边缘计算和WiFi6 技术在高校智慧校园建设中的应用探讨

2022-09-23李书琪黄厚双

电声技术 2022年7期

肖伟，李书琪，黄厚双，罗影

（成都航空职业技术学院，四川成都 610100）

0 引言

随着大数据时代的到来，教育信息化进入了新的发展阶段。教育部2018 年颁布的《教育信息化2.0 行动计划》文件明确指出：“信息技术和智能技术深度融入教育全过程”“充分利用云计算、大数据、人工智能等新技术，构建全方位、全过程、全天候的支撑体系，助力教育教学”“以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构”。这为今后一个时期教育信息化及校园网络建设指明了方向。

1 高校校园网络建设现状与存在的问题

我国高校校园网络建设经过近二十多年的发展，经历从网络连接的电子校园到信息化平台的数字校园，再到如今正蓬勃发展智能管理的智慧校园。其基础设备和网络结构基本都处于保持原来未变或者适当更换维修的状态，在目前大数据量、多业务平台、多用户数的情况下，经常出现网络拥堵、设备故障等问题；高校监控系统、门禁系统、一卡通系统、广播电视系统以及科研系统等多系统、多协议的非结构化数据日益增多，对后台算力、存储等的要求急速增高。特别是自疫情以来，越来越多的高校采用高清视频和在线课程进行教育教学，互动教学、慕课等线上教学模式更加普及，自带设备（Bring Your Own Device，BYOD）的教学类应用已逐渐成为主流且有继续扩大化趋势，无疑对现有校园网络建设提出新的挑战。

以笔者所在高校为例统计，学生通过笔记本电脑、手机上网的占比2/3 以上，日均无线流量达到707 MB。在网络场景中，视频和移动应用的流量已经超过总流量的70%。随机抽查微信使用移动网络和无线局域网的流量情况，如图1、图2 所示。

图1 微信使用移动网络流量统计

图2 微信使用WiFi 流量统计

由此可见，在未来智慧校园网络建设中，势必要提升网络运行能力和计算力才能够满足接入更多类型的终端设备，才能匹配高并发、大宽带、低延时和多业务的应用需求。因此，在智慧校园建设过程中，需要对现有网络架构和设备进行升级改造，研究新技术手段，才能解决上述瓶颈问题。

2 高校智慧校园建设中网络通信模式与数据计算方式选择

智慧校园建设中网络通信能力和计算力成为两大关键问题。借助新一代网络通信技术和数据计算技术破解难题的过程中，如何选择出适合智慧校园建设实际需求的技术方案尤为重要。

2.1 WiFi6 与5G 网络通信技术在智慧校园建设中的适应性分析

第六代局域网无线技术WiFi6，采用802.11ax通信标准，支持2.4 GHz 和5 GHz 频段，传输速率可达9.6 Gb·s-1，主要应用于室内场景，具有高带宽、低时延、泛联接以及区域隔离的保密性等优势［1］；采用OFDMA 和MU-MIMO 技术实现了对多设备连接的支持，单个WiFi6 路由器能连接1 024 台设备，并保证每台设备的网络体验。安全方面，采用加密协议WPA 3 提高了安全性。

第五代移动通信技术5G 属于广域网技术，其内核与WiFi6 同样都采用OFDMA 与MU-MIMO 技术，让单接入点（Access Point，AP）的带宽提升4倍，接入容量提升4 倍［2］。5G 具备覆盖范围广、可支持高速移动环境等优势，主要以室外覆盖为主，兼顾部分室内浅层覆盖。

5G 与WiFi6 都属于新一代网络通信技术，其总体性能相当［3］。还需要从应用场景进一步深入分析。尽管5G 和WiFi6 的应用场景有较多的相似之处，但WiFi6属于局域网技术，主要应用范围在1 km之内，适合高密度场景应用。而5G 相比WiFi6，移动性优势明显，在局部区域内很难做到全面覆盖，更侧重对广域网设备的支持，在室外高速场景下的优势更加突出。

高校智慧校园建设更多面向解决教室、宿舍、食堂、图书馆、实训中心等室内场景的数据传输问题，终端类型以机器与机器（Machine to Machine，M2M）、PC 以及移动终端为主，具有较大业务量，需要有充分的网络覆盖能力，而对移动性要求相对不高，同时网络使用者需要对网络具有一定的控制权，在建设、使用成本费方面需要进行控制。综上不难看出，在智慧校园构建中，通信网络方式采用WiFi6 更为适合。

2.2 边缘计算与云计算运行方式在智慧校园建设中的适应性分析

边缘计算和云计算都是处理大数据时的一种计算运行方式，它们之间互为补充关系［4］。云计算是采用共享计算设施、存储设备及应用程序等资源的计算模式。边缘计算则有别于传统中心化的云计算，将数据处理、应用程序运行、部分功能服务由中心节点“下沉”至网络边缘节点，在靠近终端数据源处就近进行计算处理。

边缘计算主要对海量数据直接在设备端或边缘服务器中进行处理，缓解云数据中心的压力。边缘计算使数据就近处理，服务的响应性能和可靠性提升且高效、安全。因此，边缘计算更适合实时数据的分析和智能化处理。

高校智慧校园建设的首要任务就是保障海量的日常教学科研、实验实训以及办公管理数据的储存、处理和分析。面对众多学生、教师、管理人员以及校外人员等的访问任务需求，如果完全采用云计算的方式，无疑会造成云计算数据中心压力倍增。网络通信能力一旦跟不上，将会导致网络时延、设备损耗故障等问题。事实上，有相当一部分数据处理任务完全可以在校内完成，无需通过云计算解决，可以避免造成云计算资源浪费。在智慧校园建设中，通过采用边缘计算为主、云计算为辅的计算运行方式，不但可以提升智慧校园的网络支持能力、数据处理能力以及信息化服务能力，还可以减少通信成本与计算成本、降低能耗、确保数据安全。

3 基于边缘计算和WiFi6 技术的智慧校园建设解决方案

基于上述分析，本文提出一种基于边缘计算和WiFi6 技术的智慧校园建设方案，整体架构如图3所示，主要由感知交换层、接入管理层、分析展示层及数据存储层组成。

图3 智慧校园建设技术方案物理拓扑图

感知交换层包括高校的各类应用场景及相应终端的各种硬件设备。概括而言，包括智慧教学场景、校园管理场景及教学管理场景共三大场景。

接入管理层用于实现终端数据的反馈和控制信号的上传、下载、管理，主要通过物联网平台进行统一的设备管理，实现设备终端统一入网管理、远程终端升级、权限统一分配管理以及统一运维管理，同时打通学校内的各个业务管理系统，通过物联网平台实现多业务的平台聚合。

分析展示层用来对感知层终端所汇聚起来的数据进行管理、分析和展示，对校内情况进行综合化、智能化、可视化的管理，进行校园能耗管理展示、校园安全管理展示、综合环境管理展示以及GIS地图式校园管理展示等。

数据存储层对所有的终端设备、边缘技术设备、业务系统、大数据分析等产生的数据、日志、控制文件、展示内容（图片、文本、数据库等）提供存储空间，建立基于全校范围的管理知识服务中心。

通过上述四个关键层级进行分层管理，能够较好地适应智慧校园建设的需求，提升计算服务能力，提高网络稳定性，保障内部数据安全性。

4 基于边缘计算和WiFi6 技术的智慧校园未来应用场景

边缘计算和WiFi6 组合的技术方案，能够高效地收集数据，及时地分析数据，可靠地管理数据，使得智慧校园建设具有更广阔的应用场景。

4.1 智慧课堂教学

智慧教室是智慧校园的重要组成部分，涉及看、听、说、传等功能。智慧教室主要教学设备包括投影、电子屏、互动教学问答器、考勤电子设备、监控设备、语音设备以及环境系统的灯光、空调、门窗等智能控制设备。这些设备多维度的数据需要进行及时分析，反馈给学生、老师以及相关管理者，以便有效地帮助学生掌握学习进度，帮助老师观察课堂情况，帮助学校有效地改善教学管理［5］。利用WiFi6 的高传输、低延迟、多并发特性来构建无线局域网，通过“连接+计算”基础设施，能够实时地将碎片化和差异化的数据传输到对应边缘服务器，通过边缘计算提升计算资源利用率。

4.2 智慧生产实训

随着仿真系统AR/VR、移动录播及互动教学的兴起，需要无线网络提供高并发、大带宽、低延时和多业务的应用。有了WiFi6 网络，可以灵活组网，形成“机器-网络-边缘-使用”的整体架构。未来实训生产可以直接利用无线终端随机接入系统，现场组网成“机房”，方便学生实操。

4.3 智慧校园生活

校园一卡通大量采用NFC、二维码、人脸识别进行支付交易和身份识别工作。手机、平板电脑等设备作为边缘计算节点，对交易过程、个人数据展示内容以及数据传输全过程进行加密、解密，以WiFi6 和有线通信作为互为冗余的数据传输通道，使用互联网平台及物联网平台，能够将全校的人、机、物互联互通，实现感知校园的管理目标。