Очевидность (то, что видно невооружённым глазом).
Развитие услуг абонентского радиодоступа и получения в реальном времени видеоинформации от подвижных объектов происходит в направлении организации беспроводной связи с использованием цифровых технологий ортогонального уплотнения каналов, работающих в условиях, близких к прямой видимости, и многолучевого распространения принимаемого сигнала.
Современные системы широкополосной связи (CDMA, OFDM и COFDM), системы спутниковой связи существуют благодаря реализации следующих основополагающих технических решений:
– использование алгоритма расширения спектра сигнала при передаче и его восстановление при приёме;
– использование в качестве «демодулятора» алгоритма корреляционной обработки принимаемых сигналов;
– использование технологии обработки слабых сигналов, позволяющей динамически регулировать пропускную способность соединения в зависимости от нагрузки и при необходимости иметь возможность полностью приостанавливать неиспользуемое соединение, перераспределять ресурс канала в распоряжение других пользователей.
Цифровым технологиям передачи видеоинформации свойственны следующие значимые недостатки:
– пороговый характер катастрофического ухудшения качества принимаемого сигнала;
– из-за изменчивости пропускной способности канала связи приёмники OFDM сигнала не всегда в реальном времени способны определить, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком;
– протокол передачи видеоизображения в реальном времени, как правило, носит характер односторонней передачи и приёма (без возможности повтора передачи во времени);
– более низкий КПД использования источников электропитания;
– более высокая стоимость оборудования;
– через доступный канал связи в режиме реального времени может быть передана только предварительно подготовленная (соответственно упакованная) видеоинформация, согласованная с пропускной способностью канала связи;
– требуется наличие современной высокой культуры программно-математической, радиотехнической и технологической подготовки специалистов и производства.
Решающие преимущества цифровых технологий:
– в системах цифровой связи за конечный промежуток времени излучается сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов (в отличие от систем аналоговой связи, где сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов);
– в системах цифровой связи приёмник не точно воспроизводит переданный (принятый) сигнал, а на основе искажённого шумами принятого сигнала определяет, какой именно сигнал из конечного набора был послан. Наличие ограниченного количества состояний при передаче в цифровых системах связи облегчает восстановление сигнала и, следовательно, предотвращает накопление шумов в процессе передачи (корреляционный приём). Тем самым обеспечивается фильтрация (восстановление) сигнала от помех и шумов, приобретённых в канале связи;
– высокая конфиденциальность;
– устойчивость к помехам;
– применение передатчиков с пониженной плотностью энергии в канале связи благоприятно влияет на согласование широкополосной системы связи с условиями региональной электромагнитной совместимости радиосредств;
– создание малозаметных беспроводных широкополосных каналов видеосвязи. Технология расширения спектра позволяет детектировать сигналы, уровень спектральной плотности которых ниже аналогичного параметра шума;
– адаптивное повышение устойчивости канала связи за счёт снижения скорости передаваемой информации при неизменной ширине излучаемого спектра сигналов (расширение спектра);
– возможность объединения энергии нескольких отражённых сигналов, поступивших на вход приёмника с разными временами запаздывания (многолучевой приём).
– создание беспроводных широкополосных каналов передачи видеоинформации и получение видеоизображения контролируемого качества;
– возможность дооснащения аппаратурой (программным обеспечением) защиты информации от несанкционированного доступа и регулирования уплотнением видеопотоков в канале связи;
– возможность доставки в режиме реального времени предварительно подготовленной (соответственно упакованной) видеоинформации, согласованной с реальной пропускной способностью используемого канала связи, в том числе в динамическом режиме и контролируемым качеством доставки информации.
Проблемы реализации услуг абонентского радиодоступа
Создание системы беспроводной связи предполагает решение следующих системообразующих задач:
Во-первых – наличие частотного ресурса связи (выделенного диапазона частот).
Во-вторых – наличие аппаратных средств беспроводного каналообразования (доступа), реализующих ресурсоёмкость каналов связи в выделенном диапазоне частот.
В третьих – наличие аппаратных средств, реализующих стыковку аппаратуры беспроводного доступа с источниками информации и обеспечивающих её доставку, в том числе в режиме реального времени.
1. Применение новых технологий широкополосного беспроводного радиодоступа предполагает развёртывание новых систем связи, эффективно использующих соответствующие диапазоны рабочих частот. Важно в рамках проводимых работ по созданию ЕИТКС ОВД МВД России, наряду с фиксированным радиодоступом, подробно рассмотреть вопросы возможной организации и функционирования подсистемы беспроводного подвижного широкополосного радиодоступа. Для её развёртывания и последующего эффективного использования, учитывая решаемые задачи и тактику применения, необходимо проработать предложения по использованию соответствующего рабочего диапазона частот.
В настоящее время в рамках создания ЕИТКС ОВД МВД России развёртывание систем широкополосного фиксированного радиодоступа предполагается в диапазоне частот выше 5 ГГц.
При выработке технически грамотного решения по развёртыванию эффективной системы беспроводного подвижного радиодоступа важно учитывать, что в связи со спецификой тактики применения абонентских подвижных средств широкополосного радиодоступа в диапазонах частот выше 3 ГГц значительно сокращается дальность связи. Нижние диапазоны частот (1,3 ГГц – 2,4 ГГц) обеспечивают более эффективное использование аппаратных средств для связи, чем верхние диапазоны частот (5,1 ГГц – 5,8 ГГц)
Зависимость дальности связи от используемого диапазона рабочих частот характерна для всего класса цифровой аппаратуры широкополосного доступа стандартов CDMA, OFDM (IEEE 802.11, 802.16), в том числе, для аппаратуры типа Aperto PackeWave Single Carrier, входящей в IEEE 802.16. И это понятно, поскольку цифровой доступ (при заданном уровне ошибок) априорно использует имеющуюся пропускную способность созданного канала связи. Снижение уровня принимаемого полезного сигнала приводит к увеличению количества ошибок в распознанном («демодулированном») сигнале, которое может «компенсироваться» снижением скорости в канале связи. В тоже время падение пропускной способности канала связи ниже необходимого уровня может катастрофически влиять на доставку в режиме реального времени стационарных (по передаваемому объёму в единицу времени) цифровых потоков, например – видеоинформации.
2. Оборудование фиксированного радиодоступа стандарта IEEE 802.16-2004 обеспечивает связь при отсутствии прямой видимости, поддерживает передачу данных и потоковое видео.
Оборудование стандарта IEEE 802.16e для мобильных абонентов отличается и может быть несовместимым с оборудованием фиксированного доступа стандарта IEEE 802.16-2004. В то же время спецификации IEEE 802.16e предусматривают обслуживание как фиксированных, так и мобильных абонентов.
В диапазоне частот выше 5 ГГц для создания сплошных зон обслуживания, независимых от погодных условий и в условиях отсутствия прямой видимости, требуется более высокая по сравнению с более низкими частотами плотность размещения базовых станций и соответственно более высокие затраты.
Проблематика доставки информации в режиме реального времени
Максимально возможная пропускная способность реального беспроводного канала связи не постоянна и зависит от характеристик оборудования, используемого для его организации, протоколов доступа, тактики и условий применения абонентских и базовых комплектов аппаратуры, электромагнитных и погодных условий. В проводных и магистральных каналах связи изменчивость пропускной способности, как правило, является следствием маршрутизации доставки различных информационных потоков в общем канале связи.
Полагаем, что пропускная способность рассматриваемого канала связи в идеальных условиях, в реальном времени, является достаточной для доставки информации, а любые внешние воздействия могут приводить только к снижению пропускной способности, изменению масштаба времени, достаточного для доставки информации (сказанное справедливо для систем передачи потоков видеоинформации в режиме видеонаблюдения и команд телеуправления для оперативного принятия решений).
В то же время тактика применения беспроводных и репортажных видеокамер для выполнения задач подвижного видеонаблюдения отличается от тактики применения аналогичного оборудования операторами телевизионных компаний.
Во-первых, телевидение использует беспроводную аппаратуру для проведения видеорепортажей в исключительных случаях.
Во-вторых, главным критерием применения беспроводных репортажных видеокамер является обеспечение приёма в реальном времени видеоинформации только высокого качества. Это достигается не в последнюю очередь за счёт правильного (на линии прямой видимости) расположения операторов беспроводных репортажных видеокамер и приёмного комплекса.
Задачи, стоящие перед соответствующими подразделениями ОВД МВД России, решаются операторами с использованием иной тактики применения видеооборудования.
Непосредственное выполнение задач подвижного видеонаблюдения происходит не в идеальных условиях расположения операторов беспроводных комплектов видеосъёмки и приёмного комплекса: не прямая видимость, не эффективное расположение и использование передающих и приёмных антенн. В течение трансляции оператор может перемещаться из зоны менее благоприятной связи в зону с более благоприятными условиями для связи, а пропускная способность реального OFDM канала передачи видеоинформации может опускаться значительно ниже минимально необходимой для доставки и отображения видеоинформации в реальном времени.
Для дистанционного управления аппаратурой видеонаблюдения используются беспроводные комплекты передатчиков и приёмников с дополнительным обратным каналом для её активизации и управления.
Что имеем
В традиционных цифровых системах передачи видеоизображения при недостаточной пропускной способности канала связи на приёмной стороне происходит невосстанавливаемая потеря визуального контроля за поступающей видеоинформацией. Отображение получаемой по радиоканалу видеоинформации бывает невозможным по следующим причинам:
– приём сигнала с уровнем ниже «приведённой» чувствительности приёмника;
– воздействие на вход приёмника «прицельной» помехи с уровнем, значительно превышающим уровень полезного сигнала;
– воздействие на вход приёмника нескольких отражённых сигналов (отсутствие многолучевого приёма).
Влияние указанных и иных объективных факторов, катастрофически снижающих пропускную способность канала связи, может быть ослаблено за счёт изменения масштаба времени доставки видеоинформации или снижения её объёма, передаваемого за единицу времени.
Вывод
Для повышения эффективности мультимедийного радиодоступа объём видео – и аудиоданных, передаваемый в единицу времени от подвижных объектов, необходимо согласовывать с реальной (мгновенной) пропускной способностью канала связи в автоматическом, динамическом режиме.
Технология гибкого удержания канал с регулируемым снижением качества принимаемого изображения, но достаточным для проведения видеонаблюдения повышает устойчивость канала получаемой и соответственно отображаемой видеоинформации.
Беспроводные комплексы, использующие данную технологию, потенциально могут обеспечивать более широкие тактико-оперативные возможности для непрерывного приёма видеоинформации, принятия решения и управления в реальном времени.
В аналоговых системах передачи видеоинформации качество принимаемого изображения снижается при снижении уровня принимаемого сигнала. В таких системах устойчивость канала связи, характеристики принимаемого сигнала и соответственно качество получаемой видеоинформации находятся во взаимосвязи с мгновенными параметрами канала связи (средой передачи). То есть в аналоговых системах передачи, приёма и отображения видеоинформации состояние радиоканала связи непосредственно влияет на уровень и наличие помех в принимаемом сигнале. При недостаточном уровне принимаемого радиосигнала снижается качество изображения (контрастность), возрастает уровень отображаемых видеошумов.
В цифровых системах передачи видеоинформации снижение уровня принимаемого сигнала приводит непосредственно не к снижению качества принимаемой видеоинформации, а к снижению пропускной способности канала связи. В таких системах связи влияние среды на качество принимаемой видеоинформации априорно носит пороговый характер.
Для обеспечения непрерывной зависимости количества получаемой (отображаемой) видеоинформации от состояния канала связи необходим элемент управления, определяющий свойства и параметры их взаимосвязи.
Таким образом, для обеспечения непрерывной доставки видеоинформации по нестационарному каналу связи необходимо:
– контролировать пропускную способность канала связи в точке доставки видеоинформации;
– в соответствии с выбранным алгоритмом предсказания изменения параметров радиоканала, регулировать во времени объём передаваемого исходного видеопотока – количество принимаемой видеоинформации.
Указанный способ формирования и передачи видеоинформации, потенциально должен повысить эффективность доставки и минимизировать потери качества изображения.
Таким образом, данное решение позволит структуировать порог катастрофического ухудшения качества отображаемой видеоинформации на отдельные подуровни допустимого, контролируемого ухудшения качества изображения, положительным следствием которого станет повышение устойчивости канала связи и повышение устойчивости отображения видеоинформации.
Остальное – дело техники.
Радиолиния с адаптивной регулировкой объёма передаваемой видеоинформации по нестационарному широкополосному каналу связи должна состоять из абонентского комплекта передатчика и комплекта аппаратуры приёмника.
Комплект аппаратуры приёмника широкополосного канала передачи видеоинформации должен быть оснащён программным обеспечением и поддерживать следующие функции:
– контроль количества ошибок и потерянных кадров в принимаемом потоке видеоинформации;
– в зависимости от пропускной способности широкополосного канала связи и в соответствии с алгоритмом предсказания поведения радиоканала должен формировать команды для регулирования коэффициента сжатия исходного потока видео - и аудиоинформации в динамическом режиме и с контролируемым качеством принимаемого видеоизображения.
Динамические команды (коэффициенты) сжатия видеопотока транслируются по дополнительному каналу управления от приёмника видеоинформации к передатчику.
Контролер подготовки видеопотока обеспечивает согласованное сжатие (упаковку с потерями) потока видеоизображения и звука в зависимости от изменения реальной пропускной способности канала связи в соответствующие моменты времени.
Таким образом, достигается наиболее гладкий режим изменения коэффициента сжатия и непрерывности отображения видеоинформации. Дополнительно на контроллер может быть возложена и функция криптокодирования.
В зависимости от конечной реализации управление контролером может производиться следующими способами:
– автоматически непосредственно по отдельному радиоканалу управления, а также при использовании комплектов аппаратуры широкополосного доступа, поддерживающих прямой канал передачи видеоинформации и обратный канал передачи управления;
– в ручном режиме при помощи переключателя для выбора допустимой скорости передачи видео - и аудиопотоков в канале связи.
Реализация динамического регулирования объёма передаваемой видеоинформации зависит от требований к качеству получаемого видеоизображения и может осуществляться следующими способами:
– при сохранении высокого кадрового разрешения сокращением (прореживанием) количества передаваемых кадров или полукадров видеоизображения в единицу времени;
– изменением разрешения;
– форматированием видеоизображения и звука современными алгоритмами сжатия (со снижением качества изображения).
При аппаратно-программной реализации алгоритмов предсказания пропускной способности канала в реальном времени и способов управления контролером могут использоваться современные существующие алгоритмы контроля и управления телеметрией каналов связи, стандартные интерфейсы подключения, в том числе оборудования, используемого в ЕИТКС ОВД МВД России.
Очень важное дополнение
Предложенное решение проблемы нестыковки в режиме реального времени пропускной способности нестационарного канала связи с передаваемым по нему потоками видео – и аудиоинформации ни на аппаратном, ни на программном уровне не привязано к какому-либо конкретному каналу связи. Канал связи выступает только как среда, влияющая на возможное количество доставляемой видеоинформации в реальном времени. Все элементы контроля, принятия решения и регулирования предложенного решения находятся вне области определения среды, по которой доставляется информация. В качестве среды могут использоваться линии проводной и беспроводной связи, построенные на основе использования любых известных принципов и современных информационных технологий.
Сергей ТИМКИН, начальник сектора ГУ НПО СТиС
статья подготовлена совместно с редакцией журнала "Охрана"