5G技術下的公安行業(yè)應用探索

公安部第一研究所 張春慧 周昕

在5G所有關鍵技術中,有兩種技術與公安行業(yè)密切相關,即:智能切片和邊緣計算。本文將分析討論智能切片和邊緣計算在公安領域中的應用。另外,5G eMBB增強移動寬帶服務目前已經商用。本文最后一部分將介紹基于運營商5G eMBB增強移動寬帶服務的移動警務創(chuàng)新應用。該應用以高清視頻直播為主要使用場景,覆蓋視頻會議、培訓教育、辦案現(xiàn)場視頻回傳等公安實戰(zhàn)場景。

0 引言

隨著移動通信技術的迅猛發(fā)展,萬眾矚目的5G移動通信系統(tǒng)已經進入商用階段。與4G網絡相比,5G網絡具有更高的用戶體驗速率、更低的時延和更大的終端連接密度。5G的網絡架構天然具備了軟件化、云化、服務化等特征,通過與大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網等技術的深度融合,為各行業(yè)的數(shù)字化轉型賦能,開啟泛在智能的產業(yè)互聯(lián)網時代。5G包含多種關鍵技術,其中智能切片和邊緣計算兩種關鍵技術與公安領域關系最為密切。智能切片技術主要應用于移動警務終端接入,邊緣計算技術可應用于視頻圖像信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和回傳。本文將深入探討這兩種關鍵技術在公安行業(yè)的應用場景。

目前,5G針對垂直行業(yè)的智能切片技術仍未商用,國內運營商提供的5G業(yè)務仍然只是針對eMBB場景的高速上網服務,本文將介紹一個基于微服務架構的5G移動警務創(chuàng)新應用示例。該應用示例可利用運營商目前提供的5G eMBB上網服務,以高清視頻直播為主要場景,覆蓋視頻會議、培訓教育、辦案現(xiàn)場視頻回傳等公安實戰(zhàn)場景。

1 兩種與公安領域密切相關的5G關鍵技術

5G不是簡單地以某個單點技術或者某些業(yè)務能力來定義的,而是一系列無線技術的深度融合,包括D2D終端直通、M2M機器通信、虛擬化網絡切片、MEC移動邊緣計算、網絡融合等。其中,與公安行業(yè)關系比較密切的技術主要有智能切片和邊緣計算。

1.1 5G智能切片

近年來,警務應用也在不斷向移動化、智能化的方向發(fā)展。目前承載移動警務業(yè)務的無線專用傳輸鏈路是基于運營商2G/3G/4G技術的APN/VPDN專線,這種專線與互聯(lián)網數(shù)據(jù)鏈路層隔離,安全性有一定的保障,可以滿足公安領域對于無線傳輸鏈路安全性和可靠性的要求。但VPDN專線最大的問題是公網重載的情況下,無法確保專線的服務質量。例如大型戶外安?；顒訒r,現(xiàn)場人數(shù)過多導致公網重載,那么警務人員使用的專線也可能會出現(xiàn)信號差、連不上網的情況。由于VPDN專線的這個問題,一定程度上限制了移動警務應用的推廣和使用。

解決這一問題有兩個途徑。一個途徑是基于公安可用的頻率資源建設專網,例如承載集群通信業(yè)務的警用數(shù)字集群專網、340M點對點圖傳網等。但專網一般規(guī)模較小,難以實現(xiàn)大范圍廣域覆蓋。同時公安領域也沒有大規(guī)模移動承載網網絡建設和運營的經驗,很難保證專網的可靠性和安全性一定能超過公網。部分公安機關在工信部原來分配給政府和行業(yè)使用的專網頻段(1.4G、1.8G)進行寬帶專網建設,但由于寬帶技術體制限制,無法采用大區(qū)覆蓋,龐大的基礎設施使專網的建網成本和運營成本過高,因此至今也無法大規(guī)模開展,只在某些地市作為試點應用[1]。

另外一個途徑是改善運營商專線的服務質量,而5G的智能切片技術恰好能做到這一點。有線網絡很容易實現(xiàn)物理層或數(shù)據(jù)鏈路層切片,最早的無線回傳網絡采用的就是硬管道,后來為了提高效率、降低建網成本,大多數(shù)運營商用IP RAN方案替代了早期的SDH和PTN RAN網絡,多種業(yè)務都混合跑在一張回傳網上,不同業(yè)務通過VPN和QoS實現(xiàn)隔離和優(yōu)先級調度。QoS指的是路由器等網絡設備針對不同協(xié)議報文進行的優(yōu)先級調度,例如,對于語音報文以高優(yōu)先級調度,上網報文則用Best-effort進行優(yōu)先級調度。但基站空口側無法通過優(yōu)先級調度來控制針對某種用戶的信號強弱,因此才會出現(xiàn)公網重載時無法保證專線服務質量的情況。5G NR支持多用戶無線接入,發(fā)送端采用非正交多址接入(NOMA)技術同時將多個用戶流量合并發(fā)送,接收端通過串行干擾消除(SIC)技術將每個用戶的流量識別出來,并可以通過算法為不同的用戶分配不同的信號功率。通過這種方式可以在無線空口側實現(xiàn)不同用戶的差分服務[2]。

1.2 5G邊緣計算

邊緣計算是一種網絡架構模型,將計算資源等基礎設施放到離終端用戶最近的地方,或者放到數(shù)據(jù)產生的地方(例如視頻采集)。邊緣計算是一種去中心化的網絡結構,很多人可能會認為邊緣計算與近年來興起的大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等概念相悖,但實際上邊緣計算的目的并不是為了替換云平臺或大數(shù)據(jù)平臺。邊緣計算只是為了將那些對時延等網絡傳輸指標有較高要求的應用后臺放到離終端更近的位置。我們可以將邊緣計算看作是一種混合云,在這種架構下,用戶設備和遠端服務器之間不需要頻繁發(fā)送大帶寬數(shù)據(jù),減少了帶寬資源浪費,同時也提高了效率,提升了用戶體驗[3]。

在公安領域,邊緣計算的驅動因素包括:(1)警務應用低時延、高可靠的需求;(2)物聯(lián)網終端移動化發(fā)展(如5G攝像頭、航拍無人機)以及物聯(lián)網規(guī)模的迅速擴張;(3)網絡傳輸鏈路帶寬資源有限;(4)數(shù)據(jù)傳輸和存儲的成本增加;(5)警務應用數(shù)據(jù)安全的需求。

運營商和公安行業(yè)對于邊緣計算的定義不同。對于運營商來說,邊緣計算意味著基礎設施下沉。對于行業(yè)來說,邊緣計算意味著數(shù)據(jù)處理能力前置。因此,邊緣計算在公安行業(yè)主要有兩個場景:

(1)重點區(qū)域的無線接入。從運營商的角度來看,邊緣計算是將運營商部分基礎設施下沉到業(yè)務發(fā)生的地點,以減少時延,提高用戶體驗。這種方式可以減少數(shù)據(jù)傳輸距離,節(jié)省已有網絡的帶寬資源。公安機關對于數(shù)據(jù)安全要求較高,運營商基礎設施下沉可以避免大量公安數(shù)據(jù)穿越運營商公網,有效降低數(shù)據(jù)泄露的風險。同時,在邊緣計算的架構中,當出現(xiàn)網絡問題導致園區(qū)與主站失聯(lián)、或者主站發(fā)生故障時,區(qū)域的業(yè)務仍然可以正常運轉,這可以確保移動警務應用的服務連續(xù)性。

4G網絡時,運營商核心網網元主要部署在省會城市和副省級城市,而公安行業(yè)的視頻監(jiān)控業(yè)務大部分是在市級、縣級建設和接入,例如雪亮工程的視頻采集攝像頭已經遍布城市的大街小巷。如果我們借助運營商4G網絡來傳輸視頻,那么對于一個沒有運營商核心網網元的城市來說,即使攝像頭和視頻平臺本地部署,視頻流也需要繞行到省一級運營商核心網網元,然后再通過運營商骨干網傳送到地市的視頻平臺上,造成不必要的帶寬資源浪費,同時增加了網絡傳輸時延。5G網絡時代,核心網用戶面網元下沉到地市,市級的視頻流量只需要穿越本市的運營商網絡。未來運營商用戶面網元還有可能進一步下沉,部署到用戶網絡的邊緣。例如,公安的一個重點監(jiān)控區(qū)域,運營商可以將基站、UPF等網元部署在這個區(qū)域內,區(qū)域里的所有移動警務終端、巡邏機器人、5G攝像頭、以及其他物聯(lián)網終端等都可以通過這個專網基站接入,公安用戶可通過UPF網元對用戶進行接入控制。如圖1所示。

圖1 4G專線的視頻回傳vs 5G專線的視頻回傳Fig.1 Video return of 4G special line vs 5G special line

(2)智能網關接入。從公安行業(yè)用戶的角度來說,邊緣計算意味著數(shù)據(jù)處理能力前置。智能網關接入就是數(shù)據(jù)處理能力前置的集中體現(xiàn):北向通過運營商專線接入公安移動警務業(yè)務平臺,南向接入各種物聯(lián)網終端,如智能測溫儀、人員核查以及車輛核查攝像頭、危險品檢測儀等。這些終端的聯(lián)網能力和計算能力較低,通過有線(USB、網線)或無線(藍牙、警用無線局域網等)的方式連接到智能網關上,再通過智能網關的5G專線鏈路連接到公安移動警務業(yè)務平臺中。同時,智能網關需要對南向接入的橋接終端完成符合公安要求的安全管控和接入控制。

5G的eMBB場景針對的是高速上網業(yè)務,目前已經商用。據(jù)推算,5G網絡的下載速率可達1Gbps,未來隨著技術的成熟,有望達到10Gbps、甚至20Gbps。一路高清視頻所需帶寬不過2Mbps,5G的網絡帶寬完全可以承載一個小型局域網的業(yè)務量。在5G uMTC業(yè)務還未商用之前,這些數(shù)據(jù)都可以通過一個智能網關匯總,然后再通過5G eMBB上網鏈路傳送到業(yè)務平臺上。如圖2所示。

圖2 智能網關接入Fig.2 Intelligent gateway access

2 基于微服務框架的5G移動警務創(chuàng)新應用示例

eMBB即增強移動寬帶,是5G三大應用場景之一,可提供高速下載的能力,幫助用戶更快地實現(xiàn)高清視頻等大數(shù)據(jù)量的傳輸與交互。同時,公安行業(yè)快速迭代的應用需求要求我們建立短、平、快的開發(fā)模式,基于微服務框架的5G移動警務創(chuàng)新應用應運而生。

微服務框架是將復雜的應用拆分成多個功能單一、獨立自治、數(shù)據(jù)獨立的演進式組件,組件與組件之間通過松耦合的形式交互。相比傳統(tǒng)應用系統(tǒng),微服務框架下實現(xiàn)的創(chuàng)新應用具有邏輯解耦、部署簡單、靈活組合、代碼復用等優(yōu)點。

移動警務5G創(chuàng)新應用采用服務化、組件化的微服務架構設計,將應用按照功能拆分為服務化的功能組件,并將這些服務接口注冊到微服務框架中,供其他應用調用;同時應用本身也可以調用微服務框架中注冊的其他服務,如認證、授權、日志上報等。微服務框架可以實現(xiàn)快速開發(fā)、快速部署,每個應用即是服務的使用者也是服務的貢獻者,形成良性循環(huán)、不斷生長的移動警務資源池[4]。微服務框架示意圖如圖3所示。

圖3 微服務框架示意圖Fig.3 Schematic diagram of microservice framework

表1 移動警務5G創(chuàng)新應用示例功能插件Tab.1 Mobile police 5G innovative application example function plug-in

按照微服務理念,移動警務5G創(chuàng)新應用可拆分為以下功能插件,見表1。

目前,基于5G智能切片技術的uMTC和uRLLC業(yè)務仍未商用,運營商提供的移動服務仍然只是針對eMBB的高速上網服務。以高清視頻直播為主要場景的移動警務5G創(chuàng)新應用最大限度地利用了運營商5G網絡的技術紅利,在現(xiàn)有條件下實現(xiàn)5G技術與公安業(yè)務場景的深度融合。

3 結語

隨著5G時代的到來,更高的通信質量和通信能力催生人們對移動網絡更高的需求。5G系統(tǒng)超高帶寬、超低時延和超大連接的特性,可以很好地賦能公安行業(yè)應用。但由于目前很多關鍵技術還處于產品落地階段,5G技術優(yōu)勢在實際使用過程中并沒有完全體現(xiàn)出來。所以5G創(chuàng)新應用的推動不能急于求成,要結合各地運營商5G建設的實際情況穩(wěn)步推進。另外,公安部門可以考慮采用與運營商共建共享的行業(yè)專網,滿足行業(yè)用戶對安全隔離、質量保障和服務范圍的定制要求?；诠惨痪€實戰(zhàn)需求,通過探索公安移動業(yè)務智能化場景和創(chuàng)新應用模式,促進5G技術與移動警務新業(yè)態(tài)發(fā)展的深度融合。

引用

[1] 胡世良.我國5G專網發(fā)展的現(xiàn)狀分析[J].通信世界,2021(13):20-22.

[2] 房靜偉.5G的關鍵技術及應用研究[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2021(07):185-186.

[3] 賀思一,何毅剛,許志斌.5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術綜述[J].集成電路應用,2021,38(6):92-93.

[4] 呂進.試論5G通信技術應用場景和關鍵技術[J].科技風,2021(13):111-112.