安防中的相关Wi-Fi知识

Wi-Fi的起源和发展历史这里就不展开了,感兴趣的可以访问文后的参考资料。Wi-Fi是wireless fidelity的缩写,字面意思是“无线保真”。现在我们说的Wi-Fi一般指wireless lan(WLAN),无线局域网,无线热点或者无线网络。如果把这个局域网通过路由器接入外网,那Wi-Fi就能连上Internet了。
Wi-Fi是基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术,由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)这个机构负责制定相关的Wi-Fi标准,Wi-Fi也是这个联盟的商标。
有一点需要注意,“Wi-Fi”常被写成“WiFi”或“Wifi”,但是它们并没有被Wi-Fi联盟认可,所以唯一标准写法是Wi-Fi。

标准

上面提到Wi-Fi是基于802.11标准的无线局域网技术。不要把二者混淆,IEEE 802.11是一种无线局域网标准,而Wi-Fi是这个标准下的一种实现。

序号时间命名标准指标
11997年IEEE 802.112.4GHz频段,最高速率2 Mbit/s
21999年Wi-Fi 1IEEE 802.11b2.4GHz频段,最高速率11 Mbit/s
31999年Wi-Fi 2IEEE 802.11a5GHz频段,最高速率54Mbit/s
42003年Wi-Fi 3IEEE 802.11g2.4GHz频段,最高速率54 Mbit/s
52009年Wi-Fi 4IEEE 802.11n2.4/5GHz频段,最高速率600 Mbit/s
62014年Wi-Fi 5IEEE 802.11ac5GHz频段,最高速率6.9 Gbit/s
72020年Wi-Fi 6IEEE 802.11ax2.4/5GHz频段,最高速率9.6 Gbit/s

运行原理

Wi-Fi的设置至少需要一个接入点(Access Point,AP)和一个或一个以上的客户端用户。无线AP每100ms都会将SSID经由beacons数据包广播一次,beacons数据包的传输速率是1 Mbit/s,并且长度相当的短,所以这个广播动作对网络性能的影响不大。因此Wi-Fi规定其最低传输速率为1 Mbit/s,以确保所有的Wi-Fi客户端都能收到这个SSID广播数据包,客户端可以借此决定是否要和这一个SSID的AP连线。用户可以设置要连线到哪一个SSID。Wi-Fi系统开放对客户端的连接并支持漫游,这就是Wi-Fi的好处。但亦意味着,一个Wi-Fi有可能在性能上优于其他的Wi-Fi,甚至彼此之间产生干扰,后文会说。

安防中的Wi-Fi

安防Wi-Fi产品

安防中用到Wi-Fi的主要有这样几种产品和方式:

  1. 普通家用Wi-Fi摄像机。
    我们常用百元左右的卡片机,摇头机,小球机。主要功能是通过手机配置,将摄像机连接到家用Wi-Fi路由器,以接入互联网。然后可以通过相应的手机app远程访问,实时监控,语音对讲,录像回放等。有些还提供增值服务,比如云存储,简单的AI功能(人形侦测,人脸识别等等)。

曾经拟写过一篇市面常见的家用Wi-Fi摄像机选型比较,对选用相关产品可能会有些帮助,感兴趣的可以参考:家用智能云台WiFi摄像机选型比较
关于家用消费类Wi-Fi摄像机的发展趋势,4年前曾经做过简单的展望和预测。现在看来这篇文章还是预测很准的,想更多了解这类摄像机发展脉络的,也可以参考:家用消费类监控摄像头发展
关于家用Wi-Fi摄像机常见的第三方平台可以参见 P2P远程访问技术在安防视频监控中的应用 这篇文章中的常见的安防摄像机P2P平台(包括一些第三方平台)介绍,这些平台是除了像海康的萤石云,小米的米家等这些品牌外,很多所谓杂牌的摄像机选用的。当我们的摄像机出现故障,不知道如何操作时,了解这些信息会有帮助。

  1. 普通网络摄像机,通过USB Wi-Fi模组扩展Wi-Fi功能。
    普通网络摄像机,默认是RJ45有线传输的。如果支持USB扩展,我们可以给摄像机外接USB的Wi-Fi模组,将有线的摄像机扩展成Wi-Fi无线的。当然除了有USB接口,摄像机还必须内置有对应的USB Wi-Fi模组的驱动。
  2. 普通DVR/NVR,通过USB Wi-Fi模组扩展Wi-Fi功能。 DVR,NVR扩展Wi-Fi功能和普通网络摄像机一样,除了具有USB接口外,还必须内置有对应的USB Wi-Fi模组的驱动。所以一般支持扩展Wi-Fi功能的DVR,NVR,网络摄像机都会注明支持哪些芯片方案的Wi-Fi模组。
  3. 无线Wi-Fi NVR/摄像机套装。
    无线Wi-Fi摄像机/NVR套装这种产品的要点就是出厂前,将Wi-Fi摄像机和Wi-Fi NVR已经配置好,绑定好,成功通过Wi-Fi连接了。使用者只需要给设备通电,摄像机的图像就能显示在NVR上,不需要做比较繁琐的Wi-Fi配网操作,即插即用,傻瓜式操作,比较受消费者喜欢。
  4. 项目中,直接使用无线AP扩展。
    上面讲到的都是基于产品的Wi-Fi应用,Wi-Fi传输距离有限。实际项目中,只能无线传输,距离又很远,比如几公里,几十公里的情况还是会有。此时我们就需要用到大功率的无线AP了。使用这种设备,可以一对一,或者多对一,即将单点或者多个地方的网络摄像机通过无线传输到一个集中的汇聚管理点。无线AP产品很多,可以根据需要选用。传输距离几公里到几十公里,支持POE供电,各种不同传输带宽,天线模式等等。

配网方式

前面提到的家用Wi-Fi摄像机,使用的关键点是需要通过手机APP将摄像机连接到Wi-Fi路由器,即配网。目前比较成熟的配网方式主要有以下几种:

  1. AP模式
    有两种方式,前提是摄像机自己先生成一个AP热点。
    • 手机先连接Wi-Fi,然后在摄像机APP中搜索到摄像机AP热点,然后配网,将摄像机连接到Wi-Fi。
    • 第二种方式,手机先连接摄像机热点,然后在APP里,搜索要给摄像机连接的Wi-Fi,然后将摄像机与Wi-Fi连接。
  2. 空中发包
    AP模式配网在IOS端比较麻烦,对于普通用户易用性很差。所以有了空中发包的配网方式。简单来说就是把Wi-Fi的连接信息(主要是SSID和密码)通过某种方式(by air)发送给摄像机。常见的方式有这样几种:
    • 二维码,手机端生成一个包含Wi-Fi信息的二维码,提供给摄像机扫描,摄像机识别到二维码包含的Wi-Fi信号以后,成功连接配网成功。扫描时需要注意角度和距离。
    • 声波配网,手机app端将Wi-Fi信息转化成音频,摄像机内置的拾音器接收音频,然后将音频解码成Wi-Fi信息,连接,成功配网。需要注意音量以及环境噪音不能太大。
    • 蓝牙,将Wi-Fi信息通过蓝牙传输发送给摄像机。摄像机接收Wi-Fi信息以后,成功配网。使用这种配网方式的前提是摄像机需要支持蓝牙功能。

模组

安防行业里使用比较多的Wi-Fi芯片主要有这些:

  • 台湾雷凌(Ralink,被联发科并购)的RT3070,RT5370,RT5350等;
  • 联发科(Mediatek)自己的MT7610和MT7601;
  • 瑞昱的Realtek RTL8188;
  • 雄迈的XM711.

Wi-Fi信号传输

从电磁频谱的角度上讲,Wi-Fi信号属于微波。
微波信号的穿透能力不强,容易被金属屏蔽;被材料吸收后,产生热效应。
2.4GHz微波对各种材质的穿透损耗的实测经验值
8mm木板:1~1.8dB
38mm木板:1.5~3dB
40mm木门:2~3dB
12mm玻璃:2~3dB
250mm水泥墙:20dB~30dB
砖墙:~15dB
楼层阻挡:~30dB
电梯阻挡:20~40dB

因为穿透性能很差,所以Wi-Fi信号遇到障碍,比如墙体,主要还是靠折射,反射,漫射以及绕射(衍射)。

  1. 折射,Wi-Fi信号经过玻璃或水的时候,信号路径发生偏折;
  2. 反射,Wi-Fi信号经过金属材质物体时,信号发生反射情况;
  3. 绕射(衍射),Wi-Fi信号经过水泥墙体,因无法穿越,部分信号会向旁边散开,等遇到一个可以穿过的区域再继续向本来的方向继续直线传播;
  4. 漫射,Wi-Fi信号遇到水泥墙,因为直线线路受阻,部分信号会散开,沿着墙壁上下左右继续延伸出去。

Wi-Fi信号传输距离能力取决于功耗能力低的设备,比如信号接收端(手机)。
5G的Wi-Fi穿墙能力比2.4G要弱。波长越短,电磁波的穿透能力越强,但是一般水泥墙Wi-Fi信号很难完全穿透,大部分损耗掉了。更多的Wi-Fi信号是靠反射,衍射和漫射来穿越墙壁的。
频率越高消耗在穿透(直线传播)上的能量越大,导致信号浪费,设备接受到的反而是反射衍射过来的信号。2.4Ghz下,衍射和反射比5Ghz要多,因此设备接受到的信号反而强。
另外一方面,频率越高衰减越快,损失越多。

Wi-Fi天线

  • 常规的Wi-Fi天线
    常规的Wi-Fi天线有两种类型:全向天线和定向天线。
  • 全向天线,提供室内室外360度全方位覆盖的wifi信号覆盖。三种常见全向天线:室外全向天线,塑胶天线,阵列全向天线
  • 定向天线,如名字一样,覆盖某一特定角度和范围的天线。常见的定向天线类型:八木天线,栅格天线,平板天线,平面天线等。
  • 安防产品使用的Wi-Fi天线
  • OnBoard板载天线
  • SMD贴片式陶瓷天线
  • FPC外接软板天线
  • 外接塑料棒天线

大型场馆Wi-Fi布置

Wi-Fi信号干扰问题

  • 802.11的空口原理
    当AP选择某个频点传输信号,相应连接该AP的用户(STA)也会在此频点进行通信。由于AP和STA共享该信道,双方发送报文时极易产生碰撞,导致空口丢包率上升,传输质量下降。
  • 信道干扰
  • AP功率大小
  • 高并发数,网络不稳定

解决方案思路

  • 2.4G+5G融合
  • 信道选择0.9*4>3(1、6、11到1、5、9、13)
  • 使用小角度天线,精确控制信号传输角度。
  • 动态调整AP设备的功率
  • 控制每个AP接入设备的数量
  • 限制接入设备的网速
  • 接入的带宽,做好冗余及备份

参考资料:

  1. Wi-Fi Alliance
  2. 维基百科:Wi-Fi
  3. WLAN信道列表
  4. OFFICIAL IEEE 802.11 WORKING GROUP PROJECT TIMELINES
  5. SUMMARY REPORTS & MINUTES OF 802.11 WG SESSIONS
  6. 空中配网 – 声波配网
  7. 讲一讲WiFi快连、SmartConfig、SmartConnect
  8. 如何设计流畅的智能硬件配网流程?
  9. 无线CPE/AP安装注意事项
  10. 给无线应用选择合适的wifi天线
  11. 解密8万人球场的高密WIFI覆盖之道
  12. 浅谈复杂环境下的WLAN干扰分析及优化思路
  13. 大型场馆是如何建立万人级别 Wi-Fi 网络的?
  14. WiFi信号穿透等相关知识
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引用通告 & 通告

  1. […] 关于Wi-Fi的基本原理介绍等可以参考安防中的相关Wi-Fi知识一文,这里不赘述。 […]

  2. […] 安防中的相关Wi-Fi知识 […]

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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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