5G通信技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中的機(jī)遇與挑戰(zhàn)分析

趙軒

為探索利用5G技術(shù)建設(shè)智慧校園，構(gòu)建5G+智慧校園云管端控新模式，以學(xué)生為中心的互動(dòng)模式是實(shí)現(xiàn)5G智慧校園的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引入5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)現(xiàn)全景視頻、5G+VR/AR直播等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、AR輔助教學(xué)和多地同步實(shí)時(shí)授課等，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

利用5G大帶寬和低時(shí)延特性，通過積極拓展5G智慧校園應(yīng)用使能AR/MR遠(yuǎn)程教學(xué)成為現(xiàn)實(shí)，利用高校豐富資源打造智慧校園。未來老師佩戴AR眼鏡在主播課堂現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、AR課件在眼鏡中成像并采集至大屏幕，通過360全景攝像頭實(shí)時(shí)圖像采集，并通過端到端的5G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)圖像，將圖像回傳至遠(yuǎn)端的服務(wù)器機(jī)房，進(jìn)行VR圖像渲染，并推送至遠(yuǎn)端5G接入側(cè)，遠(yuǎn)端的學(xué)生和教師通過佩戴基于5G的VR眼鏡，可以實(shí)時(shí)沉浸式觀看課堂老師+AR成像的教學(xué)內(nèi)容。但是，在構(gòu)建5G智慧校園建設(shè)與實(shí)施過程中，或存在多樣化的、個(gè)性化的需求，或存在場(chǎng)地建設(shè)改造、布設(shè)施工受限的困難，這對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、5G通信設(shè)備或者光傳輸通信設(shè)備的建設(shè)與實(shí)施過程都提出了新的挑戰(zhàn)，經(jīng)過北京市多所高校在5G建設(shè)方面的實(shí)踐，具體可總結(jié)出如下幾個(gè)方面的問題和挑戰(zhàn)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

隨著移動(dòng)通信新技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，5G通信網(wǎng)絡(luò)開始基于IPv6實(shí)現(xiàn)路由選址，不僅從IP地址數(shù)量足夠滿足海量終端設(shè)備的有效接入，而且，更重要的是解決了終端位置和身份的定義，保障了低時(shí)延和高可靠性。SDN（Software Defined Network）體系架構(gòu)能有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳送與網(wǎng)絡(luò)控制分離，而且是面向連接的，利用基于SDN的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的集中管理，通過將路由信息嵌入到原網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的IPv6數(shù)據(jù)包擴(kuò)展報(bào)頭傳遞到各節(jié)點(diǎn)，無需選址，有效保障了低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)。但是，如何實(shí)現(xiàn)通過SDN對(duì)業(yè)務(wù)流和所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，即大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和低時(shí)延響應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化是個(gè)挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化帶來的挑戰(zhàn)

5G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面虛擬化和云應(yīng)用化發(fā)展，雖然提升了5G通信網(wǎng)絡(luò)功能的靈活性，但網(wǎng)絡(luò)虛擬化對(duì)配套項(xiàng)目的組織與建設(shè)還比較滯后。傳統(tǒng)交換機(jī)和路由器均為專用通信硬件設(shè)備，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的工作層級(jí)也是固定的。而5G為了業(yè)務(wù)的靈活性，需要網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備有不同的處理能力和傳輸特點(diǎn)，NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）的方向是“硬件通用、軟件可以定義”。

5G網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算特性的引入則大幅增加了各類網(wǎng)元設(shè)備的數(shù)量，這將對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備提出更高的要求，網(wǎng)絡(luò)通信方面的建設(shè)和運(yùn)維復(fù)雜程度高、難度大。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的微服務(wù)化特性則要求滿足用戶的各類定制化需求，對(duì)業(yè)務(wù)編排要求高，與相關(guān)通信設(shè)備的對(duì)接落地實(shí)施挑戰(zhàn)大。而且，在通過5G網(wǎng)絡(luò)切片和虛擬化機(jī)制，大量網(wǎng)絡(luò)通信傳輸隧道具備極高的動(dòng)態(tài)性，需要人工對(duì)通信傳輸進(jìn)行有效規(guī)劃才能滿足業(yè)務(wù)的多方面需求，平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)速率和業(yè)務(wù)時(shí)延均不太一樣，會(huì)增加高精度時(shí)鐘的建設(shè)與維護(hù)難度。5G環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)虛擬化應(yīng)用如果出現(xiàn)問題，還需要準(zhǔn)備有效響應(yīng)的應(yīng)急處理預(yù)案及通信設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)切片的挑戰(zhàn)

按業(yè)務(wù)邏輯需求劃分不同的網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)切片分三大類：高速率廣寬帶、高可靠性低時(shí)延、大規(guī)模泛連接等。通過網(wǎng)? ? 絡(luò)切片管理可以為每一個(gè)業(yè)務(wù)組織形成一個(gè)VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)），但在5G環(huán)境下的各類校園應(yīng)用中去具體部署實(shí)施還是有難題的，5G場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)切片面向用戶服務(wù)，如何保障全鏈路的VPN具有十分重要的意義，但是如何管理網(wǎng)絡(luò)切片來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份、選擇和管理VPN，并通過按需服務(wù)方式下達(dá)接入要求，可取的辦法是對(duì)時(shí)延、丟包率、可靠性有比較嚴(yán)格的業(yè)務(wù)提供均為網(wǎng)絡(luò)切片，現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的VPN相比，5G的VPN可以實(shí)時(shí)提供，考慮以用戶價(jià)值為中心，同時(shí)邊緣云之間的溝通需要打招呼，需要有大量的網(wǎng)絡(luò)操課。按IDC的預(yù)測(cè)，未來會(huì)有超過50%的數(shù)據(jù)會(huì)在邊緣層處理，而兩級(jí)云的成本只是單級(jí)云的39%，邊緣計(jì)算是落地在基站里，邊緣計(jì)算的節(jié)點(diǎn)需要不斷發(fā)掘，另外，通過邊緣計(jì)算之間的5G通信，5G應(yīng)用邊緣計(jì)算是希望把計(jì)算能力下沉到邊緣，邊緣負(fù)責(zé)處理對(duì)時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)，保障過濾掉這些數(shù)據(jù)再補(bǔ)充到云環(huán)境中。云計(jì)算的部分能力下沉，存儲(chǔ)和內(nèi)容分發(fā)能力下沉，能夠適應(yīng)低時(shí)延、快速處理，但是下沉到每一個(gè)DU分布單元，還是下沉到CU集中單元，邊緣計(jì)算的密集度怎樣選擇，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

運(yùn)營(yíng)商SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改造難點(diǎn)

5G網(wǎng)絡(luò)雖然有SA架構(gòu)和NSA架構(gòu)的兩條基本演進(jìn)路線，但由于業(yè)務(wù)需求、架構(gòu)不同、網(wǎng)元不同、接口不同以及云基礎(chǔ)設(shè)施條件不同，核心網(wǎng)在全國(guó)、各省份以及地市范圍內(nèi)均可能出現(xiàn)多種階段、多種形態(tài)并存的場(chǎng)景，針對(duì)NSA和SA兩種技術(shù)架構(gòu)分別編制規(guī)范。采用SA架構(gòu)會(huì)對(duì)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中的存量核心網(wǎng)網(wǎng)元造成影響，在運(yùn)營(yíng)商信令網(wǎng)擴(kuò)容改造方面，一方面LDRA需要擴(kuò)容硬件增加HTTP/2超文本傳輸協(xié)議處理模塊，現(xiàn)有機(jī)房空間與電源方面的不足問題，在硬件總處理能力富裕的情況下可以采用將現(xiàn)分Diameter處理板卡改造成HTTP/2信令處理模塊的擴(kuò)容方案;另一方面，由于5G網(wǎng)元只支持IP鏈路，部分STP設(shè)備作為“根橋”可能需要新增IP板卡。現(xiàn)網(wǎng)大部分STP設(shè)備都是針對(duì)傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計(jì)的，擴(kuò)展性有限，廠家也不再生產(chǎn)相關(guān)板卡，若存量老舊平臺(tái)板卡不足以支撐擴(kuò)容，則需要硬件整體替換。

室外5G基站建設(shè)難點(diǎn)

在5G時(shí)代，用戶將面臨2G/3G/4G/5G多網(wǎng)共存的模式，由于4G/5G網(wǎng)絡(luò)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)共存，為了確保業(yè)務(wù)連續(xù)性，需要進(jìn)行4G/5G網(wǎng)絡(luò)互操作，無線及核心網(wǎng)存在是否建立4G/5G核心網(wǎng)之間的多種接口的決策和選擇。5G到4G訪問時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中斷時(shí)長(zhǎng)/語音業(yè)務(wù)中斷時(shí)長(zhǎng)/呼叫建立時(shí)延為100ms級(jí);4G訪問5G時(shí)候，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中斷時(shí)長(zhǎng)為100ms級(jí)。另外，5G網(wǎng)絡(luò)依賴于基站建設(shè)速度，處理日益增加的基站建設(shè)任務(wù)，但是現(xiàn)有的基站能量負(fù)荷消耗嚴(yán)重，以及其對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸端口接入設(shè)施建設(shè)要求更加嚴(yán)格等狀況;同時(shí)，如何從海量的用戶端對(duì)基站的整體覆蓋面弱化，加劇了5G通信傳輸網(wǎng)絡(luò)基站選址的難題。另外，海量的微模式基站建設(shè)，與各類低功率的節(jié)點(diǎn)部署位置的密集程度相關(guān)，海量基站的建設(shè)將會(huì)有不同。

室內(nèi)5G小站組網(wǎng)實(shí)施難點(diǎn)

在進(jìn)行5G智慧校園建設(shè)時(shí)，考慮未來10年，預(yù)計(jì)移動(dòng)通信數(shù)據(jù)流量增加100～1000倍，其中約70%流量來自室內(nèi)。目前，5G中高頻段（移動(dòng)：2.6GHz，電信/聯(lián)通：3.5GHz，移動(dòng)/廣電： 4.9GHz）信號(hào)覆蓋弱、宏基站信號(hào)難以覆蓋至室內(nèi)各個(gè)主播教室;傳統(tǒng)的無源室分信號(hào)系統(tǒng)難以支撐5G的M-MIMO多天線技術(shù)。室內(nèi)場(chǎng)景中5G小基站超密集組網(wǎng)，小基站數(shù)量會(huì)大幅增長(zhǎng)。原來傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)由功分器、耦合器、饋線、天線等組成，目前已建的室分系統(tǒng)不支持5G頻段，系統(tǒng)升級(jí)面臨演進(jìn)難、實(shí)施難、成本高等的問題，同時(shí)，國(guó)內(nèi)5G主要頻段為2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz，相比4G主流頻段，傳輸損耗和穿透損耗加大，難以通過室外覆蓋室內(nèi)。因此，小型基站更適合室分建設(shè)，小站由于信號(hào)發(fā)射功率和覆蓋半徑較小，單基站可容納的用戶數(shù)少，更適合小范圍精確覆蓋，小站采用多天線設(shè)置，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選用相應(yīng)的小基站設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式，在滿足覆蓋的條件下提升系統(tǒng)容量。由于宏基站建網(wǎng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的廣度和深度，小站可以作為宏基站的有效補(bǔ)充;小站設(shè)備大多采用市電交流供電，同時(shí)對(duì)機(jī)房等配套設(shè)施要求不高，容易部署，投資和建設(shè)的性價(jià)比高，部署的優(yōu)勢(shì)更加突出。