5G MEC在智慧校園業(yè)務(wù)場景中的應(yīng)用研究

李伶 杜俊宇

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

關(guān)鍵詞：5G;MEC邊緣云;智慧校園;本地分流

中圖分類號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2021）13-0072-03

一、引言

當(dāng)前，教育信息化發(fā)展正處于關(guān)鍵時(shí)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(dòng)計(jì)劃》和國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》均指明了智慧校園建設(shè)的方向[1]。從技術(shù)發(fā)展層面來看，傳統(tǒng)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)在信息技術(shù)發(fā)展的智慧化階段，存在著數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)不足、實(shí)時(shí)性不足、帶寬不足以及存儲(chǔ)和算力資源的效率低、能耗高等局限性[2]。5G技術(shù)具有高帶寬、大連接和低時(shí)延三大特征，涵蓋教育領(lǐng)域的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)絡(luò)終端等技術(shù)，使得教育的形態(tài)和模式將被重新構(gòu)建。其中， MEC（Multi-Access Edge Cloud）邊緣云技術(shù)通過在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣提供信息化系統(tǒng)和云計(jì)算能力，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)云計(jì)算的不足[3]，為智慧校園建設(shè)提供技術(shù)保障。

二、MEC智慧校園網(wǎng)架構(gòu)

MEC邊緣云技術(shù)是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)部署云資源池和云平臺(tái)，為接入網(wǎng)提供IT和云計(jì)算能力，使得業(yè)務(wù)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(yīng)用數(shù)據(jù)無需往返公有云。一方面減少了傳輸時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)成本，大幅度降低運(yùn)營商骨干網(wǎng)的擁塞與負(fù)擔(dān)，減緩網(wǎng)絡(luò)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(wù)應(yīng)用開放，有利于提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)和指標(biāo)，并為用戶提供定制化服務(wù)。

基于5G MEC的智慧校園網(wǎng)方案，在校園范圍內(nèi)建設(shè)5G基站，形成無縫連接的校園網(wǎng)絡(luò)，全面支撐校園通信業(yè)務(wù)的需求。在基站和核心網(wǎng)之間部署邊緣云平臺(tái)，運(yùn)行各種校內(nèi)應(yīng)用，存儲(chǔ)有用的數(shù)據(jù)。本地業(yè)務(wù)被分流到邊緣云或本地網(wǎng)絡(luò)，保證了數(shù)據(jù)的安全性，也能滿足校內(nèi)超低時(shí)延應(yīng)用的需求。非本地業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)至核心網(wǎng)，與運(yùn)營商4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模式相同。MEC智慧校園網(wǎng)方案如圖1所示。

三、業(yè)務(wù)場景應(yīng)用分析

1.本地分流

雖然5G網(wǎng)速明顯提升，但如果師生對(duì)校內(nèi)資源的訪問要繞道運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，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(shù)可以解決這一問題。

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

另一方面，用戶訪問公網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)MEC平臺(tái)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(tái)的透明部署，無需對(duì)用戶終端和核心網(wǎng)進(jìn)行改造，降低部署及推廣的難度。同時(shí)，如果MEC故障，則流量完全透傳，無法實(shí)現(xiàn)分流，不影響業(yè)務(wù)。

MEC平臺(tái)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(biāo)是否為本地業(yè)務(wù)。若是，則分流至校園網(wǎng)，否則直接透傳至運(yùn)營商骨干網(wǎng)。以江蘇師范大學(xué)師生訪問校園網(wǎng)自助服務(wù)系統(tǒng)為例，目標(biāo)地址及端口為“202.195.64.90：9080”，分流規(guī)則中預(yù)先配置該IP地址段屬于本地業(yè)務(wù)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(shí)延?；贒NS解析的分流規(guī)則是根據(jù)DNS目標(biāo)域名判斷是否需要分流，如江蘇師范大學(xué)師生訪問學(xué)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(duì)不符合分流規(guī)則的所有流量均按照常規(guī)路徑轉(zhuǎn)發(fā)至運(yùn)營商骨干網(wǎng)?，F(xiàn)網(wǎng)實(shí)際測試結(jié)果證明，本地轉(zhuǎn)發(fā)比非本地轉(zhuǎn)發(fā)情況下ping包時(shí)延縮短50%[5]。

2.教育教學(xué)

教學(xué)是教育領(lǐng)域的核心業(yè)務(wù)，5G MEC技術(shù)在智慧教學(xué)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。例如：在遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)中，通過MEC邊緣云部署，提供低延時(shí)、大帶寬和高可靠的反饋促進(jìn)教學(xué)效果的提升;在AR/VR教學(xué)中，對(duì)時(shí)延要求高的渲染功能就近部署在靠近用戶的邊緣云側(cè)，有效提升傳輸速率，減少云服務(wù)時(shí)延，改善學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（1）互動(dòng)教學(xué)

5G互動(dòng)教學(xué)是將智慧教室內(nèi)各種硬件模塊進(jìn)行5G化處理，從原來的有線網(wǎng)絡(luò)、無線WiFi、藍(lán)牙、Zigbee/NB-IoT等網(wǎng)絡(luò)承載，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘?、高速率、高安全、低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò)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(jī)、攝像頭、麥克風(fēng)、5G授課寶、5G學(xué)生終端/反饋器、5G展臺(tái)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(luò)與生俱來的技術(shù)優(yōu)勢，給用戶帶來更快、更好、更流暢的課堂體驗(yàn)。同時(shí)，利用MEC邊緣云架構(gòu)，所有教學(xué)的后臺(tái)應(yīng)用、教學(xué)數(shù)據(jù)和學(xué)生信息等部署在學(xué)校的MEC邊緣云平臺(tái)中，減少了公有云泄露的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，安全更有保障，且便于學(xué)校的管理維護(hù)。5G智慧課堂整體架構(gòu)如圖3所示。