5G通信技术在高校智慧校园建设中的机遇与挑战分析

赵轩

为探索利用5G技术建设智慧校园，构建5G+智慧校园云管端控新模式，以学生为中心的互动模式是实现5G智慧校园的关键环节，引入5G网络覆盖实现全景视频、5G+VR/AR直播等，实现远程互动教学、AR辅助教学和多地同步实时授课等，有助于激发学生学习兴趣，提升教学质量和教学水平。

利用5G大带宽和低时延特性，通过积极拓展5G智慧校园应用使能AR/MR远程教学成为现实，利用高校丰富资源打造智慧校园。未来老师佩戴AR眼镜在主播课堂现场教学、AR课件在眼镜中成像并采集至大屏幕，通过360全景摄像头实时图像采集，并通过端到端的5G通信网络传输实时图像，将图像回传至远端的服务器机房，进行VR图像渲染，并推送至远端5G接入侧，远端的学生和教师通过佩戴基于5G的VR眼镜，可以实时沉浸式观看课堂老师+AR成像的教学内容。但是，在构建5G智慧校园建设与实施过程中，或存在多样化的、个性化的需求，或存在场地建设改造、布设施工受限的困难，这对5G网络建设、5G通信设备或者光传输通信设备的建设与实施过程都提出了新的挑战，经过北京市多所高校在5G建设方面的实践，具体可总结出如下几个方面的问题和挑战。

软件定义网络的挑战

随着移动通信新技术应用和发展，5G通信网络开始基于IPv6实现路由选址，不仅从IP地址数量足够满足海量终端设备的有效接入，而且，更重要的是解决了终端位置和身份的定义，保障了低时延和高可靠性。SDN（Software Defined Network）体系架构能有效实现数据包传送与网络控制分离，而且是面向连接的，利用基于SDN的网络操作系统来实现对网络的集中管理，通过将路由信息嵌入到原网络节点的IPv6数据包扩展报头传递到各节点，无需选址，有效保障了低时延转发。但是，如何实现通过SDN对业务流和所有网络节点进行实时优化，即大规模复杂网络和低时延响应的多目标优化是个挑战。

网络虚拟化带来的挑战

5G通信网络进行全面虚拟化和云应用化发展，虽然提升了5G通信网络功能的灵活性，但网络虚拟化对配套项目的组织与建设还比较滞后。传统交换机和路由器均为专用通信硬件设备，它们在网络架构中的工作层级也是固定的。而5G为了业务的灵活性，需要网络通信设备有不同的处理能力和传输特点，NFV（网络功能虚拟化）的方向是“硬件通用、软件可以定义”。

5G网络边缘计算特性的引入则大幅增加了各类网元设备的数量，这将对网络通信设备提出更高的要求，网络通信方面的建设和运维复杂程度高、难度大。网络虚拟化的微服务化特性则要求满足用户的各类定制化需求，对业务编排要求高，与相关通信设备的对接落地实施挑战大。而且，在通过5G网络切片和虚拟化机制，大量网络通信传输隧道具备极高的动态性，需要人工对通信传输进行有效规划才能满足业务的多方面需求，平臺网络速率和业务时延均不太一样，会增加高精度时钟的建设与维护难度。5G环境下的网络虚拟化应用如果出现问题，还需要准备有效响应的应急处理预案及通信设备。

网络切片的挑战

按业务逻辑需求划分不同的网络切片，网络切片分三大类：高速率广宽带、高可靠性低时延、大规模泛连接等。通过网    络切片管理可以为每一个业务组织形成一个VPN（虚拟专用网络），但在5G环境下的各类校园应用中去具体部署实施还是有难题的，5G场景下网络切片面向用户服务，如何保障全链路的VPN具有十分重要的意义，但是如何管理网络切片来实现对用户身份、选择和管理VPN，并通过按需服务方式下达接入要求，可取的办法是对时延、丢包率、可靠性有比较严格的业务提供均为网络切片，现有4G网络的VPN相比，5G的VPN可以实时提供，考虑以用户价值为中心，同时边缘云之间的沟通需要打招呼，需要有大量的网络操课。按IDC的预测，未来会有超过50%的数据会在边缘层处理，而两级云的成本只是单级云的39%，边缘计算是落地在基站里，边缘计算的节点需要不断发掘，另外，通过边缘计算之间的5G通信，5G应用边缘计算是希望把计算能力下沉到边缘，边缘负责处理对时间敏感的数据，保障过滤掉这些数据再补充到云环境中。云计算的部分能力下沉，存储和内容分发能力下沉，能够适应低时延、快速处理，但是下沉到每一个DU分布单元，还是下沉到CU集中单元，边缘计算的密集度怎样选择，这是一个挑战。

运营商SA网络架构改造难点

5G网络虽然有SA架构和NSA架构的两条基本演进路线，但由于业务需求、架构不同、网元不同、接口不同以及云基础设施条件不同，核心网在全国、各省份以及地市范围内均可能出现多种阶段、多种形态并存的场景，针对NSA和SA两种技术架构分别编制规范。采用SA架构会对现存网络中的存量核心网网元造成影响，在运营商信令网扩容改造方面，一方面LDRA需要扩容硬件增加HTTP/2超文本传输协议处理模块，现有机房空间与电源方面的不足问题，在硬件总处理能力富裕的情况下可以采用将现分Diameter处理板卡改造成HTTP/2信令处理模块的扩容方案;另一方面，由于5G网元只支持IP链路，部分STP设备作为“根桥”可能需要新增IP板卡。现网大部分STP设备都是针对传统通信网络环境下设计的，扩展性有限，厂家也不再生产相关板卡，若存量老旧平台板卡不足以支撑扩容，则需要硬件整体替换。

室外5G基站建设难点

在5G时代，用户将面临2G/3G/4G/5G多网共存的模式，由于4G/5G网络在较长时间内共存，为了确保业务连续性，需要进行4G/5G网络互操作，无线及核心网存在是否建立4G/5G核心网之间的多种接口的决策和选择。5G到4G访问时，数据业务中断时长/语音业务中断时长/呼叫建立时延为100ms级;4G访问5G时候，数据业务中断时长为100ms级。另外，5G网络依赖于基站建设速度，处理日益增加的基站建设任务，但是现有的基站能量负荷消耗严重，以及其对无线网络数据传输端口接入设施建设要求更加严格等状况;同时，如何从海量的用户端对基站的整体覆盖面弱化，加剧了5G通信传输网络基站选址的难题。另外，海量的微模式基站建设，与各类低功率的节点部署位置的密集程度相关，海量基站的建设将会有不同。

室内5G小站组网实施难点

在进行5G智慧校园建设时，考虑未来10年，预计移动通信数据流量增加100～1000倍，其中约70%流量来自室内。目前，5G中高频段（移动：2.6GHz，电信/联通：3.5GHz，移动/广电： 4.9GHz）信号覆盖弱、宏基站信号难以覆盖至室内各个主播教室;传统的无源室分信号系统难以支撑5G的M-MIMO多天线技术。室内场景中5G小基站超密集组网，小基站数量会大幅增长。原来传统无源室分系统由功分器、耦合器、馈线、天线等组成，目前已建的室分系统不支持5G频段，系统升级面临演进难、实施难、成本高等的问题，同时，国内5G主要频段为2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz，相比4G主流频段，传输损耗和穿透损耗加大，难以通过室外覆盖室内。因此，小型基站更适合室分建设，小站由于信号发射功率和覆盖半径较小，单基站可容纳的用户数少，更适合小范围精确覆盖，小站采用多天线设置，可以根据不同的应用场景选用相应的小基站设备和网络建设模式，在满足覆盖的条件下提升系统容量。由于宏基站建网无法满足网络覆盖的广度和深度，小站可以作为宏基站的有效补充;小站设备大多采用市电交流供电，同时对机房等配套设施要求不高，容易部署，投资和建设的性价比高，部署的优势更加突出。