5G在智慧校园建设中的应用

2021-04-20王昕丁勇高毅

电子技术与软件工程 2021年3期

王昕丁勇高毅

（云南师范大学文理学院云南省昆明市 650222）

1 引言

2010年，南京邮电大学宗平教授在题为《智慧校园设计方法的研究》的论文中首次从物联网技术的角度提出了“智慧校园”概念，指出智慧校园项目建设是借助物联网等新一代信息技术，建立一个开放的、创新的、协作的和智能的综合信息服务平台，实现教育信息资源的有效采集、分析、应用，实现人与组织更加智慧、高效、灵活、及时的交互方式，为教师、学生和管理者提供基于角色的个性化服务，提高校园信息服务和应用的质量与水平，形成互动、共享、协作的学习、工作和生活环境[1]。还有专家综合多个领域维度强调，智慧校园是以学习者的创新型发展作为核心目标，将新一代信息技术作为工具和手段，全方位整合校园信息资源，以既包含教学科研等核心工作又涉及安全、后勤、管理、创新创业等的全覆盖应用，创设一种能全方面感知校园环境，个性化识别学习者特性和学习情境，为学校教学、管理决策提供决策支持，是教育信息化的高级形态[2]-[3]。随着物联网、大数据、云计算、区块链、新一代人工智能等新兴信息技术在高校中的广泛应用，智慧校园不再是抽象的概念，它已经进入了实施并日趋成熟的阶段。基于上述新技术的应用层出不穷，正在改变着学生、教师们的生活和学习方式。

2 智慧校园需求分析

教育的主体是学生。智慧化教学、智慧化生活是学生对智慧校园的基本需求。因此，智慧校园建设必须紧紧围绕“服务于学生”这一核心进行。2020年秋季学期，在云南师范大学文理学院内，通过发放电子问卷的方式，约300 位学生对智慧校园的需求主要集中在如下方面：

（1）能提供流畅的线上教学资源：包含视频、直播、点播、回放及与教师的互动；

（2）实时获取教学设施占用情况，以便于安排学习和出行计划；

（3）稳定而高效的通信质量。

教师和管理人员对智慧校园的需求主要有：

（1）提供流畅的线上教学；

（2）学生学习数据的采集。例如出勤率、教学成果测量；

（3）统一的学校信息系统；

（4）能提供校园设施监控，最大限度实现远程管理甚至自动调整；

（5）能远程办公。

下面将围绕上述需求对校园基础网络建设进行一些探讨。

2.1 线上教学

线上教学虽然有很多优点，但对校园网络环境却提出了新的挑战。在前文所述的调查中，对于非实验课程，超过90%的学生更愿意使用手机或平板参与线上教学。网速和流量成为学生们最为关注的两项指标。多数学校建设有校园局域网，在宿舍内能够使用有线网络，在教室则使用Wi-Fi，校园局域网能够满足校内资源的访问，如图书馆、校内MIS系统、校内BBS等。然而仅仅使用学校内部资源，已经无法满足学生对日益丰富的线上教学资源的需求，学生需要访问因特网。此外，访问腾讯、钉钉等平台也要求能够接入因特网。一些学校采取的方法是配备因特网出口代理服务器，校园网用户可以通过代理服务器访问因特网。这种方法所带来的问题主要如下：

（1）学校的因特网出口往往带宽较窄，而学生上课时间较为集中，并发需求大，某些时段容易出现出口拥塞从而影响教学效果；

（2）通过教育网节点接入到因特网，访问没有教育网镜像的资源时网络指标不佳，从而影响教学效果；

（3）学生通过因特网访问因特网上的非教学资源，挤占因特网带宽。

这个问题虽然可以通过设置黑白名单来加以控制，但随着在线教学资源的来源越来越多，设置黑白名单几乎成为不可能。

2.2 校园管理

校园管理智能化主要的应用场景包括：

（1）体温检测。学校人员众多，活动时间集中，在人流密集的情况下要迅速发现体温异常人员，如果依靠传统的体温枪测量方法效率很低。在教室、食堂和宿舍等人员较集中的场合安装热成像测温仪，结合人脸识别技术，能够自动发现体温异常的人员并做出提醒。

（2）人员和车辆进出管理。很多高校都加大了对进出校园行为的管控，例如学生外出需要提前申报，进（出）大门时需凭借进（出）门条；人员和车辆需凭工作牌（证）进入校园。

（3）人流量控制。例如，错峰上下课、就餐，流动路线管控等等。这些措施提升了校园安保人员的工作量。对于某些非封闭式校园，只能加派人手进行巡查。管理成本大幅提升的同时，工作却难见成效。通过部署RFID门禁、基于人脸识别的监控设备等智能安防设备，并与企业微信、OA、学生管理系统等进行整合，可以更有效提升安保工作效率。校园后勤管理中，传统的水电使用，教室和宿舍管理等，也能依托物联网进行升级改造，逐步实现智慧化管理。

另外，此次调查中，对学生在校学习和生活的关注意外成为不少家长的需求。传统的监控设备固然能够采集到校园图像，但因为监控设备无法与公共通信网进行互联，身处校外的家长难以实时获取。

3 基于5G网络建设智慧校园

3.1 5G简介

5G，是第五代（5th Generation）移动通信的简称，法定名称IMT-2020。与前面几代移动通信技术相比，5G 主要在以下几个方面实现了提升：

（1）流量密度达到10Tbps/km2

（2）连接密度达到1M/km2

（3）无线接口往返时延达到1ms 以内；

（4）支持500km/h 的终端移动速度；

（5）能效达100X（达到4G 的100 倍）；

（6）用户体验速率达到0.1-1Gbps；

（7）峰值速度可达到10Gbps。

简而言之，对用户来说，5G 带来的是更快的数据传输速率、更高的终端移动速度、更丰富的终端种类以及更细化的业务管理；对于运营商来说，5G 能够支撑更多数量和种类的终端同时在线，能够开发对数据传输速度要求更快的业务，同时对能源的使用效率更高，符合日益提升的环保要求。它能从线上教学和校园管理两方面对智慧校园建设起到支撑作用。

3.2 线上教学

传统流媒体对带宽的需求不高，慕课一般最多提供1080P 级别（1920×1080，水平1080 线，逐行扫描，行频为67.5kHz）的高清视频流，以24 位真彩色画面来计算，无压缩的情况下产每秒钟产生的数据量为

1920×1080×24 ×67.5×1024÷1080=3,185,049,600bit=3037.5Mbit

假设以H.265 压缩标准，按500：1 的压缩比对信号源进行压缩，对带宽要求约为6Mbps，4G 网络足以满足要求。然而在教学实践中，1080i 级别视频流视觉效果较差，因此将来提供4K 级别画质的慕课资源势在必行，对带宽的需求将达到约30Mbps。4G 网络理论最高下行速率虽能达到100Mbps，但考虑到教学时的并发访问，实现流畅播放有一定难度。5G 网络的用户体验速率能达到0.1-1Gbps，流量密度达到10Tbps/km2，完全可以满足上述需求。

除能满足高品质慕课要求外，5G 的高可靠和低时延，也为师生之间，学生之间的实时线上互动提供了有力支撑。

另外，近年来从中央到地方教育部门政策和资金上对虚拟仿真实验室建设进行大力支持，虚拟仿真实验室的推广，提升了设备利用率，对教育不发达地区或资金匮乏的学校教学带来了福音，也对这类学校的校园网提出了新的要求。其中有的学校开通的是基于VR 的智慧实验室。根据华为2016年发布的技术文献，入门体验的VR 点播业务,带宽要求约为100Mbps，直播业务可稍低（注：直播基于UDP，对时延不敏感，因此带宽要求稍低），但也达到83.2Mbps；进阶体验阶段的点播业务带宽要求约为418Mbps，直播业务带宽约为361.4Mbps[4]。这么高的网络带宽要求，遑论4G，甚至Wi-Fi 网络都无法满足。当然，可以通过部署光网络来满足上述需求，但光网络机动性不强，难以满足需要终端移动的场景。只有在校园中部署5G 网络，才能解决这一问题。

3.3 校园管理

智慧校园建设除要满足教学上的需求之外，还必须考虑校园管理对网络的需求。早期的物联网设备如烟雾报警器、自动喷淋灭火装置、食堂刷卡机、监控探头等物联网设备已经在几乎所有高校中都得到了使用，教室灯光自动控制、自动感应水龙头和校园植物养护自动设备、人脸识别考勤机和门禁系统为教学和后勤管理带来了很多便利，也节约了大量成本。热成像测温仪、无接触售卖机，声控电梯等。这些物联网设备的数量庞大，能达到10000 个/km2，有高密度数据传输的需求。它们诞生于不同的时期，遵循着不同的技术标准，每套系统内的设备虽形成了相互协作的网络，但却是一座座“信息孤岛”。由于网络指标不同，如720P 视频监控每台带宽要求约为2Mbps，时延在400ms 以下；非图像类物联网设备网络带宽要求约为50Kbps-200Kbps，但时延在100ms 以内。巨大的指标跨度使得无法共享网络层设备，一方面造成了设备和人力的浪费，另一方面则难以从全局上整合校园所有物联网设备，更好地发挥它们的功能。学校当中业已存在的各类MIS 系统，也存在着类似的问题。前文在需求调查中所提到的家长实时监控要求，依靠传统的校园监控方法难以满足，目前电信运营商所推出的基于4G的“天眼”业务，则由于技术限制无法做到高清图像实时转发，影响了业务的推广。

对已经在使用的物联网进行改造，是一件难以完成的任务，涉及到硬件的升级甚至替换，以及软件平台的整合。即使能够完成，很可能也是得不偿失。因此建议除非确有需要，否则只考虑后续物联网的建设问题，注意做好规划和顶层设计后再行建设。5G 诞生的最初目的除了语音通信和上网服务外，更主要的功能是用于物联网，甚至专门为物联网应用定义了一系列的技术标准（3GPP 的 TR 38.825）。考虑到5G 技术支持多种类、大数量、高密度终端接入，无疑是智慧校园建设中基础网络的首选技术。其中5G 所特有的“网络切片”（Network Slicing）功能可视为支撑智慧校园建设的最重要技术。

3.4 网络切片

网络切片是1 到4G 移动通信所不具备的功能。根据3GPP 的定义，网络切片是一个概念，允许根据每个租户需求进行差别化处理。通过分层，移动网络运营商可以将客户视为属于不同租户类型，每个租户都有不同的服务需求，这些服务要求根据服务级别协议（SLA）和订阅可使用的“业务片”来管理[5]。图1 是网络切片功能示意图：在5G 网络中，不同的应用可以共享网络，尽管其底层的设备种类不同，只需通过把一张网络的承载能力进行“切片”，并不妨碍以不同的带宽、时延、丢包率等指标进行数据传输。

图1：网络切片功能示意

也就是说，移动运营商可以根据智慧校园需求对业务进行分层，把校园中对网络性能要求不同的各类业务区分为不同“租户”，线上教学、物联网通信层设备以及MIS 系统可使用同一张物理承载网络，利用网络切片进行差别化处理。在3GPP 的技术标准中，目前支持最多8 类用户设备的切片[5]。

在具体实施中，运营商已定义了一些常见业务类型[6]，这些业务类型在业务流量模型（即点对点、点对多点、多点对多点）、带宽需求、时延需求、业务可靠性、业务安全性等方面进行了区分。例如，线上教学可使用“媒体直播”、“VR 教育”场景；校园后勤管理可使用“智慧安防”场景，MIS 系统则视为普通的Http 应用处理即可，学生基于网络的娱乐需求也能够得到满足。总而言之，只要能够定义出需求指标，运营商就能够切出相应的业务片。

值得注意的是，网络切片并不只是基础网络按需配置，它还包括一系列上层的策略，如安全策略。学校内部具有私密性的数据，如图书馆数据资源、实验室数据，MIS 系统中所产生的一系列数据等，在过去通常使用VPN 的方式来保证安全。在实际的使用中，要安装特定的客户端，有时还需记忆IP地址，造成极大的不便。另外，近年来很多高校扩大了规模，拥有多个校区，不同校区之间的系统通信不便，引入网络切片有望解决这一难题。

4 建设难点

当然，事物都是一分为二的。基于5G 网络建设智慧校园，也必须考虑下面这些问题：

4.1 基站建设

5G 频段范围主要有3 个：中国移动的2.6GHz 和4.9GHz，中国电信和中国联通的3.5GHz，电磁波波长约为10 厘米左右，绕过障碍物的能力非常差，衰减也很快，必须建设大量基站才能完成通信。按照目前的技术，在学校这样的人员和设备密集地区，大约每隔300 米就需建立一个基站，场地占用和电力消耗都是很大的问题。将来引入毫米波频段后，这个问题会更加突出。

4.2 业务流量

学生是价格敏感客户群体，流量指标是他们决策的首要依据。

4.3 隐私问题

物联网设备通常会采集一些个人敏感数据，例如人脸信息、移动支付数据、个人医疗数据，甚至消费习惯等等。当代大学生维权意识很强，当这些数据暴露在因特网上的时候，他们会有种种担忧甚至抵触行为。

上述的三个问题中，第一个问题可以说是5G 的先天问题，没有办法规避，只有随着技术的进步而降低其设备尺寸和能耗。针对第二个问题，现在运营商通常都有针对学生的大流量套餐，将来随着线上教育的推进，还会有更加优惠的解决方案提供。针对第三个问题，网络切片能在一定程度上提供解决方案，加上一些第三方的网络安全设备，基本能够从技术角度保护隐私，但更重要的是学校和运营商必须从管理机制上保证数据的安全。

当然，目前还有5G 专网的解决方案可供选择，专网分两种，一种是分配专门的5G 频段给特定用户。由于无线电频率是非常宝贵的资源，需付费使用，因此这种方法不适用于智慧校园建设，主要用于行业客户；另一类是利用切片技术对数据分流，将用户的数据直接传送到用户的内网，在终端到基站之间通信使用的是5G 网络，内网数据不上核心网。此方法的问题在于需要安装分流设备，该设备目前成本昂贵，难以推广。