5G边缘计算技术的智慧校园应用问题探究

韩松岳 黄伟 李立甫

摘  要：5G是时下热门技术，它实现了与社会千百行业的融合发展，边缘计算作为5G的关键技术之一，在企业、医院及高校都有不同程度的应用。文章总结了“智慧校园”的核心概念、主要特点及国内外发展现状，分析了“智慧校园”建设中存在的问题并给出了对策建议，介绍了5G边缘计算技术的发展和特点，分析了该技术的实践部署和应用问题，给出了智慧校园的总体架构设计和两类典型应用场景实例，最后文章分析了可能面临的安全风险，并对下一步工作做出了总结和展望。

关键词：5G;边缘计算;智慧校园

中图分类号：TN929.5;G647      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）21-0039-06

Research on the Application of 5G Edge Computing Technology in Smart Campus

HAN Songyue，HUANG Wei，LI Lifu

（Communication Sergeant School of Army Engineering University of PLA，Chongqing  400035，China）

Abstract：5G is a popular technology nowadays，which realizes the integration development with thousands of industries in society. As one of the key technologies of 5G，edge computing has been applied in enterprises，hospitals and universities to varying degrees. The paper summarizes the core concept，main characteristics and development status of “smart campus” at home and abroad，analyzes the problems existing in the construction of “smart campus” and gives countermeasures and suggestions，introduces the development and characteristics of 5G edge computing technology，analyzes the practical deployment and application problems of the technology，and gives the overall architecture design of smart campus and two typical application scenarios. Finally，the paper analyzes the possible security risks，and makes a summary and outlook for the next work.

Keywords：5G;edge computing;smart campus

0  引  言

5G是面向未來人、机、物互联的新一代移动通信技术，在其标准制定之初，国际标准化组织就定义了增强型宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）、机器型通信（mMTC）三大场景。基于5G网络的开放性和极简的网络架构，5G能够与人工智能、大数据分析、边缘计算等前沿技术良性耦合，促进5G相关技术在工业、医疗、教育、安防、城市治理等垂直行业的应用，从而改变人类生活。基于5G开放的技术特性和强大的能力指标，与教育信息化的校园智慧化目标紧密耦合，边缘计算作为5G关键技术之一，以其省带宽、降时延、强感知、严隔离等优势，在工业互联网、物联网、超高清流媒体领域都有新型应用。相较于西方国家校园开放的理念，我国K12教育阶段和高校更注重校园的物理边界和安全治理，基于5G架构下的移动边缘计算技术与之强相关，应当作为智慧校园发展的主要备选技术之一。

本文以笔者参与的科研项目为支撑，结论基于大量的测试数据和实验分析，对5G架构下边缘计算技术的部署、应用与优化问题进行了研究，采取由“个性”问题走向“共性”问题的思路，主要解决技术落地实践与应用设计优化的痛点问题，对当前国内高校在5G技术背景下发展建设智慧校园，具有一定的借鉴参考价值。

1  智慧校园

2009年以来，我国相应出台了多部教育信息化方面的政策文件，其中较具代表性的文件有：一是2018年4月出台的《教育信息化2.0行动计划》，文件对智慧教育作出了具体要求;二是2018年6月出台的《智慧校园总体框架》，明确了“四层两翼”架构，规范了智慧校园建设的框架和内容。

1.1  概念廓定

智慧校园的概念和内涵通常带有强烈的时代技术背景。当前学术界公认的观点是，智慧校园概念源自2008年11月美国IBM提出的“智慧地球”概念，其内涵包括三方面因素：物联化、互联化、智能化[1]。国内学者对智慧校园的概念有着不同解读，黄荣怀[2]从校园时空维度和教学环境的角度进行了分析，给出了智慧校园的定义、五个基本特征以及五项关键技术，认为智慧校园是数字校园的高级形态。蒋东兴[3]从技术运用、物理环境和数字空间的角度提出了智慧校园是运用新型信息技术，具备感知物理环境、识别用户群体等能力，将物理空间映射到数字环境，实现智慧运行的校园环境。此外，还有很多专家学者从不同视角给出了智慧校园的定义和特征，本文通过文献分析法发现，多数观点具备较强的一致性，即智慧校园是数字校园的发展和演进，通过ICT技术旨在让任何用户在任何时空间随遇获取信息服务，是一个物理和虚拟空间深度融合的智慧化环境。

1.2  国外智慧校园发展现状及特点

国外文献中，与智慧校园平行的概念有：Smart Campus、Smart City等，世界发达国家教育信息化建设研究起步较早，早期以数字校园的形态存在，如20世纪70年代麻省理工学院的E-Campus计划;20世纪90年代美国克莱蒙特大学的“数字校园计划”;20世纪初世界普遍接受数字化概念，多个国家及行业相继提出“数字城市”“数字地球”概念。进入21世纪，以美国、韩国、新加坡、欧洲国家等为代表的智慧校园相继涌现，其共同特点有：（1）重视智慧校园的顶层设计和长期规划;（2）注重信息技术基础设施的布局和建设;（3）注重智慧化教学和校园生活环境的构设;（4）注重多网系、跨领域数据信息的精确治理和融合共用;（5）不严格界定校园边界，将校园智慧化环境融入智慧城市、智慧交通等平行应用共同发展。

1.3  智慧校园建设存在问题及对策思考

通过分析国内外智慧校园建设发展现状，结合本文的实地调研，从多视角进行分析发现，当前智慧校园的建设主要存在以下三方面问题。

1.3.1  顶层规划和设计思路仍有待深入

在2018年《智慧校园总体框架》国家标准出台前，我国智慧校园建设存在标准不一，分散建设的情况。随着2019年5G商用，社会多个垂直行业与5G深度融合发展，智慧城市、智慧交通、智慧物流、智能安防等领域迅猛发展，在顶层规划时，应当在国家标准的规范框架内，结合院校实际，突破校园时空间边界，长远规划，让智慧校园的建设发展融入到智慧城市，与其他行业应用融合发展;其次，要避免适应技术和产品的思路，应当树立以适应教育、科研、学习为中心的思路，促进教学、科研、实践与智慧校园深度融合。

1.3.2  基础设施与网关设备的优化完善有待加強

加强基础设施布局，扩大高质量无线网络覆盖，统一网络接入和网关设备的标准，促进多制式、跨领域信息的融合处理，突破信息壁垒障碍，为数据精确治理和信息高效流转夯实基础。

1.3.3  专职运维人员和参与用户的信息素养有待进一步提升

应当逐步取代信息通信运维管理人员兼职代理的现象，培养并设置院校专职信息运维管理人员，弱化院校对厂商的依赖程度;其次加强对院校师生用户的培训和引导，通过教育引导和技术手段优化，降低新型应用的使用门槛。

2  5G边缘计算技术

2.1  5G边缘计算技术的发展

从能力角度看，5G技术具有高达1 Gbps的用户体验速率、每平方公里百万级的连接数密度、毫秒级的时延、大于500公里每小时的移动性、10 Gbps的峰值速率以及数十Tbps每平方公里的流量密度;从效率指标看，5G相较于4G，其频谱效率提升了5～15倍，能效提升超百倍，成本效率提升超百倍。它综合了SDN、NFV、Massive MIMO、新型多址等新型技术，以极简网络架构展现出较强的开放性，能够为人工智能、大数据分析、边缘计算等技术提供支撑平台。其发展的前景主要面向提供差异化定制化网络服务、支撑海量物联网应用以及与各垂直行业的融合应用。

边缘计算（MEC）作为5G的关键技术之一，其发展经历了“微云”“雾计算”“移动边缘计算”等阶段，早期概念中的“M”为mobile，表示移动网络环境，而后发展为multi-access，表示多接入环境。MEC尚无严格统一的定义，ETSI认为：“在移动网边缘提供IT服务环境和云计算能力[4]。”美国韦恩州立大学施巍松教授认为：“边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模型，边缘计算操作的对象包括来自云服务的下行数据和来自万物互联服务的上行数据，而边缘计算的边缘是指从数据源到云计算中心路径之间的任一计算和网络资源，是一个‘连续统[5]。”其核心思想是将数据中心的计算、存储、转发能力迁移至靠近数据源或用户一侧，稀释了中心云的计算压力，节省了数据传输链路的距离，同时能够实现数据不出校园，提升了敏感数据的安全性。其系统架构如图1所示。

2.2  边缘计算技术的特点及实践部署分析

2.2.1  技术特点

MEC技术在隔离性、时延、带宽、感知能力、能耗效率等方面具有突出特点，如图2所示。

2.2.2  实践部署分析

在4G时代，边缘计算的部署研究已发展相对成熟，5G网络采用了全新网络架构，网络接入更加灵活便捷，网络架构呈扁平化特点，MEC系统可以按需部署在基站、基站汇聚节点、无线网络控制器上等。基于5G的边缘计算部署方式有两种：集中式部署和分布式部署，可以根据业务场景实际需要进行优选。其优选条件如下：若校区分散，可以采取分布式部署方式，可以在后台设置综合调度台，以集中调度的形式实现校园用户的业务需求;集中部署适用于区域集中的校区，优势在于节约成本，网关功能更加完善。

当前，业界公认的具体部署方法是将MEC部署在核心网DC与RAN的融合模块，以NEF接入5G网，用户UE的业务请求通过UPF达到边缘计算服务器，实现边缘侧的计算、存储等服务功能，该服务调用触发的过程，在PCF的控制下完成。为了满足教育应用的低时延、海量连接和数据整合等需求，在靠近数据源头的RAN侧部署MEC的同时，应当为私有云设置防火墙，为重要敏感数据设置相应的隔离措施和安全协议。

2.3  边缘计算技术的使能分析

笔者通过实地调研和文献分析了解到，国内智慧校园建设呈百花齐放的特点，其支撑技术有物联网、大数据分析、云计算、人工智能分析、数据可视化等，其中，在顶层设计、数据治理以及应用实践等环节包含大量体系化设计、教育学科及人文学科等综合考量，然而，当前国内以边缘计算作为智慧校园支撑技术，并为教学、科研、生活、运维、管理等应用场景赋能的完整实例较少，由于其固有的技术特性和良好的发展前景，该技术框架下的智慧校园主要适用对象有三类：（1）对校园核心敏感数据保密性要求高;（2）校园包含大量大带宽、低时延网络承载需求的应用;（3）跨领域业务部门多，业务数据错综复杂的院校。

3  基于5G边缘计算技术的智慧校园应用问题探究

3.1  需求分析

基于5G边缘计算技术进行智慧校园设计时，应当参照国家标准的同时，结合院校实际，展开需求分析、调研论证、最终确定建设规划方案。以几种典型的课堂形式为例，解剖麻雀，比较分析传统课堂、室外教学、网络直播课、网络录播课的优劣势，找出网络课堂这一个应用场景的痛点进行破题，如图3所示。

基于5G边缘计算技术的智慧校园，应当具备智慧教学、智慧科研、数据治理、校园安防、智慧生活、智能运维等功能。采取面向服务的思想，着重提升教学科研的信息保障支撑能力，提高教学、科研、实践、管理等环节的效率。根据图3的分析结果，本文基于5G边缘计算技术，以“云、网、端”架构的网信体系为模型，给出了智慧校园的应用设计和功能模块表，如表1所示。

3.2  系统架构设计

通过在校园侧加装边缘计算服务器、隔离网关及安全网关，实现校园用户业务数据可分流卸载至边缘云上，校园接入公共网和专网两条线路，专网可按权与行业领域专网、安防私有云、智慧城市私有云联通，实现数据资源共享应用，典型应用场景有：VR/AR教室、人员动态和健康信息系统、教学考评系统、超高清线上视频课系统、全息投影会议室、校园智能安防系统、校园智能后勤运维系统等，以上应用所产生的通用数据和行业专有数据，通过数据汇聚网关，汇聚至数据可视化系统，该系统由数据态势大屏、边缘云切片管理系统、信息采集终端、信息传输系统、异构数据处理系统、信息鉴权设备等其他网关和防火墙组成，将各个应用场景和领域的数据层层穿透，以数据治理技术和算法模型为承载，最终以学员、校长、教师、专家、运维管理人员、统计学等视角以可视化的形式呈现出来，提升校园治理的水平和效率。整体逻辑架构如图4所示。

3.3  应用实例分析

本文基于项目建设背景，由于篇幅限制，遴选出两类典型应用场景进行分析探讨，通过“样板间”的实际研究论证和建设实践，以期为项目的后期建设和国内智慧校园建设共性问题提供借鉴参考。

3.3.1  智慧教室

在规划设计阶段，应当以国家标准为依托，兼顾学校实际的同时，参考现有智慧教室的设计理念、功能模块、数据流转等思路，构建适应自身的智慧教室环境。通常情况下，可以从基础设施、数据管理、环境感知、视听增强、信息采集、网络能力六个维度进行设计构建，智慧教室的系统模块和组织运用如图5所示。

3.3.2  智能安防

校园智能安防的设计应当具备一定的前瞻性和开放性，突破校园“边界”思想，预留API接口与数据交互接口，最终实现校园智能安防与智慧城市的安全管理系统融合发展，数据的融合共用。校园智能安防从四个维度设计，分别是人、机、物、环境，“人”是指校园范围内人员的全流程安全，包括本校人员的边界管理、外来人员的访问监控、请假人员的安全监控等，“机”侧重指机器、装设备的安全，“物”是指实体资产的安全，如营房、毒害物质检测、楼宇高空抛物、校园交通安全等，“环境”是指消防告警处置、毒害物质监测、实验室环境监测等。系统层面，设置具有容灾备份能力的数据库，数据库预置安全事件黑白名单，对安全事件分级管理，实现安全风险的分级管控。由于安防系统承载了大量的物联感知终端，基于网络切片技术为各类场景提供了定制化的承载网络，应当在与外界网络通联的接口设置防火墙和隔离网关，使得安防系统具备一定抵抗网络攻击和自修复的能力。其逻辑架构如图6所示，核心功能在矩形框进行了罗列，并以其中“访客管理流程”作为范例解剖麻雀，在圆柱体框中自下而上进行了呈现。

智慧校园的应用场景还包括智慧后勤、智慧医疗、智慧教务等场景，最终目标应当是实现校园有界限管理、数据无界限流转，与智慧城市、智慧医疗、智慧社区、智慧警务等融合发展。

4  智慧校园面临的安全风险与应对措施

一是MEC基础设施安全风险。MEC基础设施位于边缘侧，不需再将用户本地数据上传至中心云，降低了数据泄露风险，然而，RAN侧环境安全风险本身较高，基础设施可能遭到人为破坏;二是系统安全面临风险。为了便于第三方应用的开发，MEC支持虚拟化业务环境的部署，API接口和NFV技术的开放性，使得系统遭到恶意干扰、监听、攻击的可能性有所增加;三是终端设备安全风险。教育用户终端被植入病毒或恶意控制，不仅会造成隐私数据泄露，终端设备也会被不法分子利用，传播有害信息。

对此，应该当建立健全网络安全制度，在国家法律保障的基础上，教育系统和院校也应当落实网络安全防护的政策制度，完善敏感数据、高密级科研数据的安防措施;同时，建立安全管控体系，按照安全的层级、保密的密级区分管控，建立全国范围的安全响应机制，形成应对重大安全风险事件的能力;其次，要分区域建立统一标准的全国高校安全数据中心，建立安全事件鉴别、安防技术分享、安全响应联动的信息资源池，尽可能将安全风险降到最低。

5  結  论

未来5G技术将与更多行业深度融合发展，智慧校园建设应当把握以下几点：一是以人为本，综合干预，把好进度方向。技术改变生活，在设计规划具体应用时，应以人为本，回归教育学习是人脑认知的本质，避免一味迎合信息技术及其产品应用，过度投资导致能力过剩。教育应用的设计，应遵循认知心理学原理和人脑的认知模型，多学科综合干预，同时建立反馈机制，使技术应用与实际需求完美重合。二是要长期演进，平滑过渡，避免供给失衡。应遵循可持续发展原则，为应用开发预留前向接口，为长期演进提供技术平台。同时应注重研发应用的知识产权保护，完善产学研模式，形成长期健康的市场环境。三是校企协作，行业融合，完善发展机制。在不久的将来，大数据分析、人工智能、区块链等新兴技术将往更深层次发展，跨学科、跨领域人才更为急缺，应通盘考虑市场因素，运用招生结构调整等宏观调控手段，建立高校与企业良性互动，确保人才充足结构合理。

5G网络是面向用户体验和业务应用的智能化网络，5G智慧教育也将更加注重学生的体验，融入更多人文学科和生理规律的应用将更加适应人类大脑的习惯。5G改变社会，也改变着千行百业，期待基于5G技术的智慧校园孵化出更多科学高效的教育应用，推动教育领域发生实质性变革。

参考文献：

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[2] 黄荣怀，张进宝，胡永斌，等.智慧校园：数字校园发展的必然趋势 [J].开放教育研究，2012，18（4）：12-17.

[3] 祝智庭，贺斌.智慧教育：教育信息化的新境界 [J].电化教育研究，2012，33（12）：5-13.

[4] BRUERS H.Mobile Edge Computing-a key technology towards 5G [EB/OL].（2016-09-25）. https：//www.linkedin.com/pulse/mobile-edge-computing-key-technology-towards-5g-hugo-bruers.

[5] 施巍松，张星洲，王一帆，等.边缘计算：现状与展望 [J].计算机研究与发展，2019，56（1）：73-93.

作者简介：韩松岳（1993—），男，汉族，陕西宝鸡人，助理工程师，硕士研究生在读，研究方向：5G移动通信技术、边缘计算。