基于5G的高校雙域?qū)＞W(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用

楊文 鐘機(jī)靈 黃錦捷 周武裝

摘要：隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，對進(jìn)一步推動5G等新技術(shù)與教育的融合發(fā)展，營造“人人可學(xué)、時時可學(xué)、處處可學(xué)”的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，以“雙域訪問、隔離使用、獨立計費”的設(shè)計思路進(jìn)行5G校園雙域?qū)＞W(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用，期望充分利用5G技術(shù)超高速率、低時延、低功耗、大規(guī)模連接、高可靠性等特點，與人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)深度融合，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、數(shù)字化和智能化為一體的新型高校智慧教育教學(xué)新生態(tài)。

關(guān)鍵詞：5G；校園網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0088-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

隨著5G技術(shù)的日漸成熟，對進(jìn)一步推動5G等新技術(shù)與教育的融合發(fā)展，營造“人人可學(xué)、時時可學(xué)、處處可學(xué)”的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，實現(xiàn)從大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)向大規(guī)模個性化培養(yǎng)的躍升。2020年3月，國家發(fā)改委、工信部印發(fā)了《關(guān)于組織實施2020年新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程（寬帶網(wǎng)絡(luò)和5G領(lǐng)域）的通知》，明確重點基于 5G、VR/AR等技術(shù)，探索 5G 在遠(yuǎn)程教育、智慧課堂/教室、校園安全等場景下應(yīng)用，重點開展 5G+高清遠(yuǎn)程互動教學(xué)、AR/VR 沉浸式教學(xué)、全息課堂、遠(yuǎn)程督導(dǎo)、高清視頻安防監(jiān)控等業(yè)務(wù)[1]。加強(qiáng)5G教育應(yīng)用探索，探索5G教育應(yīng)用的典型場景，研究5G時代教、學(xué)、評的典型模式，是促進(jìn)5G時代智慧教育新生態(tài)構(gòu)建的基礎(chǔ)。5G在教育領(lǐng)域的廣泛深入應(yīng)用，技術(shù)賦能教育創(chuàng)新的成效將進(jìn)一步凸顯。

5G等新技術(shù)迅速發(fā)展，助力學(xué)校數(shù)字化轉(zhuǎn)型的同時，也對網(wǎng)絡(luò)及安全等基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高要求。河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱河職院）為河源市唯一高職院校，按河源市打造千億級電子信息產(chǎn)業(yè)集群人才需求，開設(shè)了移動通信、工業(yè)設(shè)計、人工智能、電子信息等相關(guān)專業(yè)，為滿足校園管理、專業(yè)建設(shè)及人才培養(yǎng)需求，亟須建設(shè)基于5G的高校雙域?qū)＞W(wǎng)。

1 5G專網(wǎng)需求分析

校園網(wǎng)目前主要以校內(nèi)有線局域網(wǎng)、Wi-Fi、VPN方式接入為主，為廣大師生提供對應(yīng)校內(nèi)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)需求[2]。2021年以來，隨著5G SA網(wǎng)絡(luò)商用后，各高校先后向運營商提出了為其實現(xiàn)SA 2B2C業(yè)務(wù)應(yīng)用的迫切需求，2B2C融合專網(wǎng)逐步成為各大院校的共性需求。經(jīng)調(diào)研，目前校園網(wǎng)存在的主要問題為：

1） 在人員密度較高區(qū)域（如圖書館、食堂、體育館等）的Wi-Fi訪問速度慢、體驗差，且存在安全隱患。

2） 對于時延要求較高的應(yīng)用（比如高清監(jiān)控、視頻會議、AR/VR等），現(xiàn)有的Wi-Fi或有線方式無法滿足承載要求。

3） 無線接入以Wi-Fi為主，室外難以全面覆蓋，無法保證室內(nèi)外連續(xù)訪問。

4） 公網(wǎng)訪問校內(nèi)受限資源通過VPN方式，訪問受VPN影響較大。

5） Internet網(wǎng)絡(luò)訪問受CERNET寬帶限制。

2 5G校園網(wǎng)設(shè)計思路

河源市加快5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2019—2022年） 的通知提出加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，到2022年底主要城區(qū)和縣城實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋，新建基站不少于1 664座。運營商已經(jīng)通過10個5G基站覆蓋了河職院整個校園，覆蓋率超過90%，為河職院的1.5萬手機(jī)用戶數(shù)提供5G網(wǎng)絡(luò)信號服務(wù)，完全能夠滿足“5G校園專網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用”所需的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

基于5G的雙域?qū)＞W(wǎng)以“雙域訪問、隔離使用、獨立計費”的設(shè)計思路，為能夠滿足高校教學(xué)、管理、服務(wù)等需求，實現(xiàn)2B和2C校園師生融合網(wǎng)絡(luò)。

雙域訪問：校方師生“不換卡、不換號”使用5G終端訪問企業(yè)5G內(nèi)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)。

隔離使用：基于安全考慮校方要求內(nèi)外網(wǎng)隔離訪問，外部人員不能訪問內(nèi)網(wǎng)。

獨立計費：訪問內(nèi)網(wǎng)由2B校方統(tǒng)一付費，訪問公網(wǎng)由師生自行付費。

3 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備

3.1 構(gòu)建5G+光纖+Wi-Fi+感知終端+物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的融合校園網(wǎng)絡(luò)

1） 核心網(wǎng)：為滿足河職院校區(qū)對于核心數(shù)據(jù)隔離的要求，同時降低河職院的運營成本，計劃采用2B共享UPF+DNN的方式，共用運營商位于東源縣的2B UPF，提供一個S-NSSAI切片，同時新建一條DNN專線直接接入河職院機(jī)房，實現(xiàn)核心網(wǎng)數(shù)據(jù)的隔離與回傳。

2） 傳輸網(wǎng)：在傳輸實現(xiàn)方面，運營商計劃采用獨立VLAN ID的方式，基站將其業(yè)務(wù)ID映射為一個獨享的VLAN ID傳給SPN，SPN對于這種VLAN ID，直接為其配置一條端到端獨享的業(yè)務(wù)通道。這條業(yè)務(wù)通道可以提供TDM隔離、超低處理時延和帶寬等各項性能保障。

3） 無線網(wǎng)：由于河職院對于無線網(wǎng)的接入要求較高，運營商計劃使用4.9G或2.6G的5G基站設(shè)備，在校園內(nèi)/外圍利舊現(xiàn)網(wǎng)的10個專用5G基站，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求不同切片使用不同的載波小區(qū)，每個業(yè)務(wù)僅使用本小區(qū)的空口資源，業(yè)務(wù)間嚴(yán)格區(qū)分確保各自資源，確保數(shù)據(jù)的安全性。

3.2 無線網(wǎng)室分采用的設(shè)備型號規(guī)格

1） BBU

基站BBU（如圖1所示）采用華為公司的DBS 5900，配備10GE主控接口板（UMPTg5） 及5G基帶板（UBBPg5b） ，滿足5G信號處理的需要。

2） RRU

基站側(cè)RRU（如圖2所示）采用華為公司的RRU5150-d，提供2.6G頻段的5G信號。

4 5G專網(wǎng)設(shè)計

利用5G特有的ULCL（Uplink Classifier上行分流）技術(shù)，初期利用運營商的ULCL-UPF（5G上行分流的核心網(wǎng)用戶面）設(shè)備，結(jié)合無線TAC識別技術(shù)，采用專網(wǎng)與個人業(yè)務(wù)共用通用DNN方式，實現(xiàn)ULCL-UPF的動態(tài)插入，實現(xiàn)個人用戶（不換卡、不換號）訪問校園內(nèi)網(wǎng)與訪問互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)不經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)，通過專線（暫定1000Mbps） ，高效安全地訪問校園內(nèi)網(wǎng)，5G雙域?qū)＞W(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

5G校園雙域?qū)＞W(wǎng)采用ULCL方案。使用通用DNN，校園客戶端IP地址錨定在共享UPF上，當(dāng)業(yè)務(wù)目的IP地址命中2B UPF的ULCL IP表，業(yè)務(wù)流從2B? UPF的N6接口連接校園服務(wù)器。對其余業(yè)務(wù)目的IP地址，業(yè)務(wù)流從2B? UPF的N9接口連接用戶錨定的共享UPF，從共享UPF的N6接口出公網(wǎng)。N9接口一般在公網(wǎng)上使用ITP隧道協(xié)議實現(xiàn)UPF之間的連接。校園網(wǎng)站可使用私網(wǎng)IP地址，從而與公網(wǎng)隔離。校方需要通過防火墻或路由器與1 000Mbps專線對接，運營商UPF與學(xué)校防火墻/路由器通過GRE VPN隧道相連，分配好所有5G終端的IP地址段。

ULCL方案的應(yīng)用可以使用App或者普通瀏覽器來使用5G校園雙域?qū)＞W(wǎng)，App通過內(nèi)置目的IP地址可直接命中ULCL的設(shè)定IP[3]。瀏覽器使用URL，需要DNS返回內(nèi)網(wǎng)IP地址。

5 5G+智慧校園應(yīng)用

以5G構(gòu)建高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸層，實現(xiàn)智慧平安校園、智慧停車、人臉識別等校園管理系統(tǒng)的互連融合，對校園實行智慧化管理。

5.1 5G+ICT創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地

根據(jù)國家對5G ICT人才的需求，系統(tǒng)設(shè)計5G ICT實訓(xùn)教學(xué)體系，堅持教學(xué)與實戰(zhàn)相結(jié)合，建成5G+ICT創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地，提升社會服務(wù)能力。圍繞ICT產(chǎn)業(yè)發(fā)展與需求，與設(shè)備供應(yīng)商合作，共建5G+ICT高技能人才培訓(xùn)基地，滿足學(xué)校高水平特色專業(yè)群建設(shè)需求的同時，服務(wù)下一代數(shù)據(jù)中心、下一代互聯(lián)網(wǎng)、下一代通信網(wǎng)絡(luò)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

5.2 智慧平安校園

通過學(xué)校側(cè)云平臺將視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)本地存儲分發(fā)，有效提升業(yè)務(wù)質(zhì)量，保證視頻的私密性。 搭載 AI 人工智能視頻分析部署在邊緣服務(wù)器，面向智能安防、視頻監(jiān)控、人臉識別、行為分析等業(yè)務(wù)場景，利用 5G 網(wǎng)絡(luò)低時延，提升應(yīng)急事件反應(yīng)速度[4]。

5.3 智慧停車

將停車系統(tǒng)實時感知車輛進(jìn)出校園情況，通過大帶寬、低時延的 5G 網(wǎng)絡(luò)將各種感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行模瑢崿F(xiàn)對校園車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

5.4 5G人臉識別

以人臉識別技術(shù)為基礎(chǔ)，將智慧校園和門禁系統(tǒng)進(jìn)行對接，通過平臺實現(xiàn)對門禁系統(tǒng)的統(tǒng)一、遠(yuǎn)程、精準(zhǔn)管理。何時、何地、何人進(jìn)出校門、宿舍盡在掌握，同時實時動態(tài)掌握學(xué)生歸寢數(shù)據(jù)，提升宿舍科學(xué)管理水平。

5.5 5G智慧教室

基于5G大帶寬、低時延、廣連接的特性，5G智慧教室可更好地應(yīng)用于課堂教學(xué)，促進(jìn)課堂教學(xué)的教學(xué)模式改革和創(chuàng)新。

智慧教室配備物聯(lián)網(wǎng)中控、智慧互動課堂、課程錄制、教室擴(kuò)音、物聯(lián)控制等系統(tǒng)，通過5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將教室內(nèi)硬件環(huán)境進(jìn)行有機(jī)整合，對教學(xué)設(shè)施設(shè)備形成統(tǒng)一管理，構(gòu)建舒適教學(xué)環(huán)境，提升教學(xué)空間的使用效率，實現(xiàn)學(xué)習(xí)空間、信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，以支持傳統(tǒng)講授、模擬課堂（PBL） 、翻轉(zhuǎn)課堂（FC） 、雙師課堂、直播互動課等多種教學(xué)模式。

5.6 5G智慧消防

加強(qiáng)對消防設(shè)備監(jiān)控，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將消防管道水壓、消防泵機(jī)運行狀態(tài)定時上傳到后臺，通過設(shè)備監(jiān)控頁面查看詳細(xì)數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)對消防水系統(tǒng)的主動管理， 系統(tǒng)通過調(diào)取現(xiàn)場視頻、智能報警、數(shù)據(jù)信息等多種方式， 快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常及故障[5]。

通過大數(shù)據(jù)分析，不斷優(yōu)化節(jié)能策略，可以自動分析和統(tǒng)計各個樓宇、教室或者特定區(qū)域的能源計量、統(tǒng)計、分析，提供節(jié)能優(yōu)化策略和建議。

6 5G校園雙域?qū)＞W(wǎng)應(yīng)用效果

按照“雙域訪問、隔離使用、獨立計費”的整體設(shè)計，推廣以5G專網(wǎng)為基礎(chǔ)的雙域產(chǎn)品方案，能夠滿足校方管理和學(xué)生服務(wù)，實現(xiàn)2B、2C校園師生融合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

1） 雙域訪問：學(xué)校師生“不換卡、不換號”使用5G終端訪問校園5G內(nèi)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)。

2） 隔離使用：基于安全考慮學(xué)校要求內(nèi)外網(wǎng)隔離訪問，外部人員不能訪問內(nèi)網(wǎng)。

3） 5G廣域覆蓋：可按需進(jìn)行廣覆蓋，當(dāng)前最大可覆蓋整個地市，后續(xù)支持多切片后可按需支持全國漫游。

4） 無感安全認(rèn)證：網(wǎng)絡(luò)側(cè)可根據(jù)套餐簽約識別用戶，用戶激活即可自動連接校園網(wǎng)無須用戶手動認(rèn)證。

5） 用戶體驗優(yōu)化：實現(xiàn)室內(nèi)外連續(xù)覆蓋無死角，無縫切換，容量更大，抗干擾強(qiáng)，移動性更好，不丟包斷網(wǎng)。

除了解決了傳統(tǒng)校園網(wǎng)的“校園內(nèi)外網(wǎng)隔離訪問難、無法不換卡不換號”訪問校園內(nèi)網(wǎng)、無線校園網(wǎng)過于依賴Wi-Fi等問題外，還能提供超過1Gbps超大帶寬，能支持更多超高清視頻應(yīng)用，比如4K AR/VR/AI攝像頭等；超低時延還能支持5G 無人校巴、5G 安防機(jī)器人等應(yīng)用。

7 結(jié)束語

充分利用5G技術(shù)超高速率、低時延、低功耗、大規(guī)模連接、高可靠性等特點，與人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)深度融合，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、信息化[6]、數(shù)字化和智能化為一體的新型智慧教育新生態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚立國，劉思佳，趙天雨.5G時代虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑裝飾教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].教育實踐與研究，2021（12）：11-14.

[2] 苗學(xué)忠，張俊.基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧園區(qū)建設(shè)方案研究[J].通訊世界，2021（2）：29-30.

[3] 楊俊鋒，施高俊，莊榕霞，等.5G+智慧教育：基于智能技術(shù)的教育變革[J].中國電化教育，2021（4）：1-7.

[4] 張潔雅，毛園園.“5G+智慧校園”的創(chuàng)新應(yīng)用[J].智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊，2021（1）：39-43.

[5] 吳學(xué)政.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校智慧消防管理系統(tǒng)建設(shè)探討[J].科技通報，2017，33（10）：218-221.

[6] 歐陽日輝.數(shù)實融合的理論機(jī)理、典型事實與政策建議[J].改革與戰(zhàn)略，2022，38（5）：1-23.

【通聯(lián)編輯：梁書】