基于虛擬5G MEC的智慧校園建設*

孟軍霞，陳 冰

（焦作大學信息工程學院，河南 焦作 454000）

校園信息化已從技術支持的教學輔助者逐漸轉向為創新教學模式的推動者，面向應用的智慧校園建設模式已經不能滿足新時代教學的需求，以人工智能、大數據、物聯網、云計算、移動互聯網融合創新發展的智慧校園建設開始走上舞臺，虛擬5G邊緣云計算 （Multi-access Edge Computing，MEC）作為現階段高校智慧建設的網絡部署方案，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絡結構問題的方法。

1 傳統智慧校園建設瓶頸

教育信息化1.0要求建設覆蓋全國教育的管理信息系統，使教學和學習模式發生了深刻的轉變，但在傳統的數字校園建設中，教師和學生參與度低，教育模式是以 “教為主”而不是 “學為主”，距離實現 “個性化學習、差異化教學、泛在式學習、群智化學習、協作式學習”[1]的智慧教育模式仍然存在較大差距。

教育部制定并印發的 《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”。“通過實施教育信息化2.0行動計劃，到2022年基本實現 ‘三全兩高一大’的發展目標”[2]。教育信息化2.0要求從關注應用到人轉變，要求建立互聯網+教育大平臺，創新融合云計算、大數據、5G、物聯網等技術，而基于現有的網絡結構逐步成為智慧校園發展的瓶頸，主要存在網絡帶寬不足、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，建立教育大數據平臺，實現對數據的實時分析處理，滿足諸如VR，AR、高清視頻、人工智能、云計算等大數據分析的要求，而傳統的數字化校園采用的傳送網絡光電復合模式出口帶寬非常有限，內部網絡往往采用網線布放或無線Wi-Fi模式，時延大且穩定性較差。隨著三通兩平臺的建設和各種教學應用覆蓋，海量數據已經遠遠超過智慧校園有限的處理能力，現有的服務很容易淹沒在數據海洋中。

2 智慧校園2.0建設思路

為了破除智慧校園建設瓶頸，必須革新理念，通過研究新的網絡技術發展，找到一個能夠快捷、高效、較低成本的問題解決方案。

在接入層網絡選擇上，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、每平方公里數十Tb/s的流量密度，以及99.999%的可靠性[3]，在智慧校園應用中明顯優于4G和Wi-Fi等接入的網絡性能。

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

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

5G MEC可以有效解決智慧校園建設的瓶頸問題，如VR的實現。在傳統智慧校園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，帶寬網速不能滿足要求，系統軟件老化，無法實現VR。而基于5G的MEC解決方案中，終端方面成本較低，現有電腦即可滿足要求，有5G網絡的地方就可以教學，使教學從室內走向室外；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，覆蓋周邊學校，學校無需維護從而專注于教學，可根據需要分配計算機，以滿足教學應用；更多資源可以放在云端，豐富的素材資源促進家校溝通，提高家長在教學中的參與度。

3 5G MEC主流網絡架構

目前，MEC網絡架構的發展進度在不同設備廠家、運營商之間并不統一，側重點也有差異。主流的MEC網絡架構主要分為獨立專網、混合專網、虛擬專網3種，根據網絡定制程度，可提供特定區域覆蓋、數據可靠傳輸、業務安全隔離、設備可管可控的基礎連接網絡，滿足在組織、指揮、管理、生產、調度等環節的服務需求，見圖1。

區分5G MEC的網絡架構主要依賴5G網絡切片技術。網絡切片是將運營商的物理網絡切分為多個邏輯網絡，實現一網多用，切片使得運營商能夠在一個物理網絡之上構建多個端到端、虛擬的、隔離的、按需定制的專用邏輯網絡，以滿足不同行業客戶對網絡能力的不同要求 （如時延、帶寬、連接數等），5G切片基于SA架構實現。

3.1 獨立MEC網絡架構

獨立MEC網絡架構的無線網采用獨立的頻譜、硬件資源，在核心網邊緣云計算部分新建UPF，在用戶控制部分新建AMF，SMF設備，這種網絡架構適合于對安全性要求更高的本地閉環數據，如政企、黨政軍、電力、港口等。獨立MEC網絡架構的特點是性能高、效果好、價格高，適用于時延及本地化要求強烈的行業客戶[5]。

3.2 混合MEC網絡架構

混合MEC網絡架構是在獨立MEC網絡架構的基礎上，將投資較大的無線網、核心網用戶控制部分通過5G網絡切片技術在專網和公網間進行共享，在地理空間上可在靠近用戶應用較為密切的UPF/MEC部署，如可放置在校園綜合機房內與本地服務器同步部署。混合MEC網絡架構性能高、靈活性強、性價比高，在具體實施上，可以有多種配置結構，滿足一些特殊場景需求，如煤礦地下開采區域或園區密閉廠區，可采用專網5G基站+公網5G基站部署。混合MEC網絡架構可以滿足絕大部分智慧校園建設需求，適合校園規模大、學生多的場景[6]。

3.3 虛擬MEC網絡架構

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

4 智慧校園5G MEC方案

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

4.1 5G MEC建設方案

5G無線網在智慧校園建設初期可直接依托現有4G網絡站址進行規劃建設，以河南某高校的5G無線網建設方案為例，該校東西長約1.8 km，南北長約0.8 km，在校生近4萬人，現有4G物理站址11站，室分站址12站，已基本覆蓋生活區、教學區、圖書館和其他活動場地。因采用切片技術，在保證智慧校園虛擬專網需要的前提下，還要保證公網用戶的需求，因此宏站部分全部采用國內某公司的SA架構3.5 GHz 64T/R 320 W產品進行建設，室分采用pRRU 5961G 4T4R數字化室分建設，用于承載高速率、低時延、高可靠性的數據業務應用。

邊緣云MEC系統選擇共享部署，在運營商中心機房部署UPF+邊緣云MEC云平臺，UPF通過智能城域網與5G基站和5G核心網對接，通過內部網絡和MEC互聯，本地數據由UPF分流至MEC平臺，MEC平臺與校園專網通過防火墻隔離，后期隨著MEC的部署，可為基于大數據的AI分析應用提供邊緣計算能力，未來也可考慮將MEC+UPF部署到校園內機房，進一步提升性能。

圖2 智慧校園網絡架構

從業務安全角度看，核心網用戶面采用切片技術，實現業務數據不出校園即可提供更高的安全保障。從商業角度看，虛擬MEC可以節省傳輸資源，尤其針對存在大量數據傳輸需求的視頻類應用，能夠實現數據在站點內的本地存儲和運算，節省邊緣到核心網和Internet的傳輸資源開銷和商業成本。

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絡信息、位置信息、業務使能控制等多種服務，為移動視頻加速業務、AR/VR低時延業務、企業專網應用、需要實時響應的AI視頻分析業務等提供支持。

4.2 校園應用部署方案

智慧校園可基于5G MEC部署多種應用，如VR沉浸式教學應用。VR技術的發展已實現了可攜帶、可穿戴的設備，讓學生可以邊玩邊學，真正實現隨時隨地、沉浸式、趣味性學習，但VR對響應時延、刷新率、分辨率及圖像質量均有非常高的要求，需要大量實時的高清渲染計算，導致VR頭盔等設備出現價格增高、耗電量增大、待機時間短、卡頓、過熱等問題。MEC通過將計算節點下沉到應用場景附近 （網關），將數據收集和分析的行為放到靠近用戶側，實現數據處理的邊緣閉環，從而能夠減輕網絡傳輸壓力并縮短數據處理的時間周期[6]，是實現VR教學應用部署的最佳方式。在網絡結構上選擇云VR+5G MEC的方式部署，相應地共享MEC結點應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教學應用部署

云端實現數據存儲和數據源功能，存儲和分發教學數據資源，如虛擬實驗數據、VR影片等，數據經過5G核心網后緩存在MEC中，MEC實現了數據的本地化處理，經過MEC加工的數據通過5G無線網絡傳輸到CPE（用戶前置設備，初期在5G無線模組尚未大規模上市前使用，后期VR設備可直接集成5G模組，真正做到隨時隨地VR），CPE通過將5G信號轉換為WiFi和VR設備鏈接。

5 結束語

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