基于5G 專網(wǎng)的平安城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)研究

宋仕斌，王毅

（1.四川公眾項目咨詢管理有限公司，四川 成都 610058；2.四川大學錦江學院 電氣與電子信息工程學院，四川 眉山 620860）

隨著平安城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模的迅速擴大和數(shù)據(jù)應用頻率增加，傳統(tǒng)傳輸接入模式制約了治安聯(lián)防、處突維穩(wěn)、案件偵查等視頻監(jiān)控核心數(shù)據(jù)業(yè)務的應用。為進一步提升社會治安綜合治理體系和治理能力建設，形成具有高清視頻監(jiān)控、統(tǒng)一資源共享、智能分析和標準開放融合功能的智能監(jiān)控系統(tǒng)解決方案是打造平安城市的迫切需要。5G 專網(wǎng)端到端切片技術具備超大連接數(shù)、廣域覆蓋、超大帶寬和超高速率特性，從連接密度、吞吐率、時延和頻譜效率等方面可以為平安城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)提供高效、可靠的定制化服務。

1 平安城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

智慧監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)字終端系統(tǒng)、CPE（Customer Premise E）等5G 無線接入、光纖傳輸網(wǎng)絡和MEC（Multi-access Edge Computing）應用服務器組成。終端系統(tǒng)由各種智能數(shù)字攝像機組成，傳輸網(wǎng)絡由采用光纖或電纜連接的計算機網(wǎng)絡組成，應用服務由上層部署的稽查布控、治安防控、視頻偵察及融合指揮等各種應用服務器組成。

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模與復雜性的提高，智能攝像機數(shù)量急劇增加，傳統(tǒng)采用有線固網(wǎng)傳輸接入的方式，因為城市道路開挖和管線敷設難度大、成本高、效率低、周期長，已無法滿足人員密集和道路狹窄地段智能攝像頭安裝需要。同時，隨著圖像質量的不斷提高，需要更大傳輸帶寬實現(xiàn)高清視頻的網(wǎng)絡回傳。當前智能監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡大多采用傳統(tǒng)架構設計，系統(tǒng)資源無法實現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨層級、跨區(qū)域調(diào)用，導致需要在多個系統(tǒng)中重復存儲，不利于互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算及MEC 的成熟應用及5G 專網(wǎng)具有大帶寬、低時延、大連接、廣覆蓋的傳輸能力特點，可以為平安城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)提供海量的5G 無線智能終端接入和端到端的網(wǎng)絡切片定制服務[1]。

2 5G 專網(wǎng)端到端切片應用設計

5G 專網(wǎng)端到端切片技術根據(jù)承載的數(shù)據(jù)業(yè)務特征和發(fā)展需要，對物理硬件、接口資源、網(wǎng)絡功能等端到端的5G 網(wǎng)絡資源進行邏輯劃分和數(shù)據(jù)封裝，滿足不同業(yè)務對網(wǎng)絡帶寬、時延、安全性、可靠性和接入終端數(shù)量等網(wǎng)絡性能的QoS（Quality of Service）需求。將一張物理的5G 網(wǎng)絡切分成多個虛擬且相互高度隔離的邏輯子網(wǎng)絡，其高帶寬、低時延、廣連接和高可靠的安全性為平安城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)提供高性價比的靈活解決方案。5G 網(wǎng)絡端到端切片包括無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)切片全程全網(wǎng)的組合。

無線網(wǎng)側利用5G NR（New Radio）空口資源動態(tài)分配機制突破現(xiàn)有頻譜資源的固定分配格式，將5G NR 空口資源進行按需邏輯切分；通過切片網(wǎng)間5G NR 空口資源共享機制進一步提升Sub-6G 中低頻段重耕性能，充分利用有限的頻譜資源為治安管理部門提供定制化專享服務。承載網(wǎng)側根據(jù)上層業(yè)務定制化需求通過對傳送網(wǎng)絡的網(wǎng)元、節(jié)點、拓撲鏈路等一系列信息基礎設施資源進行虛擬化和統(tǒng)一編排，對底層物理資源組織切片子網(wǎng)和邏輯隔離。結合MEC（多接入邊緣計算）使網(wǎng)絡計算和應用處理等核心功能按需分散部署在治安管理部門相應的網(wǎng)絡邊緣層，減輕承載鏈路和核心網(wǎng)的流量負荷。MEC 系統(tǒng)中，邊緣化的計算存儲能力會催生更多服務類型和垂直行業(yè)應用。因此，為保證端到端的可靠性，提高服務質量，網(wǎng)絡切片技術成為一種理想的解決方案[2]。5G 核心網(wǎng)通過軟硬件解耦、SDN/NFV（Software Defined Networking/Network Functions Virtualization）技術將網(wǎng)絡功能抽象為服務化架構（Service Based Architecture，SBA），各種業(yè)務類型之間通過S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）（網(wǎng)絡切片標識）來進行區(qū)分與標識，5G 現(xiàn)網(wǎng)配置S-NSSAI 包含的表征切片類型的SST 字段取值如表1，各種服務都可以按需部署和獨立演進。

表1 5G 網(wǎng)絡切片標識SST 字段取值范圍Table 1 5G network slice identification SST field value range

5G 核心網(wǎng)AMF、SMF、UPF、CPF（Access and Mobility Management Function/Session Management Function/User Plane Function/Controller Plane Function）等網(wǎng)絡功能通過交互調(diào)用服務化接口來實現(xiàn)，簡化服務間的交互流程，降低接口定義的耦合度。5G 網(wǎng)絡切片技術為平安城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)提供網(wǎng)絡功能按需定制。結合SDN 與NFV 兩種技術，根據(jù)用戶偏好特征感知，通過靈活的資源編排管理保證為用戶提供的效用最大化[3]。通過虛擬化服務分配虛擬機的方式實現(xiàn)切片資源間的安全隔離，使為治安管理部門分配的虛機擁有專屬、獨享的網(wǎng)絡、存儲和計算資源。

3 5G MEC 數(shù)據(jù)分流部署方案

根據(jù)文獻[4] 提出的方案，如圖1 所示，5G MEC 作為在移動網(wǎng)絡邊緣運行的云服務器，為智慧監(jiān)控系統(tǒng)提供靈活的數(shù)據(jù)分流方案和綜合管理平臺，把UPF 和MEC 服務器一起下沉到接入?yún)R聚層（如圖2 所示），用戶數(shù)據(jù)不必經(jīng)過核心層UPFAnchor 迂回接入Internet，直接通過UPF-UL CL訪問本地網(wǎng)絡。集成MEC 應用的智能監(jiān)控設備互聯(lián)、接入、加載、啟停、配置下發(fā)等應用，由標準的云化平臺提供虛擬資源，同時提供MEC 應用在邊緣業(yè)務所需的查詢、分析、統(tǒng)計等公共服務。MEC場景中，隨著終端設備的海量增長，系統(tǒng)的狀態(tài)信息變得越來越復雜，如僅使用單個智能體收集系統(tǒng)的所有信息并集中訓練，將大大增加計算復雜度[5]。同時，在警務安保、車牌識別等平安城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用中，監(jiān)控視頻回傳流量通常比較大，但大部分視頻畫面又是靜止不動的。因此，可以利用MEC 的邊緣計算能力對視頻內(nèi)容進行分析、動態(tài)編解碼，將大量重要性等級不高的視頻監(jiān)控內(nèi)容暫存在本地并進行定期刪除，提取有變化和有價值的重要畫面以及數(shù)據(jù)片段上傳至MEC 服務器，優(yōu)化視頻流量和傳輸帶寬，提高5G 網(wǎng)絡資源利用率。

圖1 智慧監(jiān)控系統(tǒng)MEC 部署方案Figure 1 MEC deployment scheme of intelligent monitoring system

圖2 智慧監(jiān)控數(shù)據(jù)分流模型Figure 2 Intelligent monitoring data diversion model

邊緣計算由多個位于本地設備和云計算平臺之間的邊緣節(jié)點協(xié)同完成數(shù)據(jù)存儲與計算任務。一般而言，邊緣節(jié)點與用戶之間的鏈接更為可靠，與云計算平臺之間的交互和鏈接更為穩(wěn)定[6]?；贛EC Server 解決方案，電信運營商可為當?shù)刂伟补芾聿块T部署專用MEC 服務器提供數(shù)據(jù)分流功能，在本地網(wǎng)進行分析和處理，本地服務器保存價值較低或臨時的城市監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，價值較高或重要的視頻數(shù)據(jù)回傳到云數(shù)據(jù)中心核心服務器，減少承載網(wǎng)的壓力，節(jié)約運營成本。

4 結語

隨著5G 行業(yè)應用的不斷深入，5G-Advanced網(wǎng)絡技術及服務能力的持續(xù)演進，未來的2B2C（To Business To Consumer）雙域專網(wǎng)方案可為平安城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)提供更加智能的融合服務解決方案。執(zhí)法人員在滿足個人通信需求的同時，通過警務終端接入公安內(nèi)網(wǎng)，對人員、車輛、治安案件等信息進行查詢、分析、調(diào)取與應用管理，為辦案人員提供及時準確的信息支持和資源共享服務，實現(xiàn)2B 和2C 業(yè)務互動促進，使能千行百業(yè)安全、高效和協(xié)調(diào)發(fā)展。