鄒一榮 張潔琪 吳 慎

聯(lián)通產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(廣東)有限公司 廣州 510631

引言

中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》[1]提出，要充分運(yùn)用新技術(shù)、新機(jī)制、新模式，創(chuàng)新教育服務(wù)供給方式，深化辦學(xué)體制和教育管理改革，充分激發(fā)教育事業(yè)發(fā)展生機(jī)活力。但傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在助力智能技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用上遇到了速率、延遲和傳輸容量等限制[2]，對(duì)校園教育生態(tài)的重構(gòu)革新，形成了一定的阻礙。隨著我國高等教育的大擴(kuò)招和新一輪學(xué)科專業(yè)調(diào)整，大量高校通過快速增設(shè)專業(yè)、擴(kuò)大招生規(guī)模、擴(kuò)展新建校區(qū)、多校合并整合等方式來完成辦學(xué)轉(zhuǎn)型，多校區(qū)辦學(xué)形態(tài)在高校層面趨于普遍化。相應(yīng)的，多校區(qū)管理模式難統(tǒng)籌、資源配置不均衡等問題日益凸顯，5G憑借超高速率、高可靠性、大規(guī)模連接、低時(shí)延、低功耗等特點(diǎn)，結(jié)合邊緣云技術(shù)(Multi-Access Edge Cloud，MEC)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣提供信息化系統(tǒng)和云計(jì)算能力[3]，能夠觸及到智慧校園人—機(jī)—物的邊緣端，實(shí)現(xiàn)多校區(qū)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，能夠?yàn)榻逃畔⒒?.0時(shí)代的智慧校園建設(shè)提供技術(shù)保障。然而如何落實(shí)5G+MEC與智慧校園業(yè)務(wù)場(chǎng)景的融合創(chuàng)新，落實(shí)其技術(shù)特征與業(yè)務(wù)特征間的協(xié)同，成為多校區(qū)智慧校園協(xié)同生態(tài)建設(shè)的研究乃至實(shí)踐的重點(diǎn)論題。

1 5G與智慧校園的融合現(xiàn)狀

技術(shù)與教育的深度融合是教育發(fā)展的必然，基于5G技術(shù)推動(dòng)教育生態(tài)網(wǎng)格化、智能化，從教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活、安全等各方面充分結(jié)合5G大規(guī)模連接、超低延時(shí)與超高速率等技術(shù)特性及物聯(lián)網(wǎng)、XR(虛擬/增強(qiáng)/混合現(xiàn)實(shí))、人工智能等新型信息技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)5G+互動(dòng)教學(xué)、綜合評(píng)價(jià)等智慧教育新基建已有了一定的嘗試。

1.1 基于5G+IoT的教育應(yīng)用

智慧校園設(shè)施設(shè)備數(shù)量多、分布廣，基于5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet of Things，IoT)的實(shí)時(shí)感知和智能管控技術(shù)特色，助力于課堂考勤管理、課堂教學(xué)生生以及生機(jī)交互、課外泛在學(xué)習(xí)、智慧教室、智慧圖書館等智慧場(chǎng)景設(shè)備控制與環(huán)境監(jiān)測(cè)、資產(chǎn)管理與設(shè)備運(yùn)維、能耗監(jiān)測(cè)與管控、安防視頻監(jiān)控等應(yīng)用場(chǎng)景智能化。例如，華中科技大學(xué)、上海工程科技大學(xué)等利用5G實(shí)現(xiàn)超高清監(jiān)控反饋、校園遠(yuǎn)程巡邏等，將5G技術(shù)與校園物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可以有效增強(qiáng)校園管理者對(duì)校園全場(chǎng)景的管理能力，并有效降低校園運(yùn)行成本。

1.2 基于5G+XR的教育應(yīng)用

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(Extended Reality，XR)，是AR、VR、MR等多種技術(shù)的統(tǒng)稱，XR技術(shù)可以提供逼真的內(nèi)容資源，在教育領(lǐng)域多應(yīng)用于一些難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜場(chǎng)景或安全風(fēng)險(xiǎn)較高的實(shí)操類教學(xué)演示與技能訓(xùn)練[4]。例如，北京理工大學(xué)、蘇州大學(xué)等利用5G+VR技術(shù)模擬物聯(lián)環(huán)境和歷史環(huán)境，實(shí)現(xiàn)XR教學(xué)長效開展，為師生帶來身臨其境的沉浸式體驗(yàn)，保證高速率的教學(xué)資源數(shù)據(jù)傳輸，也能滿足云渲染等功能對(duì)服務(wù)時(shí)延的高要求。

1.3 基于5G+AI的教育應(yīng)用

在校園管理、課堂教學(xué)中引入AI技術(shù)，在5G網(wǎng)絡(luò)的支撐下，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)、教室錄播系統(tǒng)對(duì)校園場(chǎng)景、課堂教學(xué)等發(fā)生的行為進(jìn)行實(shí)時(shí)抓取，如教師教學(xué)、學(xué)生聽課、校園危險(xiǎn)行為等數(shù)據(jù)，再通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與AI算法將這些行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成數(shù)據(jù)畫像和分析報(bào)告，輔助學(xué)校的教學(xué)督導(dǎo)、精準(zhǔn)教學(xué)改革、安全管理等工作，加快教育管理向教育治理轉(zhuǎn)變，推進(jìn)教育治理體系和治理能力現(xiàn)代化[5]。例如，國家開放大學(xué)借助聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)、AI等技術(shù)，構(gòu)建起一個(gè)物理空間、網(wǎng)絡(luò)空間全面融合的智慧校區(qū)。

在目前階段，5G移動(dòng)通信技術(shù)逐步在智慧校園探索與實(shí)踐中與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、XR、AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)展開融合。5G的eMBB、uRLLC、mMTC三大應(yīng)用場(chǎng)景與其相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，也是在需求所驅(qū)動(dòng)之下產(chǎn)生的，例如增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)針對(duì)高清視頻等系列應(yīng)用，大規(guī)模機(jī)器類型通信(mMTC)針對(duì)像智慧城市這樣的海量物聯(lián)網(wǎng)系列應(yīng)用，超高可靠性低延時(shí)通信(uRLLC)則針對(duì)像工業(yè)控制或者遠(yuǎn)程駕駛之類的專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。而在智慧校園多校區(qū)的交互、管理等方面需要關(guān)注高質(zhì)量的連續(xù)覆蓋、更好的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合與共享、高可靠的資源共享等，因此需要解決核心網(wǎng)絡(luò)及骨干網(wǎng)傳輸帶寬資源占用、端到端的時(shí)延等問題，于是邊緣計(jì)算技術(shù)(MEC)作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一應(yīng)運(yùn)而生[6]。

2 5G+MEC的基本技術(shù)特征

ETSI將MEC定義為“在移動(dòng)網(wǎng)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力”，強(qiáng)調(diào)靠近移動(dòng)用戶，以減少網(wǎng)絡(luò)操作后服務(wù)交付的時(shí)延[7]?；?G+MEC的智慧校園需要實(shí)現(xiàn)5G信號(hào)的全覆蓋，同時(shí)在基站和核心網(wǎng)之間部署邊緣云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校園邊界到端的全覆蓋。

2.1 5G+MEC的定義

在當(dāng)今萬物互聯(lián)的數(shù)據(jù)時(shí)代，MEC可基于業(yè)務(wù)應(yīng)用的時(shí)延要求靈活選擇部署位置，例如部署在本地邊緣DC、本地接入級(jí)DC，或者直接將MEC功能部署在5G接入CU或CU/DU一體化的基站上，將傳統(tǒng)的多跳網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為一跳網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步消除傳輸時(shí)延對(duì)用戶體驗(yàn)的影響，滿足1ms極低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求。除了時(shí)延要求外，MEC的部署還應(yīng)考慮業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)的覆蓋范圍(例如工廠、園區(qū)、校園、醫(yī)院等)，以及業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)是否要求本地化(出于數(shù)據(jù)安全性考慮)，此時(shí)MEC則可根據(jù)需求部署在該覆蓋范圍基站的匯聚點(diǎn)，以匯聚網(wǎng)關(guān)的形式出現(xiàn)。

2.2 5G+MEC的特征

1)基于邊緣計(jì)算將業(yè)務(wù)緩存節(jié)點(diǎn)下沉，使緩存內(nèi)容無限靠近信息源或直接在用戶終端設(shè)備上運(yùn)行，減少網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接續(xù)時(shí)延，實(shí)時(shí)感知并對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際狀況做出合理評(píng)估，提升用戶服務(wù)感受，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各部分的擁塞。例如，在虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)中，可以進(jìn)行業(yè)務(wù)本地化部署，接入網(wǎng)產(chǎn)生的AR/VR等應(yīng)用數(shù)據(jù)無需往返公有云，而是在校園專網(wǎng)中進(jìn)行多校區(qū)回傳，降低傳輸時(shí)間成本。

2)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣處的MEC服務(wù)器，可以利用從現(xiàn)場(chǎng)收集的公用移動(dòng)通訊基站ID以及無線網(wǎng)絡(luò)信令信息了解接入設(shè)備的情況，以便實(shí)現(xiàn)鏈路感知自適應(yīng)，將校園終端設(shè)備進(jìn)行5G化處理。利用5G空口連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)多校區(qū)數(shù)據(jù)不出本地、不出公網(wǎng)的匯聚，降低時(shí)延以及提升用戶體驗(yàn)。

3)MEC本地分流技術(shù)依據(jù)分流規(guī)則如IP五元組法、基于DNS域名解析法等，對(duì)校園網(wǎng)、公網(wǎng)業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)流進(jìn)行拆包分析，實(shí)現(xiàn)有效分流[8]。本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可直接分流至本地網(wǎng)絡(luò)，降低回傳帶寬消耗以及訪問時(shí)延，公網(wǎng)數(shù)據(jù)則采用透?jìng)鞣绞桨l(fā)送至核心網(wǎng)，使得科研、教學(xué)、管理等不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)可以有效在一個(gè)校園內(nèi)傳輸。

3 5G+MEC的智慧校園協(xié)同生態(tài)內(nèi)涵

結(jié)合MEC及5G的技術(shù)特點(diǎn)，囊括一校多區(qū)的教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活、安全等場(chǎng)景協(xié)同、對(duì)應(yīng)，需要充分融合其基本內(nèi)涵與基本特征，結(jié)合手段與方法才能更好地服務(wù)全體師生，乃至智慧校園的各類元素。

3.1 內(nèi)涵與特征

基于5G+MEC的智慧校園生態(tài)以協(xié)同為重點(diǎn)特征，結(jié)合5G邊—云多校區(qū)融合新型網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)支撐技術(shù)，采用SD OTN技術(shù)、5G切片技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)，使得固網(wǎng)、5G、Wi-Fi 6有機(jī)結(jié)合，串聯(lián)校園生活網(wǎng)絡(luò)、教學(xué)網(wǎng)絡(luò)、科研網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)等，保障不同校區(qū)同一業(yè)務(wù)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)無縫銜接，實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)將校園內(nèi)的“智人”及“智物”進(jìn)行有效的全方位多模態(tài)連接，其淺層含義是利用5G+MEC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，中層是數(shù)據(jù)—物聯(lián)—資源的連接，深層是實(shí)現(xiàn)多層次人—物—應(yīng)用的重復(fù)疊加?；诖?，構(gòu)建了5G+MEC的智慧校園協(xié)同生態(tài)(如圖1所示)。

圖1 5G+MEC智慧校園內(nèi)涵

整體智慧校園生態(tài)強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體化、物聯(lián)一體化、數(shù)據(jù)一體化以及資源一體化，通過一體化要素重構(gòu)學(xué)校行政管理、教育治理、教育教學(xué)應(yīng)用、教學(xué)資源配置等多方面的流程。校間以融合與泛在為特征，是實(shí)現(xiàn)整體智慧校園生態(tài)的基礎(chǔ)，以三網(wǎng)融合校園管理、教學(xué)、生活等傳統(tǒng)場(chǎng)景，凸顯萬物互聯(lián)；環(huán)境體現(xiàn)無縫與自控的特征，以集中式運(yùn)維及網(wǎng)絡(luò)解耦，結(jié)合物聯(lián)、數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)架構(gòu)生態(tài)中樞，實(shí)現(xiàn)多校區(qū)物聯(lián)、安防設(shè)備等一體化管理，使能智慧校園生態(tài)；應(yīng)用呈現(xiàn)聚合與關(guān)聯(lián)的特征，打散重組其服務(wù)要素，達(dá)成個(gè)體個(gè)性化服務(wù)以及群體跨校區(qū)協(xié)同業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)校園主體需求的高效服務(wù)；保障體現(xiàn)安全與有序的特征，以智能網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)視角推動(dòng)態(tài)勢(shì)感知，構(gòu)筑可靠生態(tài)。

3.2 模式與對(duì)象

智慧校園生態(tài)模式(如圖2所示)以互聯(lián)網(wǎng)+教育為原型，以5G大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性實(shí)現(xiàn)校園CT聯(lián)接和IT計(jì)算融合，體現(xiàn)縱向架構(gòu)以及橫向邏輯的協(xié)同?？v向架構(gòu)以網(wǎng)絡(luò)為基，通過網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)、物聯(lián)、資源等無形連接中樞，形成業(yè)務(wù)應(yīng)用形態(tài)下的信息高效溝通與交互環(huán)境，支撐校區(qū)間、師生間、教育管理者間的協(xié)同。橫向架構(gòu)充分利用網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、物聯(lián)以及資源生態(tài)要素，構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)的資源調(diào)取—使用—沉淀—復(fù)用的循環(huán)體系，使得各類業(yè)務(wù)場(chǎng)景均由業(yè)務(wù)系統(tǒng)及資源的協(xié)同進(jìn)行支撐，提升校園內(nèi)各類主體對(duì)各類業(yè)務(wù)的參與度，提升業(yè)務(wù)系統(tǒng)及資源間的協(xié)同。

圖2 5G+MEC智慧校園業(yè)務(wù)邏輯

因此，智慧校園協(xié)同生態(tài)的對(duì)象既包含各類主體，如教育管理者、教師以及學(xué)生，也包含各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、資源，乃至各類元素間的集合。不同元素間的協(xié)同既是整體生態(tài)的供給也是服務(wù)，通過5G+MEC實(shí)現(xiàn)更加緊密的協(xié)同，為整體生態(tài)圈提供動(dòng)能，從而盤活基于5G+MEC下的多校區(qū)智慧校園圈子。

3.3 手段與方法

智慧校園協(xié)同生態(tài)借助5G切片技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)將校園內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和校間網(wǎng)絡(luò)融合，滿足學(xué)校內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)靈活部署、教育數(shù)據(jù)安全可控、校園網(wǎng)絡(luò)高速穩(wěn)定以及校區(qū)間互通互聯(lián)的需求，實(shí)現(xiàn)真正的一體化校園環(huán)境基礎(chǔ)。同時(shí)借助邊緣計(jì)算將數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)從“核心”下沉到“邊緣”，確保數(shù)據(jù)、物聯(lián)、資源一體化的可能，使“人—機(jī)—物”三元互聯(lián)的智能校園空間成為可能。結(jié)合5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，針對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求將網(wǎng)絡(luò)劃分成不同“車道”，既滿足不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)在不同校區(qū)的網(wǎng)絡(luò)需求，又滿足同一業(yè)務(wù)系統(tǒng)的跨校區(qū)無縫協(xié)同。結(jié)合超低延時(shí)與超高速率等技術(shù)特性及大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)的融合，使得應(yīng)用系統(tǒng)間協(xié)同、對(duì)應(yīng)，進(jìn)而保障物理、數(shù)字校園之間的實(shí)時(shí)連接和動(dòng)態(tài)反饋。

4 5G+MEC的智慧校園協(xié)同生態(tài)建設(shè)

以5G為中心，MEC平臺(tái)為基礎(chǔ)的智慧校園協(xié)同生態(tài)，實(shí)現(xiàn)5G、固網(wǎng)、Wi-Fi多網(wǎng)融合接入，運(yùn)用感知終端接入以及人工智能數(shù)據(jù)處理能力等多元智能技術(shù)集，鏈接網(wǎng)絡(luò)空間和實(shí)體校園的智慧校園虛擬映像，串聯(lián)以“5G+MEC”為核心的新技術(shù)形態(tài)、以“實(shí)時(shí)協(xié)同分工網(wǎng)絡(luò)”為核心的新組織形態(tài)、以“物聯(lián)—數(shù)據(jù)—資源”為核心的新數(shù)據(jù)形態(tài)、以“云網(wǎng)端”為核心的新開放形態(tài)，最終形成一套支撐跨校區(qū)智慧校園生態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的融合創(chuàng)新發(fā)展體系(如圖3所示)。

圖3 5G+MEC智慧校園架構(gòu)

4.1 以5G+MEC實(shí)現(xiàn)智慧校園的新技術(shù)形態(tài)

智慧校園的新技術(shù)形態(tài)充分利用5G+MEC的能力及資源實(shí)現(xiàn)終端接入以及系統(tǒng)應(yīng)用部署，革新云—網(wǎng)—端的連接架構(gòu)，將校園內(nèi)各類要素進(jìn)行有效的全方位多模態(tài)連接，校園師生利用UPF實(shí)現(xiàn)終端無縫連接校園網(wǎng)絡(luò)，支撐日常教學(xué)、管理以及生活的穩(wěn)態(tài)服務(wù)。同時(shí)，利用5G+MEC的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、高可靠低時(shí)延通信和大規(guī)模機(jī)器通信等特點(diǎn)支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)的豐富內(nèi)容，以其承載快速以及高效的服務(wù)，使得人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等與智慧校園更好地融合，重構(gòu)業(yè)務(wù)流程。

4.2 以5G+MEC實(shí)現(xiàn)智慧校園的新組織形態(tài)

智慧校園的新組織形態(tài)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片重新劃分校園網(wǎng)，結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景新需求及實(shí)際，劃分教學(xué)、科研、管理、生活等網(wǎng)絡(luò)“車道”，既可以滿足不同校區(qū)間同一業(yè)務(wù)運(yùn)行的速率差異，又可以滿足同一業(yè)務(wù)跨校區(qū)的無時(shí)延，促使教育管理者、教師以及學(xué)生的線上線下協(xié)作無縫銜接，使得數(shù)據(jù)與算法等新型信息技術(shù)元素更好地融入教育教學(xué)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，達(dá)成更高層次的人人到人機(jī)協(xié)同運(yùn)作。

4.3 以5G+MEC實(shí)現(xiàn)智慧校園的新數(shù)據(jù)形態(tài)

智慧校園的新數(shù)據(jù)形態(tài)主要依賴于5G融合網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)到業(yè)務(wù)多維數(shù)據(jù)來源，結(jié)合智能感知與識(shí)別、人員定位與軌跡監(jiān)測(cè)、校園環(huán)境預(yù)警與異常報(bào)警、智能化視頻監(jiān)控和管理等，從以個(gè)人為中心的全方位小數(shù)據(jù)到大范圍、大規(guī)模的大數(shù)據(jù)全面進(jìn)行采集，通過兩種數(shù)據(jù)相輔相成實(shí)現(xiàn)校園數(shù)據(jù)資產(chǎn)生態(tài)的沉淀。同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)治理、理論模型等健全大數(shù)據(jù)輔助校園決策及治理的路徑，轉(zhuǎn)變?nèi)后w教學(xué)以及個(gè)性化指導(dǎo)的方法。

4.4 以5G+MEC實(shí)現(xiàn)智慧校園的新開放形態(tài)

智慧校園的新開放形態(tài)基于云網(wǎng)端的形式為整個(gè)校園用戶所服務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨?；?dòng)、人人互聯(lián)、應(yīng)用和資源層層匯聚共建共享、信息和數(shù)據(jù)全域互通。結(jié)合一體化的業(yè)務(wù)應(yīng)用為每個(gè)主體開放不同層級(jí)的應(yīng)用權(quán)限，實(shí)現(xiàn)每個(gè)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)都可以突破時(shí)空進(jìn)行協(xié)同，如教育資源的個(gè)體沉淀以及群體流轉(zhuǎn)，學(xué)生檔案的協(xié)同評(píng)價(jià)以及精準(zhǔn)指導(dǎo)，均依賴于開放形態(tài)，從而打破多校區(qū)長期教育共享割裂局面，建成共享大成的智慧校園生態(tài)。

5 結(jié)語

5G+MEC不僅是校園的運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)，同時(shí)也是落實(shí)教育教學(xué)使命的統(tǒng)抓共管的有力抓手。結(jié)合5G+MEC技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代信息技術(shù)，以大數(shù)據(jù)人工智能等促進(jìn)現(xiàn)實(shí)空間和網(wǎng)絡(luò)空間的相協(xié)調(diào)、相融合的多校區(qū)智慧校園新生態(tài)生成，為落實(shí)以信息技術(shù)深度融合教育教學(xué)推進(jìn)課堂革命，夯實(shí)教育新基建托起培養(yǎng)高質(zhì)量提供支撐。