邊緣計(jì)算和WiFi6 技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用探討

肖 偉，李書琪，黃厚雙，羅 影

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，教育信息化進(jìn)入了新的發(fā)展階段。教育部2018 年頒布的《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》文件明確指出：“信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入教育全過程”“充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，構(gòu)建全方位、全過程、全天候的支撐體系，助力教育教學(xué)”“以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，積極開展智慧教育創(chuàng)新研究和示范，推動(dòng)新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)”。這為今后一個(gè)時(shí)期教育信息化及校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)指明了方向。

1 高校校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀與存在的問題

我國(guó)高校校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)過近二十多年的發(fā)展，經(jīng)歷從網(wǎng)絡(luò)連接的電子校園到信息化平臺(tái)的數(shù)字校園，再到如今正蓬勃發(fā)展智能管理的智慧校園。其基礎(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本都處于保持原來未變或者適當(dāng)更換維修的狀態(tài)，在目前大數(shù)據(jù)量、多業(yè)務(wù)平臺(tái)、多用戶數(shù)的情況下，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵、設(shè)備故障等問題；高校監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)以及科研系統(tǒng)等多系統(tǒng)、多協(xié)議的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)日益增多，對(duì)后臺(tái)算力、存儲(chǔ)等的要求急速增高。特別是自疫情以來，越來越多的高校采用高清視頻和在線課程進(jìn)行教育教學(xué)，互動(dòng)教學(xué)、慕課等線上教學(xué)模式更加普及，自帶設(shè)備（Bring Your Own Device，BYOD）的教學(xué)類應(yīng)用已逐漸成為主流且有繼續(xù)擴(kuò)大化趨勢(shì)，無疑對(duì)現(xiàn)有校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出新的挑戰(zhàn)。

以筆者所在高校為例統(tǒng)計(jì)，學(xué)生通過筆記本電腦、手機(jī)上網(wǎng)的占比2/3 以上，日均無線流量達(dá)到707 MB。在網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，視頻和移動(dòng)應(yīng)用的流量已經(jīng)超過總流量的70%。隨機(jī)抽查微信使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)的流量情況，如圖1、圖2 所示。

圖1 微信使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計(jì)

圖2 微信使用WiFi 流量統(tǒng)計(jì)

由此可見，在未來智慧校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，勢(shì)必要提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行能力和計(jì)算力才能夠滿足接入更多類型的終端設(shè)備，才能匹配高并發(fā)、大寬帶、低延時(shí)和多業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。因此，在智慧校園建設(shè)過程中，需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，研究新技術(shù)手段，才能解決上述瓶頸問題。

2 高校智慧校園建設(shè)中網(wǎng)絡(luò)通信模式與數(shù)據(jù)計(jì)算方式選擇

智慧校園建設(shè)中網(wǎng)絡(luò)通信能力和計(jì)算力成為兩大關(guān)鍵問題。借助新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)破解難題的過程中，如何選擇出適合智慧校園建設(shè)實(shí)際需求的技術(shù)方案尤為重要。

2.1 WiFi6 與5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的適應(yīng)性分析

第六代局域網(wǎng)無線技術(shù)WiFi6，采用802.11ax通信標(biāo)準(zhǔn)，支持2.4 GHz 和5 GHz 頻段，傳輸速率可達(dá)9.6 Gb·s-1，主要應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景，具有高帶寬、低時(shí)延、泛聯(lián)接以及區(qū)域隔離的保密性等優(yōu)勢(shì)［1］；采用OFDMA 和MU-MIMO 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多設(shè)備連接的支持，單個(gè)WiFi6 路由器能連接1 024 臺(tái)設(shè)備，并保證每臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。安全方面，采用加密協(xié)議WPA 3 提高了安全性。

第五代移動(dòng)通信技術(shù)5G 屬于廣域網(wǎng)技術(shù)，其內(nèi)核與WiFi6 同樣都采用OFDMA 與MU-MIMO 技術(shù)，讓單接入點(diǎn)（Access Point，AP）的帶寬提升4倍，接入容量提升4 倍［2］。5G 具備覆蓋范圍廣、可支持高速移動(dòng)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，主要以室外覆蓋為主，兼顧部分室內(nèi)淺層覆蓋。

5G 與WiFi6 都屬于新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其總體性能相當(dāng)［3］。還需要從應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步深入分析。盡管5G 和WiFi6 的應(yīng)用場(chǎng)景有較多的相似之處，但WiFi6屬于局域網(wǎng)技術(shù)，主要應(yīng)用范圍在1 km之內(nèi)，適合高密度場(chǎng)景應(yīng)用。而5G 相比WiFi6，移動(dòng)性優(yōu)勢(shì)明顯，在局部區(qū)域內(nèi)很難做到全面覆蓋，更側(cè)重對(duì)廣域網(wǎng)設(shè)備的支持，在室外高速場(chǎng)景下的優(yōu)勢(shì)更加突出。

高校智慧校園建設(shè)更多面向解決教室、宿舍、食堂、圖書館、實(shí)訓(xùn)中心等室內(nèi)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸問題，終端類型以機(jī)器與機(jī)器（Machine to Machine，M2M）、PC 以及移動(dòng)終端為主，具有較大業(yè)務(wù)量，需要有充分的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，而對(duì)移動(dòng)性要求相對(duì)不高，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)使用者需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)具有一定的控制權(quán)，在建設(shè)、使用成本費(fèi)方面需要進(jìn)行控制。綜上不難看出，在智慧校園構(gòu)建中，通信網(wǎng)絡(luò)方式采用WiFi6 更為適合。

2.2 邊緣計(jì)算與云計(jì)算運(yùn)行方式在智慧校園建設(shè)中的適應(yīng)性分析

邊緣計(jì)算和云計(jì)算都是處理大數(shù)據(jù)時(shí)的一種計(jì)算運(yùn)行方式，它們之間互為補(bǔ)充關(guān)系［4］。云計(jì)算是采用共享計(jì)算設(shè)施、存儲(chǔ)設(shè)備及應(yīng)用程序等資源的計(jì)算模式。邊緣計(jì)算則有別于傳統(tǒng)中心化的云計(jì)算，將數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用程序運(yùn)行、部分功能服務(wù)由中心節(jié)點(diǎn)“下沉”至網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，在靠近終端數(shù)據(jù)源處就近進(jìn)行計(jì)算處理。

邊緣計(jì)算主要對(duì)海量數(shù)據(jù)直接在設(shè)備端或邊緣服務(wù)器中進(jìn)行處理，緩解云數(shù)據(jù)中心的壓力。邊緣計(jì)算使數(shù)據(jù)就近處理，服務(wù)的響應(yīng)性能和可靠性提升且高效、安全。因此，邊緣計(jì)算更適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和智能化處理。

高校智慧校園建設(shè)的首要任務(wù)就是保障海量的日常教學(xué)科研、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)以及辦公管理數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理和分析。面對(duì)眾多學(xué)生、教師、管理人員以及校外人員等的訪問任務(wù)需求，如果完全采用云計(jì)算的方式，無疑會(huì)造成云計(jì)算數(shù)據(jù)中心壓力倍增。網(wǎng)絡(luò)通信能力一旦跟不上，將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、設(shè)備損耗故障等問題。事實(shí)上，有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)完全可以在校內(nèi)完成，無需通過云計(jì)算解決，可以避免造成云計(jì)算資源浪費(fèi)。在智慧校園建設(shè)中，通過采用邊緣計(jì)算為主、云計(jì)算為輔的計(jì)算運(yùn)行方式，不但可以提升智慧校園的網(wǎng)絡(luò)支持能力、數(shù)據(jù)處理能力以及信息化服務(wù)能力，還可以減少通信成本與計(jì)算成本、降低能耗、確保數(shù)據(jù)安全。

3 基于邊緣計(jì)算和WiFi6 技術(shù)的智慧校園建設(shè)解決方案

基于上述分析，本文提出一種基于邊緣計(jì)算和WiFi6 技術(shù)的智慧校園建設(shè)方案，整體架構(gòu)如圖3所示，主要由感知交換層、接入管理層、分析展示層及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層組成。

圖3 智慧校園建設(shè)技術(shù)方案物理拓?fù)鋱D

感知交換層包括高校的各類應(yīng)用場(chǎng)景及相應(yīng)終端的各種硬件設(shè)備。概括而言，包括智慧教學(xué)場(chǎng)景、校園管理場(chǎng)景及教學(xué)管理場(chǎng)景共三大場(chǎng)景。

接入管理層用于實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的反饋和控制信號(hào)的上傳、下載、管理，主要通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備終端統(tǒng)一入網(wǎng)管理、遠(yuǎn)程終端升級(jí)、權(quán)限統(tǒng)一分配管理以及統(tǒng)一運(yùn)維管理，同時(shí)打通學(xué)校內(nèi)的各個(gè)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的平臺(tái)聚合。

分析展示層用來對(duì)感知層終端所匯聚起來的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析和展示，對(duì)校內(nèi)情況進(jìn)行綜合化、智能化、可視化的管理，進(jìn)行校園能耗管理展示、校園安全管理展示、綜合環(huán)境管理展示以及GIS地圖式校園管理展示等。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層對(duì)所有的終端設(shè)備、邊緣技術(shù)設(shè)備、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、日志、控制文件、展示內(nèi)容（圖片、文本、數(shù)據(jù)庫(kù)等）提供存儲(chǔ)空間，建立基于全校范圍的管理知識(shí)服務(wù)中心。

通過上述四個(gè)關(guān)鍵層級(jí)進(jìn)行分層管理，能夠較好地適應(yīng)智慧校園建設(shè)的需求，提升計(jì)算服務(wù)能力，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，保障內(nèi)部數(shù)據(jù)安全性。

4 基于邊緣計(jì)算和WiFi6 技術(shù)的智慧校園未來應(yīng)用場(chǎng)景

邊緣計(jì)算和WiFi6 組合的技術(shù)方案，能夠高效地收集數(shù)據(jù)，及時(shí)地分析數(shù)據(jù)，可靠地管理數(shù)據(jù)，使得智慧校園建設(shè)具有更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

4.1 智慧課堂教學(xué)

智慧教室是智慧校園的重要組成部分，涉及看、聽、說、傳等功能。智慧教室主要教學(xué)設(shè)備包括投影、電子屏、互動(dòng)教學(xué)問答器、考勤電子設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、語音設(shè)備以及環(huán)境系統(tǒng)的燈光、空調(diào)、門窗等智能控制設(shè)備。這些設(shè)備多維度的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行及時(shí)分析，反饋給學(xué)生、老師以及相關(guān)管理者，以便有效地幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)進(jìn)度，幫助老師觀察課堂情況，幫助學(xué)校有效地改善教學(xué)管理［5］。利用WiFi6 的高傳輸、低延遲、多并發(fā)特性來構(gòu)建無線局域網(wǎng)，通過“連接+計(jì)算”基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)崟r(shí)地將碎片化和差異化的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)邊緣服務(wù)器，通過邊緣計(jì)算提升計(jì)算資源利用率。

4.2 智慧生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)

隨著仿真系統(tǒng)AR/VR、移動(dòng)錄播及互動(dòng)教學(xué)的興起，需要無線網(wǎng)絡(luò)提供高并發(fā)、大帶寬、低延時(shí)和多業(yè)務(wù)的應(yīng)用。有了WiFi6 網(wǎng)絡(luò)，可以靈活組網(wǎng)，形成“機(jī)器-網(wǎng)絡(luò)-邊緣-使用”的整體架構(gòu)。未來實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)可以直接利用無線終端隨機(jī)接入系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)成“機(jī)房”，方便學(xué)生實(shí)操。

4.3 智慧校園生活

校園一卡通大量采用NFC、二維碼、人臉識(shí)別進(jìn)行支付交易和身份識(shí)別工作。手機(jī)、平板電腦等設(shè)備作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，對(duì)交易過程、個(gè)人數(shù)據(jù)展示內(nèi)容以及數(shù)據(jù)傳輸全過程進(jìn)行加密、解密，以WiFi6 和有線通信作為互為冗余的數(shù)據(jù)傳輸通道，使用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能夠?qū)⑷５娜?、機(jī)、物互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)感知校園的管理目標(biāo)。

4.4 智慧管理平臺(tái)

高校智慧校園地核心就在于智能化的管理平臺(tái)。門禁、安防、動(dòng)環(huán)、一卡通等多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及傳輸處理，通過WiFi6 的高效傳輸與邊緣計(jì)算的高效處理，能夠?qū)⒂杏脭?shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)，為管理人員做出判斷提供有價(jià)值的信息。

5 結(jié)語

高校校園智慧化建設(shè)越來越場(chǎng)景化、多樣化所產(chǎn)生出的多樣性數(shù)據(jù)，在邊緣計(jì)算和WiFi6 技術(shù)支撐下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)高效、及時(shí)、安全的傳輸、分析和處理，以個(gè)性化服務(wù)滿足校園用戶不斷提升的體驗(yàn)要求。同時(shí)，通過對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)收集、挖掘分析，能夠真正構(gòu)建起校園智慧化模式，不斷提升高校的管理水平和教育質(zhì)量。