Aspectos clave sobre ancho de banda para videovigilancia en red
Fuente: TECNOSeguro

Aspectos clave sobre ancho de banda para videovigilancia en red

Uno de los aspectos más importantes del mundo del networking que debemos conocer y aplicar en nuestros proyectos de videovigilancia en red es el ancho de banda para transmisión de datos de video, la falta de comprensión y sin los cálculos estimados desde el diseño, puede llevar a un proyecto con múltiples problemas incluso antes de terminarlo. 

Los aspectos básicos que veremos en este tutorial son: 

 

Bits, bytes y escalas de transmisión en videovigilancia en red

En informática la unidad básica de información es el “bit”,  significa dígito binario, puede tener dos valores 0 o 1 y es usada como unidad de medida tanto para flujo de información como para almacenamiento. Es importante que se comprenda la diferencia cuando nos referimos a ancho de banda, velocidad de transmisión de datos, y cuando nos referimos al almacenamiento. 

TECNOSeguroPRO Ancho de Banda 02

En videovigilancia en red, el ancho de banda también se mide en bits, pero en algunos casos es posible encontrar información técnica relacionada con transmisión de datos en bytes, lo que puede generar alguna confusión. Solo debe tener presente que 8 bits equivalen a 1 byte.

Por ejemplo, si en una ficha técnica de una cámara se refiere al consumo de ancho de banda de 2 megabytes por segundo y en otra, 16 megabits por segundo significa que ambos equipos consumen el mismo ancho de banda.

Sin embargo, lo más común es que en transmisión de datos la medida sea en bits y para almacenamiento se de en bytes. A continuación mostramos dos tablas de equivalencia como referencia.

TECNOSeguroPRO Ancho de Banda 03Unidades usadas para transmisión de datos en bits

TECNOSeguroPRO Ancho de Banda 04Unidades de medida para almacenamiento en bytes

Dado que la transmisión de video hace que el tamaño de la información sea bastante grande (comparado con la transmisión de audio o datos de texto) las medidas típicas para transmisión de video se dan en Kilobits, Megabits e incluso Gigabits, las cuales aplican o dependen de las capacidades de transmisión de las interfaces de red de los equipos y el medio de transmisión usado. 

Medición del ancho de banda

En términos generales el ancho de banda hace referencia a la capacidad de un canal de transmisión para el transporte de datos por unidad de tiempo. Una analogía que se puede usar para ejemplificar el concepto es una tubería de agua; cuanto mayor es el diámetro de la tubería mayor cantidad de agua podrá pasar la misma en un determinado momento. 

Así, el ancho de banda en términos de redes nos indica la cantidad de bits que son transmitidos en un segundo por un determinado canal de comunicación, por ejemplo, 100 Kb/s, 1 Mb/s, 1000 Mb/s, etc. 

Una manera fácil de validar el uso del ancho de banda que usa una computadora de escritorio o un laptop para transmitir o recibir información en una red, se puede ver usando el administrador de tareas de windows, opción:  rendimiento, como se muestra en la siguiente imagen.

TECNOSeguroPRO Ancho de Banda 05Medición del consumo de ancho de banda red WiFi desde un PC

En este ejemplo se puede ver el uso del ancho de banda tanto para transmitir como para recibir información:

  • 8 kbps  para descargar información como el contenido de una página web
  • 16 kbps para enviar información como el envío de un correo electrónico 

Ahora bien, no se debe confundir la capacidad del ancho de banda con la velocidad de transmisión o recepción también llamadas velocidades de descarga y carga respectivamente.

Generalmente el ancho de banda usado en las redes WAN lo determina la capacidad del proveedor del servicio de internet o ISP por sus siglas en inglés, y en las redes más pequeñas estará determinado por la capacidad de las interfaces de red de los equipos que transmiten y reciben la información y el medio de transmisión de la misma. 

En los equipos de videovigilancia en red como son las cámaras IP, NVR’s DVR’s unidades SAN/NAS se deberá consultar las hojas de datos del fabricante para conocer la capacidad de transmisión de los equipos así como la capacidad de recepción y procesamiento en red para todas las cámaras que puede recibir, lo que generalmente se conoce como “throughput”.

Por otro lado, muchos fabricantes permiten que a través de la interfaz de usuario se pueda ver el consumo de ancho de banda según la configuración de la cámara. 

TECNOSeguroPRO Ancho de Banda 06Medición de ancho de banda por medio de la interfaz gráfica del equipo. Fuente: Hikvision

Cálculo de ancho de banda por cámara

TECNOSeguroPRO Ancho de Banda 07

Durante la fase de especificación del proyecto será importante realizar el cálculo de consumo de ancho de banda por el total de cámaras que el proyecto tendrá, así como la posibilidad de dejar un margen (25% como mínimo) para crecimiento o ampliación del mismo. 

Esto se debe realizar con el fin de determinar la infraestructura de red necesaria y el medio de comunicación que se va a requerir para soportar todo el tránsito de datos en el proyecto.

Se debe tener en cuenta que la cantidad de ancho de banda que se necesita por cada cámara puede variar significativamente según el objetivo de cada una y de los factores que vamos a revisar a continuación.

Recomendamos a nuestros lectores revisar las herramientas gratuitas que están disponibles en internet o que incluso algunos fabricantes disponen para el cálculo de ancho de banda en sistemas de videovigilancia en red, aquí algunos ejemplos:

Factores que que determinan el consumo de ancho de banda de la cámara

No hay un estándar establecido o incluso un consumo típico de ancho de banda  en los sistemas de videovigilancia en red. Podemos tener transmisiones de video con tasa de transferencia de bits tan bajas como 50 Kbps (0,05 Mbps) y otras tan altas como 15000 Kbps (15 Mbps) o incluso más. Hay algunos factores de los que depende el consumo de ancho de banda de la cámara, estos son:

Resolución

La resolución es uno de los factores que más afecta el consumo de ancho de banda, a mayor resolución, mayor ancho de banda requerido.

Velocidad de fotogramas o imágenes por segundo

Hace referencia a la cantidad de imágenes por segundo que la cámara transmite de acuerdo a la configuración del stream de video, si bien se pueden configurar varios streams de video, la relación con el ancho de banda es directa, cuanto mayor sea la velocidad de fotogramas, mayor será el consumos de ancho de banda.

Complejidad de la escena

Cuanta más actividad haya en la escena como por ejemplo los ambientes de vigilancia ciudadana en donde se dan cambios constantes en la escena, mayor será el ancho de banda necesario. Así mismo en condiciones de poca iluminación el ruido que se genera en las cámaras (no en todas) puede aumentar el ancho de banda por el cambio constante que este genera en la escena.

Tasas de bits constantes, variables y máximas (CBR, VBR y MBR)

La cantidad de ancho de banda que necesita una cámara en un momento dado para mantener un nivel de calidad específico varía con el tiempo, a veces sustancialmente. 

Por ejemplo, una cámara puede consumir 1Mbps en una aplicación de pasillo en un centro comercial en un día de semana no muy concurrido, pero la misma cámara puede necesitar 4 Mbps para el mismo lugar el domingo en la tarde por la gran cantidad de afluencia de personas.

Hay varias formas de controlar el elevado consumo de ancho de banda en este tipo de situaciones: 

Tasa de bits variable (VBR) 

En este caso la tasa de bits cambia para mantener la compresión en un nivel establecido independientemente de la actividad.

Tasa de bits máxima (MBR)

También llamada VBR con un límite máximo, donde la tasa de bits cambia pero no más allá del máximo definido por el usuario.

Tasas de bits constantes (CBR)

En donde la tasa de bits de la cámara no cambia aunque la escena sí lo haga.

Saber qué tipo de control de tasa de bits utilizar en la configuración de la cámara de acuerdo al tipo de escenario es muy importante, ya que afecta significativamente la carga del ancho de banda. 

Compresión de datos y ancho de banda

Como lo mencionamos anteriormente la cantidad de información que se debe procesar en videovigilancia en red es bastante alta (Del orden de miles de millones de bits) y más aún si se tienen funciones de análisis de video que aportan metadatos. Por lo que se deben implementar algoritmos de compresión que de hecho se han vuelto un estándar entre los fabricantes, aunque algunos de estos desarrollan sus propias versiones. 

Así, existe una relación directa entre la eficiencia del formato de compresión y el consumo de ancho de banda. Es decir, cuanto más eficiente es el formato de compresión de video, menor consumo de ancho de banda se requiere para la transmisión de datos.

Este es uno de los aspectos de mayor desarrollo y de interés de los fabricantes en videovigilancia en red. Dado que cuanto menor sea el consumo de ancho de banda, los equipos podrán incorporar más y mejores funciones de análisis de video. Es decir, cámaras más inteligentes, así como mejoras en la calidad de imagen o resolución.

En esta nota no profundizaremos en los formatos de compresión de video pero mencionamos los más usados y eficientes:

  • H264 (ITU-T y ISO/IEC)
  • H265 (ITU-T y ISO/IEC)
  • H265+ (Hikvision)
  • Zipstream (Axis)
  • Smart Coding (I-PRO/Panasonic)
  • Smart Stream II (Vivotek)
  • HDSM (Avigilon/Motorola)

Los formatos de compresión vienen evolucionando de manera importante en los últimos años de modo que se generan eficiencias de hasta del 80% de consumo de ancho de banda.

Consideraciones del ancho de banda para video en vivo y grabación

En muchos proyectos las señales de video en red que provienen de las cámaras no siempre llegan primero a un sistema de grabación, incluso se puede dar el caso en donde el sistema de grabación no está en el mismo sitio o misma red de las cámaras, por ende es común encontrar dos tipos de tráfico de datos de video: uno para visualización y otro para grabación, ambos consumen ancho de banda y como siempre lo recomendamos deben estimarse desde el diseño. 

TECNOSeguroPRO Ancho de Banda 08Configuración de streams de video. Fuente: Axis

Para esto se configura generalmente un stream o perfil de transmisión de video para visualización y otro para grabación, ambos pueden tener los parámetros de transmisión configurados de manera diferente con el fin de optimizar el envío de la información según los recursos de red disponibles. Se busca el menor consumo, pero a la vez optimo para el usuario final.

Ancho de banda en redes LAN frente a redes WAN

En los sistemas de videovigilancia en red podemos tener la implementación de cámaras en red de área local (LAN) y sobre la red de área amplia (WAN) como Internet, la transmisión de información a usuarios que pueden consumir datos de video en vivo y grabación redundante. 

Un ejemplo puede ser una cadena de almacenes en donde hay una sede principal en una ciudad y sucursales en otras ciudades, cada sede tendrá su sistema de video en red de manera local pero todos se pueden monitorear de manera centralizada por medio de servicios de canales de Internet.

En este caso, el consumo de ancho de banda local no será un problema por la disponibilidad de la red LAN configurando el perfil de transmisión incluso con la mejor calidad de imagen para visualización y grabación local. 

Pero para la transmisión de video por Internet puede resultar muy costoso o simplemente impráctico si no se aplican estrategias de ahorro en consumo de ancho de banda, como vimos anteriormente los formatos de compresión juegan un papel importante en este punto y del mismo modo la configuración de los perfiles de transmisión. 

En las redes LAN, las capacidades de ancho de banda de red más comunes son:

  • 100 Mbps
  • 1000 Mbps (1 Giga)
  • 10.000 Mbps (10 Gigas)

En particular, las conexiones de 100 Mbps y 1000 Mbps son bastante comunes para las redes con interfaces de red en cámaras de videovigilancia típicas. Mientras que las de 10 Gigas suelen ser interfaces de red de los switches de red que concentran las señales y en servidores o NVR`s de última generación.

Mientras que en el caso de las redes WAN, particularmente hablando de Internet, las capacidades de ancho de banda van a depender del costo de los canales de transmisión y del tipo de transmisión que el proveedor puede suministrar según el sitio o región, usualmente estos canales de transmisión están en el orden de los 50 Mbps a 100 Mbps para aplicaciones típicas. 

Ancho de banda simétrico Vs asimétrico

El ancho de banda simétrico significa que el ancho de banda es el mismo para "transmisión" (upload) y "descarga" (download), es decir, un enlace puede enviar la misma cantidad de ancho de banda que puede recibir, por ejemplo 100 Mbps para transmisión y 100 Mbps para descarga.

El ancho de banda asimétrico significa que el ancho de banda de transmisión y de descarga no es el mismo. Específicamente, el ancho de banda de transmisión es con frecuencia mucho menor que el ancho de banda de descarga. Esto es común en hogares y pequeñas oficinas.

Las conexiones asimétricas brindan suficientes velocidades de descarga para video y uso general, pero es posible que solo proporcionen una fracción de las velocidades necesarias para la carga o transmisión. 

El ancho de banda de descarga en las conexiones de módem por cable comunes puede ser de 50 Mbps, 100 Mbps, 300 Mbps o más. Sin embargo, estas mismas conexiones generalmente tienen un rango de transmisión (upload) de solo 5 Mbps o 15 Mbps.

Muchas redes/conexiones WAN tienen un ancho de banda asimétrico, un problema para el monitoreo remoto o la grabación de video en proyectos en los que el usuario gestiona diferentes sistemas de videovigilancia de manera remota.

Tipos de conexión asimétrica

Las conexiones de ancho de banda asimétricas más comunes son los módems de cable, con tecnología DSL.

Las conexiones satelitales, pero estas generalmente solo se usan en sitios remotos donde no existen otras opciones y pueden ser costosas y poco prácticas para aplicaciones de múltiples cámaras.

Tipos de conexión simétrica

Son aquellas que ofrecen un ancho de banda simétrico común, son redes de fibra óptica. La principal limitación es el acceso a dichas redes. Si bien aumentaron durante la última década, tienden a limitarse a áreas urbanas densamente pobladas.

Conclusión

Comprender y determinar el consumo de ancho de banda en videovigilancia en red es clave para el buen desarrollo y desempeño del proyecto. Determinará el tipo de equipos y medio de transmisión adecuados para garantizar video de alta calidad en todos los puntos de video. Del  mismo modo permitirá maximizar el uso de las bondades de los sistemas en red, como las analíticas de video y el uso de metadatos resultante de ello, todo esto para la mejora de los procesos del usuario final.

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