摘要：本文探讨了基于5G电子围栏技术的公共安全与社会治理解决方案。项目通过在监控场所出入口部署独立的4G/5G电子围栏小区，利用差异化TAC强制用户信令交互，实现出入口级精准用户定位与捕获。技术方案采用USRP通用软件无线电平台，涵盖系统平台、协议栈硬件/软件、射频硬件及大数据监测系统等关键模块，支持布控管理、实时预警、轨迹分析等功能。该方案不仅满足政府对重点区域人员监控的精准防控需求，还可作为电信运营商网络优化与智能运维的前端数据采集参量，提升网络质量与自动化水平。
一、前言
根据政府利用大数据开展公共安全与社会治理的要求，运营商需配合相关部门对在社区、政府机关、企事业单位、高校、中小幼、科研院所、办公大楼及其在三站一场（火车站、汽车站、地铁站、机场）等场景实施重点监控。借助移动通信技术手段实现手机用户精准捕获， 针对目标人群在特定时期内进入防控区域行为进行实时甄别及拦截，提高公共安全综合保障、重大疫情的监测与防范。 基于上述背景，电信运营商需在现有的移动通信网络基础上，结合电子围栏布控及 4G/5G网络改造需求， 制定网络改造方案。并根据4G/5G网络用户的不同特性，制定差异化移动性参数策略，以保障4G/5G用户精准捕获需求。同时电子围栏布控采集到用户的参数可以电信运营商网络运维预警系统的输入参量，提高运营商网络运维智能化和自动化水平，提升网络质量。
二、项目概述
本次创新课题是以对电信运营商的现有移动业务感知不产生产生负面影响的前提下利用电子围栏技术对4G/5G网络进行改造。前期在进行特定场景4G/5G网络方案设计时，主要根据网络覆盖及容量需求进行小区划分，小区只能提供粗略的地理位置信息，因此现有4G/5G网络无法满足需求，监控场所各出入口用户精准识别的需求。需要对现有4G/5G网络进行改造，具体技术方案如下。
a）在监控场所各出入口（通道）新增独立的4G覆盖小区作为电子围栏小区，对各出入口（通道）实现精 准覆盖。
b）电子围栏小区接入电信移动商用核心网，即移动用户占用电子围栏小区时依然可正常使用移动通信业务。
c）对新增电子围栏小区配置与监控场所公网均不同的跟踪区码（TAC），通过参数手段强制移动手机用户驻留电子围栏并进行TAU，与网络产生信令交互。
d）通过采集相关TAU信令，关联小区覆盖地理信息，实现监控场所出入口（通道）级的用户定位。
项目技术成果：首创将5G电子围栏技术引入电信运营商网络优化与大数据预警系统，有效的解决了电信运营商配合政府进行大数据监测的精准防控的需求，同时可作为电信运营网络优化智能运维的前端采集参量，对网络关键指标进行关联分析，便于迅速发现网络中存在的问题。
三、项目的技术关键及其创新点
1. 项目的技术关键
本项目5G电子围栏技术与大数据监测平台研发需要做六个方面的技术关键工作，即：系统平台、协议栈硬件模块、协议栈软件模块（包括接入网和核心网）、射频硬件模块、大数据监测系统软件六个部分。
系统平台：采用基于USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设）平台技术架构，采用中央处理器和模块化的结构，具有数据处理速度快、智能化程度高、扩展性强等优点。这种架构既可以通过高性能CPU提高采集速度，又可以很方便的通过更新软件或者添加模块来兼容其它3G、4G移动通信系统的手机IMSI的采集。
协议栈硬件模块：平台采用通用处理器方案，实现5G技术的空中接口协议的物理层、数据链路层和网络层协议。为了满足5G技术不断演进，该平台采用PCI硬件加速卡的技术发难，解决处理器资源不够的问题，PCI硬件加速卡集成有专用功能的IP核，从而简化了软件开发周期，同时各硬件单元之间采用网状级联的方式，使上下行的资源得到灵活应用，也可以尽可能的减少各层的调度时间，以满足5G对高带宽，低处理延时的要求。
协议栈软件模块：分为接入网协议软件和核心网协议软件，其中接入网协议软件按照协议功能划分方式，3GPP 标准化组织提出了面向 5G 的无线接入网功能重构方案，引入 CU-DU 架构。在此架构下，5G 的 BBU 基带部分拆分成 CU 和 DU 两个逻辑网元，而射频单元以及部分基带物理层底层功能与天线构成 AAU。核心网协议软件架构支持控制与转发分离、网络功能模块化设计、接口服务化和 IT 化、增强的能力开放等新特性，以满足 5G 网络灵活、高效、开放的发展趋势。5G核心网实现了网络功能模块化以及控制功能与转发功能的完全分离。控制面可以集中部署，对转发资源进行全局调度；用户面则可按需集中或分布式灵活部署，当用户面下沉靠近网络边缘部署时，可实现本地流量分流，支持端到端毫秒级时延。5G 核心网控制平面功能借鉴了 IT 系统中服务化架构，采用基于服务的设计方案来描述控制面网络功能及接口交互。由于服务化架构采用 IT 化总线，服务模块可自主注册、发布、发现，规避了传统模块间紧耦合带来的繁复互操作，提高功能的重用性，简化业务流程实现。3GPP 标准上规定了服务接口协议采用TCP/TLS/HTTP2/JSON，提升了网络的灵活性和可扩展性。
射频硬件模块：射频硬件模块采用USRP方案，USRP模块包括FPGA模块、数模/模数转换模块以及射频端，其中数模/模数转换模块连接于所述FPGA模块和射频端之间。其中FPGA模块包含UHD命令及其数据流单元、插值单元、数字上变频单元、降采样单元以及数字下变频单元，所述UHD命令及其数据流单元完成和处理UHD驱动数据的交互，所述插值单元和数字上变频单元完成下行数字信号的处理，所述数字下变频单元和降采样单元完成上行信号的处理。这种方案即满足了项目的开发进度，又降低产品的总成本。
大数据监测系统软件：大数据监测系统软件主要完成布控管理、实时预警、热点装置图层和统计分析等基本功能。
布控管理：支持通过IMSI、布控时间、布控状态来检索对应布控记录；支持展示具体的布控记录详情，详情内容包括：IMSI、布控开始时间、布控结束时间、布控添加时间、短信报警号码、布控状态；支持将布控状态处于“布控中”的布控记录进行撤控操作；支持单个IMSI添加布控；支持多个IMSI批量布控；支持针对未审核的IMSI布控记录进行审核操作。
实时预警：支持通过IMSI、报警时间等条件进行电子围栏布控预警数据的查询；支持展示IMSI布控预警数据，包括：IMSI指、报警时间、报警地点、运营商；支持展示IMSI布控详情。包括：IMSI、布控人、布控开始时间、布控结束时间、布控状态、布控原因。
热点装置图层：可在地图上展示热点采集设备的分布图层，可查看设备类型、ID、名称、经纬度、是否在线、功率、布控范围、当前捕获IMSI、历史捕获IMSI、关联的当前抓拍、历史抓拍记录。支持输入设备范围、起止时间、IMSI等条件查询电围数据，在地图上展示相应IMSI的历史轨迹。
统计分析：可以对热点采集设备捕获的IMSI记录、经过智能分析的IMSI记录、布控报警等数据进行统计分析。便于用户查看地区人流趋势和人群分布趋势等。支持统计包括设备数量、数据抓取量、设备采集top、运营商类型和积分规则的统计数据。
2. 项目的技术创新点
（1）采用USRP技术框架，可实现多频点多制式共享硬件资源；
（2）采用通用硬件平台，可实现不同频点不同制式毫秒级切换；
（3）5G热点实现全协议栈在云端运行，采集装置实现射频前端和信号处理。
四、主要研究内容
本次课题是基于5G电子围栏小区技术为研究对象，对如何解决对区域重点人员布控、伴随分析、轨迹分析、轨迹查询、轨迹追踪、融合轨迹、时空研判、伴随分析等各类感知数据的综合应用及其公共安全与社会治理；网络优化应用等为研究方向。
1.5G电子围栏技术平台技术方案
5G 热点采集装置统硬件平台采用基于USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设）平台技术架构，采用中央处理器和模块化的结构，具有数据处理速度快、智能化程度高、扩展性强等优点。这种架构既可以通过高性能CPU提高采集速度，又可以很方便的通过更新软件或者添加模块来兼容其它3G、4G移动通信系统的手机IMSI的采集。
2.大数据监测系统平台开发技术方案
布控管理：支持通过IMSI、布控时间、布控状态来检索对应布控记录；支持展示具体的布控记录详情，详情内容包括：IMSI、布控开始时间、布控结束时间、布控添加时间、短信报警号码、布控状态；支持将布控状态处于“布控中”的布控记录进行撤控操作；支持单个IMSI添加布控；支持多个IMSI批量布控；支持针对未审核的IMSI布控记录进行审核操作。
实时预警：支持通过IMSI、报警时间等条件进行电子围栏布控预警数据的查询；支持展示IMSI布控预警数据，包括：IMSI指、报警时间、报警地点、运营商；支持展示IMSI布控详情。包括：IMSI、布控人、布控开始时间、布控结束时间、布控状态、布控原因。
电子围栏图层：可在地图上展示热点采集设备的分布图层，可查看设备类型、ID、名称、经纬度、是否在线、功率、布控范围、当前捕获IMSI、历史捕获IMSI、关联的当前抓拍、历史抓拍记录。支持输入设备范围、起止时间、IMSI等条件查询电围数据，在地图上展示相应IMSI的历史轨迹。
统计分析：可以对热点采集设备捕获的IMSI记录、经过智能分析的IMSI记录、布控报警等数据进行统计分析。便于用户查看地区人流趋势和人群分布趋势等。支持统计包括设备数量、数据抓取量、设备采集top、运营商类型和积分规则的统计数据。
3.5G电子围栏产品技术方案
包括一个或多个USRP模块、CPU处理单元、数据存储单元以及数据显示分析模块；所述USRP模块与CPU处理单元相连接，所述CPU处理单元与所述数据存储单元和数据显示分析模块相连接，所述CPU处理单元可以运行所述USRP模块的UHD驱动，所述USRP模块的UHD驱动与对应的5G基带处理进程绑定，每个5G基带信号处理进程与5G高层协议进程相通信连接，所述数据存储模块用于存储CPU处理单元中的程序数据，所述数据显示分析模块用于显示和分析热点采集的数据连接。
4. 对公共安全与社会治理基本支撑功能的研究技术方案
大数据监测系统平台是汇聚物联网的人脸、人体、车辆、步态信息，以及信息网的人口库、车辆库、警情库、案卷信息库等数据，进行多维度碰撞比对分析、关联建档，研判出人员、车辆、IMSI码之间的关联关系，为公安用户提供IMSI查询搜索、IMSI数据统计、视频巡查、人脸查询、车辆查询、布控预警、轨迹分析、关系分析、研判应用、一码一档等应用。
时空碰撞分析：对一些视频监控盲区发生的案件，无法定位到具体人员，时空碰撞分析电子围栏感知数据，可根据案发时间和地点，设置多组可能逃逸路线进行时空轨迹碰撞，“无中生有”锁定犯罪人员。
同行IMSI分析：汇聚IMSI感知数据，分析出现与目标IMSI码在时间和空间相近的随行IMSI。按同行点位次数倒序展示同行结果，从源目标轨迹、同行点、同行目标轨迹三个维度刻画同行轨迹详情。对于团伙类诈骗、盗窃等案件，依据常其中一个高嫌疑IMSI分析其同行团伙成员，建立同行关系库。
落脚点分析：落脚点是提供公安研判重点人员居住地、工作地、活动地的重要参考，多维落脚点以人为核心，综合多维度感知数据分析，从落脚和频次俩个方面结合分析人员落脚情况，以热力图形式渲染落脚数据，支持基于地图撒点描绘对象具体落脚次数，支持展示落脚详细抓拍数据。
6. 5G电子围栏各种应用场景及其研究方案
在社区、政府机关、企事业单位、高校、中小幼、科研院所、办公大楼等活跃人员、活跃车辆都相对固定的场所，手机电子围栏信息适合用于做人脸、人体、车辆、IMSI码的关系关联，计算出每个IMSI码对应的身份信息。同时也适合做区域的人口分析、人群规律分析、人员布控、时空研判等应用。在三站一场（火车站、汽车站、地铁站、机场）、检查站、边检站、海关、公共交通枢纽、国道、省道、高速公路、高架、城市道路、商场、广场、公共场所、娱乐场所、网吧、酒店等场景，由于大部分人员、车辆不会频繁经过同一地点，上述场景更适合做特定区域出入人员、车辆的及时发现、综合布控、伴随分析和时空规律分析等。
7. 5G电子围栏技术在网络优化应用及其研究方案
5G电子围栏技术采集特定位置的IMSI，利用大数据监测系统平台分析附近用户特征，比如常驻人口或者流动人口及其各个时段用户数量分布情况等作为电信运营网络优化智能运维的前端参量，对网络关键指标进行关联分析，便于迅速发现网络中存在的问题。
