校園5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究及應(yīng)用

◆辛艷 修長(zhǎng)虹 趙云飛

（沈陽藥科大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心 遼寧 110015）

隨著現(xiàn)代移動(dòng)科技的飛速發(fā)展，移動(dòng)終端普及化的今天對(duì)于網(wǎng)絡(luò)速率的需求也在不斷增加。如何發(fā)展更加適合我國高校師生需求的高速率、安全指數(shù)高的移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成為我國通信業(yè)急需解決的問題。4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入全面應(yīng)用階段，但是其弊端也日漸顯著，所以對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求更加迫切。在原有4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上平滑演進(jìn)的5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)整合、資源共享、信息互通，發(fā)揮各機(jī)體的能動(dòng)性，實(shí)行統(tǒng)籌管理，具有速度類似光纖速度、雙向傳遞無線電波等多元化、用戶體驗(yàn)更加順暢等特點(diǎn)。因此，掌握5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，極大地提升了校園內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，讓師生在不同的移動(dòng)終端享受更加快速、便捷的服務(wù)。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本概念

5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（5th generation mobile network technology）是繼2G、3G 和4G 系統(tǒng)之后的最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。它具有高速率數(shù)據(jù)傳輸、減少傳輸延遲、降低能源成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接等性能[1]。

5G 網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將聲音和圖像的模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字化比特流，在被供應(yīng)商劃分為許多小地理覆蓋區(qū)域的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。所有5G 網(wǎng)絡(luò)無線設(shè)備通過無線電波與蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的本地天線陣和低功率自動(dòng)收發(fā)器進(jìn)行通信。其中，本地天線陣通過高速寬帶光纖或無線回程連接與電話網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接，低功率自動(dòng)收發(fā)器從公共頻率池中分配頻道，而這些在地理上分離的蜂窩頻道可以重復(fù)使用。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展背景

5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的三個(gè)主要推動(dòng)力：

1）流量需求：人們對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需求大大提升，越來越多的移動(dòng)設(shè)備接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中來，導(dǎo)致移動(dòng)數(shù)據(jù)流量暴漲。

2）容量需求：按照當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，容量難以支持千倍流量的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)能耗和比特成本難以承受，急需提升網(wǎng)絡(luò)容量，提高網(wǎng)絡(luò)資源的智能使用高效性。

3）頻譜需求：流量增長(zhǎng)必然帶來對(duì)頻譜的進(jìn)一步需求。而移動(dòng)通信頻譜稀缺，可用頻譜呈大跨度、碎片化分布，難以實(shí)現(xiàn)頻譜的高效使用。因此需要合理利用頻譜資源，滿足多樣化接入方式[2]。

3 5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超密集異構(gòu)（HDH）網(wǎng)絡(luò)

5G 網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化及智能化的方向發(fā)展。隨著各種智能終端的普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。在這種熱點(diǎn)高容量密集場(chǎng)景下，出現(xiàn)無線環(huán)境復(fù)雜且干擾多變、移動(dòng)信令負(fù)荷加劇以及系統(tǒng)成本提高等問題。

在5G 網(wǎng)絡(luò)基站中將采用超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Hyper-dence heterogeneous network，HDH），這樣就極大地解決了上述問題[3]。HDH網(wǎng)絡(luò)主要采用了超密集組網(wǎng)規(guī)劃部署以及超密集組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，基站間距將進(jìn)一步縮小，即減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量，這可以在一定程度上提高系統(tǒng)的頻譜效率。同時(shí)，HDH 網(wǎng)絡(luò)通過快速資源調(diào)度可以進(jìn)行無線資源高效調(diào)配，提高系統(tǒng)無線資源利用率和頻譜效率，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高頻段效能、高流量密度、高峰值速率性能以及用戶體驗(yàn)高速率等指標(biāo)。因此，HDH 網(wǎng)絡(luò)成為5G 網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 移動(dòng)自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，將面臨網(wǎng)絡(luò)的部署、運(yùn)營及維護(hù)的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)維，既耗費(fèi)大量人力資源，又增加運(yùn)行成本。這主要是由于網(wǎng)絡(luò)存在各種無線接入技術(shù)，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋能力各不相同，它們之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。

在5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中采用移動(dòng)自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)，其可以在兩個(gè)距離很遠(yuǎn)而無法直接通信的節(jié)點(diǎn)之間傳遞信息。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施，是一種無線多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)[3]。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要直接連接，而是通過中繼的方式。這種中繼方式是采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機(jī)制，在不能利用或者不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，如基站、AP 等以及終端的發(fā)射功率和無線覆蓋范圍有限的情況下，利用可以移動(dòng)的便攜式用戶終端，如筆記本、PDA等，使用戶可以隨時(shí)處于移動(dòng)或者靜止?fàn)顟B(tài)，提供給距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)用戶終端進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的相互通信。每個(gè)用戶終端既可以作為主機(jī)又可以作為路由器，這樣節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成了一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)。采用移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)可以在網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)維方面得到優(yōu)化。其在部分通信網(wǎng)絡(luò)遭到破壞后還能維持剩余的通信能力，具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性。因此，移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的智能化成為5G 網(wǎng)絡(luò)中必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模音頻、視頻、圖像等業(yè)務(wù)。爆炸式增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)極大地影響用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)訪問中，主要采用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，一般需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中多臺(tái)路由器的傳輸，最終將發(fā)出的請(qǐng)求交于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)來處理。但是由于傳統(tǒng)的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)本身的請(qǐng)求機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)鏈路中環(huán)境的復(fù)雜性及硬件的不可靠性，致使用戶會(huì)出現(xiàn)重復(fù)發(fā)出請(qǐng)求的情況，最終出現(xiàn)用戶在發(fā)出請(qǐng)求過程中請(qǐng)求等待、數(shù)據(jù)加載時(shí)間過長(zhǎng)的一些現(xiàn)象。這種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)的延遲情況將直接影響到工作效率，而僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題，它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、網(wǎng)站服務(wù)器的處理能力等因素的影響。這些問題的出現(xiàn)與用戶服務(wù)器之間的距離有著密切的關(guān)系。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）可以有效地解決上述問題。CDN 是一種新型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容服務(wù)體系，其基本思路就是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)訪問中添加節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，在原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上形成智能虛擬網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量、各節(jié)點(diǎn)的連接、負(fù)載狀況、響應(yīng)時(shí)間等綜合因素，將用戶的請(qǐng)求重新導(dǎo)向離用戶最近CDN 代理緩存服務(wù)器上，這樣可以實(shí)現(xiàn)在用戶就近取得所需內(nèi)容時(shí)，盡可能避開互聯(lián)網(wǎng)上有可能影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性的瓶頸和環(huán)節(jié)，解決網(wǎng)絡(luò)擁擠的狀況，降低響應(yīng)時(shí)間，提高用戶訪問網(wǎng)站的響應(yīng)速度，使內(nèi)容傳輸?shù)酶?、更穩(wěn)定[3]。CDN 包括內(nèi)容管理、全局網(wǎng)絡(luò)流量管理、分布式存儲(chǔ)、負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求重定向五個(gè)方面。其中內(nèi)容管理和全局網(wǎng)絡(luò)流量管理是CDN 的核心，具有高質(zhì)量、高效率、鮮明網(wǎng)絡(luò)秩序等特性。CDN 對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用。

3.4 設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信

在5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗(yàn)也是5G 網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向，如網(wǎng)絡(luò)容量和頻譜效率的進(jìn)一步提升。設(shè)備到設(shè)備通信（Device-to-Device communication，D2D）具有潛在的提升系統(tǒng)性能、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、減輕基站壓力及提高頻譜利用率的前景[3]。

D2D 通信是一種將通信會(huì)話數(shù)據(jù)直接在終端之間進(jìn)行傳輸，不需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，相關(guān)的控制信令仍由蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)募夹g(shù)。當(dāng)用戶在小區(qū)基站控制下使用相同資源時(shí)，可以在系統(tǒng)基站控制著的D2D 通信下使用資源塊以及發(fā)送功率，以保證D2D 帶給小區(qū)現(xiàn)有通信的干擾在可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)是在較高的負(fù)載密集蜂窩復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，系統(tǒng)同樣可以給D2D 通信合理分配資源，這樣可以提高資源利用率和網(wǎng)絡(luò)容量，減輕基站負(fù)擔(dān)。當(dāng)無線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞時(shí)，或者在無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)時(shí)，終端可借助D2D 實(shí)現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。其通過提升頻譜利用率，降低終端發(fā)射功率，降低端到端的傳輸時(shí)延。因此，D2D 通信是5G 網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.5 多進(jìn)多出（MIMO）技術(shù)

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，信道容量的提升是基本要求。而多進(jìn)多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)具有成倍提高系統(tǒng)信道容量，改善通信質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)[3]。

MIMO 技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收。在對(duì)現(xiàn)有頻譜資源充分利用的基礎(chǔ)上，通過利用空間資源來獲取可靠性與有效性兩方面增益，在收發(fā)之間構(gòu)成多個(gè)信道的天線系統(tǒng)，利用多天線陣發(fā)送和接收技術(shù)與空間分集、時(shí)間分集相結(jié)合的技術(shù)，為系統(tǒng)提供空間分集增益與空間復(fù)用增益。通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，提高了整個(gè)信道傳輸容量以及頻譜的利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力等。這一特性成為5G 網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。

4 5G 的校園應(yīng)用

在校園網(wǎng)絡(luò)中，5G技術(shù)的應(yīng)用可以涉及學(xué)校的方方面面，主要包括以下三個(gè)方面：VR/AR（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）智慧教育、智慧教務(wù)系統(tǒng)、校園智能管理。

4.1 VR/AR 智慧教育

當(dāng)采用5G技術(shù)作為智慧教育的服務(wù)平臺(tái)，可以給學(xué)校、教師、學(xué)生以及家長(zhǎng)提供交流平臺(tái)和教學(xué)空間的智慧服務(wù)。校園作為5G 智慧教育的主要使用者，VR/AR（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）與現(xiàn)代教育的相結(jié)合將呈現(xiàn)出全新的教學(xué)體驗(yàn)[4]。

（1）VR/AR 課堂教學(xué)

在VR/AR 課堂教學(xué)場(chǎng)景中，可以根據(jù)不同的學(xué)科，采用物體立體空間的組建與展示，虛擬場(chǎng)景空間的營造與構(gòu)建，通過自然的、直觀的交互方式，將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化、形象化，為學(xué)生提供傳統(tǒng)教材無法實(shí)現(xiàn)的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提升了學(xué)生獲取知識(shí)的趣味性及主動(dòng)性，使學(xué)生更好吸收知識(shí)。

（2）VR/AR 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室

在VR/AR 科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，利用VR/AR 技術(shù)，在多媒體計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)學(xué)生走進(jìn)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)，可以身臨其境般的操作各種虛擬儀器。這樣的實(shí)驗(yàn)室既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，可重復(fù)操作，絕對(duì)的安全。

（3）VR/AR 遠(yuǎn)程教學(xué)

在VR/AR 遠(yuǎn)程教學(xué)中，通過雙向音視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，采用虛擬一體機(jī)視角，學(xué)生足不出戶便可以獲得與真實(shí)課堂一樣的體會(huì)，從而實(shí)現(xiàn)教育的“最后一公里”全覆蓋。這種互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，能更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、豐富感性認(rèn)識(shí)、加深內(nèi)容理解以及提升教學(xué)質(zhì)量。

4.2 智慧教務(wù)系統(tǒng)

通過基于5G技術(shù)的智慧教務(wù)系統(tǒng)對(duì)教學(xué)實(shí)現(xiàn)全方位的智慧管理。其通過人工智能技術(shù)對(duì)教師進(jìn)行遠(yuǎn)程觀看來掌握教師授課情況，并可以做出對(duì)教師教學(xué)的測(cè)評(píng)[5]；通過對(duì)出席課堂的學(xué)生進(jìn)行面部識(shí)別，有效的代替了傳統(tǒng)的點(diǎn)名方式進(jìn)行考勤，節(jié)省老師上課的時(shí)間；其還可以找出全局最優(yōu)的排課組合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)排課和分層走班排課的整合。

4.3 校園智能管理

基于5G技術(shù)的校園智能管理系統(tǒng)，利用5G 網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延特性，可以將全校的系統(tǒng)集成，包括智能網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、校園監(jiān)控設(shè)備管理系統(tǒng)、門禁設(shè)備管理系統(tǒng)、校園照明設(shè)備管理系統(tǒng)、多媒體設(shè)備管理系統(tǒng)等等[6]。

（1）智能網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量的查看、查看異常網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用情況、獲取相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)、及時(shí)獲得網(wǎng)絡(luò)攻擊檢測(cè)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)絡(luò)完全信息的及時(shí)掌握、及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理。其可以對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，如用電監(jiān)測(cè)、UPS 狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能延遲上電、機(jī)房能耗分析等；還可以對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理設(shè)備實(shí)現(xiàn)煙霧報(bào)警、新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、溫濕度、漏水、消防等系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

（2）校園監(jiān)控設(shè)備管理系統(tǒng)

校園監(jiān)控設(shè)備管理系統(tǒng)通過校園智能管理系統(tǒng)的智能安防、視頻監(jiān)控、人臉識(shí)別、行為分析等技術(shù)，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)本地存儲(chǔ)分發(fā)，提升應(yīng)急事件反應(yīng)速度，保證視頻的私密性。

（3）門禁設(shè)備管理系統(tǒng)

門禁設(shè)備管理系統(tǒng)與校園智能管理系統(tǒng)對(duì)接，通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)門禁系統(tǒng)的統(tǒng)一、遠(yuǎn)程、精準(zhǔn)管理。

（4）校園照明設(shè)備管理系統(tǒng)

校園照明設(shè)備管理系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)光照情況進(jìn)行光照色溫調(diào)節(jié)，維持健康光照，使室內(nèi)平均照度恒定、均勻，有利于保護(hù)師生視力，為學(xué)生提供健康舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境；還可以智能控制照明時(shí)間，有效延長(zhǎng)照明設(shè)備的使用壽命，節(jié)省成本。對(duì)于校園公共照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制，當(dāng)發(fā)生安全隱患和事故時(shí)，直接將告警信息推送到監(jiān)控中心及相關(guān)管理老師和領(lǐng)導(dǎo)的移動(dòng)智能終端上，幫助管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，準(zhǔn)備定位和快速響應(yīng)[7]。

（5）多媒體設(shè)備管理系統(tǒng)

通過整合教室里的電腦、投影機(jī)、投影幕布、觸控一體機(jī)等多媒體設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的安全關(guān)機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)管，讓校園管理更高效、更節(jié)能。支持通過智慧物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)APP 遠(yuǎn)程管理，有效克服傳統(tǒng)多媒體設(shè)備各自為政、集成復(fù)雜、難以統(tǒng)一管理或管理功能單一的缺點(diǎn)。

（6）會(huì)議室/報(bào)告廳管理系統(tǒng)

基于校園智能管理系統(tǒng)的報(bào)告廳智能管理則運(yùn)用無紙化、在線預(yù)約式的管理方式，不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)報(bào)告廳專人管理的全部功能，更可通過智能管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)了解會(huì)議室使用情況，為其他部門提供預(yù)約指導(dǎo)。

5 結(jié)束語

5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在校園網(wǎng)的終端、網(wǎng)絡(luò)、無線接入等方面進(jìn)行融合及創(chuàng)新，為我們提供高速率、高可靠性、低時(shí)延的服務(wù)以及讓我們享受流媒體、超高清視頻等業(yè)務(wù)。5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代實(shí)現(xiàn)靈活可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠根據(jù)需求進(jìn)行組網(wǎng)，涵蓋不同行業(yè)用戶以及開展多種業(yè)務(wù)類型，豐富我們的生活[8]。隨著上面這些關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在校園網(wǎng)中的使用也具有劃時(shí)代的重要意義。