基于5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究以及在校園中的應(yīng)用

（甘肅政法大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

5G移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展已成為社會的潮流，它的高傳輸、低延遲使得社會大眾對它熱衷。5G不同于3G和4G，它是一個真正意義上的移動通信與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，為互聯(lián)網(wǎng)解決了不少疑難問題。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，它的新技術(shù)已應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如人工智能、人臉識別、自動駕駛、智慧課堂等。本文探討了5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在校園中的應(yīng)用。

1 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

1.1 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)簡介

5G網(wǎng)絡(luò)是繼3G、4G的第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)，它的傳輸速度可達(dá)20 Gb/s，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的10倍以上。隨著大數(shù)據(jù)的來臨，5G的發(fā)展進(jìn)程也是日益加快，在高通、華為等的引領(lǐng)下，進(jìn)入了5G時代。5G時代給人們的生活增添了許多色彩，一些新技術(shù)的應(yīng)用為人們解決了很多困惑和疑難。

5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用使得政府、企業(yè)、學(xué)校等體驗到了前所未有的便捷和高效。5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度特別快，尤其是一些文件的傳輸，壓縮文件的傳輸比以前更快；它的傳輸穩(wěn)定性也較好，較之前不會出現(xiàn)傳輸過程中丟失信息等；高頻傳輸技術(shù)也很突出，在網(wǎng)絡(luò)速度方面，要增加傳輸速度就得增加高頻率，在高頻率問題上，5G網(wǎng)絡(luò)就解決了這個問題。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，很重要的一部分就是網(wǎng)絡(luò)切片。為了使5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到多個環(huán)境里，將5G網(wǎng)絡(luò)切開，按照應(yīng)用環(huán)境劃分成許多塊邏輯網(wǎng)絡(luò)。不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)。例如將網(wǎng)絡(luò)分成5個切片，切片1是自動駕駛，切片2是智能手機，切片3是人工智能，切片4是物聯(lián)網(wǎng)，切片5是其他。下面就5G網(wǎng)絡(luò)在校園中的架構(gòu)做以簡單描述。

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在校園中應(yīng)用的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)在校園中應(yīng)用的架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為兩部分，一部分是5G的接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，另一部分是中心接入。在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)中，最重要的是它的核心云和邊緣云，在核心云中有5G核心用戶和5G核心控制，核心用戶是存儲客戶信息的大型數(shù)據(jù)庫，而核心控制是指令發(fā)布者，指揮著5G網(wǎng)絡(luò)中的各項服務(wù)運行。核心云經(jīng)過回傳到邊緣云，邊緣云主要包括MEC和CU，然后經(jīng)邊緣云傳到DU，再經(jīng)DU前傳至AU，最后AU可通過基站連接到大規(guī)模MIMO、400 MHz帶寬的毫米波和大規(guī)模聚合，這些模式的傳輸速率可達(dá)到20 Gb/s。

在中心接入中，AU可通過基站接入到中心交換機。中心交換機相當(dāng)于5G應(yīng)用中的一個中心平臺，中心平臺能夠直接接入郵件服務(wù)器、OA服務(wù)器、VOD服務(wù)器，這些服務(wù)器可接發(fā)郵件，實現(xiàn)辦公自動化，進(jìn)行視頻點播服務(wù)。中心交換機還可通過路由器的轉(zhuǎn)換經(jīng)過防火墻接入DNS服務(wù)器，獲得網(wǎng)絡(luò)中主機的域名和IP地址。通過防火墻也能夠接入到校園局域網(wǎng)中，如校園中的教學(xué)樓、辦公樓、實驗樓、圖書館、信息樓等。

核心云和邊緣云中都涉及到NFV。NFV是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，它采用網(wǎng)絡(luò)的虛擬服務(wù)，基于硬件設(shè)施實現(xiàn)通信功能節(jié)點的軟件化，是通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)。在5G網(wǎng)絡(luò)中，還有一個與NFV并肩的是SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)，它被用來控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦。SDN是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)中的承載網(wǎng)；而NFV是計算技術(shù)，主要應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)中的核心網(wǎng)和接入網(wǎng)。

1.2 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是指終端和客戶端完成5G通信服務(wù)所要遵循的規(guī)定和約定。

協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式等，信息單元包括信息、定義、連接方式等，能夠保證網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)酱_定的地方。5G通信協(xié)議主要有用戶面協(xié)議、控制面協(xié)議、數(shù)據(jù)面協(xié)議。控制面協(xié)議和數(shù)據(jù)面協(xié)議如圖2、圖3所示。相比于4G的空口協(xié)議，5G的變化不大。在用戶面協(xié)議，5G空口用戶協(xié)議棧多了一層SDAP。SDAP協(xié)議定義于TS37.324，PDCP定義于TS38.323，MAC定義于TS38.321。數(shù)據(jù)面的整體協(xié)議也多了一個SDAP。

圖2 控制面協(xié)議

圖3 數(shù)據(jù)面協(xié)議

1.3 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)編碼

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)編碼在其發(fā)展進(jìn)程中有過一段爭議，最后采用了Polar碼。當(dāng)人們用手機刷朋友圈、看視頻時，數(shù)據(jù)會通過無線信號在手機和基站之間傳遞，有時會受到無線的干擾，覆蓋面弱。手機發(fā)送的數(shù)據(jù)和基站接收到的數(shù)據(jù)會有不一致的狀況，為了糾正，移動通信引進(jìn)了信道編碼技術(shù)。5G信道編碼技術(shù)需要支持更廣泛的碼塊長度和更多的編碼率，而Polar碼和LDPC碼在計算復(fù)雜度上優(yōu)于Turbo碼，所以采用Polar碼和LDPC碼。在5G編碼應(yīng)用中，控制信道采用Polar信令信道編碼方案，在業(yè)務(wù)信道采用LDPC數(shù)據(jù)信道編碼方案。

1.4 4G網(wǎng)絡(luò)到5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的演變

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)是從4G網(wǎng)絡(luò)演變而來的，空心和核心網(wǎng)的變化特別明顯。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，5G與4G相比最大的變化就是核心網(wǎng)和接入網(wǎng)的分離變得模糊了，在接入網(wǎng)中，主要是面向5G，CU和DU的兩級架構(gòu)被大眾認(rèn)可。這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合構(gòu)成5G C-RAN的兩個基本要素。核心網(wǎng)的一部分應(yīng)用功能以MEC邊緣云的方式，下發(fā)到靠近用戶的基站，已達(dá)到縮短時延的效果。把原來的BBU中物理層下發(fā)到AAU中處理，把實時性需求高的物理高層、MAC、RLC層放在DU中處理，把實時性低的PDCP和RRC放到CU中處理。5G的核心網(wǎng)絡(luò)還采用SBA架構(gòu)，把原先的具有多個功能的整體分成多個獨立功能的個體，這些個體都能夠?qū)崿F(xiàn)各種服務(wù)。

2 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)涉及的新技術(shù)

2.1 人工智能技術(shù)在5G移動網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

人工智能（AI）是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。在人類編譯的程序運行下，AI可以解決人們在科學(xué)領(lǐng)域和生活中遇到的疑難問題，比如大量的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)分析等。人工智能還可以優(yōu)化計算機系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)，隨著5G技術(shù)的引入，它具備了更強的場景感知能力，能夠?qū)鼍案兄M(jìn)行快速回應(yīng)，然后提供網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行策略或預(yù)測。在校園中應(yīng)用人工智能，從早晨到夜晚，使用5G網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備可以簡單地設(shè)置所需的模式。5G技術(shù)在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用比比皆是，由于它大容量存儲數(shù)據(jù)和傳輸速度快，使得人工智能的感知反應(yīng)更加迅速、便捷。

2.2 人臉識別在5G移動網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)已應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在人臉識別中，可以對用戶的身份進(jìn)行驗證。人臉識別是根據(jù)人的臉部特征對人身份識別的技術(shù)，其方法是先在用戶端存儲用戶的照片信息，然后確定拍攝到的人流圖片或視頻是否出現(xiàn)人臉，出現(xiàn)人臉的話，收集人臉的特征信息，接著與之前存儲的人臉信息進(jìn)行對比，最后確定身份信息。人臉識別系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于機場、學(xué)校、銀行、海關(guān)等各個領(lǐng)域。由于許多人臉識別系統(tǒng)都是在離線狀態(tài)下運行，需要大量計算，因此云模式的人臉識別發(fā)展得很快。云模式的人臉識別是基于云計算服務(wù)下的程序，在APP端或微信端等都可以把人臉照片傳輸?shù)椒?wù)器，在服務(wù)器中完成識別，將結(jié)果傳輸?shù)娇蛻舳恕１M管如此，云模式的人臉識別還是速度慢、延遲大，影響了人臉識別的效率。5G的引入給人臉識別搭造了一個新的架構(gòu)，它的移動邊緣計算在無線接入網(wǎng)內(nèi)提供存儲、計算、服務(wù)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不易完成的功能。5G的新型構(gòu)架給云模式下的人臉識別系統(tǒng)提供了新的技術(shù)，使得人臉識別的速度和準(zhǔn)確性增加，也大大節(jié)約了整體的成本，同時也促進(jìn)了5G的新型應(yīng)用。

2.3 虛擬VR在5G移動網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

VR是虛擬現(xiàn)實的意思，它利用計算機技術(shù)給人們制造出一個身臨其境的三維空間視覺體驗。該技術(shù)集成了計算機仿真、人工智能、傳感技術(shù)、高速計算等技術(shù)，是一種以計算機作為輔助的高技術(shù)系統(tǒng)。在VR中，它收集大量的圖片和視頻，通過建模、投影等形成一種虛擬模擬環(huán)境，然后通過感知終端和顯示終端讓人眼接觸。當(dāng)然，這對終端的配置要求很高，要做到音頻和視頻協(xié)同，VR的頭盔、眼鏡、手柄必須符合標(biāo)準(zhǔn)。分辨率對VR的影響也是很大的，分辨率低會導(dǎo)致人眼體驗時出現(xiàn)眩暈等，其主要的原因是MTP時延長、幀率低。5G技術(shù)的引進(jìn)，為VR應(yīng)用部署了網(wǎng)絡(luò)切片，為VR提供帶寬、時延等保障，對終端攝像頭視頻的采集上傳提供了高速帶寬，對圖像的預(yù)處理做了邊緣計算處理，優(yōu)化云端數(shù)據(jù)到顯示端的傳輸，減少時延。同時，在顯示端通過5G通信使用無線網(wǎng)絡(luò)連接，直接傳輸畫面，實現(xiàn)了快速、便捷的功能。

3 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在校園中的應(yīng)用

3.1 校園網(wǎng)絡(luò)速度的有力提高

隨著校園網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)需求越來越大，逐漸依賴于網(wǎng)絡(luò)的帶寬、速度等。為了滿足校園網(wǎng)的需求，許多高校引進(jìn)了5G移動通信網(wǎng)絡(luò)。引入5G網(wǎng)絡(luò)主要是建設(shè)5G+MEC的智慧校園，使得師生們在學(xué)習(xí)、工作、生活中獲得更多的便利和服務(wù)。因為5G移動網(wǎng)絡(luò)的基站在外部，對室內(nèi)的傳輸效果不好，但是無線網(wǎng)絡(luò)可以解決這方面的問題，它具有良好的穿墻效果。校園網(wǎng)由于局域的限制，傳輸速度慢、帶寬小，所以為了綜合建設(shè)智慧校園，在5G基站以無線網(wǎng)的形式連接到校園網(wǎng)，使得校園網(wǎng)的速度效果更好。

3.2 仿真實驗室建設(shè)的完善

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在校園中的應(yīng)用比比皆是，在仿真實驗室，它所進(jìn)行的各項實驗操作都是建立在無限接近于真實環(huán)境的模擬場景下，進(jìn)行仿真實驗。它應(yīng)用計算機的仿真軟件系統(tǒng)，還有三維圖形建構(gòu)進(jìn)行軟硬件交互，做出一套模擬實驗的操作系統(tǒng)。仿真實驗室大多在高校和實驗室用來做教學(xué)任務(wù)，主要涉及物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域。在國外，仿真實驗已經(jīng)在手術(shù)等方面被研究。但是實驗操作中還是有些不盡人意，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的引入，為仿真實驗室搭建了新的架構(gòu)，5G的高速傳輸功能使得在仿真實驗的運行中出現(xiàn)的誤差更小，能夠得到更準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。5G的虛擬服務(wù)應(yīng)用在仿真實驗中，也會使得實驗者能夠產(chǎn)生更真實的實驗場景，以便于實驗者開創(chuàng)出新思路。

3.3 教學(xué)管理的高效性

在教學(xué)管理方面，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的引入為教師們減少了一些壓力。針對智慧化教室平臺的建設(shè)，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)可以提供高速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使得師生們能夠更好地在線上交流，不會出現(xiàn)以往的網(wǎng)絡(luò)卡頓現(xiàn)象，還能夠清晰地觀察到對方的面部表情特征。教師們可以不用到教室里就能夠?qū)W(xué)生們實時監(jiān)控，同時也可以發(fā)出指令給學(xué)生，讓學(xué)生有效地完成任務(wù)。在監(jiān)考人員不充足時還可以實現(xiàn)無人監(jiān)考模式等，這會節(jié)省很多時間和成本。

3.4 學(xué)生安全的管理

在學(xué)生的安全管理方面，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)起到很大的作用。不管在校園的室內(nèi)還是室外，通過5G服務(wù)連接的云攝像機可以提供學(xué)生們的實時情況，為學(xué)生的人身安全和財產(chǎn)安全起著一定的預(yù)防作用。當(dāng)個人受到損失時，憑借著5G的低延遲功能能夠快速地分析視頻畫面，找到所要尋找的人員。5G移動網(wǎng)絡(luò)的引入還可以使校園檢測系統(tǒng)能夠更快速更準(zhǔn)確地分析出被檢測人員是否是該學(xué)校的師生，對人體的體溫的感應(yīng)也更加靈敏。當(dāng)識別出不是該校的師生或者體溫異常時會發(fā)出警報，同時也會將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端，終端的管理者通過5G網(wǎng)絡(luò)通信就可以收到數(shù)據(jù)。

3.5 教學(xué)科研平臺

在教學(xué)科研方面，主要涉及到5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中的切片技術(shù)。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的切片技術(shù)在一個物理層上可以構(gòu)建一個專用的、按需的網(wǎng)絡(luò)模塊，這些網(wǎng)絡(luò)模塊只提供給專用的部門，既保障了高校的隱私數(shù)據(jù)資料，又在不同業(yè)務(wù)同時工作時保證重要工作先行進(jìn)行。還可以利用5G嵌入模塊進(jìn)行配置模式，支撐5G下的創(chuàng)新技術(shù)，來滿足教學(xué)、科研等服務(wù)。

4 結(jié) 語

當(dāng)前，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，生活中已經(jīng)完全離不開它了。5G網(wǎng)絡(luò)擁有傳輸速度快、帶寬高、低延遲等特點被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在校園中的應(yīng)用也是必不可少的。雖然4G和5G中間差著一個G，但是在5G的道路上它還需要很多的改善，比如基站的成本太昂貴，還有對基站的保護(hù)不夠等，這對于校園引進(jìn)5G有一些細(xì)小的阻礙。但是總的來說，5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著巨大的潛力，尤其是在人工智能、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程手術(shù)、云存儲等方面，5G網(wǎng)絡(luò)是其中堅力量，這將為人們的網(wǎng)絡(luò)生活提供可靠、便利的保障。