Подключение IP-камеры на расстоянии больше 100 м

Вопрос, которому посвящена статья, регулярно возникает при проектировании линий связи для систем IP-видеонаблюдения. Особенно он актуален при подключении уличных IP-камер.

Сразу уточним, что речь идет не просто о каких-то расстояниях между оборудованием, а о конкретной задаче подключения IP-камеры к порту коммутатора при удалении ее свыше 100 м.

Вопрос о максимальном расстоянии такого подключения возникает при проектировании уличного видеонаблюдения, когда требуется разместить камеры на фасадах зданий, вдоль периметра и т.д. Размеры объектов и, соответственно, расстояния от серверного оборудования до камер могут достигать нескольких км — максимальная же длина «медной» линии связи не может быть более 100 м. Естественно, встает вопрос — как спроектировать подключение к камере, удаленной от коммутатора более чем на 100 м?

Существует немало способов решения это задачи. Далее мы рассмотрим их по порядку, постараемся выявить «плюсы» и «минусы» и попробовать очертить границы применимости. Еще раз уточним, что мы говорим не о построении какого-то фрагмента локальной сети, а конкретно о соединении IP-камер с коммутатором.

Экскурс в историю

Откуда вообще взялись эти пресловутые «100 метров»? Дело в том, что все существующие на сегодняшний день IP-камеры могут работать только в сетях стандарта Ethernet. В частности, порты подключения IP-камер поддерживают на канальном уровне модели OSI стандарты IEEE 802.3i (10Base-Т) и IEEE 802.3u (100Base-Т/100Base-ТХ). И, согласно спецификациям этих стандартов, максимальная длина одной линии — кабеля между двумя активными устройствами — не должна превышать 100 м (включая патч-корды). Это объясняется, прежде всего, разного рода неизбежными ухудшениями сигнала, возрастающими по мере увеличения длины кабеля: затухание сигнала в кабеле, перекрестные наводки, внешние наводки, фазовые дрожания и т.д. Ну а теперь давайте представим себя на месте проектировщика, вычерчивающего очередную линию от коммутатора до IP-камеры и обнаружившего, что расстояние по старому доброму «медному» Ethernet-кабелю превышает 100 м. И что теперь с этим делать?

Подключение с нарушением стандарта

А почему бы и нет? Найдется немало монтажников, которые расскажут о подключении камеры кабелем на 100, 120, 150 и т.д. метров, после чего «все нормально было». И, в общем, ничего удивительного в этом нет — характеристики любого серийно выпускаемого оборудования колеблются в некоторых, разрешенных стандартами и ТУ производителя допусках и при счастливом стечении обстоятельств могут «приподнять» электрические параметры получившейся линии связи. Ограничение в 100 м вообще-то является довольно искусственным — с точки зрения теории ничто не мешает идеально изготовленному оборудованию (камера, коммутатор, кабели) работать на длине кабеля в несколько сотен метров. Но тут нужно понимать, что примеры такой «нормальной» работы — не более чем случайность. И при возникновении любых проблем первое, на что укажут вендоры или аудиторы — несоблюдение стандартов.

Так что такой вариант годен для обсуждения в «курилках», для домашних экспериментов, но не более того.

«Дальнобойные» коммутаторы

Вариант одновременно и простой, и не очень. Простота заключается в том, что у производителя IP-камер могут быть в ассортименте коммутаторы, у которых заявлено подключение камер по кабелям длиною более 100 м (рис. 1).

Рис. 1. Коммутатор с расширенной дальностью подключения

И получается, что в проект достаточно заложить соответствующие коммутаторы и камеры, после чего вопрос с расстоянием считать решенным. Преимущество налицо:

• увеличение дальности до 250 м.

Недостатки же в том, что:

• ассортимент подобных изделий невелик;
• не рекомендуется использовать оборудование от разных производителей, т.е. привязка к конкретному бренду;
• пропускная способность линии связи будет снижена до 10 Мбит/с.

Последнее означает, что с учетом рекомендуемого запаса по пропускной способности, рассчитывать стоит на передачу потока не более 5 Мбит/с, что резко сужает область применения подключенных таким образом камер.

Обращаем внимание: увеличение длины линии свыше 100 м не является каким-то новым стандартом или новой технологией! Нередко это всего лишь результат опыта по подключению оборудования высококачественным кабелем при ограничении скорости в 10 Мбит/с (напомним, что изначально 10BASE-T разрабатывался для кабеля т.н. 3 категории — Cat.3).

В результате имеем весьма узкую область применения таких изделий: с камерами либо небольшой разрешающей способности (порядка 1 Мпикс), либо невысокой скорости передачи видео (1–2 к/с). Что ж, может быть, кому-то достаточно и этого. И если поставщик гарантирует работоспособность такого варианта и готов помогать с настройкой и эксплуатацией, то можно применить для задач наблюдения со «скромными» требованиями к изображению.

«Станции пересадки» (промежуточные коммутаторы)

Идея проста: если нельзя использовать один длинный кабель, то используем несколько коротких, соединенных через промежуточные коммутаторы. В таких случаях иногда используют термин «цепочка».

Перечислим преимущества и недостатки. Начнем с преимуществ:

И недостатки такого подхода:

Да, таким образом действительно можно обеспечить надежную передачу данных, но придется потратиться на дополнительные коммутаторы, их установку, подведение питания к каждому из них и пр. Это наглядно видно из рисунка 2. Такой вариант может быть применим в небольших системах видеонаблюдения, с небольшим трафиком, при условии, что уже есть места, где можно расположить коммутаторы и без особых усилий подать на них питание. И если в помещении чаще всего нет сложностей с подводом питания, то вне помещений это может стать большой проблемой. Специально рекомендовать вариант с промежуточными коммутаторами мы не станем, т.к. есть более удобное, более простое, ну и более красивое решение, о котором идет речь дальше.

Рис. 2. Подключение IP-камеры через промежуточные коммутаторы

«Удлинители» (экстендеры)

Можно сказать, что это предыдущий вариант, оптимизированный и предназначенный для подключения одного достаточно далеко расположенного устройства. Экстендер (от англ. «extender»), по сути, является этаким сильно упрощенным коммутатором — только с одним входом и одним выходом (рис. 3). Питание может требоваться от внешнего источника питания (т.е. к месту установки экстендера нужно подводить линию питания), но большинство экстендеров работают по PoE. Фактически использование экстендеров с внешним питанием ничем не отличается от варианта с промежуточными коммутаторами — и далее говорим только об экстендерах, питающихся по PoE.

Заметим, что экстендеры можно подключать друг за другом (рис. 4). Как и коммутаторы.

Как видно из рисунков 4 и 5, экстендер размещается не реже чем через каждые 100 м «медного» Ethernet (причины этого — в начале статьи): проектировщику достаточно выбрать место установки и герметичную коробку для размещения экстендера внутри (в случае уличной установки).

Рис. 3. Подключение IP-камеры через экстендер

Рис. 4. Подключение IP-камеры через несколько экстендеров

Рис. 5. Увеличение длины линии на специализированном оборудовании (правый столбец)

В итоге имеем неоспоримые «плюсы»:

«Минусы» такого решения тоже есть:

Соотнесение потребляемой мощности камеры и экстендеров в данном варианте подключения является ключевым вопросом для проектировщиков.

Обратим внимание, что некоторые IP-камеры (большей частью — поворотные управляемые) потребляют мощность до 60 Ватт, т.е. максимум, что могут отдавать современные PoE-коммутаторы и PoE-инжекторы. Использовать экстендеры с такими камерами невозможно.

Ряд производителей IP-камер имеют в линейке не только экстендеры, но и PoE-инжекторы, специально спроектированные выдавать в линию PoE с «запасом» для возможного подключения экстендера (рис. 5). Это может помочь в случаях, когда мощность стандартного PoE-коммутатора или инжектора недостаточна для питания и камеры, и экстендера.

В общем, неплохой вариант для не самых «прожорливых» камер в случае, когда дальность линии ненамного превышает границу в 100 м — и его смело можно рекомендовать к применению.

Приемники-передатчики, преобразователи, модуляторы, …

Такого рода оборудование начало применяться еще в эпоху господства аналогового видеонаблюдения. Специалисты помнят надежные и недорогие преобразователи коаксиала в витую пару. В наши дни производители переориентировались на IP-технологии, Ethernet и PoE, общий же подход остался прежним… Итак, берется пара устройств — передатчик и приемник. Передатчик ставится рядом с камерой, приемник — рядом с коммутатором. Линия связи между передатчиком и приемником может быть как «витая пара», так и коаксиальный кабель (рис. 6).

Рис. 6. Подключение IP-камеры через приемник и передатчик с поддержкой PoE

Отдельные модели приемников-передатчиков поддерживают питание по PoE и передачу питания на камеру. Именно такие устройства нас интересуют для систем видеонаблюдения

Существует немало оборудования такого рода: с разной максимальной дальностью, для разного типа кабеля и т.д. Наиболее широко декларируемое применение — это использование существующей кабельной инфраструктуры в случае замены аналоговой системы видеонаблюдения на IP, т.к. может использовать уже проложенные аналоговые кабели. Но на практике же состояние уже имеющихся кабелей не позволяет применять такого типа приемники-передатчики: за годы эксплуатации в кабелях могут появиться внутренние изломы, может нарушиться изоляция, да и сам кабель изначально может не отвечать как требуемым (со стороны приемников-передатчиков), так и заявленным электрическим характеристикам (быть бракованным, проще говоря). Так что считаем, что линию все равно надо прокладывать заново и переходим к «плюсам» и «минусам».

Преимущества такого способа:

Недостатков, к сожалению, тоже хватает:

И еще один момент, который является следствием большой длины кабеля, — влияние помех, наводок, статического электричества гораздо более ощутимо, чем при разделении линии на 100-метровые сегменты. Как минимум, стоит задуматься о защищенности линии связи.

Обращаем внимание: большинство производителей комплектов «приемник и передатчик» настоятельно рекомендуют дополнительно устанавливать устройства грозозащиты, специально разработанные для работы с такими комплектами (подробнее о грозозащите — в статье «Грозозащита Ethernet для IP-видеонаблюдения» на нашем сайте).

В итоге мы имеем вариант, который действительно позволяет преодолеть 100-метровое ограничение и может быть рекомендован в случаях, когда оборудования можно установить только непосредственно рядом с коммутатором и IP-камерой (и невозможно установить где-то «на линии»). Однако проектировщику обязательно нужно будет уточнить пропускную способность и передаваемую приемо-передатчиками мощность на камеру (PoE) для каждого конкретного случая применения — для конкретной длины кабеля.

В принципе, на этом «медную» часть статьи можно и закончить. Да! Мы не рассказали про передачу через RS-422/RS-485, про использование SHDSL- и VDSL-оборудования, про передачу данных по силовым линиям и прочую экзотику, так как считаем, что принципиально такие виды связи мало чем отличаются от использования комплектов «приемник-передатчик». Ну, разве что применением стандартизированных протоколов, что позволяет не привязываться к конкретной марке оборудования, уменьшить влияние помех и зависимость от качества кабельной инфраструктуры.

Казалось бы — раз есть проблемы с «медью», так переходи на другие среды! Наиболее очевидными решениями будут «оптика» и «радиоканал».

Оптические линии связи

Этот способ пользуется все большей популярностью. Оборудование, работающее с оптическими линиями связи, может обеспечить длину линии связи в несколько десятков километров! Способ же построения линии связи показан на рисунке 7.

Рис. 7. Подключение IP-камеры по оптоволокну

Наверняка сразу вспоминается вариант с приемниками/передатчиками по «меди». Да, медиаконвертер можно считать разновидностью таких устройств. Вместо медиаконвертера можно использовать коммутатор с SFP-модулем, и даже найти камеру с возможностью установки SFP-модуля и подключать «оптику» напрямую.

Преимущества очевидны:

Недостатки тоже есть, однако их критичность снижается со временем в связи с широким распространением оптоволоконных технологий:

На ценовую сторону вопроса, думаем, можно не обращать особого внимания. Да, сами по себе кабели дороже «медных», но итоговая стоимость «оптической» системы может быть даже ниже стоимости системы, построенной целиком на «меди» (с учетом стоимости экстендеров, передатчиков, промежуточных коммутаторов и аксессуаров к ним), особенно если сравнивать линии одинаковой пропускной способности.

Радиоканал

Помимо сопоставимой с «оптикой» дальностью этот вариант обладает еще одним преимуществом — для передачи сигнала вообще никакие кабели не нужны (рис. 8). Нередко, кстати, радиоканальный вариант является единственным, безальтернативным вариантом. Пропускная способность при этом составляет от 11 до 54 Мбит/с, что вполне позволяет пропустить «живое» мегапиксельное видео.

Рис. 8. Подключение IP-камеры по радиоканалу

Перейдем к преимуществам и недостаткам.

Итак, преимущества:

И, соответственно, недостатки:

Выводы и рекомендации

Как видим, задача построения длинной линии связи с камерой, отстоящей от коммутатора на большом расстоянии, может успешно решаться разными способами. Какой же способ выбрать? Думаем, что выбор зависит, прежде всего, от требуемой дальности (при этом не забываем про питание камеры и размер потока). Отсюда советы:

1. Если от коммутатора до камеры от 200 до 300 м, то сначала рассмотреть вариант с PoE-экстендерами.
2. Если от коммутатора до камеры расстояние от 300 до 600 м, то начать стоит с поиска подходящей пары приемника и передатчика по «витой паре» или коаксиальному кабелю.
3. Если же расстояние более 600 м, то прежде всего следует изучить вариант с «оптикой».
4. Если кабель вообще невозможно проложить — смотрим радиоканальное оборудование.

И еще раз скажем: всегда! В любом случае! В любом варианте! Обязательно уточнить пропускную способность получающейся линии и (для PoE-оборудования) получение/потребление питания камерой, коммутатором и выбранным оборудованием связи.

Мальцев Владимир Владимирович, ведущий инженер поддержки проектировщиков компании «Видеомакс»

Источник:
https://algoritm.org/arch/arch.php?id=93&a=2271