李伶 杜俊宇

摘? ?要：隨著5G技術的日趨成熟，其場景化應用在工業(yè)、交通、物流等領域逐漸“落地”。但5G與教育領域的結合，尤其是在智慧校園建設中的應用還處于研究論證階段。文章從基于5G的智慧校園架構出發(fā)，分析了5G MEC技術在本地業(yè)務分流、智慧教學及校園安防監(jiān)控等業(yè)務場景中的應用模式，為即將到來的5G智慧校園專網(wǎng)建設提供理論價值。

關鍵詞：5G;MEC邊緣云;智慧校園;本地分流

中圖分類號：TP393.1 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）13-0072-03

一、引言

當前，教育信息化發(fā)展正處于關鍵時期。從國家戰(zhàn)略層面，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0 行動計劃》和國務院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》均指明了智慧校園建設的方向[1]。從技術發(fā)展層面來看，傳統(tǒng)云計算和大數(shù)據(jù)技術在信息技術發(fā)展的智慧化階段，存在著數(shù)據(jù)安全和隱私保護不足、實時性不足、帶寬不足以及存儲和算力資源的效率低、能耗高等局限性[2]。5G技術具有高帶寬、大連接和低時延三大特征，涵蓋教育領域的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)絡終端等技術，使得教育的形態(tài)和模式將被重新構建。其中， MEC（Multi-Access Edge Cloud）邊緣云技術通過在移動網(wǎng)絡邊緣提供信息化系統(tǒng)和云計算能力，能夠彌補傳統(tǒng)云計算的不足[3]，為智慧校園建設提供技術保障。

二、MEC智慧校園網(wǎng)架構

MEC邊緣云技術是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側部署云資源池和云平臺，為接入網(wǎng)提供IT和云計算能力，使得業(yè)務可以本地化、近距離部署[4]。接入網(wǎng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，尤其是視頻傳輸、AR/VR等應用數(shù)據(jù)無需往返公有云。一方面減少了傳輸時間和網(wǎng)絡成本，大幅度降低運營商骨干網(wǎng)的擁塞與負擔，減緩網(wǎng)絡帶寬壓力;另一方面，由于邊緣云靠近用戶數(shù)據(jù)，能夠更好地感知用戶信息并向業(yè)務應用開放，有利于提升用戶的業(yè)務體驗和指標，并為用戶提供定制化服務。

基于5G MEC的智慧校園網(wǎng)方案，在校園范圍內建設5G基站，形成無縫連接的校園網(wǎng)絡，全面支撐校園通信業(yè)務的需求。在基站和核心網(wǎng)之間部署邊緣云平臺，運行各種校內應用，存儲有用的數(shù)據(jù)。本地業(yè)務被分流到邊緣云或本地網(wǎng)絡，保證了數(shù)據(jù)的安全性，也能滿足校內超低時延應用的需求。非本地業(yè)務轉發(fā)至核心網(wǎng)，與運營商4G網(wǎng)絡傳輸模式相同。MEC智慧校園網(wǎng)方案如圖1所示。

三、業(yè)務場景應用分析

1.本地分流

雖然5G網(wǎng)速明顯提升，但如果師生對校內資源的訪問要繞道運營商網(wǎng)絡，再返回校園的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，網(wǎng)間切換必將影響傳輸效率，而MEC本地分流技術可以解決這一問題。

圖2為MEC本地分流架構圖。從該圖可以看出，MEC平臺串接部署在基站和核心網(wǎng)之間，對流經(jīng)的用戶數(shù)據(jù)進行拆包分析，根據(jù)分流規(guī)則將本地業(yè)務數(shù)據(jù)流直接分流至本地網(wǎng)絡，即校園網(wǎng)。此時，不僅降低了回傳帶寬消耗，同時本地業(yè)務的近距離部署也可以降低訪問時延，提升用戶體驗。

另一方面，用戶訪問公網(wǎng)業(yè)務時MEC平臺將所有數(shù)據(jù)流采用透傳的方式，直接發(fā)送至核心網(wǎng)，且由于MEC平臺的透明部署，無需對用戶終端和核心網(wǎng)進行改造，降低部署及推廣的難度。同時，如果MEC故障，則流量完全透傳，無法實現(xiàn)分流，不影響業(yè)務。

MEC平臺分流規(guī)則有多種配置方法，常見的有IP五元組法和基于DNS域名解析法[4]。IP五元組是指源IP、源端口、目的IP、目的端口和傳輸層協(xié)議。在本地分流規(guī)則中，主要根據(jù)目的IP和目的端口判斷用戶的訪問目標是否為本地業(yè)務。若是，則分流至校園網(wǎng)，否則直接透傳至運營商骨干網(wǎng)。以江蘇師范大學師生訪問校園網(wǎng)自助服務系統(tǒng)為例，目標地址及端口為“202.195.64.90：9080”，分流規(guī)則中預先配置該IP地址段屬于本地業(yè)務范圍，故MEC將用戶數(shù)據(jù)丟到校園網(wǎng)，大大縮短了傳輸路徑和時延?；贒NS解析的分流規(guī)則是根據(jù)DNS目標域名判斷是否需要分流，如江蘇師范大學師生訪問學校主頁“www.jsnu.edu.cn”，MEC拆包檢測發(fā)現(xiàn)符合分流規(guī)則將流量分流至校園網(wǎng)。對不符合分流規(guī)則的所有流量均按照常規(guī)路徑轉發(fā)至運營商骨干網(wǎng)?，F(xiàn)網(wǎng)實際測試結果證明，本地轉發(fā)比非本地轉發(fā)情況下ping包時延縮短50%[5]。

2.教育教學

教學是教育領域的核心業(yè)務，5G MEC技術在智慧教學方面有著廣闊的應用前景。例如：在遠程互動教學中，通過MEC邊緣云部署，提供低延時、大帶寬和高可靠的反饋促進教學效果的提升;在AR/VR教學中，對時延要求高的渲染功能就近部署在靠近用戶的邊緣云側，有效提升傳輸速率，減少云服務時延，改善學習體驗。

（1）互動教學

5G互動教學是將智慧教室內各種硬件模塊進行5G化處理，從原來的有線網(wǎng)絡、無線WiFi、藍牙、Zigbee/NB-IoT等網(wǎng)絡承載，轉變?yōu)楦邘挕⒏咚俾?、高安全、低時延的5G網(wǎng)絡承載。常見的智慧教室硬件終端包括交互智能平板/一體化黑板、5G班牌、常態(tài)化錄播主機、攝像頭、麥克風、5G授課寶、5G學生終端/反饋器、5G展臺等。和傳統(tǒng)智慧課堂相比，5G智慧課堂通過將各硬件終端5G化處理，在接入層面充分利用5G網(wǎng)絡與生俱來的技術優(yōu)勢，給用戶帶來更快、更好、更流暢的課堂體驗。同時，利用MEC邊緣云架構，所有教學的后臺應用、教學數(shù)據(jù)和學生信息等部署在學校的MEC邊緣云平臺中，減少了公有云泄露的技術風險，安全更有保障，且便于學校的管理維護。5G智慧課堂整體架構如圖3所示。