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[摘 要]文章针对5G无线网络中传输公安沉浸式3D视频这类大数据量业务带来的大频谱资源占用量及高时延问题，构建MBS-SBS双层网络多播/单播传输架构，研究基于流量卸载的MBS协作多播/SBS单播联合传输方案，以及基于DIBR的视角差异化缓存-计算卸载策略，探讨双层网络架构下的3D视频传输的应用机制，进而提升用戶体验质量。
[关键词]5G网络;公安;3D视频;应用机制
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.26.118
5G通信技术向超高可靠性、超低时延、移动增强宽带的数据传输目标不断迈进，为沉浸式体验的发展提供了技术支持。以华为、高通及电信运营商为代表的公司，自2017年以来，相继提出对无线网络虚拟现实/增强现实（VR/AR）应用的设想，为沉浸式体验融入日常生活提供了指导方向。不难看出，沉浸式数据体验具有广阔的应用前景。例如应用到公安实战化教学中，可以通过VR技术建立“一对一”个性化实景教学模式、实现多警种联合模拟作战等。通过VR技术特点，可以根据公安实战环境设计出不同的案发场所，例如室内的刑事案件、道路上的交通事故、公共场所的群体性事件等。基于5G网络的VR/AR技术应用于公安实战化教学，可以克服传统实战化教学中场地、人员、设备和教学内容不断更新的限制。
1 公安沉浸式3D视频无线传输面临的问题
在公安实战化教学中，利用VR技术和AR技术，由沉浸式体验带来的视觉盛宴，离不开3D-Video的可靠传输。3D-Video数据的有线传输技术已有了长足的发展，但在推动快速普及的无线传输方面，其对网络资源要求较高。行业报告显示：具备沉浸式体验的下一代3D-Video宽带需求量高达600Mbps，而时延则要求不高于20ms。有限的无线网络资源承载目前业务量已十分庞大，未来沉浸式体验带来的巨大3D-Video业务量，更加重了有限网络资源的数据传输压力。
与此同时，基于深度图像的渲染技术（DIBR）在低清晰度全视角码流传输过程中，从缩小全视角必备视角量的角度，减少3D-Video的频谱资源占用，基于DIBR的3D-Video多播传输方案可缓解无线传输压力。但随着3D-Video业务需求的不断增长，低清晰度全视角码流需占用时频资源总量依然较大，这将成为未来无线通信不得不面临的一大挑战，因此，即便是基于DIBR的低清晰度全视角码流单播传输也仍需直面频谱资源受限带来的挑战。并且多用户请求相同3D-Video业务数据时，即便用户身处相同的视觉环境下，但由人眼视物机理可知，环境映入、聚焦视物的视觉特点导致各用户捕捉到的特定兴趣可视区域不同，且清晰度要求高。当多用户同时沉浸相同的视觉环境时，高质量可视区域个性化数据传输需求差异明显、变化迅速、偶发性强。尤其对于覆盖范围广的MBS而言，可接入用户数多，在承担3D-Video背景数据传输的前提下，不同高质量、高偶发、变化快的可视区域数据的同时请求将会给MBS带来巨大的传输负担。
2 解决沉浸式3D视频传输的双层网络传输方案
考虑到3D-Video视觉获取过程中，通常仅关注当前视野部分，当前视野之外的部分并没有真正用到。采用低清晰度全视角加高清晰度主视角的码流传输过程可以减少无线资源占用。以华为公司提出的低质量全视角加高质量可视区域传输方案为代表，Tile Wise方案根据用户的视觉特点，提取了3D-Video不同清晰度数据传输需要，低质量全视角加高质量可视区域，为进一步减小频谱资源占用、降低服务时延的研究指明了方向。
受3D-Video业务中高清晰度主视请求频发/偶发性，以及其高数据量、需求量的影响，链路负载量依然较大，给单层网络造成了巨大的传输压力，而由链路大负载量引发的拥塞问题也是具有低时延要求的3D-Video不能容忍的。因此在由宏小区/小小区组成的密集异构网络这一未来主流网络结构中，对3D-Video的数据传输进行研究，可大大降低运营成本、提高蜂窝网络吞吐量。
3D-Video的宏基站/小基站（MBS/SBS）双层网络架构可以充分利用SBS覆盖区域小、组网密集的特点，在MBS满足标清全视角数据大请求量传输的同时，结合SBS覆盖特点：覆盖范围小、覆盖用户数少、收发端较小的路径损耗带来的信号增益明显且SBS部署密度大，使用户频发/偶发的高清主视角数据请求接入SBS，便可灵活高效地分流链路负载，减小拥塞概率，满足3D-Video业务低时延、高数据量传输要求。
3 3D视频的MBS/SBS双层网络多播/单播传输架构
根据人眼聚焦视物、环境映入特点，针对3D-Video大数据带来的无线链路传输压力，利用MBS覆盖范围广、服务用户多，而 SBS覆盖区域小、服务用户少、部署密集的互补性，分析MBS、SBS覆盖范围内用户数据请求分布，提出一种双层网络架构下的3D-Video数据分发机制：在MBS满足标清全视角（SDFVs）数据大请求量传输的同时，使用户频发/偶发的高清主视角 （HDPV）数据请求接入SBS，设计多播/单播联合传输方案，实现SDFVs及HDPV的数据传输。
双层网络架构下的3D-Video数据分发过程中，通过MBS协作多播传输用户视野范围内的SDFVs背景数据，通过SBS单播传输用户可视区域的HDPV目标数据。首先，考虑到在MBS下的SDFVs被多用户请求概率大，兼顾到多播组用户的差异化信道条件，采用多播传输方式使得同一频谱资源同时满足多用户对3D-Video较低清晰度背景数据的请求。其次，由于用户同时存在不同的HDPV请求，且SBS下被单用户请求概率高，被多用户请求概率低，采用SBS单播传输方式，利用用户与SBS之间信道的小路径损耗特性，满足单用户对可视区域的高清目标数据请求。最后，在MBS-SBS双层网络架构下，以优化3D-Video数据传输时延为目标，实现无线异构频谱资源的合理调度，从而灵活高效地分流链路负载，减小拥塞概率，提高频谱利用率，达到3D-Video业务低时延、高速率传输要求。 4 MBS下SDFVs缓存-协作多播方案
针对在SDFVs多播传输过程中频谱资源占用量大的特点，提出基于DIBR的MBS SDFVs协作多播传输机制，考虑多播传输瓶颈问题，即传输速率受限于最差信道条件用户，对MBS传输时延的影响，进一步设计用户间的协作多播传输方案，利用用户之间路径损耗小的优势，实现SDFVs传输时延与MBS频谱效率的联合优化。
同时，针对SDFVs多播数据量在用户请求高峰时段内的激增问题，以MBS的缓存命中率（或边缘网络的流量卸载率）为优化目标，提出基于DIBR的SDFVs差异化缓存配置方案，减少MBS从云中获取多播业务数据的频次。在该方案中，分析多播请求累积时间窗口对缓存命中率的影响，并根据多播用户请求到达概率，分析请求各SDFVs的多播组规模。在此基础上，结合DIBR原理，MBS为SDFVs分配缓存空间，进行差异化缓存。在最优多播请求累积时间窗口的基础上，评估MBS的平均服务时延。
通过分析多播组内用户的信道条件，多播用户计算能力与各多播组规模，结合DIBR SDFVs在MBS中的缓存状态，对平均用户服务时延进行建模分析，构建用户平均服务时延最小化优化问题;进一步考虑多播组用户规模及组内用户计算能力对平均服务时延的影响，优化多播组构成，设计计算卸载与资源分配联合优化方案。
5 SBS下HDPV缓存-计算卸载及资源联合分配方案
针对在HDPV单播传输过程，由于请求视角异构造成数据量在用户请求高峰时段内的激增问题，基于HDPV的请求流行度、DIBR原理以及SBS分布，以最大化缓存命中率（或边缘网络的流量卸载率）为优化目标，提出基于DIBR的HDPV差异化协作缓存策略，使各SBS以概率缓存HDPV视频，并建立缓存分布函数。进而研究HDPV的缓存分布对网络性能的影响，设计SBS间协作分布式缓存方案，并在此基础上，评估SBS的平均服务时延模型，提升整个网络中的缓存效率。
根据移动边缘计算（MEC）中DIBR视角的缓存状态，兼顾用户信道质量差异和服务时延限制，以最小化SBS下HDPV平均传输时延为目标，提出基于DIBR的HDPV分发及资源分配联合优化方案，进行传输资源和计算资源的有效折中。分析小小区用户的信道差异、不同高清视角计算需求，同时考虑小小区内带宽及MEC资源约束，对HDPV服务时延的影响，通过MEC服务器中高清视角缓存状态、用户请求状态、用户信道条件等，联合优化计算卸载与资源，以最小化小小区用户的HDPV单播服务时延。
6 结论
对5G网络中面向公安沉浸式视频传输的应用机制进行了研究，分别在构建MBS/SBS双层网络架构下，根据用户请求特征分析结果，通过多播/缓存/MEC协同作用，从3D视频数据缓存，到数据传输，再到画面恢复中的计算资源分配，设计3D视频的数据收发过程，优化无线网络资源，尽可能满足3D视频无线传输时延要求;合理利用无线网络资源，减小网络拥塞概率，提升用户视觉体验。
参考文献：
[1]华为.面向Cloud VR的承载网络白皮书[R].2017.
[2]李永瑞.基于DIBR的多视点内容生成方法研究[D].北京：北京邮电大学，2019.
[3]赵敏丞， 李阳阳， 赵大伟，等. 5G SCMA无线网络中视频跨层传输[J].中国电子科学研究院学报， 2018，13（11）：121-126.
[4]钟礼凯，司庆亚.5G通信中传输技术研究[J].卫星电视与宽带多媒体， 2020，15（18）：97-104.
[基金项目]2020年度辽宁省社科基金项目“区塊链技术背景下公安综合办案平台的应用机制研究”（项目编号：L20BGL008）; 2020年度辽宁省教育厅科学研究项目“5G双层异构网络中面向沉浸式3D-Video业务的多播传输策略与资源优化研究”（项目编号：ZGXJ2020005）;2020年度辽宁省大学生创新训练项目。
[作者简介]通讯作者：陈雷（1981—），男，汉族，辽宁沈阳人，博士，副教授，研究方向：公安教育、公安通信技术;李双双，女，汉族，山西怀仁人，就读于中国刑事警察学院，研究方向：公安通信技术。
[关键词]5G网络;公安;3D视频;应用机制
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.26.118
5G通信技术向超高可靠性、超低时延、移动增强宽带的数据传输目标不断迈进，为沉浸式体验的发展提供了技术支持。以华为、高通及电信运营商为代表的公司，自2017年以来，相继提出对无线网络虚拟现实/增强现实（VR/AR）应用的设想，为沉浸式体验融入日常生活提供了指导方向。不难看出，沉浸式数据体验具有广阔的应用前景。例如应用到公安实战化教学中，可以通过VR技术建立“一对一”个性化实景教学模式、实现多警种联合模拟作战等。通过VR技术特点，可以根据公安实战环境设计出不同的案发场所，例如室内的刑事案件、道路上的交通事故、公共场所的群体性事件等。基于5G网络的VR/AR技术应用于公安实战化教学，可以克服传统实战化教学中场地、人员、设备和教学内容不断更新的限制。
1 公安沉浸式3D视频无线传输面临的问题
在公安实战化教学中，利用VR技术和AR技术，由沉浸式体验带来的视觉盛宴，离不开3D-Video的可靠传输。3D-Video数据的有线传输技术已有了长足的发展，但在推动快速普及的无线传输方面，其对网络资源要求较高。行业报告显示：具备沉浸式体验的下一代3D-Video宽带需求量高达600Mbps，而时延则要求不高于20ms。有限的无线网络资源承载目前业务量已十分庞大，未来沉浸式体验带来的巨大3D-Video业务量，更加重了有限网络资源的数据传输压力。
与此同时，基于深度图像的渲染技术（DIBR）在低清晰度全视角码流传输过程中，从缩小全视角必备视角量的角度，减少3D-Video的频谱资源占用，基于DIBR的3D-Video多播传输方案可缓解无线传输压力。但随着3D-Video业务需求的不断增长，低清晰度全视角码流需占用时频资源总量依然较大，这将成为未来无线通信不得不面临的一大挑战，因此，即便是基于DIBR的低清晰度全视角码流单播传输也仍需直面频谱资源受限带来的挑战。并且多用户请求相同3D-Video业务数据时，即便用户身处相同的视觉环境下，但由人眼视物机理可知，环境映入、聚焦视物的视觉特点导致各用户捕捉到的特定兴趣可视区域不同，且清晰度要求高。当多用户同时沉浸相同的视觉环境时，高质量可视区域个性化数据传输需求差异明显、变化迅速、偶发性强。尤其对于覆盖范围广的MBS而言，可接入用户数多，在承担3D-Video背景数据传输的前提下，不同高质量、高偶发、变化快的可视区域数据的同时请求将会给MBS带来巨大的传输负担。
2 解决沉浸式3D视频传输的双层网络传输方案
考虑到3D-Video视觉获取过程中，通常仅关注当前视野部分，当前视野之外的部分并没有真正用到。采用低清晰度全视角加高清晰度主视角的码流传输过程可以减少无线资源占用。以华为公司提出的低质量全视角加高质量可视区域传输方案为代表，Tile Wise方案根据用户的视觉特点，提取了3D-Video不同清晰度数据传输需要，低质量全视角加高质量可视区域，为进一步减小频谱资源占用、降低服务时延的研究指明了方向。
受3D-Video业务中高清晰度主视请求频发/偶发性，以及其高数据量、需求量的影响，链路负载量依然较大，给单层网络造成了巨大的传输压力，而由链路大负载量引发的拥塞问题也是具有低时延要求的3D-Video不能容忍的。因此在由宏小区/小小区组成的密集异构网络这一未来主流网络结构中，对3D-Video的数据传输进行研究，可大大降低运营成本、提高蜂窝网络吞吐量。
3D-Video的宏基站/小基站（MBS/SBS）双层网络架构可以充分利用SBS覆盖区域小、组网密集的特点，在MBS满足标清全视角数据大请求量传输的同时，结合SBS覆盖特点：覆盖范围小、覆盖用户数少、收发端较小的路径损耗带来的信号增益明显且SBS部署密度大，使用户频发/偶发的高清主视角数据请求接入SBS，便可灵活高效地分流链路负载，减小拥塞概率，满足3D-Video业务低时延、高数据量传输要求。
3 3D视频的MBS/SBS双层网络多播/单播传输架构
根据人眼聚焦视物、环境映入特点，针对3D-Video大数据带来的无线链路传输压力，利用MBS覆盖范围广、服务用户多，而 SBS覆盖区域小、服务用户少、部署密集的互补性，分析MBS、SBS覆盖范围内用户数据请求分布，提出一种双层网络架构下的3D-Video数据分发机制：在MBS满足标清全视角（SDFVs）数据大请求量传输的同时，使用户频发/偶发的高清主视角 （HDPV）数据请求接入SBS，设计多播/单播联合传输方案，实现SDFVs及HDPV的数据传输。
双层网络架构下的3D-Video数据分发过程中，通过MBS协作多播传输用户视野范围内的SDFVs背景数据，通过SBS单播传输用户可视区域的HDPV目标数据。首先，考虑到在MBS下的SDFVs被多用户请求概率大，兼顾到多播组用户的差异化信道条件，采用多播传输方式使得同一频谱资源同时满足多用户对3D-Video较低清晰度背景数据的请求。其次，由于用户同时存在不同的HDPV请求，且SBS下被单用户请求概率高，被多用户请求概率低，采用SBS单播传输方式，利用用户与SBS之间信道的小路径损耗特性，满足单用户对可视区域的高清目标数据请求。最后，在MBS-SBS双层网络架构下，以优化3D-Video数据传输时延为目标，实现无线异构频谱资源的合理调度，从而灵活高效地分流链路负载，减小拥塞概率，提高频谱利用率，达到3D-Video业务低时延、高速率传输要求。 4 MBS下SDFVs缓存-协作多播方案
针对在SDFVs多播传输过程中频谱资源占用量大的特点，提出基于DIBR的MBS SDFVs协作多播传输机制，考虑多播传输瓶颈问题，即传输速率受限于最差信道条件用户，对MBS传输时延的影响，进一步设计用户间的协作多播传输方案，利用用户之间路径损耗小的优势，实现SDFVs传输时延与MBS频谱效率的联合优化。
同时，针对SDFVs多播数据量在用户请求高峰时段内的激增问题，以MBS的缓存命中率（或边缘网络的流量卸载率）为优化目标，提出基于DIBR的SDFVs差异化缓存配置方案，减少MBS从云中获取多播业务数据的频次。在该方案中，分析多播请求累积时间窗口对缓存命中率的影响，并根据多播用户请求到达概率，分析请求各SDFVs的多播组规模。在此基础上，结合DIBR原理，MBS为SDFVs分配缓存空间，进行差异化缓存。在最优多播请求累积时间窗口的基础上，评估MBS的平均服务时延。
通过分析多播组内用户的信道条件，多播用户计算能力与各多播组规模，结合DIBR SDFVs在MBS中的缓存状态，对平均用户服务时延进行建模分析，构建用户平均服务时延最小化优化问题;进一步考虑多播组用户规模及组内用户计算能力对平均服务时延的影响，优化多播组构成，设计计算卸载与资源分配联合优化方案。
5 SBS下HDPV缓存-计算卸载及资源联合分配方案
针对在HDPV单播传输过程，由于请求视角异构造成数据量在用户请求高峰时段内的激增问题，基于HDPV的请求流行度、DIBR原理以及SBS分布，以最大化缓存命中率（或边缘网络的流量卸载率）为优化目标，提出基于DIBR的HDPV差异化协作缓存策略，使各SBS以概率缓存HDPV视频，并建立缓存分布函数。进而研究HDPV的缓存分布对网络性能的影响，设计SBS间协作分布式缓存方案，并在此基础上，评估SBS的平均服务时延模型，提升整个网络中的缓存效率。
根据移动边缘计算（MEC）中DIBR视角的缓存状态，兼顾用户信道质量差异和服务时延限制，以最小化SBS下HDPV平均传输时延为目标，提出基于DIBR的HDPV分发及资源分配联合优化方案，进行传输资源和计算资源的有效折中。分析小小区用户的信道差异、不同高清视角计算需求，同时考虑小小区内带宽及MEC资源约束，对HDPV服务时延的影响，通过MEC服务器中高清视角缓存状态、用户请求状态、用户信道条件等，联合优化计算卸载与资源，以最小化小小区用户的HDPV单播服务时延。
6 结论
对5G网络中面向公安沉浸式视频传输的应用机制进行了研究，分别在构建MBS/SBS双层网络架构下，根据用户请求特征分析结果，通过多播/缓存/MEC协同作用，从3D视频数据缓存，到数据传输，再到画面恢复中的计算资源分配，设计3D视频的数据收发过程，优化无线网络资源，尽可能满足3D视频无线传输时延要求;合理利用无线网络资源，减小网络拥塞概率，提升用户视觉体验。
参考文献：
[1]华为.面向Cloud VR的承载网络白皮书[R].2017.
[2]李永瑞.基于DIBR的多视点内容生成方法研究[D].北京：北京邮电大学，2019.
[3]赵敏丞， 李阳阳， 赵大伟，等. 5G SCMA无线网络中视频跨层传输[J].中国电子科学研究院学报， 2018，13（11）：121-126.
[4]钟礼凯，司庆亚.5G通信中传输技术研究[J].卫星电视与宽带多媒体， 2020，15（18）：97-104.
[基金项目]2020年度辽宁省社科基金项目“区塊链技术背景下公安综合办案平台的应用机制研究”（项目编号：L20BGL008）; 2020年度辽宁省教育厅科学研究项目“5G双层异构网络中面向沉浸式3D-Video业务的多播传输策略与资源优化研究”（项目编号：ZGXJ2020005）;2020年度辽宁省大学生创新训练项目。
[作者简介]通讯作者：陈雷（1981—），男，汉族，辽宁沈阳人，博士，副教授，研究方向：公安教育、公安通信技术;李双双，女，汉族，山西怀仁人，就读于中国刑事警察学院，研究方向：公安通信技术。