5G在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

王昕 丁勇 高毅

（云南師范大學(xué)文理學(xué)院 云南省昆明市 650222）

1 引言

2010年，南京郵電大學(xué)宗平教授在題為《智慧校園設(shè)計方法的研究》的論文中首次從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的角度提出了“智慧校園”概念，指出智慧校園項目建設(shè)是借助物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，建立一個開放的、創(chuàng)新的、協(xié)作的和智能的綜合信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)教育信息資源的有效采集、分析、應(yīng)用，實現(xiàn)人與組織更加智慧、高效、靈活、及時的交互方式，為教師、學(xué)生和管理者提供基于角色的個性化服務(wù)，提高校園信息服務(wù)和應(yīng)用的質(zhì)量與水平，形成互動、共享、協(xié)作的學(xué)習(xí)、工作和生活環(huán)境[1]。還有專家綜合多個領(lǐng)域維度強調(diào)，智慧校園是以學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新型發(fā)展作為核心目標，將新一代信息技術(shù)作為工具和手段，全方位整合校園信息資源，以既包含教學(xué)科研等核心工作又涉及安全、后勤、管理、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等的全覆蓋應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)一種能全方面感知校園環(huán)境，個性化識別學(xué)習(xí)者特性和學(xué)習(xí)情境，為學(xué)校教學(xué)、管理決策提供決策支持，是教育信息化的高級形態(tài)[2]-[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈、新一代人工智能等新興信息技術(shù)在高校中的廣泛應(yīng)用，智慧校園不再是抽象的概念，它已經(jīng)進入了實施并日趨成熟的階段?；谏鲜鲂录夹g(shù)的應(yīng)用層出不窮，正在改變著學(xué)生、教師們的生活和學(xué)習(xí)方式。

2 智慧校園需求分析

教育的主體是學(xué)生。智慧化教學(xué)、智慧化生活是學(xué)生對智慧校園的基本需求。因此，智慧校園建設(shè)必須緊緊圍繞“服務(wù)于學(xué)生”這一核心進行。2020年秋季學(xué)期，在云南師范大學(xué)文理學(xué)院內(nèi)，通過發(fā)放電子問卷的方式，約300 位學(xué)生對智慧校園的需求主要集中在如下方面：

（1）能提供流暢的線上教學(xué)資源：包含視頻、直播、點播、回放及與教師的互動；

（2）實時獲取教學(xué)設(shè)施占用情況，以便于安排學(xué)習(xí)和出行計劃；

（3）穩(wěn)定而高效的通信質(zhì)量。

教師和管理人員對智慧校園的需求主要有：

（1）提供流暢的線上教學(xué)；

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的采集。例如出勤率、教學(xué)成果測量；

（3）統(tǒng)一的學(xué)校信息系統(tǒng)；

（4）能提供校園設(shè)施監(jiān)控，最大限度實現(xiàn)遠程管理甚至自動調(diào)整；

（5）能遠程辦公。

下面將圍繞上述需求對校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進行一些探討。

2.1 線上教學(xué)

線上教學(xué)雖然有很多優(yōu)點，但對校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卻提出了新的挑戰(zhàn)。在前文所述的調(diào)查中，對于非實驗課程，超過90%的學(xué)生更愿意使用手機或平板參與線上教學(xué)。網(wǎng)速和流量成為學(xué)生們最為關(guān)注的兩項指標。多數(shù)學(xué)校建設(shè)有校園局域網(wǎng)，在宿舍內(nèi)能夠使用有線網(wǎng)絡(luò)，在教室則使用Wi-Fi，校園局域網(wǎng)能夠滿足校內(nèi)資源的訪問，如圖書館、校內(nèi)MIS系統(tǒng)、校內(nèi)BBS等。然而僅僅使用學(xué)校內(nèi)部資源，已經(jīng)無法滿足學(xué)生對日益豐富的線上教學(xué)資源的需求，學(xué)生需要訪問因特網(wǎng)。此外，訪問騰訊、釘釘?shù)绕脚_也要求能夠接入因特網(wǎng)。一些學(xué)校采取的方法是配備因特網(wǎng)出口代理服務(wù)器，校園網(wǎng)用戶可以通過代理服務(wù)器訪問因特網(wǎng)。這種方法所帶來的問題主要如下：

（1）學(xué)校的因特網(wǎng)出口往往帶寬較窄，而學(xué)生上課時間較為集中，并發(fā)需求大，某些時段容易出現(xiàn)出口擁塞從而影響教學(xué)效果；

（2）通過教育網(wǎng)節(jié)點接入到因特網(wǎng)，訪問沒有教育網(wǎng)鏡像的資源時網(wǎng)絡(luò)指標不佳，從而影響教學(xué)效果；

（3）學(xué)生通過因特網(wǎng)訪問因特網(wǎng)上的非教學(xué)資源，擠占因特網(wǎng)帶寬。

這個問題雖然可以通過設(shè)置黑白名單來加以控制，但隨著在線教學(xué)資源的來源越來越多，設(shè)置黑白名單幾乎成為不可能。

2.2 校園管理

校園管理智能化主要的應(yīng)用場景包括：

（1）體溫檢測。學(xué)校人員眾多，活動時間集中，在人流密集的情況下要迅速發(fā)現(xiàn)體溫異常人員，如果依靠傳統(tǒng)的體溫槍測量方法效率很低。在教室、食堂和宿舍等人員較集中的場合安裝熱成像測溫儀，結(jié)合人臉識別技術(shù)，能夠自動發(fā)現(xiàn)體溫異常的人員并做出提醒。

（2）人員和車輛進出管理。很多高校都加大了對進出校園行為的管控，例如學(xué)生外出需要提前申報，進（出）大門時需憑借進（出）門條；人員和車輛需憑工作牌（證）進入校園。

（3）人流量控制。例如，錯峰上下課、就餐，流動路線管控等等。這些措施提升了校園安保人員的工作量。對于某些非封閉式校園，只能加派人手進行巡查。管理成本大幅提升的同時，工作卻難見成效。通過部署RFID門禁、基于人臉識別的監(jiān)控設(shè)備等智能安防設(shè)備，并與企業(yè)微信、OA、學(xué)生管理系統(tǒng)等進行整合，可以更有效提升安保工作效率。校園后勤管理中，傳統(tǒng)的水電使用，教室和宿舍管理等，也能依托物聯(lián)網(wǎng)進行升級改造，逐步實現(xiàn)智慧化管理。

另外，此次調(diào)查中，對學(xué)生在校學(xué)習(xí)和生活的關(guān)注意外成為不少家長的需求。傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備固然能夠采集到校園圖像，但因為監(jiān)控設(shè)備無法與公共通信網(wǎng)進行互聯(lián)，身處校外的家長難以實時獲取。

3 基于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)智慧校園

3.1 5G簡介

5G，是第五代（5th Generation）移動通信的簡稱，法定名稱IMT-2020。與前面幾代移動通信技術(shù)相比，5G 主要在以下幾個方面實現(xiàn)了提升：

（1）流量密度達到10Tbps/km2

（2）連接密度達到1M/km2

（3）無線接口往返時延達到1ms 以內(nèi)；

（4）支持500km/h 的終端移動速度；

（5）能效達100X（達到4G 的100 倍）；

（6）用戶體驗速率達到0.1-1Gbps；

（7）峰值速度可達到10Gbps。

簡而言之，對用戶來說，5G 帶來的是更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更高的終端移動速度、更豐富的終端種類以及更細化的業(yè)務(wù)管理；對于運營商來說，5G 能夠支撐更多數(shù)量和種類的終端同時在線，能夠開發(fā)對數(shù)據(jù)傳輸速度要求更快的業(yè)務(wù)，同時對能源的使用效率更高，符合日益提升的環(huán)保要求。它能從線上教學(xué)和校園管理兩方面對智慧校園建設(shè)起到支撐作用。

3.2 線上教學(xué)

傳統(tǒng)流媒體對帶寬的需求不高，慕課一般最多提供1080P 級別（1920×1080，水平1080 線，逐行掃描，行頻為67.5kHz）的高清視頻流，以24 位真彩色畫面來計算，無壓縮的情況下產(chǎn)每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為

1920×1080×24 ×67.5×1024÷1080=3,185,049,600bit=3037.5Mbit

假設(shè)以H.265 壓縮標準，按500：1 的壓縮比對信號源進行壓縮，對帶寬要求約為6Mbps，4G 網(wǎng)絡(luò)足以滿足要求。然而在教學(xué)實踐中，1080i 級別視頻流視覺效果較差，因此將來提供4K 級別畫質(zhì)的慕課資源勢在必行，對帶寬的需求將達到約30Mbps。4G 網(wǎng)絡(luò)理論最高下行速率雖能達到100Mbps，但考慮到教學(xué)時的并發(fā)訪問，實現(xiàn)流暢播放有一定難度。5G 網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗速率能達到0.1-1Gbps，流量密度達到10Tbps/km2，完全可以滿足上述需求。

除能滿足高品質(zhì)慕課要求外，5G 的高可靠和低時延，也為師生之間，學(xué)生之間的實時線上互動提供了有力支撐。

另外，近年來從中央到地方教育部門政策和資金上對虛擬仿真實驗室建設(shè)進行大力支持，虛擬仿真實驗室的推廣，提升了設(shè)備利用率，對教育不發(fā)達地區(qū)或資金匱乏的學(xué)校教學(xué)帶來了福音，也對這類學(xué)校的校園網(wǎng)提出了新的要求。其中有的學(xué)校開通的是基于VR 的智慧實驗室。根據(jù)華為2016年發(fā)布的技術(shù)文獻，入門體驗的VR 點播業(yè)務(wù),帶寬要求約為100Mbps，直播業(yè)務(wù)可稍低（注：直播基于UDP，對時延不敏感，因此帶寬要求稍低），但也達到83.2Mbps；進階體驗階段的點播業(yè)務(wù)帶寬要求約為418Mbps，直播業(yè)務(wù)帶寬約為361.4Mbps[4]。這么高的網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，遑論4G，甚至Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)都無法滿足。當然，可以通過部署光網(wǎng)絡(luò)來滿足上述需求，但光網(wǎng)絡(luò)機動性不強，難以滿足需要終端移動的場景。只有在校園中部署5G 網(wǎng)絡(luò)，才能解決這一問題。

3.3 校園管理

智慧校園建設(shè)除要滿足教學(xué)上的需求之外，還必須考慮校園管理對網(wǎng)絡(luò)的需求。早期的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如煙霧報警器、自動噴淋滅火裝置、食堂刷卡機、監(jiān)控探頭等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)在幾乎所有高校中都得到了使用，教室燈光自動控制、自動感應(yīng)水龍頭和校園植物養(yǎng)護自動設(shè)備、人臉識別考勤機和門禁系統(tǒng)為教學(xué)和后勤管理帶來了很多便利，也節(jié)約了大量成本。熱成像測溫儀、無接觸售賣機，聲控電梯等。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量龐大，能達到10000 個/km2，有高密度數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。它們誕生于不同的時期，遵循著不同的技術(shù)標準，每套系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備雖形成了相互協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)，但卻是一座座“信息孤島”。由于網(wǎng)絡(luò)指標不同，如720P 視頻監(jiān)控每臺帶寬要求約為2Mbps，時延在400ms 以下；非圖像類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)帶寬要求約為50Kbps-200Kbps，但時延在100ms 以內(nèi)。巨大的指標跨度使得無法共享網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，一方面造成了設(shè)備和人力的浪費，另一方面則難以從全局上整合校園所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，更好地發(fā)揮它們的功能。學(xué)校當中業(yè)已存在的各類MIS 系統(tǒng)，也存在著類似的問題。前文在需求調(diào)查中所提到的家長實時監(jiān)控要求，依靠傳統(tǒng)的校園監(jiān)控方法難以滿足，目前電信運營商所推出的基于4G的“天眼”業(yè)務(wù)，則由于技術(shù)限制無法做到高清圖像實時轉(zhuǎn)發(fā)，影響了業(yè)務(wù)的推廣。

對已經(jīng)在使用的物聯(lián)網(wǎng)進行改造，是一件難以完成的任務(wù)，涉及到硬件的升級甚至替換，以及軟件平臺的整合。即使能夠完成，很可能也是得不償失。因此建議除非確有需要，否則只考慮后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)問題，注意做好規(guī)劃和頂層設(shè)計后再行建設(shè)。5G 誕生的最初目的除了語音通信和上網(wǎng)服務(wù)外，更主要的功能是用于物聯(lián)網(wǎng)，甚至專門為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用定義了一系列的技術(shù)標準（3GPP 的 TR 38.825）?？紤]到5G 技術(shù)支持多種類、大數(shù)量、高密度終端接入，無疑是智慧校園建設(shè)中基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。其中5G 所特有的“網(wǎng)絡(luò)切片”（Network Slicing）功能可視為支撐智慧校園建設(shè)的最重要技術(shù)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是1 到4G 移動通信所不具備的功能。根據(jù)3GPP 的定義，網(wǎng)絡(luò)切片是一個概念，允許根據(jù)每個租戶需求進行差別化處理。通過分層，移動網(wǎng)絡(luò)運營商可以將客戶視為屬于不同租戶類型，每個租戶都有不同的服務(wù)需求，這些服務(wù)要求根據(jù)服務(wù)級別協(xié)議（SLA）和訂閱可使用的“業(yè)務(wù)片”來管理[5]。圖1 是網(wǎng)絡(luò)切片功能示意圖：在5G 網(wǎng)絡(luò)中，不同的應(yīng)用可以共享網(wǎng)絡(luò)，盡管其底層的設(shè)備種類不同，只需通過把一張網(wǎng)絡(luò)的承載能力進行“切片”，并不妨礙以不同的帶寬、時延、丟包率等指標進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1：網(wǎng)絡(luò)切片功能示意

也就是說，移動運營商可以根據(jù)智慧校園需求對業(yè)務(wù)進行分層，把校園中對網(wǎng)絡(luò)性能要求不同的各類業(yè)務(wù)區(qū)分為不同“租戶”，線上教學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)通信層設(shè)備以及MIS 系統(tǒng)可使用同一張物理承載網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)切片進行差別化處理。在3GPP 的技術(shù)標準中，目前支持最多8 類用戶設(shè)備的切片[5]。

在具體實施中，運營商已定義了一些常見業(yè)務(wù)類型[6]，這些業(yè)務(wù)類型在業(yè)務(wù)流量模型（即點對點、點對多點、多點對多點）、帶寬需求、時延需求、業(yè)務(wù)可靠性、業(yè)務(wù)安全性等方面進行了區(qū)分。例如，線上教學(xué)可使用“媒體直播”、“VR 教育”場景；校園后勤管理可使用“智慧安防”場景，MIS 系統(tǒng)則視為普通的Http 應(yīng)用處理即可，學(xué)生基于網(wǎng)絡(luò)的娛樂需求也能夠得到滿足。總而言之，只要能夠定義出需求指標，運營商就能夠切出相應(yīng)的業(yè)務(wù)片。

值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)切片并不只是基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)按需配置，它還包括一系列上層的策略，如安全策略。學(xué)校內(nèi)部具有私密性的數(shù)據(jù)，如圖書館數(shù)據(jù)資源、實驗室數(shù)據(jù)，MIS 系統(tǒng)中所產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)等，在過去通常使用VPN 的方式來保證安全。在實際的使用中，要安裝特定的客戶端，有時還需記憶IP地址，造成極大的不便。另外，近年來很多高校擴大了規(guī)模，擁有多個校區(qū)，不同校區(qū)之間的系統(tǒng)通信不便，引入網(wǎng)絡(luò)切片有望解決這一難題。

4 建設(shè)難點

當然，事物都是一分為二的?；?G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)智慧校園，也必須考慮下面這些問題：

4.1 基站建設(shè)

5G 頻段范圍主要有3 個：中國移動的2.6GHz 和4.9GHz，中國電信和中國聯(lián)通的3.5GHz，電磁波波長約為10 厘米左右，繞過障礙物的能力非常差，衰減也很快，必須建設(shè)大量基站才能完成通信。按照目前的技術(shù)，在學(xué)校這樣的人員和設(shè)備密集地區(qū)，大約每隔300 米就需建立一個基站，場地占用和電力消耗都是很大的問題。將來引入毫米波頻段后，這個問題會更加突出。

4.2 業(yè)務(wù)流量

學(xué)生是價格敏感客戶群體，流量指標是他們決策的首要依據(jù)。

4.3 隱私問題

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常會采集一些個人敏感數(shù)據(jù)，例如人臉信息、移動支付數(shù)據(jù)、個人醫(yī)療數(shù)據(jù)，甚至消費習(xí)慣等等。當代大學(xué)生維權(quán)意識很強，當這些數(shù)據(jù)暴露在因特網(wǎng)上的時候，他們會有種種擔(dān)憂甚至抵觸行為。

上述的三個問題中，第一個問題可以說是5G 的先天問題，沒有辦法規(guī)避，只有隨著技術(shù)的進步而降低其設(shè)備尺寸和能耗。針對第二個問題，現(xiàn)在運營商通常都有針對學(xué)生的大流量套餐，將來隨著線上教育的推進，還會有更加優(yōu)惠的解決方案提供。針對第三個問題，網(wǎng)絡(luò)切片能在一定程度上提供解決方案，加上一些第三方的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，基本能夠從技術(shù)角度保護隱私，但更重要的是學(xué)校和運營商必須從管理機制上保證數(shù)據(jù)的安全。

當然，目前還有5G 專網(wǎng)的解決方案可供選擇，專網(wǎng)分兩種，一種是分配專門的5G 頻段給特定用戶。由于無線電頻率是非常寶貴的資源，需付費使用，因此這種方法不適用于智慧校園建設(shè)，主要用于行業(yè)客戶；另一類是利用切片技術(shù)對數(shù)據(jù)分流，將用戶的數(shù)據(jù)直接傳送到用戶的內(nèi)網(wǎng)，在終端到基站之間通信使用的是5G 網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)不上核心網(wǎng)。此方法的問題在于需要安裝分流設(shè)備，該設(shè)備目前成本昂貴，難以推廣。

5 總結(jié)

在新工（文、農(nóng)……）科背景下，教育與信息的結(jié)合越來越緊密，智慧校園的建設(shè)在今后幾年勢必將緊鑼密鼓推進。5G 無疑能成為智慧校園解決方案的重要一環(huán)，在高校建設(shè)中展現(xiàn)出更奪目的光彩。