Largura de Banda em CFTV

1. O que é Largura de Banda?

A Largura de Banda ou Bandwidth (termo original em inglês) é a medida da capacidade de transmissão de um determinado meio, conexão ou rede, determinando a velocidade que os dados passam através de desta rede especifica. A Largura de Banda é medida em bits e não em bytes, os quais determinam a medida de capacidade de um determinado meio de transmissão por uma certa unidade de tempo (8 bits = 1 byte). Todas as medidas de Largura de Banda são basicamente feitas em bits por segundo, ex.: Kbits/seg ou Mbits/seg. e em alguns caso também é relacionada a faixa de freqüências, para o caso da medida de largura de banda para sinais analógicos.

Podemos fazer uma comparação com um cano de água, onde se temos muita água para passar pelo cano e o cano for fino, o tempo para a quantidade de água passar será muito grande. Se trocarmos o cano fino por um cano grosso vai levar muito menos tempo para a toda a água passar, ou seja temos uma limitação da quantidade de água que flui pelo cano por determinada unidade de tempo de acordo com a bitola (grossura) do cano.

Podemos ainda dar outro exemplo: se tivermos paralelamente uma auto-estrada com 4 pistas e uma pista de mão única; e forem trafegar a mesma quantidade de carros na auto-estrada e na pista única todos desenvolvendo a mesma velocidade, obviamente teríamos um tempo máximo para um determinado percurso 4 vezes maior para os veículos na pista simples.

 

Menor Banda

Menos Carros Passando por unidade de tempo.

Maior Banda

Mais Carros Passando por unidade de tempo.

Em transmissão de dados temos uma situação similar, onde temos diversos tipos de meios de transmissão, cada um com uma largura de banda específica de acordo com suas características construtivas, um cabo coaxial por exemplo tem uma largura de banda da ordem de 5Mbits/seg ou 5MHz. Já uma fibra ótica tem normalmente uma largura de banda da ordem de 200 a 10Gbits/seg., isso signifca que é possível trafegar muitas vezes mais dados em uma fibra ótica do que em um cabo coaxial por exemplo.

A largura de banda muitas vezes é responsável pela limitação da taxa de transmissão em sistemas de vídeo e comunicação de dados. Por exemplo uma conexão discada de 56k é limitada pela largura de banda da linha telefônica, que por sinal é muito estreita se comparada com uma conexão ADSL.

A largura de banda depende estritamente do meio de transmissão e na prática o meio de transmissão com maior largura de banda atualmente é a fibra-ótica.

Voltando ao exemplo do cano, é perfeitamente suficiente para uma residência a utilização de um cano fino, mas se precisarmos fazer a distribuição para um condomínio ou para uma fábrica, não poderemos usar o mesmo cano pois ele não comportaria tal fluxo de água, a solução é bastante simples e óbvia: utilizar um cano com bitola maior.

Em transmissão de dados também seguimos o mesmo princípio se tivermos uma necessidade de uma maior quantidade de dados trafegando teremos que escolher uma conexão ou meio de transmissão com maior largura de banda (capacidade).

A largura de banda tem duas visões básicas distintas: Uma para sistemas analógicos e outra para sistemas digitais.

2. Sistemas Digitais

Em sistemas de comunicação digital, a largura de banda tem um duplo significado. No sentido técnico, trata-se de um termo similar a taxa de transferência ou baud rate, ou seja a razão que determinado código ou mensagem é transmitido através de um sistema. É também utilizado no sentido coloquial para descrever a Largura de Canal ou capacidade de canal, ou seja a velocidade que os bits são transmitidos através de um sistema. Desta forma utilizando um barramento digital de dados a 66 MHz com 32 linhas de dados, teriamos a sua descrição correta como tendo uma largura de banda de 66 MHz e uma capacidade de 2.1 Gbit/s — porém não é de surpreender se for descrito como tendo uma “largura de banda de 2.1 Gbit/s.”. Confusão similar existe em sistemas com modems analógicos, onde cada simbolo carrega múltiplos bits de informação desta forma um modem pode transmitir 56 kbit/s de informação através de uma linha telefônica com uma largura de banda de apenas 12 kHz.
Em sistemas temporizados discretos e de processamento digital de sinal (DSP), a largura de banda é relacionado a índice de amostragem de acordo com o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon.

Como objeto de nosso interesse, vamos dar uma ênfase maior aos conexões de rede e internet, que são amplamente necessárias para nossas atividades em sistemas de CFTV Digital, seja na transmissão ou acesso a imagens de CFTV.

 

2.1 Como calcular a Largura de Banda?

Para calcular a largura de banda é necessário saber o tamanho do arquivo a ser transmitido. O tamanho do arquivo vai depender de diversos fatores como o tipo de compressão de vídeo (MJPEG, Wavelet, MPEG4), resolução da imagem (tamanho 640×480, 320×240, etc), número de frames por segundo (fps), número de usuários concorrentes,

Exemplo: 1 câmera usando a compactação Mjpeg com 1 fps.

1 (câmera) X 25KB (Tamanho da Imagem) X 1 fps = 25KB/seg (não esqueça de converter KB/seg para Kbits/seg, caso contrário os resultados serão incorretos.)

25 KB/seg X 8 bits/Byte = 200 Kbits/seg Esta é a Largura de Banda necessária para este exemplo.

 

2.2 Qual a largura de banda necessária?

Uma câmera visualizada em tempo real (30fps) com um tamanho de imagem de 30KBytes irá requerer uma largura de banda de 1.5 Mbits/seg.

Exemplo:16 câmeras com arquivos de 20KB a uma taxa de transmissão de 1 fps por câmera assitido por um usuário.
16 câmeras X 20KB X 1 fps X 1usuário X 8 bits por byte = 2,56 Mbits/seg

Se forem dois usuários concorrentes visualizado todas as 16 câmeras o novo requerimento de largura de banda será 5,12 Mbits/seg.

 

2.3 O que são usuários concorrentes?

O Número de Usuários Concorrentes indica quantas pessoas estão conectadas ao sistema assistindo as imagens, ao mesmo tempo, assistindo imagens, não necessáriamente as mesmas câmeras para ser considerados usuários concorrentes. Este também é um fator muito importante a ser considerado no projeto de um sistema de Vídeo com transmissão por redes, no exemplo acima verificamos o drástico aumento na largura de banda pelo simples acesso concorrente de um outro usuário.

 

2.4 Qual a taxa de frames será fornecida por cada tipo de conexão e largura de banda disponível?

Abaixo indicamos alguns exemplos de taxa de frames obtidas visualizando uma câmera com tamanho de imagem de 20KB a resolução de 640X480 sem compactação remota, para algumas larguras de bandas típicas, a largura de banda indicada deverá ser dividida entre o total de câmeras que estão sendo vistas.

Largura de Banda

Estes são valores estimados para a maioria das redes, mas podem haver variações de acordo com o tipo e características especiais de uma rede.

Exemplos de largura de banda ou velocidade de conexão de internet:

 

 

2.5 O que é contenção de Largura de Banda e como isso afeta o vídeo?

A contenção de banda de sistemas de CFTV digital e DVRs é uma técnica de limitação da utilização da largura de banda de uma determinada rede, pois na maioria das aplicações o sistema de CFTV digital não terá uma rede exclusiva, mas compartilhará a rede e conexão de internet da empresa, dessa forma haverá um controle da banda utilizada para não prejudicar os serviços e utilização para aplicações convencionais.

A contenção de banda também pode ser configurada em alguns tipos servidores, utilizando Linux ou outros sistemas que permitem que esta contenção de banda seja feita nos próprios serviços do servidor, limitando ou bloqueando assim não só a banda máxima por usuário ou conexão, como também evitando que usuários que utilizem programas de download P2P, tipo Kazaa ou E-mule, de “roubar” a banda da rede.

Existem ainda alguns tipos de switches de rede como Cisco ou outros que possuem internamente esta função permitindo ao Gerenciador de TI determinar a banda permitida por porta, em uma canada superior que não pode ser modificada pelo equipamento ou conexão.

 

2.6 Como utilizar o Calculador de Banda do Guia do CFTV?

Com a ferramenta contida no CD ou no site do www.guiadocftv.com.br é possível calcular facilmente a sua necessidade de Largura de Banda de acordo com o seu sistema. Para utiliza-lo é necessário saber as seguintes características de seu sistema de CFTV:

1. Tamanho do Quadro (Frame) Ex.: (Compactação Mjpeg Média Resolução = 30000 Bytes)
2. Frames por segundo (fps) por câmera
3. Número de câmeras a ser visualizado
4. Número de usuários concorrentes

 

2.7 Como aumentar e otimizar a largura de banda de uma rede?

Existem algumas técnicas utilizadas em CFTV e Redes para reduzir o uso indiscriminado e redução da utilização da banda, como veremos asseguir:

2.7.1 Utilização de Transmissão Vídeo Na Demanda
Neste sistema a transferência de imagens é feita somente quando o usuário (cliente remoto) deseja visualizar as imagens ao vivo ou gravadas, ficando desta forma a rede livre para as aplicações normais.

2.7.2 Utilização das Funções de Detecção de Movimento e Alarme
Alguns sistemas disponibilizam o envio automático em casos de detecção de movimento em vídeo ou acionamento de alarme. Nestes sistemas temos a capacidade de transmitir as imagens somente quando ocorrem determinados eventos, de acordo com configurações previamente definidas. Alguns sistemas mais avançados permitem uma transmissão contínua com baixas taxas de transmissão, e aceleração em caso de detecção de movimento.

2.7.3 Utilização de uma rede separada para o sistema de CFTV
É possível criar uma rede ou rota alternativa na rede através de equipamentos específicos como forma de separar as redes e evitar qualquer tipo de interferência de ambas as partes, e apesar de uma poder acessar a outra os recursos de largura de banda não serão afetados diretamente. A união das redes é feita através de um roteador.

2.7.4 Utilização de redes mais rápidas
Como o preço de todos os dispositivos de rede como switchs, roteadores, placas de redes e outros continua a decair, e como as tecnologias de rede cada vez mais avançadas estamos chegando próximos a padronização e maior utilização de redes do tipo Gigabit, além disso cada vez mais temos o uso de fibras óticas plásticas para aplicações de pequeno porte, com ótimas relações de velocidade por um custo muito interessante. Desta forma é reduzido o efeito limitação de largura de banda, atualmente a utilização de redes mais rápidas aumenta o valor agregado da rede, reduz os tempos de acesso, assim como aumenta a capacidade de acesso e controle remoto através das redes.

 

2.8 Upload e Download

Um detalhe muito importante quanto a largura de banda é uma informação que normalmente é omitida, esquecida ou deixada em segundo plano, quando escolhemos um tipo de conexão banda larga para CFTV é a largura de banda para upload.

A transmissão de dados tem sempre dois sentidos: dados de transmissão e dados de recepção, ou seja ambos os lados de uma conexão, seja ela via rede, modem ou ponto a ponto teremos em dado momento um lado transmitindo e outro lado recebendo informações, claro que isso não é fixo, e existe uma troca constante principalmente em redes e internet na direção do fluxo de informações. Tanto na confirmação dos dados recebidos como na recepção propriamente dita de informações. Mas podemos definir basicamente duas operações na transmissão de dados: Download e Upload.

Download: Significa baixar informações da internet/rede, ou seja trazer os dados de outro computador para o nosso. É a operação mais comum quando acessamos a internet, pois acessamos determinados sites fazemos o download de páginas, figuras, arquivos, recebimento de e-mails, etc, dos servidores da internet para nosso computador, onde então faremos a leitura, visualização, instalação do arquivo baixado. Esta é o que é feito na maioria das operações de acessos pelos usuários domésticos ou empresariais simples.

Upload: É a operação inversa ao download, também muito utilizadas mas com um fluxo muito menor que o download, pois as operações normais que requerem upload são requisições, envio de e-mails, envio de arquivos, transferência por FTP, envio de imagens ou voz.

No nosso caso quando instalamos um sistema de CFTV em um determinado cliente e utilizamos sua conexão de internet banda larga, o tipo de transmissão principal será o Upload uma vez que o sistema de Placa de Captura ou DVR irá pegar as imagens salvas no HD ou capturadas e enviar para um computador remoto utilizando a banda de upload da conexão.
Mas os tipos de conexões disponibilizadas com um melhor custo tem diferenças nas taxas de Upload e Download, são os planos residenciais que possuem normalmente uma taxa de upload de no máximo a metade da taxa de download, e dependendo do plano até menor que a metade.
Só que existe um detalhe importante, quando instalamos um DVR, placa de captura ou CFTV digital, e queremos disponibilizar o seu acesso via internet a atividade principal será a transmissão das imagens que é uma operação basicamente de Upload que será limitada pela velocidade de upload disponível no meio de transmissão Conexão ADSL, Cable Modem, Rádio, etc. E quanto mais baixa a taxa de upload menor será a taxa de transmissão de imagens (fps remotos) assim como pior será a qualidade da imagem acessada remotamente.

Verificando os planos residenciais da Brasil Telecom por exemplo temos as seguintes taxas:

 

E alguns itens importantes que constam no contrato, para todas as conexões:

c) Atribui ao CLIENTE um Protocolo de Internet (IP), dinâmico e válido;
d) Disponibilidade do serviço para apenas um computador (Equipamento) indicado pelo CLIENTE;
e) Permite o acesso de até 30 (trinta) sessões simultâneas por Protocolo de Controle de Transferência – Protocolo Internet (“TCP/IP”);
f) Não permite ao CLIENTE disponibilizar servidores de e-mail (SMTP), Protocolos de
Transferência de Arquivo (FTP – File Transfer Protocol), Rede Privada Virtual (VPN –
Virtual Private Network), HTTP, TELNET, ou outros da mesma natureza;

Ou seja existem diversas limitações para a criação de servidores, que na prática é o que fazemos quando montamos um sistema de CFTV para acesso remoto. Pois o sistema se torna um servidor para acesso remoto as imagens, gravação, etc.
Outra questão é a questão do endereço IP dinâmico, que periodicamente é trocado, dificultando a conexão e obrigando o uso de serviços de DNS dinâmico tipo o No-IP, DDNS, etc,
Além disso se tivermos muitos usuários conectados através da mesma rede, teremos o compartilhamento de banda e conseqüente redução de velocidade para todos.

Os planos residenciais das demais operadores é bastante similar, basicamente tem as mesmas taxas e limitações.

Já os planos empresariais não possuem grande parte destas limitações, pois possuem normalmente a mesma taxa de upload e download, possuem endereço IP fixo, não possuem bloqueio de portas, permitem a utilização de servidores, maior número de conexões TCP simultâneas, garantia de banda (velocidade mínima e conexão ininterrupta garantida). Enfim a conexão é como o próprio nome diz profissional. Sendo a única grande desvantagem o custo mensal.

2.9 Conclusão:
Com estas informações, verificamos que a utilização de conexões banda larga residenciais não é o mais recomendável para uma aplicação profissional transmissão de imagens de CFTV, porém em muitos casos a utilização de deste tipo de conexão é o mais viável, pois o custo de uma conexão empresarial é muitas vezes superior.
Uma outra opção é utilizar uma conexão banda larga exclusiva para o sistema de CFTV, deixando a conexão originalmente instalada para as aplicações da rede local. Algumas vezes já é o suficiente para não gerar conflitos nas conexões nem problemas de tráfego em ambas as atividades.

O mais recomendável é analisar junto com o cliente qual tipo de conexão e tipo de resposta esperada do sistema, como forma de evitar problemas futuros para o cliente quanto a uso de banda, como problemas nas transmissões de imagens.

2.10 Informações sobre Banda Larga ADSL no Brasil (Fonte: www.teleco.com.br)

Principais operadoras de Internet ADSL
Velox (www.velox.com.br)
BrT (Turbo) (www.adslturbo.com.br)
Speedy (www.speedy.com.br)
GVT (Turbonet) (www.gvt.com.br)

Principais operadoras de Internet por TV a Cabo
Net (http://nettv.globo.com:0/NETBr/br/home/index.jsp)
Ajato (http://www.ajato.com.br/)
Mais TV (http://www.maistv.com.br/)
Vivax (http://www.vivax.com.br/)
Way Brasil (http://www.waybrasil.com.br/)

Citando:

Algumas definições:

1. O que é Largura de Banda?
Largura de Banda ou Bandwidth é a medida da velocidade que os dados passam através de um rede especifica. A Largura de Banda é medida em bits e não em bytes que determinam a medida de capacidade de discos rígidos e outras unidades (Sendo necessários 8 bits para formar um byte). Todas as medidas de Largura de Banda são feitas em bits por segundo, ex.: Kbits/seg or Mbits/Seg. Quando você contrata um tipo de conexão de internet banda-larga, o tipo de conexão e velocidade vai especificar a largura de banda.

2. O que são Usuários Concorrentes?
Define o número de acessos simultâneos a mesma estação (DVR ou Placa) utilizando o mesmo meio de transmissão.

3. O que é o Tamanho do Frame?
É o tamanho de cada quadro (arquivo estático de imagem) que deve ser transmitido pela rede.

4. O que são Frames Por Segundo?
FPS indica a quantidade de quadros que serão transmitidos a cada segundo (30 quadros representa tempo real, dificilmente atingido na prática).

5. O que é Número de Câmeras Visualizadas nos Clientes?
É a quantidade de câmeras que serão transferidas pela rede para cada estação remota. Quanto maior o número de câmeras mais banda será necessária.

3. Sistemas Analógicos

A largura de banda é uma medida de faixa de frequências, medida em Hertz, de uma função e sua variação de freqüência. A largura de banda é um conceito básico em muitas áreas, incluindo teoria de informação, eletrônica, electromagnetismo, rádio comunicações, processamento de sinais, e análise de espectros. A largura de banda também refere-se a taxa transmissão de dados em determinados meios de comunicação ou dispositivos. De acordo com o teorema de Shannon-Hartley, uma taxa de transmissão de dados confiável é diretamente proporcional a faixa de freqüência de freqüência do sinal usado para a comunicação. Neste contexto, a largura de banda pode referir-se tanto para a taxa de transmissão de dados, quanto para a faixa de freqüência do sistema de comunicação (ou ambos).

A largura de banda é um conceito chave em muitas aplicações. Em rádio comunicação por exemplo, a largura de banda define a faixa útil de freqüências ocupado por uma onda portadora modulada por determinado sinal, ao passo que em ótica é a largura de uma linha espectral individual ou o alcance espectral inteiro. Não há na prática uma única definição precisa universal para largura de banda, uma vez que pode ser vagamente entendida como uma medida da largura de uma função no território das freqüências. Para aplicações diferentes há definições precisamente diferentes. Por exemplo, uma definição de largura de banda pode ser a faixa de freqüências para qual a função de freqüência não é zero. Em sinais de vídeo podemos dizer que a largura de banda de um determinado sinal é a faixa de frequência necessária para a transmissão correta do sinal, sendo definida em 5MHz para o sinal composto de vídeo.

Em termos práticos as fibras óticas oferecem uma banda muito mais larga em comparação a cabos de cobre. A largura de banda dos cabos de fibra ótica está entre 100Mhz e 1000 MHz, que em comparação com os cabeamento metálico de cobre está entre 3 a 20 MHz. Esta maior largura de banda na prática permite as fibras óticas aplicações muito mais diversificadas e capacidades muito maiores de transmissão. Em relação ao CFTV poderíamos fazer uma comparação prática direta, baseando-nos na largura de banda de um sinal de vídeo que é de aproximadamente 5 Mhz, desta forma poderíamos transmitir entre 20 e 200 sinais de vídeo em um cabo de fibra ótica. Está transmissão é impossível com um cabo de cobre. Na verdade usando técnicas de compressão de vídeo e dados é possível fazer a modulação de 500 a 1000 sinais de vídeo em uma única fibra ótica.

Largura de Banda do sinal de vídeo composto

 

Comparativo de Largura de Banda de acordo com o meio de transmissão

Sobre o Autor
Marcelo Peres
mpperes@guiadocftv.com.br
Guia do CFTV

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