5G無邊界校園孕育高質(zhì)量教育教學(xué)大數(shù)據(jù)分析新服務(wù)

李立先

（中國電信股份有限公司山東分公司）

一、項目背景

為積極響應(yīng)國家關(guān)于“加強新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)，拓展5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用”的政策要求，2021年上半年起，許多學(xué)校開始了5G虛擬校園網(wǎng)的項目，為師生提供沉浸式的學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)定制化教學(xué)體驗。

XX大學(xué)有直屬院（系）35個，覆蓋地域分散，在各區(qū)基本都有，同時在多個地區(qū)擁有較多研究院和聯(lián)合研究機構(gòu)。XX大學(xué)積極響應(yīng)國家號召，開展精準扶貧和支教服務(wù)，幫助永平在城鄉(xiāng)規(guī)劃、經(jīng)濟發(fā)展、基礎(chǔ)教育、醫(yī)療衛(wèi)生等各領(lǐng)域獲得提升。面對地域廣闊、附屬機構(gòu)多、教師和學(xué)生能力強、學(xué)校資源豐富的情況，為了讓學(xué)校師生在校外安全訪問教學(xué)資源和遠程協(xié)作，讓XX科研人員可在任何地方開展實驗和研究，比如虛擬仿真、戶外模擬環(huán)境、混合現(xiàn)實的實訓(xùn)等；構(gòu)建一張無所不在的教育服務(wù)網(wǎng)絡(luò)針對學(xué)生大數(shù)據(jù)的畫像提供個性化的教學(xué)服務(wù)一直是學(xué)校信息化工作者的重點工作之一。

本項目通過5G移動通信及邊緣計算技術(shù)為XX打造一張無邊界的5G虛擬校園網(wǎng)，滿足學(xué)校在任何地方、任何領(lǐng)域可實時開展業(yè)務(wù)連接、高速計算、信息安全等需求的虛擬專網(wǎng)，讓XX的優(yōu)質(zhì)資源、專業(yè)能力、教學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用等通過這張無邊界校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋XX、輻射全國，走向世界。

二、項目內(nèi)容

（一）主要功能

當前，蜂窩移動通信技術(shù)演進到 5G 時代，網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延及可靠性、連接數(shù)等技術(shù)能力指標大幅提升。基于5G的虛擬校園網(wǎng)與5G集成芯片技術(shù)和邊緣計算技術(shù)是一種可管理、可控、可感知的校園虛擬專用網(wǎng)，滿足學(xué)校業(yè)務(wù)連接、高速計算和信息安全的需要，具有高可靠性、低成本和大集成的優(yōu)點開發(fā)和提供主動智能服務(wù)是未來學(xué)校新的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。

基于5G虛擬校園網(wǎng)的智慧校園應(yīng)用場景主要可分為教研、教學(xué)和教育管理三大領(lǐng)域，其中教學(xué)類應(yīng)用包含在線教學(xué)、遠程培訓(xùn)、名師課堂、AR/VR/XR教學(xué)等，教研類場景包含在線科研、在線診斷、遠程協(xié)作會議、科研虛擬仿真等，教育管理類場景包含黨建教育、視頻直播、設(shè)備智能管理等。作為原校園有線網(wǎng)絡(luò)及無線網(wǎng)絡(luò)的延展與補充，這張?zhí)摂M校園網(wǎng)將極大提高XX大學(xué)校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋面。目前具體實現(xiàn)了以下功能：

1.無需VPN，直連訪問校內(nèi)資源

長期以來，師生用戶從校外訪問校內(nèi)虛地址資源，只能通過連接VPN的方法來實現(xiàn)，面臨需要額外安裝VPN軟件及下載速率不穩(wěn)定等問題。5G虛擬校園網(wǎng)為師生提供了一種選擇，極大提升訪問速率及穩(wěn)定性，降低訪問時延，可無縫接入校園內(nèi)網(wǎng)進行資源下載、高清視頻觀看，均無明顯卡頓，滿足師生用戶的日常使用需求。

2.合作科研項目實現(xiàn)校內(nèi)外高速數(shù)據(jù)傳輸

通過5G CPE或5G隨行WIFI設(shè)備，將5G信號轉(zhuǎn)化成校園有線或無線信號，運用中國電信5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣的天然優(yōu)勢，最終可實現(xiàn)合作科研項目數(shù)據(jù)的校內(nèi)外實時傳輸，便捷使用校內(nèi)云平臺，加快了實驗數(shù)據(jù)的共享、傳輸和分析處理，使科研工作更加高效。

3.大數(shù)據(jù)教學(xué)項目試點應(yīng)用

整合校園監(jiān)控視頻系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)與校園網(wǎng)管理系統(tǒng)等系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)， 經(jīng)過抽取、洗滌和加工，最終抽象反映出學(xué)生的喜好、態(tài)度、學(xué)習(xí)等多個維度的學(xué)生畫像?？梢愿茖W(xué)、更精準地了解學(xué)生動態(tài)，為高校教育教學(xué)、教育管理的決策和規(guī)劃提供更加可靠的依據(jù)。

圖1 XX大學(xué)無邊界虛擬校園網(wǎng)框架圖

（二）設(shè)計理念

本項目方案設(shè)計團隊由XX大學(xué)作為需求方，中國電信股份有限公司作為服務(wù)方共同組成，項目中涉及多個專業(yè)領(lǐng)域、在信息基礎(chǔ)設(shè)施方面包括5G基站部署、MEC機房建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)配置、大數(shù)據(jù)智能管理，在定制網(wǎng)方面包括內(nèi)外網(wǎng)區(qū)隔、多租戶隔離、安全切片分流、教育專網(wǎng)和5G網(wǎng)融合等技術(shù)實現(xiàn)，“5G虛擬校園網(wǎng)”能根據(jù)應(yīng)用的不同，自動選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通道，比如用戶訪問的是微信、淘寶等公網(wǎng)應(yīng)用，就直接走公網(wǎng)，如果訪問的是校內(nèi)資源、應(yīng)用，則走校內(nèi)專網(wǎng)通道，做到應(yīng)用無縫切換，網(wǎng)絡(luò)智能隨選。

1.項目方案

中國電信5G定制網(wǎng)服務(wù)，是在5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，推出了“網(wǎng)絡(luò)定制、邊緣智能、云協(xié)作、x-on-demand”集成協(xié)作的綜合解決方案。這個5G定制網(wǎng)站可以通過有必要為客戶提供部署在附近的邊緣智能服務(wù)和無需校園外數(shù)據(jù)的信息邊緣基礎(chǔ)設(shè)施，如邊緣計算能力、邊緣人工智能、邊緣SaaS應(yīng)用等；5G定制網(wǎng)絡(luò)也可以滿負荷運行滿足學(xué)校應(yīng)用云遷移的需求，動態(tài)為學(xué)校提供邊緣云與公有云協(xié)作、私有云與天一云協(xié)作、多園區(qū)公有云協(xié)作等多云靈活調(diào)度和統(tǒng)一管理服務(wù)。

根據(jù)XX學(xué)校需求，本項目中采用的5G定制網(wǎng)方式為比鄰模式。比鄰模式是基于5G 2B專網(wǎng)資源，通過多頻協(xié)同、載波聚合、超級上行、邊緣節(jié)點、QoS增強、無線資源預(yù)留、DNN、切片、邊緣節(jié)點等技術(shù)的靈活定制。比鄰模式提供的服務(wù)具有業(yè)務(wù)隔離、高帶寬、業(yè)務(wù)加速、低時延、數(shù)據(jù)不出場等典型特征。

考慮應(yīng)用區(qū)域可能在全市范圍，且既有公網(wǎng)又有專網(wǎng)需求，因此分流節(jié)點選擇共享式UPF節(jié)點的對用戶終端應(yīng)用進行分流，用戶機房位于XX大學(xué)XX路XX號，通過專線進行對接。實現(xiàn)“終端-基站-承載網(wǎng)-UPF-承載網(wǎng)-用戶DC”的端到端專用網(wǎng)絡(luò)。

此項目方案為XX大學(xué)提供一張帶寬增強、低時延、數(shù)據(jù)本地卸載的專有網(wǎng)絡(luò)，配合MEC、天翼云，最大化發(fā)揮云邊協(xié)同優(yōu)勢，為智慧校園的數(shù)字化應(yīng)用賦能。對市內(nèi)教師、學(xué)生5G終端進行專網(wǎng)業(yè)務(wù)簽約，對終端內(nèi)特定應(yīng)用進行分流，訪問專網(wǎng)應(yīng)用；終端其余應(yīng)用正常訪問公網(wǎng)。

2.項目特色

（1）業(yè)務(wù)優(yōu)勢

5G定制網(wǎng)比鄰模式結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的MEC，有以下優(yōu)勢：

①數(shù)據(jù)不出校園：在邊緣機房部署園區(qū)UPF網(wǎng)元，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)本地靈活卸載，達到數(shù)據(jù)不出校園，業(yè)務(wù)安全隔離。

②低時延：通過用戶面UPF本地部署，減少端到端時延。

③超高帶寬：結(jié)合超級上行，載波聚合等無線技術(shù)，大幅提高帶寬速度。

④業(yè)務(wù)隔離：在同一切片內(nèi)，通過定制DNN來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和路由隔離，通過定制QoS提供差異化的SLA，保障用戶業(yè)務(wù)安全。而對于多個切片，通過切片標識來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和路由隔離，根據(jù)客戶簽約的隔離級別提供差異化的隔離方式，如資源隔離或資源預(yù)留，保障用戶業(yè)務(wù)安全。

（2）技術(shù)能力優(yōu)勢

①網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)用

圖2 大數(shù)據(jù)精準教學(xué)分析平臺

MEC平臺支持基于 5G 網(wǎng)絡(luò)能力接口的調(diào)用，通過提供 API接口面向 MEC 應(yīng)用開放，主要包括：

流量引導(dǎo)：支持在 MEC 平臺配置分流策略，通過與 5G 核心網(wǎng)傳遞分流規(guī)則，實現(xiàn)邊緣節(jié)點特定業(yè)務(wù)分流，保障用戶就近訪問邊緣應(yīng)用；

流量管理：網(wǎng)絡(luò)配置RG指定付費方，提供計費系統(tǒng)實現(xiàn)ToB 流量統(tǒng)計手段；

位置訂閱：通過 UDM 及AMF 等網(wǎng)元的位置服務(wù)能力開放接口，支持對終端的網(wǎng)絡(luò)位置訂閱和通知服務(wù)。

Qos 保障：通過 PCF的策略授權(quán)服務(wù)接口，支持對特定業(yè)務(wù)流實現(xiàn)帶寬、資源優(yōu)先級等5G 接入服務(wù)質(zhì)量保障。

云邊高速：支持邊緣節(jié)點與中心云之間的高速專線連接。

②業(yè)務(wù)能力開放

MEC 平臺支持自有和第三方業(yè)務(wù)原子能力加載、統(tǒng)一開放、多量綱計費、按需調(diào)用，并可根據(jù)客戶需求靈活定制開發(fā)，包括:

AI 識別:基于MEC平臺提供人臉識別、行為識別、對象識別、文字識別等A算法，對影像進行本地分析處理，適用于各類視頻等場景。

vCDN:面向視頻分發(fā)類場景，提供邊緣vCDN能力，通過云邊協(xié)同實現(xiàn)內(nèi)容高效調(diào)度和就近訪問。

③平臺能力開放

MEC平臺提供編排管理、可視化門戶、自助訂購、自動部署等功能，實現(xiàn)客戶全周期、全流程、全方位業(yè)務(wù)運營能力，主要包括:

應(yīng)用便捷加載:支持應(yīng)用以容器(虛機容器、裸機容器)、虛機等形式統(tǒng)一編排管理，實現(xiàn)一點加載、全網(wǎng)部署。

業(yè)務(wù)能力開放:支持能力注冊、接口封裝、能力調(diào)用、能力鑒權(quán)、多量綱計費，實現(xiàn)能力開放;

客戶自助服務(wù):提供可視化門戶，支持客戶自助服務(wù)，實現(xiàn)資源、能力、應(yīng)用的全流程、全周期的管控。

專業(yè)運維服務(wù):基于屬地化專業(yè)運維能力，提供集成交付及不同等級的運維服務(wù)。

④大數(shù)據(jù)教學(xué)學(xué)生畫像平臺

大數(shù)據(jù)學(xué)生畫像以大數(shù)據(jù)作為技術(shù)根基，通過數(shù)據(jù)分析不同用戶的目標、行為和觀點，根據(jù)各自的差異，將他們區(qū)分為不同的類型，然后在每種類型中抽取出典型特征，賦予名字、照片、要素、場景等描述[2]，即為每個人物貼標簽，形成逐漸完整的學(xué)生畫像。具有基本性、移情性、真實性、獨特性、目標性、數(shù)量性、應(yīng)用性等特性。

三、實用性分析

本項目基于5G定制網(wǎng)比鄰模式。相比VPN，5G虛擬校園網(wǎng)有碾壓性優(yōu)勢，網(wǎng)速和穩(wěn)定性大幅提升，時延大幅降低。

在某一校區(qū)實測：5G虛擬校園網(wǎng)的公網(wǎng)下載速率達到801Mbps，而VPN下載速率為36.7Mpbs，同樣的下載速率差到兩倍多。

教育大數(shù)據(jù)存儲與分析的主要作用是采用分布式的結(jié)構(gòu)對搜集到的教育大數(shù)據(jù)進行存儲，分析，其中教育數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的可視化展示、教學(xué)效果評估、學(xué)生畫像等。該部分信息呈現(xiàn)的客體主要是教師，作用是使教師能全面地了解教學(xué)的實際效果，并且通過每一位學(xué)生的畫像了解他們各自的特長與實際情況，從而進行教學(xué)模式與教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整。

【相關(guān)鏈接】

移動通信延續(xù)著每十年一代技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，已歷經(jīng)1G、2G、3G、4G的發(fā)展。每一次代際躍遷，每一次技術(shù)進步，都極大地促進了產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟社會發(fā)展。從1G到2G，實現(xiàn)了模擬通信到數(shù)字通信的過渡，移動通信走進了千家萬戶；從2G到3G、4G，實現(xiàn)了語音業(yè)務(wù)到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變，傳輸速率成百倍提升，促進了移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及和繁榮。當前，移動網(wǎng)絡(luò)已融入社會生活的方方面面，深刻改變了人們的溝通、交流乃至整個生活方式。4G網(wǎng)絡(luò)造就了繁榮的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟，解決了人與人隨時隨地通信的問題，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，新服務(wù)、新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量爆炸式增長，4G移動通信系統(tǒng)難以滿足未來移動數(shù)據(jù)流量暴漲的需求，急需研發(fā)下一代移動通信（5G）系統(tǒng)。