隨著數(shù)字化時代的到來，新一代信息技術的快速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡具有大帶寬需求、低時延高可靠需求和大連接需求迫切，受新冠肺炎疫情影響，教育行業(yè)對利用5G等新技術建設智慧校園的需求尤其突出，本文構建了5G智慧校園云管端控新模式及應用，對5G智慧校園建設與落地過程中相關難點問題進行分析，并對未來發(fā)展趨勢進行展望。

一、緒論

隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速發(fā)展，新一代信息技術發(fā)展迅速，用戶對通信技術的要求日益增強，現(xiàn)存的2/3/4G的通信方式未來將無法滿足人們生活和工作需要。5G作為新一代信息通信技術演進升級的重要方向，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關鍵信息基礎設施、經(jīng)濟社會數(shù)字化轉型的重要驅動力量。2015年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《IMT愿景：5G架構和總體目標》，定義了增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延（uRLLC）、海量機器類型通信（mMTC）三大應用場景，以及峰值速率、流量密度等八大關鍵性能指標，其中，eMBB 聚焦在高清視頻、VR/AR等對帶寬有極高需求的業(yè)務；mMTC 則覆蓋智能交通、智能電網(wǎng)、智能制造等對聯(lián)接密度要求較高的場景；uRLLC焦自動駕駛/輔助駕駛、遠程控制等對時延極其敏感的業(yè)務場景。

在3G和4G時代，主要業(yè)務是語音，短信和移動寬帶，業(yè)務類型相對比較單一。而5G時代，移動通信網(wǎng)絡不僅僅服務于個人消費者，更重要的是將服務于垂直行業(yè)，衍生出豐富的業(yè)務。5G時代不僅僅是更快的移動網(wǎng)絡或更強大的智能手機，而是鏈接世界的新型業(yè)務，如mMTC 和URLLC。與4G相比，5G將提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和每平方公里百萬級的連接能力。近兩年，中國移動、中國聯(lián)通、中國電信以及中國鐵通加快在全國開展5G網(wǎng)絡建設，依托5G網(wǎng)絡建設和運營優(yōu)勢，聯(lián)合地方政府、企業(yè)，已陸續(xù)開展了百余多項“5G+智慧應用”，包括無人駕駛、智慧工地、VR、無人機、物流、智慧醫(yī)療、智慧校園、智慧工廠、車聯(lián)網(wǎng)等等，推動5G與垂直行業(yè)融合應用發(fā)展；尤其是疫情期間，5G遠程專家診斷、5G遠程教育與培訓為抗擊疫情提供了助力。為此，本文主要結合5G智慧校園場景下，對5G通信技術應用和落地過程中難點問題進行分析，對5G智慧校園的發(fā)展趨勢進行展望。

二、5G通信技術主要特點

2.1開放性

5G的網(wǎng)絡架構將從集中式向分布式架構演進，目前5G核心網(wǎng)絡架構選擇可以包括SA（Standalone，獨立組網(wǎng)）架構和NSA（Non-Standalone，非獨立組網(wǎng)）架構。SA架構是類似于2/3/4G，5G與前代系統(tǒng)相互獨立的網(wǎng)絡架構， 5G核心網(wǎng)與5G基站直接相連，終端只接入5G或4G（單連接），5G與4G關系類似于4G與3G/2G的互操作模式；NSA模式指5G依附于4G基站工作的網(wǎng)絡架構，無法獨立組網(wǎng)。為滿足5G需求和打造一個先進的網(wǎng)絡，SA架構具有服務化、互聯(lián)網(wǎng)化、功能軟件化和多樣化連接等特點。服務化架構以軟件服務重構核心網(wǎng)，實現(xiàn)5G核心網(wǎng)軟件化、靈活化、開放化和智能化；5G網(wǎng)絡通過架構和功能的重構，實現(xiàn)軟件定義的網(wǎng)絡功能和應用連接，從固定網(wǎng)元、固定連接到動態(tài)配置、靈活連接，開放性更強。

2.2 網(wǎng)絡切片

傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡只能服務于單一的移動終端，無法適用于多樣化的物與物之間的連接，而不同的業(yè)務對5G網(wǎng)絡的速率和時延要求均不相同，為提高通信系統(tǒng)的靈活性、可擴展性和部署速度，5G網(wǎng)絡將引入網(wǎng)絡切片技術，基于網(wǎng)絡功能虛擬化NFV、軟件定義網(wǎng)絡SDN以及服務化架構，網(wǎng)絡切片技術是一種按需組網(wǎng)的技術，每個網(wǎng)絡切片帶寬、服務質量、專屬資源都能得到充分保證，切片之間相互隔離，切片之間的錯誤或故障不會相互影響。

2.3 邊緣計算

邊緣計算（MEC）能力是運營商網(wǎng)絡能力與用戶業(yè)務需求結合的關鍵點，是5G拓展各行業(yè)業(yè)務的重要抓手，4G時代運營商開始MEC探索，但缺乏網(wǎng)絡技術規(guī)范定義的網(wǎng)元位置和設備形態(tài)，5G核心網(wǎng)分布式架構天然支持MEC。5G網(wǎng)絡支撐廣連接、高覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)接入，為物聯(lián)網(wǎng)提供可靠的網(wǎng)絡通信服務，海量的物聯(lián)網(wǎng)設備傳感器接入5G網(wǎng)絡，對5G網(wǎng)絡的連接管理提出了很高要求。5G標準制定了核心網(wǎng)業(yè)務面網(wǎng)元UPF下沉方案，為邊緣計算提供了統(tǒng)一靈活的網(wǎng)絡架構，基于本地緩存、本地應用、業(yè)務優(yōu)化、數(shù)據(jù)服務等業(yè)務需求，業(yè)界提出邊緣計算概念，通過本地化具備計算能力來滿足低時延和傳輸節(jié)省等目的。

三、5G智慧校園建設與實施難點分析

為探索利用5G技術建設智慧校園，構建5G+智慧校園云管端控新模式，以學生為中心的互動模式是實現(xiàn)5G智慧校園的關鍵環(huán)節(jié)，引入5G網(wǎng)絡覆蓋實現(xiàn)全景視頻、5G+VR/AR直播等，實現(xiàn)遠程互動教學、AR輔助教學和多地同步實時授課等，有助于激發(fā)學生學習興趣，提升教學質量和教學水平。

圖1 5G智慧校園云管端控新模式

利用5G大帶寬和低時延特性，通過積極拓展5G智慧校園應用使能AR/MR遠程教學成為現(xiàn)實，利用高校豐富資源打造智慧校園，未來老師佩戴AR眼鏡在主播課堂現(xiàn)場教學、AR課件在眼鏡中成像并采集至大屏幕，通過360全景攝像頭實時圖像采集，并通過端到端的5G通信網(wǎng)絡傳輸實時圖像，將圖像回傳至遠端的服務器機房，進行VR圖像渲染，并推送至遠端5G接入側，遠端的學生和教師可以通過佩戴基于5G的VR眼鏡，可以實時沉浸式觀看課堂老師＋AR成像的教學內容。但是，在構建5G智慧校園建設與實施過程中，或存在多樣化的、個性化的需求，或存在場地建設改造、布設施工受限的困難，這對5G網(wǎng)絡建設、5G通信設備或者光傳輸通信設備的建設與實施過程都提出了新的挑戰(zhàn)，經(jīng)過北京市多所高校在5G建設方面的實踐，具體可總結出如下幾個方面的問題和挑戰(zhàn)：

1、軟件定義網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)

隨著下一代移動通信新技術應用和發(fā)展，5G通信網(wǎng)絡開始基于IPv6實現(xiàn)路由選址，不僅能從IP地址數(shù)量上能夠足夠滿足海量終端設備的有效接入，同時，更重要的是還解決了終端位置和身份的定義，保障了低時延和高可靠。SDN（Software?Defined?Network）體系架構能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳送與網(wǎng)絡控制分離，而且是面向連接的，利用基于SDN的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)來實現(xiàn)對網(wǎng)絡的集中管理，通過將路由信息嵌入到原網(wǎng)絡節(jié)點的IPv6數(shù)據(jù)包擴展報頭傳遞到各節(jié)點，無需選址，有效保障了低時延轉發(fā)。但是，如何實現(xiàn)通過SDN對業(yè)務流和所有網(wǎng)絡節(jié)點進行實時優(yōu)化，即大規(guī)模復雜網(wǎng)絡和低時延響應的多目標優(yōu)化是個挑戰(zhàn)。

SDN體系架構

2、網(wǎng)絡虛擬化帶來的挑戰(zhàn)

隨著5G通信網(wǎng)絡進行全面虛擬化和云應用化發(fā)展，雖然提升了5G通信網(wǎng)絡功能的靈活性，但網(wǎng)絡虛擬化對配套項目的組織與建設還比較滯后。傳統(tǒng)交換機和路由器均為專用通信硬件設備，它們在網(wǎng)絡架構中的工作層級也是固定的。而5G為了業(yè)務的靈活性，需要網(wǎng)絡通信設備有不同的處理能力和傳輸特點，NFV（網(wǎng)絡功能虛擬化）的方向是“硬件通用、軟件可以定義”。5G網(wǎng)絡邊緣計算特性的引入則大幅增加了各類網(wǎng)元設備的數(shù)量，這將對網(wǎng)絡通信設備提出更高的要求，網(wǎng)絡通信方面的建設和運維復雜程度高、難度大；網(wǎng)絡虛擬化的微服務化特性則要求滿足用戶的各類定制化需求，對業(yè)務編排要求高，與相關通信設備的對接落地實施挑戰(zhàn)大；而且，在通過5G網(wǎng)絡切片和虛擬化機制，大量網(wǎng)絡通信傳輸隧道具備極高的動態(tài)性，需要人工對通信傳輸進行有效規(guī)劃才能滿足業(yè)務的多方面需求，平臺網(wǎng)絡速率和業(yè)務時延均不太一樣，會增加高精度時鐘的建設與維護難度，面對5G環(huán)境下的網(wǎng)絡虛擬化應用如果出現(xiàn)問題，還需要準備有效響應的應急處理預案及通信設備。

3、網(wǎng)絡切片的挑戰(zhàn)

按業(yè)務邏輯需求劃分不同的網(wǎng)絡切片，網(wǎng)絡切片分三大類：高速率廣寬帶、高可靠低時延、大規(guī)模泛連接等。通過網(wǎng)絡切片管理可以為每一個業(yè)務組織形成一個VPN（虛擬專用網(wǎng)絡），但，在5G環(huán)境下的各類校園應用中去具體部署實施還是有難題的，5G場景下網(wǎng)絡切片面向用戶服務，如何保障全鏈路的VPN具有十分重要的意義，但是如何管理網(wǎng)絡切片來實現(xiàn)對用戶身份、選擇和管理VPN，并通過按需服務方式下達接入要求，可取的辦法是對時延、丟包率、可靠性有比較嚴格的業(yè)務提供均為網(wǎng)絡切片，現(xiàn)有4G網(wǎng)絡的VPN相比，5G的VPN可以實時提供，考慮以用戶價值為中心，同時邊緣云之間的溝通需要打招呼，需要有大量的網(wǎng)絡開銷操課。按IDC的預測，未來會有超過50%的數(shù)據(jù)會在邊緣層處理，而兩級云的成本只是單級云的39%，邊緣計算是落地在基站里，邊緣計算的節(jié)點需要不斷發(fā)掘，另外，通過邊緣計算之間的5G通信，5G應用邊緣計算是希望把計算能力下沉到邊緣，邊緣負責處理對時間敏感的數(shù)據(jù)，保障過濾掉這些數(shù)據(jù)再補充到云環(huán)境中。云計算的部分能力下沉，存儲和內容分發(fā)能力下沉，能夠適應低時延、快速處理，但是下沉到每一個DU分布單元，還是下沉到CU集中單元，邊緣計算的密集度怎樣選擇，這是一個挑戰(zhàn)。

4、運營商SA網(wǎng)絡架構改造難點

5G網(wǎng)絡雖然有SA架構和NSA架構的兩條基本演進路線，但由于業(yè)務需求、架構不同、網(wǎng)元不同、接口不同以及云基礎設施條件不同，核心網(wǎng)在全國、各省以及地市范圍內均可能出現(xiàn)多種階段、多種形態(tài)并存的場景，針對NSA和SA兩種技術架構分別編制規(guī)范。采用SA架構會對現(xiàn)存網(wǎng)絡中的存量核心網(wǎng)網(wǎng)元造成影響，在運營商信令網(wǎng)擴容改造方面，一方面LDRA需要擴容硬件增加HTTP/2超文本傳輸協(xié)議處理模塊，現(xiàn)有機房空間與電源方面的不足問題，在硬件總處理能力富裕的情況下可以采用將現(xiàn)分Diameter處理板卡改造成HTTP/2信令處理模塊的擴容方案；另一方面，由于5G網(wǎng)元只支持IP鏈路，部分STP設備作為“根橋”可能需要新增IP板卡?，F(xiàn)網(wǎng)大部分STP設備都是針對傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡環(huán)境下設計的，擴展性有限，廠家也不再生產(chǎn)相關板卡，若存量老舊平臺板卡不足以支撐擴容，則需要硬件整體替換。

5、室外5G基站建設難點

在5G時代，用戶將面臨2G/3G/4G/5G多網(wǎng)共存的模式，由于4/5G網(wǎng)絡在較長時間內共存，為了確保業(yè)務連續(xù)性，需要進行4/5G網(wǎng)絡互操作，無線及核心網(wǎng)存在是否建立4/5G核心網(wǎng)之間的多種接口的決策和選擇。5G到4G訪問時，數(shù)據(jù)業(yè)務中斷時長/語音業(yè)務中斷時長/呼叫建立時延為100ms級；4G訪問5G時候，數(shù)據(jù)業(yè)務中斷時長為100ms級。另外，5G網(wǎng)絡依賴于基站建設速度，處理日益增加的基站建設任務，但是現(xiàn)有的基站能量負荷消耗嚴重，以及其對無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸端口接入設施建設要求更加嚴格等狀況；同時，如何從海量的用戶端對基站的整體覆蓋面弱化，加劇了5G通信傳輸網(wǎng)絡基站選址的難題。另外，海量的微模式基站建設，與各類低功率的節(jié)點部署位置的密集程度相關，海量基站的建設將會有不同。

6、室內5G小站組網(wǎng)實施難點

在進行5G智慧校園建設時，考慮未來10年，預計移動通信數(shù)據(jù)流量增加100-1000倍，其中約70%流量來自室內。目前，5G中高頻段（移動：2.6Ghz，電信/聯(lián)通：3.5Ghz，移動/廣電： 4.9Ghz）信號覆蓋弱、宏基站信號難以覆蓋至室內各個主播教室；傳統(tǒng)的無源室分信號系統(tǒng)難以支撐5G的M-MIMO多天線技術。室內場景中5G小基站超密集組網(wǎng)，小基站數(shù)量會大幅增長。原來傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)由功分器、耦合器、饋線、天線等組成，目前已建的室分系統(tǒng)不支持5G頻段，系統(tǒng)升級面臨演進難、實施難、成本高等的問題，同時，國內5G主要頻段為2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz，相比4G主流頻段，傳輸損耗和穿透損耗加大，難以通過室外覆蓋室內。因此，小型基站更適合室分建設，小站由于信號發(fā)射功率和覆蓋半徑較小，單基站可容納的用戶數(shù)少，更適合小范圍精確覆蓋，小站采用多天線設置，可以根據(jù)不同的應用場景選用相應的小基站設備和網(wǎng)絡建設模式，在滿足覆蓋的條件下提升系統(tǒng)容量。由于宏基站建網(wǎng)無法滿足網(wǎng)絡覆蓋的廣度和深度，小站可以作為宏基站的有效補充；小站設備大多采用市電交流供電，同時對機房等配套設施要求不高，容易部署，投資和建設的性價比高，部署的優(yōu)勢更加突出。

四、結束語

為構建5G智慧校園的建設，實現(xiàn)實時雙向音視頻互動教學、支持大并發(fā)的在線互動學習和基于全景視頻的互動教學。本文通過對5G通信的優(yōu)勢特性分析對具體應用中遇到的挑戰(zhàn)和難點進行了探討，分析了5G網(wǎng)絡在實施和建設過程中的難點問題，并提出了部分解決思路，為支撐不同業(yè)務場景下差異化5G應用落地提供參考，希望能從中找到適應5G新型網(wǎng)絡架構及創(chuàng)新的新思路。

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