基于5G的视频图像应用支撑能力评测系统研究

刘羽 王寅 匡璐 白永刚 马远萍 四川省成都市公安局

引言

随着通信技术的飞速发展，我们进入了5G时代，5G通信网络是4G移动通信的延伸，具备了超宽带、时效快、海量连接等优点[1]。在警务领域，通过融合5G信息技术与警务技术，研究5G技术在指挥作战等方面的应用，对于推动移动警务的发展具有重要意义。基于5G构建更加安全稳定的社会治安环境，为人民群众提供快速便捷的警务服务是移动警务工作的要点[2]。由于移动警务工作范围广，服务和执法的工作量大，且具备时间紧、任务重、不稳定因素易突发等特点，如何合理利用警务资源、保障执法工作顺利展开是现阶段需要关注的重点，稳定的数据传输更是保障警务工作顺利开展的重中之重。因此，本文提出基于安卓操作系统和5G通信的现场视频图像应用支撑能力评测系统，以辅助民警顺利开展工作，达到对现场视频图像传输路数、信号覆盖范围、信号质量及稳定性等情况心中有数，进一步为现场指挥车等移动警务装备的保障点位选取提供支持，其应用场景如图1所示。

一、5G通信概述

第五代移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术，其主要性能目标如下：

（1）高传输速率；

（2）低延迟；

（3）节省能源及降低成本；

（4）提高系统容量；

（5）支持大规模设备连接。

5G是一种全新的无线通信技术，相比于4G开启移动互联网，5G除了提供更极致的使用感受和容量外，进一步开启了物联网时代，深刻改变着社会的发展和治理形式[3]。5G共有八大关键能力指标，分别是峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能源效率、单位面积数据容量，如图2所示。

5G赋能未来的三个关键需求是时延、吞吐量及连接数，相比4G通信技术，5G的优势也主要体现在这三方面，具体的可参考表1。

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5G警务应用前期以eMBB（enhanced Mobile Broad Band）场景为起点，并逐步向mMTC（massive Machine Type Communication）场景和URLLC（ultraReliable and Low Latency Communication）场景扩展。在该场景下，移动警务应用能否发挥作用主要取决于客户端、服务器端、云服务端之间能否及时准确地完成信息交互。目前公安警务应用面临的难题主要在于客户端的上传侧，系统强依赖于客户端的数据回传能力，而基于4G的无线通信技术无法保障高清音视频的完整即时可靠回传。5G技术的融入，带来了高带宽、低时延、高可靠性等优势，能提供高帧率、高质量视频与音频的实时、流畅、稳定传输，扩宽了移动警务工作新边界。

二、评测系统总体架构

将5G通信网络作为无线接入技术，依靠其高带宽、低时延、高可靠性等特点可为信通民警日常执法、巡逻、接警出警等业务场景提供保障。在这一背景下，研究一个支撑能力测评系统，对现场是否能支撑基于5G的视频图像无线传输进行反馈，该系统可根据现场情况推荐出选定区域的最佳视频图像无线传输位置，用以辅助信通民警作为现场参考，有助于警务的顺利开展。该系统遵循J2EE（Java 2 Enterprise Edition）标准规范，并支持面向多终端应用的微服务体系架构和基于JSON的信息交换技术，具备可靠性、可操作性、应用性、安全性、完整性和并发性，其总体架构如图3所示。

如图3所示，基于5G的视频图像应用支撑能力评测系统包括数据采集层、分析计算层、数据存储层和展示层四大组成模块。其中数据采集层用于采集数据传输的相关指标，如传输速率、传输宽带、传输时延、误码率等，为后续分析计算视频图像路数做准备工作。分析计算层承担整个系统的核心工作，即结合工作需求数据与采集的即时数据传输各项指标，计算目前该点位能支撑的视频图像路数上限。数据存储层用于存储历史数据，包括现场点位位置、信号覆盖情况、信号质量等历史数据传输各项指标数据，以及对应于该指标数据的传输能力指示；此外，数据存储层还提供指标数据匹配功能，当分析计算层获取新的计算任务时，首先与数据存储层的历史数据进行匹配，若存在相似数据则直接沿用上次的计算结果，避免多余计算、节约资源的同时提高了任务的执行效率。展示层则用于对数据存储层中的历史数据进行可视化展示，以达到对各个点位传输能力的趋势变化分析，并结合GIS地理信息技术为信通民警提供直观的2D地图和热力图展示，辅助信通民警现场参考使用。

具体来讲，系统工作流程首先从运营商处获取相应的基站、上下行带宽等数据；其次，结合现场点位的5G信号分布情况及民警获取的相关地理位置经纬度进行分析计算，得出当前现场点位能满足稳定传输要求的视频图像路数；最后，对现场点位位置、信号覆盖情况、信号质量及稳定性、传输能力等内容进行记录、统计、查询和展示。其中，总体架构采用“浏览器/移动APP+WEB服务器+应用服务器+数据库服务器”的B/S多层应用体系架构，且为保持服务端与终端之间低功耗的可靠通讯连接并最大程度上保持数据传输的稳定性，服务端采用微服务技术和MQ中间件技术。

三、现场视频图像传输稳定性评测

评测系统主要用于反馈现场是否能支撑基于5G的现场视频图像无线传输，对现场各点位的传输能力进行评测可分为两大步骤：（1）从相应的基站获取5G信号参数；（2）结合现场民警获取的相关地理位置进行分析计算，以获取最佳视频图像无线传输点位。

（一）信号参数的获取

评测系统需要获取的参数为5G信号参数，主要包括IMSI、IP、PCI、SINR、RSRP、CQI等[5]，这些参数均可通过SingnalStrength类获取，并通过toString()方法进行解析。在开发过程中采用反射的方式来获取，具体代码如下：

在获取到相应的参数后，需要将参数上传至系统服务端，该数据传输的步骤则通过Socket套接字来完成。Socket是一种通信接口，主要分为基于TCP协议和UDP协议的Socket，在该系统中采用基于Java的Socket模型。终端APP可通过“套接字”向网络发送请求或者响应请求，其中客户端Socket用于向网络发送请求，服务器端Socket用于接收请求。终端APP可通过Socket选择TCP、UDP这两种传输层协议中的一种将数据传输至服务端。此外，发送数据和接收数据需要使用同一种协议。在评测系统中使用UDP协议，这是由于UDP协议相对于TCP协议具有传输速度快的特点，具体表现在UDP协议没有TCP协议中的握手、确认等一系列耗时的步骤。UDP协议的这一优点恰好与警务工作具备时间紧、任务重、要求高效率、低耗时的特点相契合。

（二）参数的分析计算

获取到相应5G信号参数后，在服务端进行5G信号的分析与计算。由于移动警务工作主要基于无线5G网络，故对无线网络性能指标进行分析。无线网络性能指标主要包括时延、可用性、吞吐量、丢包率、最大传输速率等，其中时延指示一帧从源点到目的点的总传输时间，考虑到时间同步的问题，一般采用双程时延进行测试；可用性用于判断远端的服务器是否连通、确定网络是否能正常工作，是最基本的性能指标；吞吐量指设备在无丢包情况下单位时间内可传输的最大数据量；丢包率指发送方发出但未到达接收方的帧的数目，一般表示为帧丢失率；而最大传输速率则通常使用以下公式进行计算：

其中，W代表信道带宽，S代表信道内所传信号的平均功率，N表示信道内部的高斯噪声功率，三个参数均通过预留的与电信、移动、联通三大运营商的对接接口获取。从公式（1）中可看出，信道最大传输速率与带宽成正比。由于所研究的支撑能力评测软件主要是对现场视频图像能否顺利上传进行评估，本文用上行带宽替代公式（1）中的信道带宽，由此来对每个现场点位的传输性能进行评估。

各现场点位应达到的基本标准如下：

（1）单位时间吞吐量：上行和下行的每秒吞吐量都应大于0.4Mbit；

（2）时延：上下行同频段单向时延应不大于100ms；

（3）丢包率：ICMP1000字节响应丢包率不大于10%。

对于满足基本标准的现场点位，根据公式（1）计算其最大传输速率，并将排名前三的现场点位作为待选点位；最后结合吞吐量、时延以及丢包率对待选点位进行关于传输速率和传输稳定性的综合评测。同时，在这一步骤中根据不同的警务要求对吞吐量、时延、丢包率、最大传输速率这四个指标赋予不同的权重，例如在要求时效性的任务中为时延赋予更高的权重，在上传的图像或视频的体积较大时为最大传输速率赋予更高的权重。

在选取出最佳视频图像无线传输点位后，结合GIS地理信息技术，通过2D地图或热力图的形式对选定区域进行可视化展示，并将该最佳点位推荐到终端以辅助信通民警作为现场参考。同时，该选点位置、传输能力以及各项指标会被存储在数据库服务器中，在全市范围内进行共享使用，便于再次在相同区域进行点位选取。

四、面向多终端应用的微服务体系架构

由于评测系统最终希望能在多种终端平台访问使用，如PCWeb、移动H5、APP、小程序等平台，因此采用微服务架构实现各终端与服务端之间的低功耗通讯连接。本节内容将对现有的四类经典微服务架构进行分析，包括其工作模式与特征，并与警务系统的工作场景与特性相结合，寻找适用于警务应用的具体微服务架构。

微服务架构MSA（microservice architectures）是一种将单个应用程序开发成一套小型服务的方法，即将各种功能以服务的形式提供给最终用户或者其他服务[6]。微服务架构的诞生为分布式应用程序的设计和实现提供了指南。目前，各大型企业都已采用了微服务架构。微服务是目前软件体系结构的一个新趋势，该技术强调高可维护性和高可扩展性软件的设计和开发。MSA通过在功能上将大型系统分解为一组独立的服务来管理日益增加的复杂性，并使服务在开发和部署中完全独立，强调松散耦合和高内聚性，在可维护性和可扩展性等方面提供了诸多好处。该架构与传统的单体式架构相比具有更大的优势，如超高的容错率、强大的扩展性等。微服务架构系统与传统的单体式架构相比具有以下几个特征[7]：

（1） 灵活性：系统能够适应不断变化的业务环境，并支持所有必要的修改以保持系统的竞争力；

（2） 模块化：系统由多个独立的部分组成，而不是由一个组成部分提供系统所有功能；

（3） 演变：系统保持可维护性，能够发展和增加新的功能。

微服务架构的可维护性和可扩展性为警务系统的设计和开发提供了新的思路。由于警务系统通常需要根据实际情况进行修改以更好地契合民警的工作，如增加功能模块等，且警务工作要求现场事件的高效处置、现场信息的及时掌握、高效率的信息传达及沟通，系统的可扩展性与超高的容错率就显得十分重要。微服务架构通过容器技术将系统各个功能模块封装为服务进程，并使用API端口进行轻量级通信使各进程间相互独立。各进程间相互隔离的这一特性极大地提高了系统的容错率，使得即使存在某个模块的进程无法正常进行，其他的模块也能正常工作，不会影响到整个系统的使用。在系统发生故障时只需维护存在问题的特定进程，不仅缩短了维护周期，也降低了对警务工作的影响。

现有的微服务架构共有四种经典模式，分别是常用聚合器微服务设计模式、代理微服务设计模式、链式微服务设计模式和数据共享微服务设计模式[8]。常用的设计模式使用聚合器调用多个进程来完成系统功能，聚合器可以是一个简易的Web网页，也可以是一个组合微服务。代理微服务设计模式是聚合器模式的变种，它使用代理代替聚合器，用以完成委派请求和数据转换的工作。但同时，客户端也不会聚合所有数据，而只是针对不同的服务要求来调用不同的微服务。在链式微服务设计模式中，当系统在收到申请后将会得到一次合并的响应，客户端将会不断阻塞直至整个响应链式的调用完成。如图4(c)中所示，服务器A在收到申请后与服务器B联系，随后由服务器B与服务器C完成沟通。在该设计模式中，通过使调用链尽可能短的方式来加快服务端的响应速度，从而降低了客户端的等待时间。

此外，针对从单体应用过渡到微服务架构的阶段，提出了数据共享微服务设计模式。在该设计模式中，当两个服务间存在强耦合关系时，它们可能会共享缓存和数据库存储。四类经典的微服务设计模式如图4所示。

联系本文所提系统的总体架构为BWAD多层应用体系架构，故采用链式微服务设计模式进行系统的整体架构。具体地，系统采用“浏览器/移动APP+WEB服务器+应用服务器+数据库服务器”的多层应用体系架构，由浏览器或者移动APP作为客户端，依次调用WEB服务器、应用服务器和数据库服务器。系统中使用的WEB服务器，使得客户端可以直接使用网页对服务端进行浏览；此外，可以将“业务逻辑”部分从WEB服务器中分出，在应用服务器中开发应用程序，并进一步利用应用服务器作为访问数据库服务器请求的“缓冲区”，以实现对客户端请求进行重新安排和管理的目的，同时通过多线程处理访问请求的方式来提高系统响应数据库请求的有效性和速率。具体调用流程如图5所示。

五、结语

随着5G时代的到来，以微服务架构为基础，基于5G的移动警务系统越来越多，并且5G协议可以按照警务业务的需求来增强其应用的灵活性，实现高清视频和高分辨率图像的采集和上传。在这一背景下，如何保证移动前端和警务后台的实时交互，确保移动警务应用的网络稳定性十分重要。本文提出一套基于5G的现场视频图像应用支撑能力评测系统，通过终端APP反馈现场点位是否能支持基于5G的视频图像无线传输，以达到辅助信通民警顺利开展警务工作的目的。同时，让现场工作的警务人员以及执法部门对现场视频传输路数、信号覆盖范围、信号质量及稳定性等情况有充分的了解，为现场指挥车、执法记录仪等的保障点位选取提供支持。