劉羽 王寅 匡璐 白永剛 馬遠(yuǎn)萍 四川省成都市公安局

引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，我們進(jìn)入了5G時(shí)代，5G通信網(wǎng)絡(luò)是4G移動通信的延伸，具備了超寬帶、時(shí)效快、海量連接等優(yōu)點(diǎn)[1]。在警務(wù)領(lǐng)域，通過融合5G信息技術(shù)與警務(wù)技術(shù)，研究5G技術(shù)在指揮作戰(zhàn)等方面的應(yīng)用，對于推動移動警務(wù)的發(fā)展具有重要意義?；?G構(gòu)建更加安全穩(wěn)定的社會治安環(huán)境，為人民群眾提供快速便捷的警務(wù)服務(wù)是移動警務(wù)工作的要點(diǎn)[2]。由于移動警務(wù)工作范圍廣，服務(wù)和執(zhí)法的工作量大，且具備時(shí)間緊、任務(wù)重、不穩(wěn)定因素易突發(fā)等特點(diǎn)，如何合理利用警務(wù)資源、保障執(zhí)法工作順利展開是現(xiàn)階段需要關(guān)注的重點(diǎn)，穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸更是保障警務(wù)工作順利開展的重中之重。因此，本文提出基于安卓操作系統(tǒng)和5G通信的現(xiàn)場視頻圖像應(yīng)用支撐能力評測系統(tǒng)，以輔助民警順利開展工作，達(dá)到對現(xiàn)場視頻圖像傳輸路數(shù)、信號覆蓋范圍、信號質(zhì)量及穩(wěn)定性等情況心中有數(shù)，進(jìn)一步為現(xiàn)場指揮車等移動警務(wù)裝備的保障點(diǎn)位選取提供支持，其應(yīng)用場景如圖1所示。

一、5G通信概述

第五代移動通信技術(shù)是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，其主要性能目標(biāo)如下：

（1）高傳輸速率；

（2）低延遲；

（3）節(jié)省能源及降低成本；

（4）提高系統(tǒng)容量；

（5）支持大規(guī)模設(shè)備連接。

5G是一種全新的無線通信技術(shù)，相比于4G開啟移動互聯(lián)網(wǎng)，5G除了提供更極致的使用感受和容量外，進(jìn)一步開啟了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，深刻改變著社會的發(fā)展和治理形式[3]。5G共有八大關(guān)鍵能力指標(biāo)，分別是峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、移動性、時(shí)延、連接密度、網(wǎng)絡(luò)能源效率、單位面積數(shù)據(jù)容量，如圖2所示。

5G賦能未來的三個(gè)關(guān)鍵需求是時(shí)延、吞吐量及連接數(shù)，相比4G通信技術(shù)，5G的優(yōu)勢也主要體現(xiàn)在這三方面，具體的可參考表1。

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5G警務(wù)應(yīng)用前期以eMBB（enhanced Mobile Broad Band）場景為起點(diǎn)，并逐步向mMTC（massive Machine Type Communication）場景和URLLC（ultraReliable and Low Latency Communication）場景擴(kuò)展。在該場景下，移動警務(wù)應(yīng)用能否發(fā)揮作用主要取決于客戶端、服務(wù)器端、云服務(wù)端之間能否及時(shí)準(zhǔn)確地完成信息交互。目前公安警務(wù)應(yīng)用面臨的難題主要在于客戶端的上傳側(cè)，系統(tǒng)強(qiáng)依賴于客戶端的數(shù)據(jù)回傳能力，而基于4G的無線通信技術(shù)無法保障高清音視頻的完整即時(shí)可靠回傳。5G技術(shù)的融入，帶來了高帶寬、低時(shí)延、高可靠性等優(yōu)勢，能提供高幀率、高質(zhì)量視頻與音頻的實(shí)時(shí)、流暢、穩(wěn)定傳輸，擴(kuò)寬了移動警務(wù)工作新邊界。

二、評測系統(tǒng)總體架構(gòu)

將5G通信網(wǎng)絡(luò)作為無線接入技術(shù)，依靠其高帶寬、低時(shí)延、高可靠性等特點(diǎn)可為信通民警日常執(zhí)法、巡邏、接警出警等業(yè)務(wù)場景提供保障。在這一背景下，研究一個(gè)支撐能力測評系統(tǒng)，對現(xiàn)場是否能支撐基于5G的視頻圖像無線傳輸進(jìn)行反饋，該系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場情況推薦出選定區(qū)域的最佳視頻圖像無線傳輸位置，用以輔助信通民警作為現(xiàn)場參考，有助于警務(wù)的順利開展。該系統(tǒng)遵循J2EE（Java 2 Enterprise Edition）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并支持面向多終端應(yīng)用的微服務(wù)體系架構(gòu)和基于JSON的信息交換技術(shù)，具備可靠性、可操作性、應(yīng)用性、安全性、完整性和并發(fā)性，其總體架構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，基于5G的視頻圖像應(yīng)用支撐能力評測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集層、分析計(jì)算層、數(shù)據(jù)存儲層和展示層四大組成模塊。其中數(shù)據(jù)采集層用于采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)指標(biāo)，如傳輸速率、傳輸寬帶、傳輸時(shí)延、誤碼率等，為后續(xù)分析計(jì)算視頻圖像路數(shù)做準(zhǔn)備工作。分析計(jì)算層承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的核心工作，即結(jié)合工作需求數(shù)據(jù)與采集的即時(shí)數(shù)據(jù)傳輸各項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算目前該點(diǎn)位能支撐的視頻圖像路數(shù)上限。數(shù)據(jù)存儲層用于存儲歷史數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場點(diǎn)位位置、信號覆蓋情況、信號質(zhì)量等歷史數(shù)據(jù)傳輸各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)于該指標(biāo)數(shù)據(jù)的傳輸能力指示；此外，數(shù)據(jù)存儲層還提供指標(biāo)數(shù)據(jù)匹配功能，當(dāng)分析計(jì)算層獲取新的計(jì)算任務(wù)時(shí)，首先與數(shù)據(jù)存儲層的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，若存在相似數(shù)據(jù)則直接沿用上次的計(jì)算結(jié)果，避免多余計(jì)算、節(jié)約資源的同時(shí)提高了任務(wù)的執(zhí)行效率。展示層則用于對數(shù)據(jù)存儲層中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，以達(dá)到對各個(gè)點(diǎn)位傳輸能力的趨勢變化分析，并結(jié)合GIS地理信息技術(shù)為信通民警提供直觀的2D地圖和熱力圖展示，輔助信通民警現(xiàn)場參考使用。

具體來講，系統(tǒng)工作流程首先從運(yùn)營商處獲取相應(yīng)的基站、上下行帶寬等數(shù)據(jù)；其次，結(jié)合現(xiàn)場點(diǎn)位的5G信號分布情況及民警獲取的相關(guān)地理位置經(jīng)緯度進(jìn)行分析計(jì)算，得出當(dāng)前現(xiàn)場點(diǎn)位能滿足穩(wěn)定傳輸要求的視頻圖像路數(shù)；最后，對現(xiàn)場點(diǎn)位位置、信號覆蓋情況、信號質(zhì)量及穩(wěn)定性、傳輸能力等內(nèi)容進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、查詢和展示。其中，總體架構(gòu)采用“瀏覽器/移動APP+WEB服務(wù)器+應(yīng)用服務(wù)器+數(shù)據(jù)庫服務(wù)器”的B/S多層應(yīng)用體系架構(gòu)，且為保持服務(wù)端與終端之間低功耗的可靠通訊連接并最大程度上保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，服務(wù)端采用微服務(wù)技術(shù)和MQ中間件技術(shù)。

三、現(xiàn)場視頻圖像傳輸穩(wěn)定性評測

評測系統(tǒng)主要用于反饋現(xiàn)場是否能支撐基于5G的現(xiàn)場視頻圖像無線傳輸，對現(xiàn)場各點(diǎn)位的傳輸能力進(jìn)行評測可分為兩大步驟：（1）從相應(yīng)的基站獲取5G信號參數(shù)；（2）結(jié)合現(xiàn)場民警獲取的相關(guān)地理位置進(jìn)行分析計(jì)算，以獲取最佳視頻圖像無線傳輸點(diǎn)位。

（一）信號參數(shù)的獲取

評測系統(tǒng)需要獲取的參數(shù)為5G信號參數(shù)，主要包括IMSI、IP、PCI、SINR、RSRP、CQI等[5]，這些參數(shù)均可通過SingnalStrength類獲取，并通過toString()方法進(jìn)行解析。在開發(fā)過程中采用反射的方式來獲取，具體代碼如下：

在獲取到相應(yīng)的參數(shù)后，需要將參數(shù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)端，該數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E則通過Socket套接字來完成。Socket是一種通信接口，主要分為基于TCP協(xié)議和UDP協(xié)議的Socket，在該系統(tǒng)中采用基于Java的Socket模型。終端APP可通過“套接字”向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求或者響應(yīng)請求，其中客戶端Socket用于向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求，服務(wù)器端Socket用于接收請求。終端APP可通過Socket選擇TCP、UDP這兩種傳輸層協(xié)議中的一種將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)端。此外，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)需要使用同一種協(xié)議。在評測系統(tǒng)中使用UDP協(xié)議，這是由于UDP協(xié)議相對于TCP協(xié)議具有傳輸速度快的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在UDP協(xié)議沒有TCP協(xié)議中的握手、確認(rèn)等一系列耗時(shí)的步驟。UDP協(xié)議的這一優(yōu)點(diǎn)恰好與警務(wù)工作具備時(shí)間緊、任務(wù)重、要求高效率、低耗時(shí)的特點(diǎn)相契合。

（二）參數(shù)的分析計(jì)算

獲取到相應(yīng)5G信號參數(shù)后，在服務(wù)端進(jìn)行5G信號的分析與計(jì)算。由于移動警務(wù)工作主要基于無線5G網(wǎng)絡(luò)，故對無線網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)進(jìn)行分析。無線網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)主要包括時(shí)延、可用性、吞吐量、丟包率、最大傳輸速率等，其中時(shí)延指示一幀從源點(diǎn)到目的點(diǎn)的總傳輸時(shí)間，考慮到時(shí)間同步的問題，一般采用雙程時(shí)延進(jìn)行測試；可用性用于判斷遠(yuǎn)端的服務(wù)器是否連通、確定網(wǎng)絡(luò)是否能正常工作，是最基本的性能指標(biāo)；吞吐量指設(shè)備在無丟包情況下單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量；丟包率指發(fā)送方發(fā)出但未到達(dá)接收方的幀的數(shù)目，一般表示為幀丟失率；而最大傳輸速率則通常使用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，W代表信道帶寬，S代表信道內(nèi)所傳信號的平均功率，N表示信道內(nèi)部的高斯噪聲功率，三個(gè)參數(shù)均通過預(yù)留的與電信、移動、聯(lián)通三大運(yùn)營商的對接接口獲取。從公式（1）中可看出，信道最大傳輸速率與帶寬成正比。由于所研究的支撐能力評測軟件主要是對現(xiàn)場視頻圖像能否順利上傳進(jìn)行評估，本文用上行帶寬替代公式（1）中的信道帶寬，由此來對每個(gè)現(xiàn)場點(diǎn)位的傳輸性能進(jìn)行評估。

各現(xiàn)場點(diǎn)位應(yīng)達(dá)到的基本標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）單位時(shí)間吞吐量：上行和下行的每秒吞吐量都應(yīng)大于0.4Mbit；

（2）時(shí)延：上下行同頻段單向時(shí)延應(yīng)不大于100ms；

（3）丟包率：ICMP1000字節(jié)響應(yīng)丟包率不大于10%。

對于滿足基本標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場點(diǎn)位，根據(jù)公式（1）計(jì)算其最大傳輸速率，并將排名前三的現(xiàn)場點(diǎn)位作為待選點(diǎn)位；最后結(jié)合吞吐量、時(shí)延以及丟包率對待選點(diǎn)位進(jìn)行關(guān)于傳輸速率和傳輸穩(wěn)定性的綜合評測。同時(shí)，在這一步驟中根據(jù)不同的警務(wù)要求對吞吐量、時(shí)延、丟包率、最大傳輸速率這四個(gè)指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，例如在要求時(shí)效性的任務(wù)中為時(shí)延賦予更高的權(quán)重，在上傳的圖像或視頻的體積較大時(shí)為最大傳輸速率賦予更高的權(quán)重。

在選取出最佳視頻圖像無線傳輸點(diǎn)位后，結(jié)合GIS地理信息技術(shù)，通過2D地圖或熱力圖的形式對選定區(qū)域進(jìn)行可視化展示，并將該最佳點(diǎn)位推薦到終端以輔助信通民警作為現(xiàn)場參考。同時(shí)，該選點(diǎn)位置、傳輸能力以及各項(xiàng)指標(biāo)會被存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，在全市范圍內(nèi)進(jìn)行共享使用，便于再次在相同區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)位選取。

四、面向多終端應(yīng)用的微服務(wù)體系架構(gòu)

由于評測系統(tǒng)最終希望能在多種終端平臺訪問使用，如PCWeb、移動H5、APP、小程序等平臺，因此采用微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)各終端與服務(wù)端之間的低功耗通訊連接。本節(jié)內(nèi)容將對現(xiàn)有的四類經(jīng)典微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行分析，包括其工作模式與特征，并與警務(wù)系統(tǒng)的工作場景與特性相結(jié)合，尋找適用于警務(wù)應(yīng)用的具體微服務(wù)架構(gòu)。

微服務(wù)架構(gòu)MSA（microservice architectures）是一種將單個(gè)應(yīng)用程序開發(fā)成一套小型服務(wù)的方法，即將各種功能以服務(wù)的形式提供給最終用戶或者其他服務(wù)[6]。微服務(wù)架構(gòu)的誕生為分布式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了指南。目前，各大型企業(yè)都已采用了微服務(wù)架構(gòu)。微服務(wù)是目前軟件體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)新趨勢，該技術(shù)強(qiáng)調(diào)高可維護(hù)性和高可擴(kuò)展性軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。MSA通過在功能上將大型系統(tǒng)分解為一組獨(dú)立的服務(wù)來管理日益增加的復(fù)雜性，并使服務(wù)在開發(fā)和部署中完全獨(dú)立，強(qiáng)調(diào)松散耦合和高內(nèi)聚性，在可維護(hù)性和可擴(kuò)展性等方面提供了諸多好處。該架構(gòu)與傳統(tǒng)的單體式架構(gòu)相比具有更大的優(yōu)勢，如超高的容錯(cuò)率、強(qiáng)大的擴(kuò)展性等。微服務(wù)架構(gòu)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單體式架構(gòu)相比具有以下幾個(gè)特征[7]：

（1） 靈活性：系統(tǒng)能夠適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)環(huán)境，并支持所有必要的修改以保持系統(tǒng)的競爭力；

（2） 模塊化：系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的部分組成，而不是由一個(gè)組成部分提供系統(tǒng)所有功能；

（3） 演變：系統(tǒng)保持可維護(hù)性，能夠發(fā)展和增加新的功能。

微服務(wù)架構(gòu)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性為警務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的思路。由于警務(wù)系統(tǒng)通常需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改以更好地契合民警的工作，如增加功能模塊等，且警務(wù)工作要求現(xiàn)場事件的高效處置、現(xiàn)場信息的及時(shí)掌握、高效率的信息傳達(dá)及溝通，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與超高的容錯(cuò)率就顯得十分重要。微服務(wù)架構(gòu)通過容器技術(shù)將系統(tǒng)各個(gè)功能模塊封裝為服務(wù)進(jìn)程，并使用API端口進(jìn)行輕量級通信使各進(jìn)程間相互獨(dú)立。各進(jìn)程間相互隔離的這一特性極大地提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)率，使得即使存在某個(gè)模塊的進(jìn)程無法正常進(jìn)行，其他的模塊也能正常工作，不會影響到整個(gè)系統(tǒng)的使用。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)只需維護(hù)存在問題的特定進(jìn)程，不僅縮短了維護(hù)周期，也降低了對警務(wù)工作的影響。

現(xiàn)有的微服務(wù)架構(gòu)共有四種經(jīng)典模式，分別是常用聚合器微服務(wù)設(shè)計(jì)模式、代理微服務(wù)設(shè)計(jì)模式、鏈?zhǔn)轿⒎?wù)設(shè)計(jì)模式和數(shù)據(jù)共享微服務(wù)設(shè)計(jì)模式[8]。常用的設(shè)計(jì)模式使用聚合器調(diào)用多個(gè)進(jìn)程來完成系統(tǒng)功能，聚合器可以是一個(gè)簡易的Web網(wǎng)頁，也可以是一個(gè)組合微服務(wù)。代理微服務(wù)設(shè)計(jì)模式是聚合器模式的變種，它使用代理代替聚合器，用以完成委派請求和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作。但同時(shí)，客戶端也不會聚合所有數(shù)據(jù)，而只是針對不同的服務(wù)要求來調(diào)用不同的微服務(wù)。在鏈?zhǔn)轿⒎?wù)設(shè)計(jì)模式中，當(dāng)系統(tǒng)在收到申請后將會得到一次合并的響應(yīng)，客戶端將會不斷阻塞直至整個(gè)響應(yīng)鏈?zhǔn)降恼{(diào)用完成。如圖4(c)中所示，服務(wù)器A在收到申請后與服務(wù)器B聯(lián)系，隨后由服務(wù)器B與服務(wù)器C完成溝通。在該設(shè)計(jì)模式中，通過使調(diào)用鏈盡可能短的方式來加快服務(wù)端的響應(yīng)速度，從而降低了客戶端的等待時(shí)間。

此外，針對從單體應(yīng)用過渡到微服務(wù)架構(gòu)的階段，提出了數(shù)據(jù)共享微服務(wù)設(shè)計(jì)模式。在該設(shè)計(jì)模式中，當(dāng)兩個(gè)服務(wù)間存在強(qiáng)耦合關(guān)系時(shí)，它們可能會共享緩存和數(shù)據(jù)庫存儲。四類經(jīng)典的微服務(wù)設(shè)計(jì)模式如圖4所示。

聯(lián)系本文所提系統(tǒng)的總體架構(gòu)為BWAD多層應(yīng)用體系架構(gòu)，故采用鏈?zhǔn)轿⒎?wù)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行系統(tǒng)的整體架構(gòu)。具體地，系統(tǒng)采用“瀏覽器/移動APP+WEB服務(wù)器+應(yīng)用服務(wù)器+數(shù)據(jù)庫服務(wù)器”的多層應(yīng)用體系架構(gòu)，由瀏覽器或者移動APP作為客戶端，依次調(diào)用WEB服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。系統(tǒng)中使用的WEB服務(wù)器，使得客戶端可以直接使用網(wǎng)頁對服務(wù)端進(jìn)行瀏覽；此外，可以將“業(yè)務(wù)邏輯”部分從WEB服務(wù)器中分出，在應(yīng)用服務(wù)器中開發(fā)應(yīng)用程序，并進(jìn)一步利用應(yīng)用服務(wù)器作為訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器請求的“緩沖區(qū)”，以實(shí)現(xiàn)對客戶端請求進(jìn)行重新安排和管理的目的，同時(shí)通過多線程處理訪問請求的方式來提高系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)庫請求的有效性和速率。具體調(diào)用流程如圖5所示。

五、結(jié)語

隨著5G時(shí)代的到來，以微服務(wù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，基于5G的移動警務(wù)系統(tǒng)越來越多，并且5G協(xié)議可以按照警務(wù)業(yè)務(wù)的需求來增強(qiáng)其應(yīng)用的靈活性，實(shí)現(xiàn)高清視頻和高分辨率圖像的采集和上傳。在這一背景下，如何保證移動前端和警務(wù)后臺的實(shí)時(shí)交互，確保移動警務(wù)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性十分重要。本文提出一套基于5G的現(xiàn)場視頻圖像應(yīng)用支撐能力評測系統(tǒng)，通過終端APP反饋現(xiàn)場點(diǎn)位是否能支持基于5G的視頻圖像無線傳輸，以達(dá)到輔助信通民警順利開展警務(wù)工作的目的。同時(shí)，讓現(xiàn)場工作的警務(wù)人員以及執(zhí)法部門對現(xiàn)場視頻傳輸路數(shù)、信號覆蓋范圍、信號質(zhì)量及穩(wěn)定性等情況有充分的了解，為現(xiàn)場指揮車、執(zhí)法記錄儀等的保障點(diǎn)位選取提供支持。