W przypadku monitoringu jest to idealny szkielet dla danych wideo pochodzących z centralnie zlokalizowanych stacji bazowych, których przeznaczeniem będzie centrum zarządzania. System punkt-punkt sprawdzi się także w przypadku odległych miejsc monitorowania od centrali. Rozwiązania punkt-punkt najczęściej są oparte na technologiach radiolinii wysokich częstotliwości. Zwielokrotnienie stacji bazowych pracujących w trybie FDD pozwala na przyłączenie znacznej liczby kamer. Transmisja radiowa wykorzystuje dwie główne technologie transmisji - FDD (Frequency Division Duplex) oraz TDD (Time Division Duplex). TDD jest przeważnie wykorzystywane przez systemy środowiska punkt-wielopunkt, podczas gdy FDD dominuje w środowiskach łączności punkt-punkt. TDD pozwala na dynamiczny podział dostępnego pasma. Należy pamiętać, że w przypadku monitorowania IP mamy do czynienia głównie z ruchem przychodzącym do stacji bazowej ze środowiska kamer.

Bezpieczeństwo transmisji jest jednym z bardziej istotnych elementów monitorowania IP. Ponieważ statyczne systemy bezprzewodowe przesyłają dane przez powietrze, przechwycenie danych jest stosunkowo łatwe. Najwięksi dostawcy sprzętu bezprzewodowego implementują w urządzeniach mechanizmy, które mają zapobiegać incydentom. Najczęściej stosowanym mechanizmem jest szyfrowanie transmisji. Sygnały przesyłane będą wymagały identycznego sprzętu do dekodowania po obu stronach. Innym zabezpieczeniem jest kodowanie danych - potencjalny atakujący musi poznać unikalny kod transmisji ustawiony przez adresata w celu zdekodowania danych. Obecnie wykorzystywane mechanizmy bezpieczeństwa w systemach bezprzewodowych mogą stanowić doskonałą alternatywę dla kabla.

Całkowity czas bezawaryjnej pracy systemu monitorującego jest określany terminem dostępności. Dostępność jest definiowana jako całkowity czas w ciągu roku, w którym system przesyła pakiety we właściwy sposób. Najbardziej bezawaryjne systemy są projektowane z ciągłym czasem pracy 99,999 - to jedynie 5 minut braku transmisji podczas roku pracy. System monitorowania powinien opierać się na urządzeniach spełniających tę normę.

Wybór technologii bezprzewodowej

Znając wymagania organizacji stawiane systemowi dystrybucji wideo, możemy rozważyć różne opcje technologii bezprzewodowych.

Większość systemów bezprzewodowego monitorowania IP istniejących na rynku, opiera się na standardzie 802.11 i jego adaptacjach. Wykorzystanie urządzeń Wi-Fi może być atrakcyjną propozycją ze względu na niskie koszty sieciowej infrastruktury, ale staje się problemem, gdy trzeba zapewnić bezpieczeństwo, dostępność, przewidywalność oraz odpowiednią wydajność systemu. Wiele zagrożeń związanych z Wi-Fi powoduje narażenie danych na utratę prywatności. Wydajność sieciowa jest ograniczana przez współdzielenie dostępnej przepustowości pomiędzy wielu klientów.

Powyższe wymogi dyskwalifikują niemodyfikowany standard 802.11, jako technologię dobrą do realizacji transmisji wideo. Mniej skuteczne mechanizmy bezpieczeństwa oraz QoS zaimplementowane w standardach Wi-Fi, także redukują potencjalne możliwości zastosowania w monitoringu wideo. W celu rozwiązania tych problemów niektórzy producenci oferują rozwiązania dostosowujące technologie bezprzewodowe do nowych wymagań. Koszt tego sprzętu jest przeważnie wysoki z powodu stosunkowo krótkich serii produkcyjnych oraz specjalnie projektowanych komponentów. Oferowane są urządzenia oparte na standardzie 802.11 ze zwiększonym poziomem bezpieczeństwa oraz mechanizmami transmisji, zapewniającymi bardzo dobre osiągi wydajnościowe. Niskie opóźnienia sieci oraz wysoka wydajność (ok. 30-50 Mb/s) ze stacji bazowej pozwalają na swobodną obsługę strumieni wideo. Niewątpliwymi wadami technologii są stosunkowo niewielki zasięg oraz praca wyłącznie w trybie widoczności - LoS (Line of Sight).

Generacja standardów bezprzewodowych 802.16d/e określana jest nazwą WiMAX. Zastosowanie tej technologii w monitorowaniu jest już dość powszechną praktyką. Stosunkowo niewielka przepustowość (wynikająca z dostępnych w Polsce kanałów częstotliwości przeznaczonych dla tej technologii) wynosząca blisko 12-18 Mb/s w trybie pracy TDD, ogranicza liczbę pracujących na danym sektorze stacji bazowych. Niewątpliwymi zaletami pracy na częstotliwości 3,5 GHz są znaczny zasięg systemu, a także praca w przypadku całkowitego lub częściowego braku linii widoczności. Ta cecha jest szczególnie istotna w realizacji monitorowania dla trudno dostępnych miejsc. Warto pamiętać, że przyłączając jednostki klienckie przy braku bezpośredniej linii widoczności pomiędzy stacją bazową a stacją kliencką, uzyskiwane modulacje mogą uniemożliwiać realizację monitorowania o rozsądnej jakości. Stacja kliencka pracująca ze słabym sygnałem/poziomem modulacji, może dodatkowo degradować całkowitą przepustowość uzyskiwaną z sektora. Jeżeli policzymy koszty wdrożenia, system monitoringu oparty na technologii WiMAX wydaje się sensownym rozwiązaniem.

We wczesnych systemach monitorowania bezprzewodowego często stosowano system LMDS. Wysoka przepustowość, niskie czasy opóźnień to niewątpliwie jego zalety. Wady to z pewnością konieczność pracy z linią widoczności, zależność od warunków pogodowych oraz bardzo wysokie koszty wdrożenia.

Nie sposób pominąć mocno promowanych rozwiązań sieci kratowych (MESH). Bezprzewodowa sieć kratowa obiecuje efektywniejsze łącze dla kamer IP, umożliwiając transport danych wieloma ścieżkami. Teoretycznie konfigurując węzły sieci MESH, tworzymy w pełni redundantny system, który jest zawsze dostępny. W rzeczywistości wdrożenie sieci MESH jest bardzo kosztowne, ze względu na bardzo dużą liczbę potrzebnych węzłów. Ponadto sieć kratowa zwiększa opóźnienia systemu i redukuje przewidywalność struktury wobec zmiennej liczby urządzeń na drodze do kamery IP. Wysoka prędkość transmisji danych w typowej sieci MESH czyni jednak architekturę kratową sensownym rozwiązaniem dla transmisji wideo.

Najdroższym rozwiązaniem będzie wykorzystanie dedykowanych radiolinii zasilających kamery IP. Ma ono sens przy konieczności zapewnienia bardzo wysokiej jakości obrazu, przykładowo pochodzącego z kamer megapikselowych. Dla typowych zastosowań monitorowania zdecydowanie efektywniejszym rozwiązaniem będzie użycie technologii 5 GHz oraz 3,5 GHz dla sieci kamer. Radiolinie wysokich częstotliwości utworzą bezprzewodowy szkielet, łączący stacje bazowe z centrum monitorowania.

Krótki przegląd oferty rynkowej

Wzrastająca popularność nadzoru wideo jest napędzana poprzez migrację do systemów wideo IP, które są tańsze niż tradycyjne systemy analogowe. W systemie IP zdecydowanie łatwiej jest dodać lub przemieścić kamerę, a następnie rozesłać sygnał do wielu lokalizacji. Niestety, każdy system jest limitowany przez dwa ograniczone zasoby: przepustowość sieciową i przestrzeń dyskową.

Projektanci systemów wideo IP muszą więc założyć realistyczną przepustowość docelową, a następnie określić jak wiele kamer może być obsługiwanych przez istniejącą infrastrukturę. Infrastruktura systemów nadzoru IP składa się z kilku głównych elementów: kamer IP, systemu łączności bezprzewodowej, oprogramowania zarządzającego i monitorującego oraz pamięci masowych. W przypadku kamer IP rozmaitość i dostępność sprzętu jest ogromna, ale warto wymienić takich producentów, jak Sony, Bosch, Axis, ACTi. Systemy bezprzewodowej transmisji danych będą pracowały w różnych architekturach: punkt-wielopunkt (np. Proxim, Alvarion), MESH (m.in. Motorola, Cisco), radiolinie (np. NEC, Sagem).

Oprogramowanie zarządzające systemem kamer zazwyczaj jest powiązane z producentem danego typu kamery. Zdecydowanie większy problem stanowi jednak dobór odpowiedniego systemu zapisu danych wideo. Zwyczajny dysk twardy potrafi zapełnić się zapisem danych wideo bardzo szybko (zależy to od liczby kamer i jakości obrazu). Producenci kamer redukują koszty przechowywania danych przez udoskonalenie i optymalizację zapisu obrazu. Tradycyjne metody wykorzystujące sieciowy zapis wideo, w którym serwery PC komunikują się z bezpośrednio dołączoną pamięcią masową, nie zawsze się sprawdzają. Możliwa jest konfiguracja kamer IP do bezpośredniego zapisu na pamięć masową, pomijając serwer jako element powodujący dodatkowe koszty. W tym procesie pomocne okażą się rozwiązania IP SAN oraz iSCSI.

Systemy monitorowania składają się z wielu połączonych elementów, ale w każdym z nich istnieje pewna dowolność doboru sprzętu. Szczegółowa konfiguracja sprzętowa w każdym przypadku może stanowić zbiór sprzętu zupełnie pochodzącego od różnych producentów.