5G技术下的公安行业应用探索

公安部第一研究所 张春慧 周昕

在5G所有关键技术中,有两种技术与公安行业密切相关,即:智能切片和边缘计算。本文将分析讨论智能切片和边缘计算在公安领域中的应用。另外,5G eMBB增强移动宽带服务目前已经商用。本文最后一部分将介绍基于运营商5G eMBB增强移动宽带服务的移动警务创新应用。该应用以高清视频直播为主要使用场景,覆盖视频会议、培训教育、办案现场视频回传等公安实战场景。

0 引言

随着移动通信技术的迅猛发展,万众瞩目的5G移动通信系统已经进入商用阶段。与4G网络相比,5G网络具有更高的用户体验速率、更低的时延和更大的终端连接密度。5G的网络架构天然具备了软件化、云化、服务化等特征,通过与大数据、人工智能、云计算、物联网等技术的深度融合,为各行业的数字化转型赋能,开启泛在智能的产业互联网时代。5G包含多种关键技术,其中智能切片和边缘计算两种关键技术与公安领域关系最为密切。智能切片技术主要应用于移动警务终端接入,边缘计算技术可应用于视频图像信息系统的数据处理和回传。本文将深入探讨这两种关键技术在公安行业的应用场景。

目前,5G针对垂直行业的智能切片技术仍未商用,国内运营商提供的5G业务仍然只是针对eMBB场景的高速上网服务,本文将介绍一个基于微服务架构的5G移动警务创新应用示例。该应用示例可利用运营商目前提供的5G eMBB上网服务,以高清视频直播为主要场景,覆盖视频会议、培训教育、办案现场视频回传等公安实战场景。

1 两种与公安领域密切相关的5G关键技术

5G不是简单地以某个单点技术或者某些业务能力来定义的,而是一系列无线技术的深度融合,包括D2D终端直通、M2M机器通信、虚拟化网络切片、MEC移动边缘计算、网络融合等。其中,与公安行业关系比较密切的技术主要有智能切片和边缘计算。

1.1 5G智能切片

近年来,警务应用也在不断向移动化、智能化的方向发展。目前承载移动警务业务的无线专用传输链路是基于运营商2G/3G/4G技术的APN/VPDN专线,这种专线与互联网数据链路层隔离,安全性有一定的保障,可以满足公安领域对于无线传输链路安全性和可靠性的要求。但VPDN专线最大的问题是公网重载的情况下,无法确保专线的服务质量。例如大型户外安保活动时,现场人数过多导致公网重载,那么警务人员使用的专线也可能会出现信号差、连不上网的情况。由于VPDN专线的这个问题,一定程度上限制了移动警务应用的推广和使用。

解决这一问题有两个途径。一个途径是基于公安可用的频率资源建设专网,例如承载集群通信业务的警用数字集群专网、340M点对点图传网等。但专网一般规模较小,难以实现大范围广域覆盖。同时公安领域也没有大规模移动承载网网络建设和运营的经验,很难保证专网的可靠性和安全性一定能超过公网。部分公安机关在工信部原来分配给政府和行业使用的专网频段(1.4G、1.8G)进行宽带专网建设,但由于宽带技术体制限制,无法采用大区覆盖,庞大的基础设施使专网的建网成本和运营成本过高,因此至今也无法大规模开展,只在某些地市作为试点应用[1]。

另外一个途径是改善运营商专线的服务质量,而5G的智能切片技术恰好能做到这一点。有线网络很容易实现物理层或数据链路层切片,最早的无线回传网络采用的就是硬管道,后来为了提高效率、降低建网成本,大多数运营商用IP RAN方案替代了早期的SDH和PTN RAN网络,多种业务都混合跑在一张回传网上,不同业务通过VPN和QoS实现隔离和优先级调度。QoS指的是路由器等网络设备针对不同协议报文进行的优先级调度,例如,对于语音报文以高优先级调度,上网报文则用Best-effort进行优先级调度。但基站空口侧无法通过优先级调度来控制针对某种用户的信号强弱,因此才会出现公网重载时无法保证专线服务质量的情况。5G NR支持多用户无线接入,发送端采用非正交多址接入(NOMA)技术同时将多个用户流量合并发送,接收端通过串行干扰消除(SIC)技术将每个用户的流量识别出来,并可以通过算法为不同的用户分配不同的信号功率。通过这种方式可以在无线空口侧实现不同用户的差分服务[2]。

1.2 5G边缘计算

边缘计算是一种网络架构模型,将计算资源等基础设施放到离终端用户最近的地方,或者放到数据产生的地方(例如视频采集)。边缘计算是一种去中心化的网络结构,很多人可能会认为边缘计算与近年来兴起的大数据、云计算、人工智能等概念相悖,但实际上边缘计算的目的并不是为了替换云平台或大数据平台。边缘计算只是为了将那些对时延等网络传输指标有较高要求的应用后台放到离终端更近的位置。我们可以将边缘计算看作是一种混合云,在这种架构下,用户设备和远端服务器之间不需要频繁发送大带宽数据,减少了带宽资源浪费,同时也提高了效率,提升了用户体验[3]。

在公安领域,边缘计算的驱动因素包括:(1)警务应用低时延、高可靠的需求;(2)物联网终端移动化发展(如5G摄像头、航拍无人机)以及物联网规模的迅速扩张;(3)网络传输链路带宽资源有限;(4)数据传输和存储的成本增加;(5)警务应用数据安全的需求。

运营商和公安行业对于边缘计算的定义不同。对于运营商来说,边缘计算意味着基础设施下沉。对于行业来说,边缘计算意味着数据处理能力前置。因此,边缘计算在公安行业主要有两个场景:

(1)重点区域的无线接入。从运营商的角度来看,边缘计算是将运营商部分基础设施下沉到业务发生的地点,以减少时延,提高用户体验。这种方式可以减少数据传输距离,节省已有网络的带宽资源。公安机关对于数据安全要求较高,运营商基础设施下沉可以避免大量公安数据穿越运营商公网,有效降低数据泄露的风险。同时,在边缘计算的架构中,当出现网络问题导致园区与主站失联、或者主站发生故障时,区域的业务仍然可以正常运转,这可以确保移动警务应用的服务连续性。

4G网络时,运营商核心网网元主要部署在省会城市和副省级城市,而公安行业的视频监控业务大部分是在市级、县级建设和接入,例如雪亮工程的视频采集摄像头已经遍布城市的大街小巷。如果我们借助运营商4G网络来传输视频,那么对于一个没有运营商核心网网元的城市来说,即使摄像头和视频平台本地部署,视频流也需要绕行到省一级运营商核心网网元,然后再通过运营商骨干网传送到地市的视频平台上,造成不必要的带宽资源浪费,同时增加了网络传输时延。5G网络时代,核心网用户面网元下沉到地市,市级的视频流量只需要穿越本市的运营商网络。未来运营商用户面网元还有可能进一步下沉,部署到用户网络的边缘。例如,公安的一个重点监控区域,运营商可以将基站、UPF等网元部署在这个区域内,区域里的所有移动警务终端、巡逻机器人、5G摄像头、以及其他物联网终端等都可以通过这个专网基站接入,公安用户可通过UPF网元对用户进行接入控制。如图1所示。

图1 4G专线的视频回传vs 5G专线的视频回传Fig.1 Video return of 4G special line vs 5G special line

(2)智能网关接入。从公安行业用户的角度来说,边缘计算意味着数据处理能力前置。智能网关接入就是数据处理能力前置的集中体现:北向通过运营商专线接入公安移动警务业务平台,南向接入各种物联网终端,如智能测温仪、人员核查以及车辆核查摄像头、危险品检测仪等。这些终端的联网能力和计算能力较低,通过有线(USB、网线)或无线(蓝牙、警用无线局域网等)的方式连接到智能网关上,再通过智能网关的5G专线链路连接到公安移动警务业务平台中。同时,智能网关需要对南向接入的桥接终端完成符合公安要求的安全管控和接入控制。

5G的eMBB场景针对的是高速上网业务,目前已经商用。据推算,5G网络的下载速率可达1Gbps,未来随着技术的成熟,有望达到10Gbps、甚至20Gbps。一路高清视频所需带宽不过2Mbps,5G的网络带宽完全可以承载一个小型局域网的业务量。在5G uMTC业务还未商用之前,这些数据都可以通过一个智能网关汇总,然后再通过5G eMBB上网链路传送到业务平台上。如图2所示。

图2 智能网关接入Fig.2 Intelligent gateway access

2 基于微服务框架的5G移动警务创新应用示例

eMBB即增强移动宽带,是5G三大应用场景之一,可提供高速下载的能力,帮助用户更快地实现高清视频等大数据量的传输与交互。同时,公安行业快速迭代的应用需求要求我们建立短、平、快的开发模式,基于微服务框架的5G移动警务创新应用应运而生。

微服务框架是将复杂的应用拆分成多个功能单一、独立自治、数据独立的演进式组件,组件与组件之间通过松耦合的形式交互。相比传统应用系统,微服务框架下实现的创新应用具有逻辑解耦、部署简单、灵活组合、代码复用等优点。

移动警务5G创新应用采用服务化、组件化的微服务架构设计,将应用按照功能拆分为服务化的功能组件,并将这些服务接口注册到微服务框架中,供其他应用调用;同时应用本身也可以调用微服务框架中注册的其他服务,如认证、授权、日志上报等。微服务框架可以实现快速开发、快速部署,每个应用即是服务的使用者也是服务的贡献者,形成良性循环、不断生长的移动警务资源池[4]。微服务框架示意图如图3所示。

图3 微服务框架示意图Fig.3 Schematic diagram of microservice framework

表1 移动警务5G创新应用示例功能插件Tab.1 Mobile police 5G innovative application example function plug-in

按照微服务理念,移动警务5G创新应用可拆分为以下功能插件,见表1。

目前,基于5G智能切片技术的uMTC和uRLLC业务仍未商用,运营商提供的移动服务仍然只是针对eMBB的高速上网服务。以高清视频直播为主要场景的移动警务5G创新应用最大限度地利用了运营商5G网络的技术红利,在现有条件下实现5G技术与公安业务场景的深度融合。

3 结语

随着5G时代的到来,更高的通信质量和通信能力催生人们对移动网络更高的需求。5G系统超高带宽、超低时延和超大连接的特性,可以很好地赋能公安行业应用。但由于目前很多关键技术还处于产品落地阶段,5G技术优势在实际使用过程中并没有完全体现出来。所以5G创新应用的推动不能急于求成,要结合各地运营商5G建设的实际情况稳步推进。另外,公安部门可以考虑采用与运营商共建共享的行业专网,满足行业用户对安全隔离、质量保障和服务范围的定制要求。基于公安一线实战需求,通过探索公安移动业务智能化场景和创新应用模式,促进5G技术与移动警务新业态发展的深度融合。

引用

[1] 胡世良.我国5G专网发展的现状分析[J].通信世界,2021(13):20-22.

[2] 房静伟.5G的关键技术及应用研究[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2021(07):185-186.

[3] 贺思一,何毅刚,许志斌.5G无线通信系统的关键技术综述[J].集成电路应用,2021,38(6):92-93.

[4] 吕进.试论5G通信技术应用场景和关键技术[J].科技风,2021(13):111-112.