5G邊緣計算技術的智慧校園應用問題探究

韓松岳 黃偉 李立甫

摘 ?要：5G是時下熱門技術，它實現了與社會千百行業的融合發展，邊緣計算作為5G的關鍵技術之一，在企業、醫院及高校都有不同程度的應用。文章總結了“智慧校園”的核心概念、主要特點及國內外發展現狀，分析了“智慧校園”建設中存在的問題并給出了對策建議，介紹了5G邊緣計算技術的發展和特點，分析了該技術的實踐部署和應用問題，給出了智慧校園的總體架構設計和兩類典型應用場景實例，最后文章分析了可能面臨的安全風險，并對下一步工作做出了總結和展望。

關鍵詞：5G;邊緣計算;智慧校園

中圖分類號：TN929.5;G647 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0039-06

Research on the Application of 5G Edge Computing Technology in Smart Campus

HAN Songyue，HUANG Wei，LI Lifu

（Communication Sergeant School of Army Engineering University of PLA，Chongqing ?400035，China）

Abstract：5G is a popular technology nowadays，which realizes the integration development with thousands of industries in society. As one of the key technologies of 5G，edge computing has been applied in enterprises，hospitals and universities to varying degrees. The paper summarizes the core concept，main characteristics and development status of “smart campus” at home and abroad，analyzes the problems existing in the construction of “smart campus” and gives countermeasures and suggestions，introduces the development and characteristics of 5G edge computing technology，analyzes the practical deployment and application problems of the technology，and gives the overall architecture design of smart campus and two typical application scenarios. Finally，the paper analyzes the possible security risks，and makes a summary and outlook for the next work.

Keywords：5G;edge computing;smart campus

0 ?引 ?言

5G是面向未來人、機、物互聯的新一代移動通信技術，在其標準制定之初，國際標準化組織就定義了增強型寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）、機器型通信（mMTC）三大場景。基于5G網絡的開放性和極簡的網絡架構，5G能夠與人工智能、大數據分析、邊緣計算等前沿技術良性耦合，促進5G相關技術在工業、醫療、教育、安防、城市治理等垂直行業的應用，從而改變人類生活。基于5G開放的技術特性和強大的能力指標，與教育信息化的校園智慧化目標緊密耦合，邊緣計算作為5G關鍵技術之一，以其省帶寬、降時延、強感知、嚴隔離等優勢，在工業互聯網、物聯網、超高清流媒體領域都有新型應用。相較于西方國家校園開放的理念，我國K12教育階段和高校更注重校園的物理邊界和安全治理，基于5G架構下的移動邊緣計算技術與之強相關，應當作為智慧校園發展的主要備選技術之一。

本文以筆者參與的科研項目為支撐，結論基于大量的測試數據和實驗分析，對5G架構下邊緣計算技術的部署、應用與優化問題進行了研究，采取由“個性”問題走向“共性”問題的思路，主要解決技術落地實踐與應用設計優化的痛點問題，對當前國內高校在5G技術背景下發展建設智慧校園，具有一定的借鑒參考價值。

1 ?智慧校園

2009年以來，我國相應出臺了多部教育信息化方面的政策文件，其中較具代表性的文件有：一是2018年4月出臺的《教育信息化2.0行動計劃》，文件對智慧教育作出了具體要求;二是2018年6月出臺的《智慧校園總體框架》，明確了“四層兩翼”架構，規范了智慧校園建設的框架和內容。

1.1 ?概念廓定

智慧校園的概念和內涵通常帶有強烈的時代技術背景。當前學術界公認的觀點是，智慧校園概念源自2008年11月美國IBM提出的“智慧地球”概念，其內涵包括三方面因素：物聯化、互聯化、智能化[1]。國內學者對智慧校園的概念有著不同解讀，黃榮懷[2]從校園時空維度和教學環境的角度進行了分析，給出了智慧校園的定義、五個基本特征以及五項關鍵技術，認為智慧校園是數字校園的高級形態。蔣東興[3]從技術運用、物理環境和數字空間的角度提出了智慧校園是運用新型信息技術，具備感知物理環境、識別用戶群體等能力，將物理空間映射到數字環境，實現智慧運行的校園環境。此外，還有很多專家學者從不同視角給出了智慧校園的定義和特征，本文通過文獻分析法發現，多數觀點具備較強的一致性，即智慧校園是數字校園的發展和演進，通過ICT技術旨在讓任何用戶在任何時空間隨遇獲取信息服務，是一個物理和虛擬空間深度融合的智慧化環境。

1.2 ?國外智慧校園發展現狀及特點

國外文獻中，與智慧校園平行的概念有：Smart Campus、Smart City等，世界發達國家教育信息化建設研究起步較早，早期以數字校園的形態存在，如20世紀70年代麻省理工學院的E-Campus計劃;20世紀90年代美國克萊蒙特大學的“數字校園計劃”;20世紀初世界普遍接受數字化概念，多個國家及行業相繼提出“數字城市”“數字地球”概念。進入21世紀，以美國、韓國、新加坡、歐洲國家等為代表的智慧校園相繼涌現，其共同特點有：（1）重視智慧校園的頂層設計和長期規劃;（2）注重信息技術基礎設施的布局和建設;（3）注重智慧化教學和校園生活環境的構設;（4）注重多網系、跨領域數據信息的精確治理和融合共用;（5）不嚴格界定校園邊界，將校園智慧化環境融入智慧城市、智慧交通等平行應用共同發展。

1.3 ?智慧校園建設存在問題及對策思考

通過分析國內外智慧校園建設發展現狀，結合本文的實地調研，從多視角進行分析發現，當前智慧校園的建設主要存在以下三方面問題。

1.3.1 ?頂層規劃和設計思路仍有待深入

在2018年《智慧校園總體框架》國家標準出臺前，我國智慧校園建設存在標準不一，分散建設的情況。隨著2019年5G商用，社會多個垂直行業與5G深度融合發展，智慧城市、智慧交通、智慧物流、智能安防等領域迅猛發展，在頂層規劃時，應當在國家標準的規范框架內，結合院校實際，突破校園時空間邊界，長遠規劃，讓智慧校園的建設發展融入到智慧城市，與其他行業應用融合發展;其次，要避免適應技術和產品的思路，應當樹立以適應教育、科研、學習為中心的思路，促進教學、科研、實踐與智慧校園深度融合。

1.3.2 ?基礎設施與網關設備的優化完善有待加強

加強基礎設施布局，擴大高質量無線網絡覆蓋，統一網絡接入和網關設備的標準，促進多制式、跨領域信息的融合處理，突破信息壁壘障礙，為數據精確治理和信息高效流轉夯實基礎。

1.3.3 ?專職運維人員和參與用戶的信息素養有待進一步提升

應當逐步取代信息通信運維管理人員兼職代理的現象，培養并設置院校專職信息運維管理人員，弱化院校對廠商的依賴程度;其次加強對院校師生用戶的培訓和引導，通過教育引導和技術手段優化，降低新型應用的使用門檻。

2 ?5G邊緣計算技術

2.1 ?5G邊緣計算技術的發展

從能力角度看，5G技術具有高達1 Gbps的用戶體驗速率、每平方公里百萬級的連接數密度、毫秒級的時延、大于500公里每小時的移動性、10 Gbps的峰值速率以及數十Tbps每平方公里的流量密度;從效率指標看，5G相較于4G，其頻譜效率提升了5～15倍，能效提升超百倍，成本效率提升超百倍。它綜合了SDN、NFV、Massive MIMO、新型多址等新型技術，以極簡網絡架構展現出較強的開放性，能夠為人工智能、大數據分析、邊緣計算等技術提供支撐平臺。其發展的前景主要面向提供差異化定制化網絡服務、支撐海量物聯網應用以及與各垂直行業的融合應用。

邊緣計算（MEC）作為5G的關鍵技術之一，其發展經歷了“微云”“霧計算”“移動邊緣計算”等階段，早期概念中的“M”為mobile，表示移動網絡環境，而后發展為multi-access，表示多接入環境。MEC尚無嚴格統一的定義，ETSI認為：“在移動網邊緣提供IT服務環境和云計算能力[4]。”美國韋恩州立大學施巍松教授認為：“邊緣計算是指在網絡邊緣執行計算的一種新型計算模型，邊緣計算操作的對象包括來自云服務的下行數據和來自萬物互聯服務的上行數據，而邊緣計算的邊緣是指從數據源到云計算中心路徑之間的任一計算和網絡資源，是一個‘連續統[5]。”其核心思想是將數據中心的計算、存儲、轉發能力遷移至靠近數據源或用戶一側，稀釋了中心云的計算壓力，節省了數據傳輸鏈路的距離，同時能夠實現數據不出校園，提升了敏感數據的安全性。其系統架構如圖1所示。

2.2 ?邊緣計算技術的特點及實踐部署分析

2.2.1 ?技術特點

MEC技術在隔離性、時延、帶寬、感知能力、能耗效率等方面具有突出特點，如圖2所示。

2.2.2 ?實踐部署分析

在4G時代，邊緣計算的部署研究已發展相對成熟，5G網絡采用了全新網絡架構，網絡接入更加靈活便捷，網絡架構呈扁平化特點，MEC系統可以按需部署在基站、基站匯聚節點、無線網絡控制器上等。基于5G的邊緣計算部署方式有兩種：集中式部署和分布式部署，可以根據業務場景實際需要進行優選。其優選條件如下：若校區分散，可以采取分布式部署方式，可以在后臺設置綜合調度臺，以集中調度的形式實現校園用戶的業務需求;集中部署適用于區域集中的校區，優勢在于節約成本，網關功能更加完善。

當前，業界公認的具體部署方法是將MEC部署在核心網DC與RAN的融合模塊，以NEF接入5G網，用戶UE的業務請求通過UPF達到邊緣計算服務器，實現邊緣側的計算、存儲等服務功能，該服務調用觸發的過程，在PCF的控制下完成。為了滿足教育應用的低時延、海量連接和數據整合等需求，在靠近數據源頭的RAN側部署MEC的同時，應當為私有云設置防火墻，為重要敏感數據設置相應的隔離措施和安全協議。

2.3 ?邊緣計算技術的使能分析

筆者通過實地調研和文獻分析了解到，國內智慧校園建設呈百花齊放的特點，其支撐技術有物聯網、大數據分析、云計算、人工智能分析、數據可視化等，其中，在頂層設計、數據治理以及應用實踐等環節包含大量體系化設計、教育學科及人文學科等綜合考量，然而，當前國內以邊緣計算作為智慧校園支撐技術，并為教學、科研、生活、運維、管理等應用場景賦能的完整實例較少，由于其固有的技術特性和良好的發展前景，該技術框架下的智慧校園主要適用對象有三類：（1）對校園核心敏感數據保密性要求高;（2）校園包含大量大帶寬、低時延網絡承載需求的應用;（3）跨領域業務部門多，業務數據錯綜復雜的院校。

3 ?基于5G邊緣計算技術的智慧校園應用問題探究

3.1 ?需求分析

基于5G邊緣計算技術進行智慧校園設計時，應當參照國家標準的同時，結合院校實際，展開需求分析、調研論證、最終確定建設規劃方案。以幾種典型的課堂形式為例，解剖麻雀，比較分析傳統課堂、室外教學、網絡直播課、網絡錄播課的優劣勢，找出網絡課堂這一個應用場景的痛點進行破題，如圖3所示。

基于5G邊緣計算技術的智慧校園，應當具備智慧教學、智慧科研、數據治理、校園安防、智慧生活、智能運維等功能。采取面向服務的思想，著重提升教學科研的信息保障支撐能力，提高教學、科研、實踐、管理等環節的效率。根據圖3的分析結果，本文基于5G邊緣計算技術，以“云、網、端”架構的網信體系為模型，給出了智慧校園的應用設計和功能模塊表，如表1所示。

3.2 ?系統架構設計

通過在校園側加裝邊緣計算服務器、隔離網關及安全網關，實現校園用戶業務數據可分流卸載至邊緣云上，校園接入公共網和專網兩條線路，專網可按權與行業領域專網、安防私有云、智慧城市私有云聯通，實現數據資源共享應用，典型應用場景有：VR/AR教室、人員動態和健康信息系統、教學考評系統、超高清線上視頻課系統、全息投影會議室、校園智能安防系統、校園智能后勤運維系統等，以上應用所產生的通用數據和行業專有數據，通過數據匯聚網關，匯聚至數據可視化系統，該系統由數據態勢大屏、邊緣云切片管理系統、信息采集終端、信息傳輸系統、異構數據處理系統、信息鑒權設備等其他網關和防火墻組成，將各個應用場景和領域的數據層層穿透，以數據治理技術和算法模型為承載，最終以學員、校長、教師、專家、運維管理人員、統計學等視角以可視化的形式呈現出來，提升校園治理的水平和效率。整體邏輯架構如圖4所示。

3.3 ?應用實例分析

本文基于項目建設背景，由于篇幅限制，遴選出兩類典型應用場景進行分析探討，通過“樣板間”的實際研究論證和建設實踐，以期為項目的后期建設和國內智慧校園建設共性問題提供借鑒參考。

3.3.1 ?智慧教室

在規劃設計階段，應當以國家標準為依托，兼顧學校實際的同時，參考現有智慧教室的設計理念、功能模塊、數據流轉等思路，構建適應自身的智慧教室環境。通常情況下，可以從基礎設施、數據管理、環境感知、視聽增強、信息采集、網絡能力六個維度進行設計構建，智慧教室的系統模塊和組織運用如圖5所示。

3.3.2 ?智能安防

校園智能安防的設計應當具備一定的前瞻性和開放性，突破校園“邊界”思想，預留API接口與數據交互接口，最終實現校園智能安防與智慧城市的安全管理系統融合發展，數據的融合共用。校園智能安防從四個維度設計，分別是人、機、物、環境，“人”是指校園范圍內人員的全流程安全，包括本校人員的邊界管理、外來人員的訪問監控、請假人員的安全監控等，“機”側重指機器、裝設備的安全，“物”是指實體資產的安全，如營房、毒害物質檢測、樓宇高空拋物、校園交通安全等，“環境”是指消防告警處置、毒害物質監測、實驗室環境監測等。系統層面，設置具有容災備份能力的數據庫，數據庫預置安全事件黑白名單，對安全事件分級管理，實現安全風險的分級管控。由于安防系統承載了大量的物聯感知終端，基于網絡切片技術為各類場景提供了定制化的承載網絡，應當在與外界網絡通聯的接口設置防火墻和隔離網關，使得安防系統具備一定抵抗網絡攻擊和自修復的能力。其邏輯架構如圖6所示，核心功能在矩形框進行了羅列，并以其中“訪客管理流程”作為范例解剖麻雀，在圓柱體框中自下而上進行了呈現。

智慧校園的應用場景還包括智慧后勤、智慧醫療、智慧教務等場景，最終目標應當是實現校園有界限管理、數據無界限流轉，與智慧城市、智慧醫療、智慧社區、智慧警務等融合發展。

4 ?智慧校園面臨的安全風險與應對措施

一是MEC基礎設施安全風險。MEC基礎設施位于邊緣側，不需再將用戶本地數據上傳至中心云，降低了數據泄露風險，然而，RAN側環境安全風險本身較高，基礎設施可能遭到人為破壞;二是系統安全面臨風險。為了便于第三方應用的開發，MEC支持虛擬化業務環境的部署，API接口和NFV技術的開放性，使得系統遭到惡意干擾、監聽、攻擊的可能性有所增加;三是終端設備安全風險。教育用戶終端被植入病毒或惡意控制，不僅會造成隱私數據泄露，終端設備也會被不法分子利用，傳播有害信息。

對此，應該當建立健全網絡安全制度，在國家法律保障的基礎上，教育系統和院校也應當落實網絡安全防護的政策制度，完善敏感數據、高密級科研數據的安防措施;同時，建立安全管控體系，按照安全的層級、保密的密級區分管控，建立全國范圍的安全響應機制，形成應對重大安全風險事件的能力;其次，要分區域建立統一標準的全國高校安全數據中心，建立安全事件鑒別、安防技術分享、安全響應聯動的信息資源池，盡可能將安全風險降到最低。

5 ?結 ?論

未來5G技術將與更多行業深度融合發展，智慧校園建設應當把握以下幾點：一是以人為本，綜合干預，把好進度方向。技術改變生活，在設計規劃具體應用時，應以人為本，回歸教育學習是人腦認知的本質，避免一味迎合信息技術及其產品應用，過度投資導致能力過剩。教育應用的設計，應遵循認知心理學原理和人腦的認知模型，多學科綜合干預，同時建立反饋機制，使技術應用與實際需求完美重合。二是要長期演進，平滑過渡，避免供給失衡。應遵循可持續發展原則，為應用開發預留前向接口，為長期演進提供技術平臺。同時應注重研發應用的知識產權保護，完善產學研模式，形成長期健康的市場環境。三是校企協作，行業融合，完善發展機制。在不久的將來，大數據分析、人工智能、區塊鏈等新興技術將往更深層次發展，跨學科、跨領域人才更為急缺，應通盤考慮市場因素，運用招生結構調整等宏觀調控手段，建立高校與企業良性互動，確保人才充足結構合理。

5G網絡是面向用戶體驗和業務應用的智能化網絡，5G智慧教育也將更加注重學生的體驗，融入更多人文學科和生理規律的應用將更加適應人類大腦的習慣。5G改變社會，也改變著千行百業，期待基于5G技術的智慧校園孵化出更多科學高效的教育應用，推動教育領域發生實質性變革。

參考文獻：

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作者簡介：韓松岳（1993—），男，漢族，陜西寶雞人，助理工程師，碩士研究生在讀，研究方向：5G移動通信技術、邊緣計算。