基于5G的高校双域专网设计与应用

2023-06-25杨文钟机灵黄锦捷周武装

电脑知识与技术 2023年13期

杨文钟机灵黄锦捷周武装

摘要：随着5G网络技术发展，对进一步推动5G等新技术与教育的融合发展，营造“人人可学、时时可学、处处可学”的智慧学习环境，以“双域访问、隔离使用、独立计费”的设计思路进行5G校园双域专网建设与应用，期望充分利用5G技术超高速率、低时延、低功耗、大规模连接、高可靠性等特点，与人工智能、大数据、物联网等技术深度融合，构建标准化、信息化、数字化和智能化为一体的新型高校智慧教育教学新生态。

关键词：5G；校园网；大数据；物联网

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）13-0088-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

随着5G技术的日渐成熟，对进一步推动5G等新技术与教育的融合发展，营造“人人可学、时时可学、处处可学”的智慧学习环境，实现从大规模标准化培养向大规模个性化培养的跃升。2020年3月，国家发改委、工信部印发了《关于组织实施2020年新型基础设施建设工程（宽带网络和5G领域）的通知》，明确重点基于 5G、VR/AR等技术，探索 5G 在远程教育、智慧课堂/教室、校园安全等场景下应用，重点开展 5G+高清远程互动教学、AR/VR 沉浸式教学、全息课堂、远程督导、高清视频安防监控等业务[1]。加强5G教育应用探索，探索5G教育应用的典型场景，研究5G时代教、学、评的典型模式，是促进5G时代智慧教育新生态构建的基础。5G在教育领域的广泛深入应用，技术赋能教育创新的成效将进一步凸显。

5G等新技术迅速发展，助力学校数字化转型的同时，也对网络及安全等基础设施提出了更高要求。河源职业技术学院（以下简称河职院）为河源市唯一高职院校，按河源市打造千亿级电子信息产业集群人才需求，开设了移动通信、工业设计、人工智能、电子信息等相关专业，为满足校园管理、专业建设及人才培养需求，亟须建设基于5G的高校双域专网。

1 5G专网需求分析

校园网目前主要以校内有线局域网、Wi-Fi、VPN方式接入为主，为广大师生提供对应校内应用及网络需求[2]。2021年以来，随着5G SA网络商用后，各高校先后向运营商提出了为其实现SA 2B2C业务应用的迫切需求，2B2C融合专网逐步成为各大院校的共性需求。经调研，目前校园网存在的主要问题为：

1）在人员密度较高区域（如图书馆、食堂、体育馆等）的Wi-Fi访问速度慢、体验差，且存在安全隐患。

2）对于时延要求较高的应用（比如高清监控、视频会议、AR/VR等），现有的Wi-Fi或有线方式无法满足承载要求。

3）无线接入以Wi-Fi为主，室外难以全面覆盖，无法保证室内外连续访问。

4）公网访问校内受限资源通过VPN方式，访问受VPN影响较大。

5） Internet网络访问受CERNET宽带限制。

2 5G校园网设计思路

河源市加快5G产业发展行动计划（2019—2022年）的通知提出加快5G网络建设，到2022年底主要城区和县城实现5G网络连续覆盖，新建基站不少于1 664座。运营商已经通过10个5G基站覆盖了河职院整个校园，覆盖率超过90%，为河职院的1.5万手机用户数提供5G网络信号服务，完全能够满足“5G校园专网设计与应用”所需的基础网络环境。

基于5G的双域专网以“双域访问、隔离使用、独立计费”的设计思路，为能够满足高校教学、管理、服务等需求，实现2B和2C校园师生融合网络。

双域访问：校方师生“不换卡、不换号”使用5G终端访问企业5G内网及互联网。

隔离使用：基于安全考虑校方要求内外网隔离访问，外部人员不能访问内网。

独立计费：访问内网由2B校方统一付费，访问公网由师生自行付费。

3 關键技术及设备

3.1 构建5G+光纤+Wi-Fi+感知终端+物联网络的融合校园网络

1）核心网：为满足河职院校区对于核心数据隔离的要求，同时降低河职院的运营成本，计划采用2B共享UPF+DNN的方式，共用运营商位于东源县的2B UPF，提供一个S-NSSAI切片，同时新建一条DNN专线直接接入河职院机房，实现核心网数据的隔离与回传。

2）传输网：在传输实现方面，运营商计划采用独立VLAN ID的方式，基站将其业务ID映射为一个独享的VLAN ID传给SPN，SPN对于这种VLAN ID，直接为其配置一条端到端独享的业务通道。这条业务通道可以提供TDM隔离、超低处理时延和带宽等各项性能保障。

3）无线网：由于河职院对于无线网的接入要求较高，运营商计划使用4.9G或2.6G的5G基站设备，在校园内/外围利旧现网的10个专用5G基站，根据不同的业务需求不同切片使用不同的载波小区，每个业务仅使用本小区的空口资源，业务间严格区分确保各自资源，确保数据的安全性。

3.2 无线网室分采用的设备型号规格

1） BBU

基站BBU（如图1所示）采用华为公司的DBS 5900，配备10GE主控接口板（UMPTg5）及5G基带板（UBBPg5b），满足5G信号处理的需要。

2） RRU

基站侧RRU（如图2所示）采用华为公司的RRU5150-d，提供2.6G频段的5G信号。

4 5G专网设计

利用5G特有的ULCL（Uplink Classifier上行分流）技术，初期利用运营商的ULCL-UPF（5G上行分流的核心网用户面）设备，结合无线TAC识别技术，采用专网与个人业务共用通用DNN方式，实现ULCL-UPF的动态插入，实现个人用户（不换卡、不换号）访问校园内网与访问互联网数据进行分流，内网数据不经过互联网，通过专线（暂定1000Mbps），高效安全地访问校园内网，5G双域专网架构如图3所示。

5G校园双域专网采用ULCL方案。使用通用DNN，校园客户端IP地址锚定在共享UPF上，当业务目的IP地址命中2B UPF的ULCL IP表，业务流从2B UPF的N6接口连接校园服务器。对其余业务目的IP地址，业务流从2B UPF的N9接口连接用户锚定的共享UPF，从共享UPF的N6接口出公网。N9接口一般在公网上使用ITP隧道协议实现UPF之间的连接。校园网站可使用私网IP地址，从而与公网隔离。校方需要通过防火墙或路由器与1 000Mbps专线对接，运营商UPF与学校防火墙/路由器通过GRE VPN隧道相连，分配好所有5G终端的IP地址段。

ULCL方案的应用可以使用App或者普通浏览器来使用5G校园双域专网，App通过内置目的IP地址可直接命中ULCL的设定IP[3]。浏览器使用URL，需要DNS返回内网IP地址。

5 5G+智慧校园应用

以5G构建高速稳定的数据传输层，实现智慧平安校园、智慧停车、人脸识别等校园管理系统的互连融合，对校园实行智慧化管理。

5.1 5G+ICT创新人才培养基地

根据国家对5G ICT人才的需求，系统设计5G ICT实训教学体系，坚持教学与实战相结合，建成5G+ICT创新人才培养基地，提升社会服务能力。围绕ICT产业发展与需求，与设备供应商合作，共建5G+ICT高技能人才培训基地，满足学校高水平特色专业群建设需求的同时，服务下一代数据中心、下一代互联网、下一代通信网络等战略性新兴产业。

5.2 智慧平安校园

通过学校侧云平台将视频监控数据本地存储分发，有效提升业务质量，保证视频的私密性。搭载 AI 人工智能视频分析部署在边缘服务器，面向智能安防、视频监控、人脸识别、行为分析等业务场景，利用 5G 网络低时延，提升应急事件反应速度[4]。

5.3 智慧停车

将停车系统实时感知车辆进出校园情况，通过大带宽、低时延的 5G 网络将各种感知数据传输到管理中心，实现对校园车辆的远程监控和管理。

5.4 5G人脸识别

以人脸识别技术为基础，将智慧校园和门禁系统进行对接，通过平台实现对门禁系统的统一、远程、精准管理。何时、何地、何人进出校门、宿舍尽在掌握，同时实时动态掌握学生归寝数据，提升宿舍科学管理水平。

5.5 5G智慧教室

基于5G大带宽、低时延、广连接的特性，5G智慧教室可更好地应用于课堂教学，促进课堂教学的教学模式改革和创新。

智慧教室配备物联网中控、智慧互动课堂、课程录制、教室扩音、物联控制等系统，通过5G+物联网技术，将教室内硬件环境进行有机整合，对教学设施设备形成统一管理，构建舒适教学环境，提升教学空间的使用效率，实现学习空间、信息技术与教育教学的深度融合，以支持传统讲授、模拟课堂（PBL）、翻转课堂（FC）、双师课堂、直播互动课等多种教学模式。

5.6 5G智慧消防

加强对消防设备监控，通过物联网设备将消防管道水压、消防泵机运行状态定时上传到后台，通过设备监控页面查看详细数据，实现对消防水系统的主动管理，系统通过调取现场视频、智能报警、数据信息等多种方式，快速发现系统异常及故障[5]。

通过大数据分析，不断优化节能策略，可以自动分析和统计各个楼宇、教室或者特定区域的能源计量、统计、分析，提供节能优化策略和建议。

6 5G校园双域专网应用效果

按照“双域访问、隔离使用、独立计费”的整体设计，推广以5G专网为基础的双域产品方案，能够满足校方管理和学生服务，实现2B、2C校园师生融合网络应用。

1）双域访问：学校师生“不换卡、不换号”使用5G终端访问校园5G内网及互联网。

2）隔离使用：基于安全考虑学校要求内外网隔离访问，外部人员不能访问内网。

3） 5G广域覆盖：可按需进行广覆盖，当前最大可覆盖整个地市，后续支持多切片后可按需支持全国漫游。

4）无感安全认证：网络侧可根据套餐签约识别用户，用户激活即可自动连接校园网无须用户手动认证。

5）用户体验优化：实现室内外连续覆盖无死角，无缝切换，容量更大，抗干扰强，移动性更好，不丢包断网。

除了解决了传统校园网的“校园内外网隔离访问难、无法不换卡不换号”访问校园内网、无线校园网过于依赖Wi-Fi等问题外，还能提供超过1Gbps超大带宽，能支持更多超高清视频应用，比如4K AR/VR/AI摄像头等；超低时延还能支持5G 无人校巴、5G 安防机器人等应用。

7 结束语