基于5G 專網的平安城市智慧監控系統研究

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控系統規模的迅速擴大和數據應用頻率增加，傳統傳輸接入模式制約了治安聯防、處突維穩、案件偵查等視頻監控核心數據業務的應用。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控、統一資源共享、智能分析和標準開放融合功能的智能監控系統解決方案是打造平安城市的迫切需要。5G 專網端到端切片技術具備超大連接數、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控系統提供高效、可靠的定制化服務。

1 平安城市智慧監控系統現狀分析

智慧監控系統主要由數字終端系統、CPE（Customer Premise E）等5G 無線接入、光纖傳輸網絡和MEC（Multi-access Edge Computing）應用服務器組成。終端系統由各種智能數字攝像機組成，傳輸網絡由采用光纖或電纜連接的計算機網絡組成，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。

隨著視頻監控系統規模與復雜性的提高，智能攝像機數量急劇增加，傳統采用有線固網傳輸接入的方式，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高清視頻的網絡回傳。當前智能監控系統傳輸網絡大多采用傳統架構設計，系統資源無法實現跨系統、跨層級、跨區域調用，導致需要在多個系統中重復存儲，不利于互聯互通和數據共享。5G、物聯網、云計算及MEC 的成熟應用及5G 專網具有大帶寬、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控系統提供海量的5G 無線智能終端接入和端到端的網絡切片定制服務[1]。

2 5G 專網端到端切片應用設計

5G 專網端到端切片技術根據承載的數據業務特征和發展需要，對物理硬件、接口資源、網絡功能等端到端的5G 網絡資源進行邏輯劃分和數據封裝，滿足不同業務對網絡帶寬、時延、安全性、可靠性和接入終端數量等網絡性能的QoS（Quality of Service）需求。將一張物理的5G 網絡切分成多個虛擬且相互高度隔離的邏輯子網絡，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控系統提供高性價比的靈活解決方案。5G 網絡端到端切片包括無線網、承載網和核心網切片全程全網的組合。

無線網側利用5G NR（New Radio）空口資源動態分配機制突破現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。承載網側根據上層業務定制化需求通過對傳送網絡的網元、節點、拓撲鏈路等一系列信息基礎設施資源進行虛擬化和統一編排，對底層物理資源組織切片子網和邏輯隔離。結合MEC（多接入邊緣計算）使網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絡邊緣層，減輕承載鏈路和核心網的流量負荷。MEC 系統中，邊緣化的計算存儲能力會催生更多服務類型和垂直行業應用。因此，為保證端到端的可靠性，提高服務質量，網絡切片技術成為一種理想的解決方案[2]。5G 核心網通過軟硬件解耦、SDN/NFV（Software Defined Networking/Network Functions Virtualization）技術將網絡功能抽象為服務化架構（Service Based Architecture，SBA），各種業務類型之間通過S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）（網絡切片標識）來進行區分與標識，5G 現網配置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AMF、SMF、UPF、CPF（Access and Mobility Management Function/Session Management Function/User Plane Function/Controller Plane Function）等網絡功能通過交互調用服務化接口來實現，簡化服務間的交互流程，降低接口定義的耦合度。5G 網絡切片技術為平安城市智慧監控系統提供網絡功能按需定制。結合SDN 與NFV 兩種技術，根據用戶偏好特征感知，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、獨享的網絡、存儲和計算資源。

3 5G MEC 數據分流部署方案

根據文獻[4] 提出的方案，如圖1 所示，5G MEC 作為在移動網絡邊緣運行的云服務器，為智慧監控系統提供靈活的數據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匯聚層（如圖2 所示），用戶數據不必經過核心層UPFAnchor 迂回接入Internet，直接通過UPF-UL CL訪問本地網絡。集成MEC 應用的智能監控設備互聯、接入、加載、啟停、配置下發等應用，由標準的云化平臺提供虛擬資源，同時提供MEC 應用在邊緣業務所需的查詢、分析、統計等公共服務。MEC場景中，隨著終端設備的海量增長，系統的狀態信息變得越來越復雜，如僅使用單個智能體收集系統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控系統應用中，監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容進行分析、動態編解碼，將大量重要性等級不高的視頻監控內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據片段上傳至MEC 服務器，優化視頻流量和傳輸帶寬，提高5G 網絡資源利用率。

圖1 智慧監控系統MEC 部署方案Figure 1 MEC deployment scheme of intelligent monitoring system

圖2 智慧監控數據分流模型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點協同完成數據存儲與計算任務。一般而言，邊緣節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定[6]?；贛EC Server 解決方案，電信運營商可為當地治安管理部門部署專用MEC 服務器提供數據分流功能，在本地網進行分析和處理，本地服務器保存價值較低或臨時的城市監控視頻數據，價值較高或重要的視頻數據回傳到云數據中心核心服務器，減少承載網的壓力，節約運營成本。

4 結語

隨著5G 行業應用的不斷深入，5G-Advanced網絡技術及服務能力的持續演進，未來的2B2C（To Business To Consumer）雙域專網方案可為平安城市智慧監控系統提供更加智能的融合服務解決方案。執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網，對人員、車輛、治安案件等信息進行查詢、分析、調取與應用管理，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2B 和2C 業務互動促進，使能千行百業安全、高效和協調發展。