基于5G移动通信网络架构的研究以及在校园中的应用

（甘肃政法大学，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

5G移动网络技术的飞速发展已成为社会的潮流，它的高传输、低延迟使得社会大众对它热衷。5G不同于3G和4G，它是一个真正意义上的移动通信与互联网的深度融合，为互联网解决了不少疑难问题。随着5G技术的发展，它的新技术已应用于很多领域，例如人工智能、人脸识别、自动驾驶、智慧课堂等。本文探讨了5G移动通信网络在校园中的应用。

1 5G移动通信网络的架构

1.1 5G移动通信网络的架构简介

5G网络是继3G、4G的第五代移动通信网络，它的传输速度可达20 Gb/s，相当于4G网络传输速度的10倍以上。随着大数据的来临，5G的发展进程也是日益加快，在高通、华为等的引领下，进入了5G时代。5G时代给人们的生活增添了许多色彩，一些新技术的应用为人们解决了很多困惑和疑难。

5G网络通信技术的应用使得政府、企业、学校等体验到了前所未有的便捷和高效。5G网络的传输速度特别快，尤其是一些文件的传输，压缩文件的传输比以前更快；它的传输稳定性也较好，较之前不会出现传输过程中丢失信息等；高频传输技术也很突出，在网络速度方面，要增加传输速度就得增加高频率，在高频率问题上，5G网络就解决了这个问题。

在5G网络中，很重要的一部分就是网络切片。为了使5G网络应用到多个环境里，将5G网络切开，按照应用环境划分成许多块逻辑网络。不同的逻辑网络，应用于不同的网络。例如将网络分成5个切片，切片1是自动驾驶，切片2是智能手机，切片3是人工智能，切片4是物联网，切片5是其他。下面就5G网络在校园中的架构做以简单描述。

5G移动通信网络在校园中应用的架构如图1所示。

图1 5G网络在校园中应用的架构

网络架构主要分为两部分，一部分是5G的接入网和核心网，另一部分是中心接入。在接入网和核心网中，最重要的是它的核心云和边缘云，在核心云中有5G核心用户和5G核心控制，核心用户是存储客户信息的大型数据库，而核心控制是指令发布者，指挥着5G网络中的各项服务运行。核心云经过回传到边缘云，边缘云主要包括MEC和CU，然后经边缘云传到DU，再经DU前传至AU，最后AU可通过基站连接到大规模MIMO、400 MHz带宽的毫米波和大规模聚合，这些模式的传输速率可达到20 Gb/s。

在中心接入中，AU可通过基站接入到中心交换机。中心交换机相当于5G应用中的一个中心平台，中心平台能够直接接入邮件服务器、OA服务器、VOD服务器，这些服务器可接发邮件，实现办公自动化，进行视频点播服务。中心交换机还可通过路由器的转换经过防火墙接入DNS服务器，获得网络中主机的域名和IP地址。通过防火墙也能够接入到校园局域网中，如校园中的教学楼、办公楼、实验楼、图书馆、信息楼等。

核心云和边缘云中都涉及到NFV。NFV是网络功能虚拟化，它采用网络的虚拟服务，基于硬件设施实现通信功能节点的软件化，是通信网络的基础技术。在5G网络中，还有一个与NFV并肩的是SDN软件定义网络，它被用来控制平面和转发平面解耦。SDN是网络技术，主要应用于5G网络中的承载网；而NFV是计算技术，主要应用在5G网络中的核心网和接入网。

1.2 5G移动通信网络协议

5G移动通信网络协议是指终端和客户端完成5G通信服务所要遵循的规定和约定。

协议定义了数据单元使用的格式等，信息单元包括信息、定义、连接方式等，能够保证网络中的数据顺利传输到确定的地方。5G通信协议主要有用户面协议、控制面协议、数据面协议。控制面协议和数据面协议如图2、图3所示。相比于4G的空口协议，5G的变化不大。在用户面协议，5G空口用户协议栈多了一层SDAP。SDAP协议定义于TS37.324，PDCP定义于TS38.323，MAC定义于TS38.321。数据面的整体协议也多了一个SDAP。

图2 控制面协议

图3 数据面协议

1.3 5G移动通信网络编码

5G移动通信网络编码在其发展进程中有过一段争议，最后采用了Polar码。当人们用手机刷朋友圈、看视频时，数据会通过无线信号在手机和基站之间传递，有时会受到无线的干扰，覆盖面弱。手机发送的数据和基站接收到的数据会有不一致的状况，为了纠正，移动通信引进了信道编码技术。5G信道编码技术需要支持更广泛的码块长度和更多的编码率，而Polar码和LDPC码在计算复杂度上优于Turbo码，所以采用Polar码和LDPC码。在5G编码应用中，控制信道采用Polar信令信道编码方案，在业务信道采用LDPC数据信道编码方案。

1.4 4G网络到5G移动通信网络的演变

5G移动通信网络是从4G网络演变而来的，空心和核心网的变化特别明显。在网络架构方面，5G与4G相比最大的变化就是核心网和接入网的分离变得模糊了，在接入网中，主要是面向5G，CU和DU的两级架构被大众认可。这一网络架构与无线网络的结合构成5G C-RAN的两个基本要素。核心网的一部分应用功能以MEC边缘云的方式，下发到靠近用户的基站，已达到缩短时延的效果。把原来的BBU中物理层下发到AAU中处理，把实时性需求高的物理高层、MAC、RLC层放在DU中处理，把实时性低的PDCP和RRC放到CU中处理。5G的核心网络还采用SBA架构，把原先的具有多个功能的整体分成多个独立功能的个体，这些个体都能够实现各种服务。

2 5G移动通信网络涉及的新技术

2.1 人工智能技术在5G移动网络中的应用

人工智能（AI）是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。在人类编译的程序运行下，AI可以解决人们在科学领域和生活中遇到的疑难问题，比如大量的数据计算和数据分析等。人工智能还可以优化计算机系统和通信网络，随着5G技术的引入，它具备了更强的场景感知能力，能够对场景感知进行快速回应，然后提供网络执行策略或预测。在校园中应用人工智能，从早晨到夜晚，使用5G网络通信设备可以简单地设置所需的模式。5G技术在人工智能领域的应用比比皆是，由于它大容量存储数据和传输速度快，使得人工智能的感知反应更加迅速、便捷。

2.2 人脸识别在5G移动网络中的应用

随着计算机技术的发展，图像处理技术已应用于各个领域。在人脸识别中，可以对用户的身份进行验证。人脸识别是根据人的脸部特征对人身份识别的技术，其方法是先在用户端存储用户的照片信息，然后确定拍摄到的人流图片或视频是否出现人脸，出现人脸的话，收集人脸的特征信息，接着与之前存储的人脸信息进行对比，最后确定身份信息。人脸识别系统可以广泛应用于机场、学校、银行、海关等各个领域。由于许多人脸识别系统都是在离线状态下运行，需要大量计算，因此云模式的人脸识别发展得很快。云模式的人脸识别是基于云计算服务下的程序，在APP端或微信端等都可以把人脸照片传输到服务器，在服务器中完成识别，将结果传输到客户端。尽管如此，云模式的人脸识别还是速度慢、延迟大，影响了人脸识别的效率。5G的引入给人脸识别搭造了一个新的架构，它的移动边缘计算在无线接入网内提供存储、计算、服务等功能，能够实现传统网络架构不易完成的功能。5G的新型构架给云模式下的人脸识别系统提供了新的技术，使得人脸识别的速度和准确性增加，也大大节约了整体的成本，同时也促进了5G的新型应用。

2.3 虚拟VR在5G移动网络中的应用

VR是虚拟现实的意思，它利用计算机技术给人们制造出一个身临其境的三维空间视觉体验。该技术集成了计算机仿真、人工智能、传感技术、高速计算等技术，是一种以计算机作为辅助的高技术系统。在VR中，它收集大量的图片和视频，通过建模、投影等形成一种虚拟模拟环境，然后通过感知终端和显示终端让人眼接触。当然，这对终端的配置要求很高，要做到音频和视频协同，VR的头盔、眼镜、手柄必须符合标准。分辨率对VR的影响也是很大的，分辨率低会导致人眼体验时出现眩晕等，其主要的原因是MTP时延长、帧率低。5G技术的引进，为VR应用部署了网络切片，为VR提供带宽、时延等保障，对终端摄像头视频的采集上传提供了高速带宽，对图像的预处理做了边缘计算处理，优化云端数据到显示端的传输，减少时延。同时，在显示端通过5G通信使用无线网络连接，直接传输画面，实现了快速、便捷的功能。

3 5G移动通信网络技术在校园中的应用

3.1 校园网络速度的有力提高

随着校园网的发展，网络需求越来越大，逐渐依赖于网络的带宽、速度等。为了满足校园网的需求，许多高校引进了5G移动通信网络。引入5G网络主要是建设5G+MEC的智慧校园，使得师生们在学习、工作、生活中获得更多的便利和服务。因为5G移动网络的基站在外部，对室内的传输效果不好，但是无线网络可以解决这方面的问题，它具有良好的穿墙效果。校园网由于局域的限制，传输速度慢、带宽小，所以为了综合建设智慧校园，在5G基站以无线网的形式连接到校园网，使得校园网的速度效果更好。

3.2 仿真实验室建设的完善

5G移动通信网络在校园中的应用比比皆是，在仿真实验室，它所进行的各项实验操作都是建立在无限接近于真实环境的模拟场景下，进行仿真实验。它应用计算机的仿真软件系统，还有三维图形建构进行软硬件交互，做出一套模拟实验的操作系统。仿真实验室大多在高校和实验室用来做教学任务，主要涉及物理、化学、生物等领域。在国外，仿真实验已经在手术等方面被研究。但是实验操作中还是有些不尽人意，随着5G网络的引入，为仿真实验室搭建了新的架构，5G的高速传输功能使得在仿真实验的运行中出现的误差更小，能够得到更准确的实验结果。5G的虚拟服务应用在仿真实验中，也会使得实验者能够产生更真实的实验场景，以便于实验者开创出新思路。

3.3 教学管理的高效性

在教学管理方面，5G移动通信网络的引入为教师们减少了一些压力。针对智慧化教室平台的建设，5G移动通信网络可以提供高速网络服务，使得师生们能够更好地在线上交流，不会出现以往的网络卡顿现象，还能够清晰地观察到对方的面部表情特征。教师们可以不用到教室里就能够对学生们实时监控，同时也可以发出指令给学生，让学生有效地完成任务。在监考人员不充足时还可以实现无人监考模式等，这会节省很多时间和成本。

3.4 学生安全的管理

在学生的安全管理方面，5G移动通信网络起到很大的作用。不管在校园的室内还是室外，通过5G服务连接的云摄像机可以提供学生们的实时情况，为学生的人身安全和财产安全起着一定的预防作用。当个人受到损失时，凭借着5G的低延迟功能能够快速地分析视频画面，找到所要寻找的人员。5G移动网络的引入还可以使校园检测系统能够更快速更准确地分析出被检测人员是否是该学校的师生，对人体的体温的感应也更加灵敏。当识别出不是该校的师生或者体温异常时会发出警报，同时也会将数据发送到终端，终端的管理者通过5G网络通信就可以收到数据。

3.5 教学科研平台

在教学科研方面，主要涉及到5G移动通信网络中的切片技术。5G移动通信网络的切片技术在一个物理层上可以构建一个专用的、按需的网络模块，这些网络模块只提供给专用的部门，既保障了高校的隐私数据资料，又在不同业务同时工作时保证重要工作先行进行。还可以利用5G嵌入模块进行配置模式，支撑5G下的创新技术，来满足教学、科研等服务。

4 结 语

当前，随着5G网络的广泛应用，生活中已经完全离不开它了。5G网络拥有传输速度快、带宽高、低延迟等特点被应用于各个领域，在校园中的应用也是必不可少的。虽然4G和5G中间差着一个G，但是在5G的道路上它还需要很多的改善，比如基站的成本太昂贵，还有对基站的保护不够等，这对于校园引进5G有一些细小的阻碍。但是总的来说，5G网络的发展有着巨大的潜力，尤其是在人工智能、自动驾驶、物联网、远程手术、云存储等方面，5G网络是其中坚力量，这将为人们的网络生活提供可靠、便利的保障。