基于虛擬5G MEC的智慧校園建設(shè)*

孟軍霞，陳 冰

（焦作大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

校園信息化已從技術(shù)支持的教學(xué)輔助者逐漸轉(zhuǎn)向為創(chuàng)新教學(xué)模式的推動者，面向應(yīng)用的智慧校園建設(shè)模式已經(jīng)不能滿足新時代教學(xué)的需求，以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新發(fā)展的智慧校園建設(shè)開始走上舞臺，虛擬5G邊緣云計算 （Multi-access Edge Computing，MEC）作為現(xiàn)階段高校智慧建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)部署方案，能夠在成本和需求上達到一個平衡，是一種從根本上解決網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問題的方法。

1 傳統(tǒng)智慧校園建設(shè)瓶頸

教育信息化1.0要求建設(shè)覆蓋全國教育的管理信息系統(tǒng)，使教學(xué)和學(xué)習(xí)模式發(fā)生了深刻的轉(zhuǎn)變，但在傳統(tǒng)的數(shù)字校園建設(shè)中，教師和學(xué)生參與度低，教育模式是以 “教為主”而不是 “學(xué)為主”，距離實現(xiàn) “個性化學(xué)習(xí)、差異化教學(xué)、泛在式學(xué)習(xí)、群智化學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)”[1]的智慧教育模式仍然存在較大差距。

教育部制定并印發(fā)的 《教育信息化2.0行動計劃》提出：“新時代賦予了教育信息化新的使命，也必然帶動教育信息化從1.0時代進入2.0時代”?！巴ㄟ^實施教育信息化2.0行動計劃，到2022年基本實現(xiàn) ‘三全兩高一大’的發(fā)展目標”[2]。教育信息化2.0要求從關(guān)注應(yīng)用到人轉(zhuǎn)變，要求建立互聯(lián)網(wǎng)+教育大平臺，創(chuàng)新融合云計算、大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，而基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步成為智慧校園發(fā)展的瓶頸，主要存在網(wǎng)絡(luò)帶寬不足、時延過大和算力不足等問題。

信息化2.0要求至少千兆到校、百兆到班，建立教育大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時分析處理，滿足諸如VR，AR、高清視頻、人工智能、云計算等大數(shù)據(jù)分析的要求，而傳統(tǒng)的數(shù)字化校園采用的傳送網(wǎng)絡(luò)光電復(fù)合模式出口帶寬非常有限，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)往往采用網(wǎng)線布放或無線Wi-Fi模式，時延大且穩(wěn)定性較差。隨著三通兩平臺的建設(shè)和各種教學(xué)應(yīng)用覆蓋，海量數(shù)據(jù)已經(jīng)遠遠超過智慧校園有限的處理能力，現(xiàn)有的服務(wù)很容易淹沒在數(shù)據(jù)海洋中。

2 智慧校園2.0建設(shè)思路

為了破除智慧校園建設(shè)瓶頸，必須革新理念，通過研究新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，找到一個能夠快捷、高效、較低成本的問題解決方案。

在接入層網(wǎng)絡(luò)選擇上，5G具有 “大帶寬、海量連接、高可靠、低時延”的特性，100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗速率、1 000 000戶/km2的終端接入能力、毫秒級的端到端時延、每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度，以及99.999%的可靠性[3]，在智慧校園應(yīng)用中明顯優(yōu)于4G和Wi-Fi等接入的網(wǎng)絡(luò)性能。

在服務(wù)和應(yīng)用部署上，MEC提供了一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和開放平臺，該平臺在網(wǎng)絡(luò)邊緣整合了網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲和應(yīng)用的核心能力，通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署各種服務(wù)和緩存內(nèi)容，可以緩解移動核心網(wǎng)絡(luò)進一步的擁塞，5G的大帶寬、低時延、海量連接的特性，可以更快捷地實現(xiàn)視頻分析、位置服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、增強現(xiàn)實等功能。

MEC提供了一個新的生態(tài)系統(tǒng)和價值鏈，運營商可以授權(quán)第三方無線接入網(wǎng)絡(luò) （RAN） 邊緣，使他們能夠靈活、快速地向移動用戶、企業(yè)、校園和垂直細分市場部署創(chuàng)新應(yīng)用和服務(wù)[4]。

5G MEC可以有效解決智慧校園建設(shè)的瓶頸問題，如VR的實現(xiàn)。在傳統(tǒng)智慧校園1.0中標配的多媒體教室解決方案中，低端計算機運行緩慢，帶寬網(wǎng)速不能滿足要求，系統(tǒng)軟件老化，無法實現(xiàn)VR。而基于5G的MEC解決方案中，終端方面成本較低，現(xiàn)有電腦即可滿足要求，有5G網(wǎng)絡(luò)的地方就可以教學(xué)，使教學(xué)從室內(nèi)走向室外；通過邊緣云的部署，可以提供高GPU處理能力，滿足VR的需求，資源可以共享，覆蓋周邊學(xué)校，學(xué)校無需維護從而專注于教學(xué)，可根據(jù)需要分配計算機，以滿足教學(xué)應(yīng)用；更多資源可以放在云端，豐富的素材資源促進家校溝通，提高家長在教學(xué)中的參與度。

3 5G MEC主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展進度在不同設(shè)備廠家、運營商之間并不統(tǒng)一，側(cè)重點也有差異。主流的MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為獨立專網(wǎng)、混合專網(wǎng)、虛擬專網(wǎng)3種，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定制程度，可提供特定區(qū)域覆蓋、數(shù)據(jù)可靠傳輸、業(yè)務(wù)安全隔離、設(shè)備可管可控的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)，滿足在組織、指揮、管理、生產(chǎn)、調(diào)度等環(huán)節(jié)的服務(wù)需求，見圖1。

區(qū)分5G MEC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要依賴5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片是將運營商的物理網(wǎng)絡(luò)切分為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一網(wǎng)多用，切片使得運營商能夠在一個物理網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)建多個端到端、虛擬的、隔離的、按需定制的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同行業(yè)客戶對網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求 （如時延、帶寬、連接數(shù)等），5G切片基于SA架構(gòu)實現(xiàn)。

3.1 獨立MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

獨立MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的無線網(wǎng)采用獨立的頻譜、硬件資源，在核心網(wǎng)邊緣云計算部分新建UPF，在用戶控制部分新建AMF，SMF設(shè)備，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)適合于對安全性要求更高的本地閉環(huán)數(shù)據(jù)，如政企、黨政軍、電力、港口等。獨立MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點是性能高、效果好、價格高，適用于時延及本地化要求強烈的行業(yè)客戶[5]。

3.2 混合MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

混合MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是在獨立MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，將投資較大的無線網(wǎng)、核心網(wǎng)用戶控制部分通過5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在專網(wǎng)和公網(wǎng)間進行共享，在地理空間上可在靠近用戶應(yīng)用較為密切的UPF/MEC部署，如可放置在校園綜合機房內(nèi)與本地服務(wù)器同步部署?；旌螹EC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)性能高、靈活性強、性價比高，在具體實施上，可以有多種配置結(jié)構(gòu)，滿足一些特殊場景需求，如煤礦地下開采區(qū)域或園區(qū)密閉廠區(qū)，可采用專網(wǎng)5G基站+公網(wǎng)5G基站部署?；旌螹EC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以滿足絕大部分智慧校園建設(shè)需求，適合校園規(guī)模大、學(xué)生多的場景[6]。

3.3 虛擬MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

虛擬MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無需投入硬件資源，完全采用運營商無線、核心及邊緣云計算設(shè)備，如不采用云服務(wù)器，還可將本地服務(wù)器資源部署在運營商IDC機房或者租用運營商服務(wù)器設(shè)備，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活性是最高的，在建設(shè)初期，在用戶較少的情況下可以快速實現(xiàn)智慧校園從1.0到2.0的升級。

4 智慧校園5G MEC方案

在智慧校園2.0建設(shè)初期采用虛擬MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，5G核心網(wǎng)AMF/SMF使用運營商核心網(wǎng)，核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元UPF及MEC安裝在運營商中心機房，無線網(wǎng)基站控制器 （BBU）安裝在校園內(nèi)中心機房（運營商或校方機房），線路考慮利用舊傳輸資源或新建光纜，宏覆蓋采用現(xiàn)有校園5G宏站覆蓋 （根據(jù)容量選擇32T/R或64T/R），在用戶較多的室內(nèi)采用RHUB通過光纜與pRRU+定向天線連接實現(xiàn)5G信號覆蓋。智慧校園網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見第129頁圖2。

4.1 5G MEC建設(shè)方案

5G無線網(wǎng)在智慧校園建設(shè)初期可直接依托現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)站址進行規(guī)劃建設(shè)，以河南某高校的5G無線網(wǎng)建設(shè)方案為例，該校東西長約1.8 km，南北長約0.8 km，在校生近4萬人，現(xiàn)有4G物理站址11站，室分站址12站，已基本覆蓋生活區(qū)、教學(xué)區(qū)、圖書館和其他活動場地。因采用切片技術(shù)，在保證智慧校園虛擬專網(wǎng)需要的前提下，還要保證公網(wǎng)用戶的需求，因此宏站部分全部采用國內(nèi)某公司的SA架構(gòu)3.5 GHz 64T/R 320 W產(chǎn)品進行建設(shè)，室分采用pRRU 5961G 4T4R數(shù)字化室分建設(shè)，用于承載高速率、低時延、高可靠性的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

邊緣云MEC系統(tǒng)選擇共享部署，在運營商中心機房部署UPF+邊緣云MEC云平臺，UPF通過智能城域網(wǎng)與5G基站和5G核心網(wǎng)對接，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和MEC互聯(lián)，本地數(shù)據(jù)由UPF分流至MEC平臺，MEC平臺與校園專網(wǎng)通過防火墻隔離，后期隨著MEC的部署，可為基于大數(shù)據(jù)的AI分析應(yīng)用提供邊緣計算能力，未來也可考慮將MEC+UPF部署到校園內(nèi)機房，進一步提升性能。

圖2 智慧校園網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從業(yè)務(wù)安全角度看，核心網(wǎng)用戶面采用切片技術(shù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出校園即可提供更高的安全保障。從商業(yè)角度看，虛擬MEC可以節(jié)省傳輸資源，尤其針對存在大量數(shù)據(jù)傳輸需求的視頻類應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在站點內(nèi)的本地存儲和運算，節(jié)省邊緣到核心網(wǎng)和Internet的傳輸資源開銷和商業(yè)成本。

MEC通過公開API的方式為運行在開放平臺上的第三方校園提供無線網(wǎng)絡(luò)信息、位置信息、業(yè)務(wù)使能控制等多種服務(wù)，為移動視頻加速業(yè)務(wù)、AR/VR低時延業(yè)務(wù)、企業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用、需要實時響應(yīng)的AI視頻分析業(yè)務(wù)等提供支持。

4.2 校園應(yīng)用部署方案

智慧校園可基于5G MEC部署多種應(yīng)用，如VR沉浸式教學(xué)應(yīng)用。VR技術(shù)的發(fā)展已實現(xiàn)了可攜帶、可穿戴的設(shè)備，讓學(xué)生可以邊玩邊學(xué)，真正實現(xiàn)隨時隨地、沉浸式、趣味性學(xué)習(xí)，但VR對響應(yīng)時延、刷新率、分辨率及圖像質(zhì)量均有非常高的要求，需要大量實時的高清渲染計算，導(dǎo)致VR頭盔等設(shè)備出現(xiàn)價格增高、耗電量增大、待機時間短、卡頓、過熱等問題。MEC通過將計算節(jié)點下沉到應(yīng)用場景附近 （網(wǎng)關(guān)），將數(shù)據(jù)收集和分析的行為放到靠近用戶側(cè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的邊緣閉環(huán)，從而能夠減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力并縮短數(shù)據(jù)處理的時間周期[6]，是實現(xiàn)VR教學(xué)應(yīng)用部署的最佳方式。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上選擇云VR+5G MEC的方式部署，相應(yīng)地共享MEC結(jié)點應(yīng)具備硬件運算及編解碼資源，可為視頻編解碼提供GPU/VCA卡等硬件支持，見圖3。

圖3 智慧校園VR教學(xué)應(yīng)用部署

云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)源功能，存儲和分發(fā)教學(xué)數(shù)據(jù)資源，如虛擬實驗數(shù)據(jù)、VR影片等，數(shù)據(jù)經(jīng)過5G核心網(wǎng)后緩存在MEC中，MEC實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的本地化處理，經(jīng)過MEC加工的數(shù)據(jù)通過5G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紺PE（用戶前置設(shè)備，初期在5G無線模組尚未大規(guī)模上市前使用，后期VR設(shè)備可直接集成5G模組，真正做到隨時隨地VR），CPE通過將5G信號轉(zhuǎn)換為WiFi和VR設(shè)備鏈接。

5 結(jié)束語

本文探討了基于虛擬5G MEC智慧校園建設(shè)方案。MEC改變了傳統(tǒng)集中云的工作方式，可以面向用戶提供更加靈活的服務(wù)，而5G超低延遲和高帶寬的特點使應(yīng)用程序可以利用移動網(wǎng)絡(luò)實時訪問數(shù)據(jù)，虛擬MEC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在保證帶寬、QoS的前提下大幅度降低了投資，將5G+MEC引入教育行業(yè)進行智慧校園建設(shè)的思路，恰好滿足了智慧校園升級建設(shè)的需求。