关注安防工程的“致命要害”：数据传输

传输方案的设计和选择

    随着IP视频监控和百万像素摄像机，以及无线门禁控制解决方案和防盗报警的兴起，数据传输的质量比以前任何时候都显得重要。此次关注数据传输的问题，去了解以太网、无线网以及光纤等技术领域的数据传输方案提供商是如何与时具进保持竞争力的。

    与门禁控制和防盗报警相比，视频监控本身需要较高带宽和较低延时，并且视频监控系统要求能够使数据快速地从摄像机传输到控制中心，Firetide公司市场营销经理KseniaCoffman如是说，“这就是数据传输为何是工程的“致命要害”的原因，尤其是在那些没有完善的网络基础设施的地方安装摄像机。”

    不同区域市场对IP视频网络应用的需求将会持续增长。“随之而来，如何科学有效地管理它们将成为挑战，”VerintSystems公司Verint视频解决方案亚太区销售副总监RoniKlein说到。“IMS研究报告提到，全球视频监控市场预计在2009年市场规模达95亿美元，而传输技术，包括以太网传输，无线传输和光纤传输将成为监控市场的重要组成部分，”COE公司产品经理CorinMoorhead谈道。

    尽管IMS研究报告已经将2009预期增长百分比从6个点降低到3个点，但是传输部分尤其是倾向于采用IP的系统产品仍然具有比现有市场更大的潜力。在经济萧条时期，时间证明这些传输技术发展得有多快。

    传输系统的寿命(包括维护)、成本、安装简易性和未来升级能力都是项目启动前必须考虑的因素。“通信方面是关键要素，可以作为建立安防系统的基础来考虑”，Alvarion公司私有和交互网络事业部总经理Avi Shabtay说到。

    常用的传输方式包括电力线(PLC)、以太网、无线网和光纤。安装的长度可从短距离数百米——例如一个油站或者零售商店，到中等距离数十公里——例如中小企业和大型超市，再到长距离上百公里——例如城市监控和重要基建设施监控。

    “PLC在本地应用中很有用，但是在更大和更复杂地点安装时就有难题产生。大型建筑如医院，由于拥有许多电力设备会对传输线路造成影响，”Veracity公司英国区总经理Alastair McLeod表示。这会导致PLC方式不可靠甚至近乎不可用。“而且，任何一种PLC技术都需要持续的增强信号以到达更远的地方，”Proxim Wireless公司销售和市场营销副总裁Geoffrey Smith表示。

    与有线方案相比，无线安装通常更省成本。AzaleaNetworks公司全球销售副总裁兼总经理BrianCarlson表示，尽管无线信号容易受到干扰，如果项目需要快速完工并且对便携和扩展有需要，那么无线解决方案是恰当的选择。“大部分安装只采用无线方式的话，会发现一些无意义的杂音干扰传输，”McLeod补充。

    以太网和光纤都需要布线。以太网方式可以采用PoE供电但受距离限制，同时，光纤的传输距离可以很长但是不能供电。因此，系统整合专家和顾问们在决定采用哪一种传输技术最合适之前，会事先评估安装环境和系统运行目的。

基于以太网传输

    每一个基于IP系统的设备都至少需要一个网络转换端口或多个端口。“我们估计超过20%的网络交换接口设备现在在采用以太网PoE供电，而两年前这一数据低于5%，”McLeod说到。采用以太网方式，每个项目可以安装两千多个摄像头或其它设备。项目越大，可安装的设备种类就越多，以太网的优势更明显。以太网布线传输的三个大优势是，降低布线成本，易于扩张，并且可通过适配器支持各种混合式基础设施。

    如果财政预算仍然紧张，利用现存的模拟线缆来升级到IP，对于很多项目来说是一个很有吸引力的选择。“比如油站，它装配有模拟摄像机，同轴电缆布线距离50到100米，但是很难接入访问。通过在同轴电缆的两端装上适配器，系统可以轻易转换到IP，”McLeod解释。

    安装可能会碰到挑战，特别是集成商想要在严重老化的同轴电缆上安装适配器。因为在老化的线路上，数据传输速度不能达到最大值(每路每秒100兆字节)。当电缆铺设在湿度高的环境中或靠近其它电子设备时，将产生电磁干扰导致视频图像失真。

    最让人有压力的挑战是，调查咨询和实际安装之间存在差异。更经常发生的是，设计与实际设备配置不匹配，这将导致铺设线路时产生问题。由于布线要占物理空间，尤其是有时要铺设在地板下、沿着墙边和天花板等这些比较好的布线位置，这就要求工程师计算出布线可以经过哪些地方以及布线长度。“缺少经验的工程师可能会用超过150米的线连接摄像机，这时就会发现图像静止、断续、中断、失真或无连接。原因是在布线超过100米就超过了以太网的传输极限，”McLeod解释到，但这个问题可以通过局域网和PoE扩展轻松解决。

    无线传输方案各有优劣

    高性能无线基建设施对于设计和布线来说也很重要，专业级的设备是相当可观的投资。Coffman表示，“为确保项目顺利成功进行，你必须进行现场调查以决定如何处理涉及到视线障碍的各种问题——建筑物，隧道或山，无线电频率环境，距离，摄像机位置和供电。”

    全球无线传输市场预计在2009年达到15亿美元，安全和重要项目占有较大比例，约为2.5亿美元，Fluidmesh Networks公司技术总监Torquato Bertani透露。可行的无线拓扑技术是点对点(PTP)，点对多点(PTMP)和多点对多点(一般称为无线网络)。无需额外天线、无线电设备、路由器或其它设备的辅助，无线产品已经平均达到14公里的传输距离，最大可达25公里。

    “无线传输已经经历了长时间发展，现在的无线网方案是标准的，性能更好、更稳定、性价比也更高的，”Carlso说。WLANIEEE82.11标准在2.4、3.6和5千兆赫频宽下都能应用于无线解决方案。

    当涉及到天线、线路、电源设备和安装配件时，无线安装可能会比较难于管理。“这些将决定安装是成功还是失败，”Carlson强调。例如，天线的类型将决定信号覆盖的好坏;电线将决定信号的稳定性和强度;而合适的电源设备将确保系统可以一直正常运转;安装配件将确保设备在恶劣天气下不会掉落。

    目前，无线技术可分为以下几种，但这样的分类并不意味这几种技术没有重复的地方，而通常这些技术是被混合使用于同一个方案中。

PTP(点对点)

    点对点系统可能比较昂贵，但是他们对于大型安防项目来说是最合适的。“例如远程监控，需要回程传输大流量来自摄像机的视频或连接到长距离的远程地点，”Shabtay说，“2008年，5GHz频宽点对点无线传输市场预计达到1.4亿元。”

    PTP安装应尽量基于简单和即插即用的概念实施。“网络设计的目标是将从源头到终点之间的中转站尽量减少，”Shabtay说。但是会有这样一个取舍问题产生：随着距离的增加，系统能力随着信号的减弱而减弱。在这些毫米波段(60-90GHz)之间如何连接将成为大的挑战，尤其是遇到恶劣天气时更是如此。加入天线可提供更远的连接距离，改善其在暴风雨恶劣天气下的性能。“暴雨是这些毫米波段方案延伸连接距离的最大障碍。根据不同的工程，传输距离从3到5公里不等，”Bridgewave Communications公司市场副总监JosephSchraml说到，“我们的方案可允许GigE到100Mbps的转换，以改善连接预算，克服恶劣天气的不利影响。”

    在两个无线电频率之间找到一个合适的位置提供清晰的视线传输(LOS)对于优化系统性能非常关键，但是找到合适的位置和找到可以安装的位置是两个不同的概念。

    Shabtay表示，对于非视线传输(NLOS)的情况，通过改进无线电技术，例如正交频分多路复用技术可以穿过光线障碍来提高传输视频质量。Carlson补充道，“大多数系统是LOS或者接近LOS，除非是使用800或900MHz无线频率来达到NLOS所需。”如果LOS不可行，PTP系统解决方案不能避开阻碍物。

    “高性能的回传是必须的，随着网络成本增加，无线千兆传输带来的低延时和大容量也是相当划算的，”Schraml说到，“性能往往是买家最看重的一点，尤其当他们选择回传解决方案时。”光纤可作为其替代品，但是如果方案不可行，打孔、安装以及其他费用的成本将比安装千兆无线网络高得多。

    此外，政府项目的无线方案面临如何取电的挑战。Carlson说，电源要求应该降低，而无线方案供应商需要提供客户多种选项来实现最大化安装，例如可采用DC、太阳能、电池，燃料电源等方式。

    PTMP(点对多点)

    点对多点更合适于较为广阔的覆盖区域，例如城市监控。“WiMax目前是无线PTMP网络中唯一标准化解决方案，但是相关设备和使用许可费用较高，并且有时效率较低，”Smith说到。PTMP是同步协议，可以用于VoIP，但是对于视频数据来说却不是很理想的方案，因为视频数据是异步的。户外无线协议可以作为合适的替代方案。

    有三个大的方面需要考虑：频率支持，组播支持和抗干扰。“用户应选择可支持所有可用频段的无线方案，基于一个单独的设备，以最大化灵活性，”Smith说，“他们还应当选择高质量的百兆字节设备。”

    未经许可的频段是自由接入的，而且可以支持大量相邻的无线频道，提供像HD视频那样的高容量数据传输。“例如，使用我们的技术，用户可以连接30个摄像机高达2百万字节/秒的视频流数据，”Bertani说。

    支持组播传输的方案大大地减少了摄像机或IP设备连接所需要的带宽。它允许用户同时实时传输视频流、声音和其它数据。“对于安防应用来说，这是非常关键的，因为同样的视频流可以在几个控制室观看，也能在不同的地方录制，”Bertani说。Smith提醒，“如果一个PTMP方案不能处理组播帧，它将淹没在无线电频率中。现在的PTMP方案将组播包传送到各个不同的目的地时，可分别隔离各个不同的频段。”这有助于分开流量，使得视频传输更有效率。

    另外，5GHz无线电干扰对于PTMP系统来说是巨大的挑战。在一个单独的平台上支持整个5GHz频段，可在选择清晰的频道时提供最大弹性。“为进一步加强干扰抵御能力，改进无线电通信能力，WiMAX16e技术的最新研发方向是采用多点输入多点输出(MIMO)、大FFT尺寸滤波器(1024)、HARQ技术，以及更多地提升在免认证环境中的性能，”Shabtay说。其它的无线干扰跟3G(UMTS/GPRS)信号相关，当信号微弱的时候，数据传输可能较慢或者发生故障。“然而，今天的设备已经大大改进，可选择最好的网络频段来进行数据传输，”Selea公司国际销售经理Massimo Scavo说到。使用现存的无线基建设施比开发新项目更具有性价比，能为3G网络提供许多支持。

    MIMO采取许多不同的数据流，并且使用两到四根天线，允许用户在同一个频段传输超过四倍的数据和两倍的距离。因此，如果现存的配置已经使得频率段饱和，它可以通过MIMO升级来支持四倍或者更多的摄像机，包括HD高清摄像机。Smith说，“我们的户外PTMP方案基于MIMO技术，能在单个无线电频段支持超过20部HD高清摄像机的运行。”

网状网络

    网状网络的弹性使得它可以在上述各种场合安装，包括PTP回传，PTMP或“真实”网状网络，以完成备份。与点对多点不同，任何网状节点都能作为“端头”运作，使得在网络上的任何一点都可以设置多种中心。有些项目是从PTMP开始运行，然后配置到网状网络中的。“15个节点的网状网需要的设备与500个节点网状网需要的设备是一样的，你做的只是通过增加网络节点来扩大网络覆盖面，”Coffman说。

    MIMO802.lln无线网状网的高带宽使其成为音视频传输方案的理想选择，这是一种带宽最密集和延迟容忍度最高的技术应用。“MIMO网络可以每秒传送300兆字节，只有0.9毫秒的延迟，“Coffman说，这对于市政项目、运输和工业安防应用来说是很理想的方案。

    网状网络的自我恢复极有弹性。当多路径方式克服LOS问题时，冗余连接消除单个节点与无线网连接失败的可能。“尽管如此，采用多路径、临时节点会减慢视频传输，”Klein说，“这些节点会减慢摄像机多点运行，引起延迟和信号干扰，影响图像质量。”

    合适的天线可以促成或者破坏网络部署。“对于视频监控安装来说，定向天线(directionalantennae)是比较合适的，因为信号集中，并能很好地抵抗干扰，”Coffman说到。但凡带有天线，总需要对信号强度进行取舍，对干扰和覆盖区域进行选择。恰当的选择取决于网络设计，应用(移动监控对比固定监控)和拓扑结构部署。

    “为克服不可预计的干扰源影响，网状网络能鉴别干扰源的位置，并在低质量连接点开始新的路由包，”Bertani说。例如，在港口，集装箱货运船总是在移动，使得传统的无线网络总是不能很好地部署;而使用网状网络，如果集装箱货运船停在无线连接网络范围之内的话，视频流可以改变路径。最终，传送设备可以有一个替代品帮助传送到基地。

    光纤传输

    光纤价格更昂贵但是比无线传输更稳定。“大家对市场缺乏一些理解，觉得光纤具备同步数据传输或以太网方案的所有优势，不需要对带宽妥协，”AMG Systems公司执行销售总监Sara Bullock说到。事实上，市场趋向于采取压缩方式通过IP技术传输视频到控制室。

    关于视频频道，传输应该具体到10字节的数字编码，改善信噪比，尽量保证原始图像不变形。Moorhead说，“近来SFP光纤模块的快速发展使得单模光纤长距离(可达160公里)传输信号成为可能。”

    Bullock补充，通常每80公里就会有信号还原。而且，在插分架构(drop-and-insertring)中多频道可以结合起来在单模光纤上传送160个视频通路。

    对于大多数工程商来说，最大的技术挑战是光纤拼接。“但是，有了高性价比、半自动、数小时内就能掌握的熔接器以后，这个问题已经被克服，”Moorhead说到。

    如果初始的网络传输方案设计考虑到将来的扩展需要，那么加入更多摄像机、重新定位摄像机位置、应用视频分析和利用雷达扩展监控范围都可以轻易达成。“你同样需要考虑基础设施的花费。例如，对于交通管理来说，在路边开挖隧道以铺设光纤是代价昂贵而且极不方便的。在保证扩展性的同时，采用传输技术节约基建设施开支是十分重要的，”Bullock说到。

    规划是关键

    当选择传输技术方案时，咨询师、工程商和用户必须考虑协调资源，因为这不光是由单方面来决定的。这包括公共设施机构、通信网络运营商以及私人公司等，越多方面被涉及到，安装就越复杂。“数据传输较少被提到，因为它通常不被重视，认为网络连接是一件理所当然的事，”Bullock认为。最终，先期规划和长期目标都需要谨慎考虑到，并且要兼顾各种传输要素，这些是一个系统有效正常运行的先决条件和基础。