基于虚拟5G MEC的智慧校园建设*

孟军霞，陈 冰

（焦作大学信息工程学院，河南 焦作 454000）

校园信息化已从技术支持的教学辅助者逐渐转向为创新教学模式的推动者，面向应用的智慧校园建设模式已经不能满足新时代教学的需求，以人工智能、大数据、物联网、云计算、移动互联网融合创新发展的智慧校园建设开始走上舞台，虚拟5G边缘云计算 （Multi-access Edge Computing，MEC）作为现阶段高校智慧建设的网络部署方案，能够在成本和需求上达到一个平衡，是一种从根本上解决网络结构问题的方法。

1 传统智慧校园建设瓶颈

教育信息化1.0要求建设覆盖全国教育的管理信息系统，使教学和学习模式发生了深刻的转变，但在传统的数字校园建设中，教师和学生参与度低，教育模式是以 “教为主”而不是 “学为主”，距离实现 “个性化学习、差异化教学、泛在式学习、群智化学习、协作式学习”[1]的智慧教育模式仍然存在较大差距。

教育部制定并印发的 《教育信息化2.0行动计划》提出：“新时代赋予了教育信息化新的使命，也必然带动教育信息化从1.0时代进入2.0时代”。“通过实施教育信息化2.0行动计划，到2022年基本实现 ‘三全两高一大’的发展目标”[2]。教育信息化2.0要求从关注应用到人转变，要求建立互联网+教育大平台，创新融合云计算、大数据、5G、物联网等技术，而基于现有的网络结构逐步成为智慧校园发展的瓶颈，主要存在网络带宽不足、时延过大和算力不足等问题。

信息化2.0要求至少千兆到校、百兆到班，建立教育大数据平台，实现对数据的实时分析处理，满足诸如VR，AR、高清视频、人工智能、云计算等大数据分析的要求，而传统的数字化校园采用的传送网络光电复合模式出口带宽非常有限，内部网络往往采用网线布放或无线Wi-Fi模式，时延大且稳定性较差。随着三通两平台的建设和各种教学应用覆盖，海量数据已经远远超过智慧校园有限的处理能力，现有的服务很容易淹没在数据海洋中。

2 智慧校园2.0建设思路

为了破除智慧校园建设瓶颈，必须革新理念，通过研究新的网络技术发展，找到一个能够快捷、高效、较低成本的问题解决方案。

在接入层网络选择上，5G具有 “大带宽、海量连接、高可靠、低时延”的特性，100 Mb/s～1 Gb/s的用户体验速率、1 000 000户/km2的终端接入能力、毫秒级的端到端时延、每平方公里数十Tb/s的流量密度，以及99.999%的可靠性[3]，在智慧校园应用中明显优于4G和Wi-Fi等接入的网络性能。

在服务和应用部署上，MEC提供了一种全新的网络架构和开放平台，该平台在网络边缘整合了网络、计算、存储和应用的核心能力，通过在网络边缘部署各种服务和缓存内容，可以缓解移动核心网络进一步的拥塞，5G的大带宽、低时延、海量连接的特性，可以更快捷地实现视频分析、位置服务、物联网（IoT）、增强现实等功能。

MEC提供了一个新的生态系统和价值链，运营商可以授权第三方无线接入网络 （RAN） 边缘，使他们能够灵活、快速地向移动用户、企业、校园和垂直细分市场部署创新应用和服务[4]。

5G MEC可以有效解决智慧校园建设的瓶颈问题，如VR的实现。在传统智慧校园1.0中标配的多媒体教室解决方案中，低端计算机运行缓慢，带宽网速不能满足要求，系统软件老化，无法实现VR。而基于5G的MEC解决方案中，终端方面成本较低，现有电脑即可满足要求，有5G网络的地方就可以教学，使教学从室内走向室外；通过边缘云的部署，可以提供高GPU处理能力，满足VR的需求，资源可以共享，覆盖周边学校，学校无需维护从而专注于教学，可根据需要分配计算机，以满足教学应用；更多资源可以放在云端，丰富的素材资源促进家校沟通，提高家长在教学中的参与度。

3 5G MEC主流网络架构

目前，MEC网络架构的发展进度在不同设备厂家、运营商之间并不统一，侧重点也有差异。主流的MEC网络架构主要分为独立专网、混合专网、虚拟专网3种，根据网络定制程度，可提供特定区域覆盖、数据可靠传输、业务安全隔离、设备可管可控的基础连接网络，满足在组织、指挥、管理、生产、调度等环节的服务需求，见图1。

区分5G MEC的网络架构主要依赖5G网络切片技术。网络切片是将运营商的物理网络切分为多个逻辑网络，实现一网多用，切片使得运营商能够在一个物理网络之上构建多个端到端、虚拟的、隔离的、按需定制的专用逻辑网络，以满足不同行业客户对网络能力的不同要求 （如时延、带宽、连接数等），5G切片基于SA架构实现。

3.1 独立MEC网络架构

独立MEC网络架构的无线网采用独立的频谱、硬件资源，在核心网边缘云计算部分新建UPF，在用户控制部分新建AMF，SMF设备，这种网络架构适合于对安全性要求更高的本地闭环数据，如政企、党政军、电力、港口等。独立MEC网络架构的特点是性能高、效果好、价格高，适用于时延及本地化要求强烈的行业客户[5]。

3.2 混合MEC网络架构

混合MEC网络架构是在独立MEC网络架构的基础上，将投资较大的无线网、核心网用户控制部分通过5G网络切片技术在专网和公网间进行共享，在地理空间上可在靠近用户应用较为密切的UPF/MEC部署，如可放置在校园综合机房内与本地服务器同步部署。混合MEC网络架构性能高、灵活性强、性价比高，在具体实施上，可以有多种配置结构，满足一些特殊场景需求，如煤矿地下开采区域或园区密闭厂区，可采用专网5G基站+公网5G基站部署。混合MEC网络架构可以满足绝大部分智慧校园建设需求，适合校园规模大、学生多的场景[6]。

3.3 虚拟MEC网络架构

虚拟MEC网络架构无需投入硬件资源，完全采用运营商无线、核心及边缘云计算设备，如不采用云服务器，还可将本地服务器资源部署在运营商IDC机房或者租用运营商服务器设备，这种网络架构灵活性是最高的，在建设初期，在用户较少的情况下可以快速实现智慧校园从1.0到2.0的升级。

4 智慧校园5G MEC方案

在智慧校园2.0建设初期采用虚拟MEC网络架构，5G核心网AMF/SMF使用运营商核心网，核心网用户面网元UPF及MEC安装在运营商中心机房，无线网基站控制器 （BBU）安装在校园内中心机房（运营商或校方机房），线路考虑利用旧传输资源或新建光缆，宏覆盖采用现有校园5G宏站覆盖 （根据容量选择32T/R或64T/R），在用户较多的室内采用RHUB通过光缆与pRRU+定向天线连接实现5G信号覆盖。智慧校园网络架构见第129页图2。

4.1 5G MEC建设方案

5G无线网在智慧校园建设初期可直接依托现有4G网络站址进行规划建设，以河南某高校的5G无线网建设方案为例，该校东西长约1.8 km，南北长约0.8 km，在校生近4万人，现有4G物理站址11站，室分站址12站，已基本覆盖生活区、教学区、图书馆和其他活动场地。因采用切片技术，在保证智慧校园虚拟专网需要的前提下，还要保证公网用户的需求，因此宏站部分全部采用国内某公司的SA架构3.5 GHz 64T/R 320 W产品进行建设，室分采用pRRU 5961G 4T4R数字化室分建设，用于承载高速率、低时延、高可靠性的数据业务应用。

边缘云MEC系统选择共享部署，在运营商中心机房部署UPF+边缘云MEC云平台，UPF通过智能城域网与5G基站和5G核心网对接，通过内部网络和MEC互联，本地数据由UPF分流至MEC平台，MEC平台与校园专网通过防火墙隔离，后期随着MEC的部署，可为基于大数据的AI分析应用提供边缘计算能力，未来也可考虑将MEC+UPF部署到校园内机房，进一步提升性能。

图2 智慧校园网络架构

从业务安全角度看，核心网用户面采用切片技术，实现业务数据不出校园即可提供更高的安全保障。从商业角度看，虚拟MEC可以节省传输资源，尤其针对存在大量数据传输需求的视频类应用，能够实现数据在站点内的本地存储和运算，节省边缘到核心网和Internet的传输资源开销和商业成本。

MEC通过公开API的方式为运行在开放平台上的第三方校园提供无线网络信息、位置信息、业务使能控制等多种服务，为移动视频加速业务、AR/VR低时延业务、企业专网应用、需要实时响应的AI视频分析业务等提供支持。

4.2 校园应用部署方案

智慧校园可基于5G MEC部署多种应用，如VR沉浸式教学应用。VR技术的发展已实现了可携带、可穿戴的设备，让学生可以边玩边学，真正实现随时随地、沉浸式、趣味性学习，但VR对响应时延、刷新率、分辨率及图像质量均有非常高的要求，需要大量实时的高清渲染计算，导致VR头盔等设备出现价格增高、耗电量增大、待机时间短、卡顿、过热等问题。MEC通过将计算节点下沉到应用场景附近 （网关），将数据收集和分析的行为放到靠近用户侧，实现数据处理的边缘闭环，从而能够减轻网络传输压力并缩短数据处理的时间周期[6]，是实现VR教学应用部署的最佳方式。在网络结构上选择云VR+5G MEC的方式部署，相应地共享MEC结点应具备硬件运算及编解码资源，可为视频编解码提供GPU/VCA卡等硬件支持，见图3。

图3 智慧校园VR教学应用部署

云端实现数据存储和数据源功能，存储和分发教学数据资源，如虚拟实验数据、VR影片等，数据经过5G核心网后缓存在MEC中，MEC实现了数据的本地化处理，经过MEC加工的数据通过5G无线网络传输到CPE（用户前置设备，初期在5G无线模组尚未大规模上市前使用，后期VR设备可直接集成5G模组，真正做到随时随地VR），CPE通过将5G信号转换为WiFi和VR设备链接。

5 结束语

本文探讨了基于虚拟5G MEC智慧校园建设方案。MEC改变了传统集中云的工作方式，可以面向用户提供更加灵活的服务，而5G超低延迟和高带宽的特点使应用程序可以利用移动网络实时访问数据，虚拟MEC的网络架构基于5G网络切片技术在保证带宽、QoS的前提下大幅度降低了投资，将5G+MEC引入教育行业进行智慧校园建设的思路，恰好满足了智慧校园升级建设的需求。