5G+邊緣計算技術賦能的智慧校園應用探究

摘要：為夯實智慧教育數字底座，校園基礎設施建設已成為教育信息化發展的重點。作為新型網絡基礎設施的關鍵組件，5G將充分發揮新一代信息通信技術的高帶寬、低時延、廣連接特性。通過深度融合邊緣計算、大數據和人工智能等技術，為傳統數字校園向智慧校園轉型升級提供有力支撐。本文針對教育教學和校園運營場景的典型需求，提出基于5G和邊緣計算的端到端網絡解決方案。該方案著重解決了校園業務計算處理時延高、數據存儲安全隱患、校內網訪問操作繁瑣以及與校外網隔離性不強等問題，并對智慧校園信息化建設和教學創新發展的方向進行了探討。

關鍵詞：5G；邊緣計算；智慧校園；教育專網；信息化服務

一、引言

近年來，教育部相繼發布了《教育信息化2.0行動計劃》和“5G+智慧教育”應用試點項目，提出要實施教育數字化戰略行動，加速推動智慧教育發展進程[1]。教育部要求以“需求牽引、應用為王、服務至上”為原則，實現從起步、應用和融合數字技術，到樹立數字化意識和思維、培養數字化能力和方法、構建智慧教育發展生態、形成數字治理體系和機制，以教育信息化引領教育現代化[2]。為落實教育數字化和信息化轉型升級的要求，全國各高校正在加速推進基礎設施建設。而5G作為新基建的重要組成部分，可顯著提升教育信息化建設水平。

5G+邊緣計算技術能夠成為構建高質量教育支撐體系關鍵手段，主要原因有兩方面：一是相比于1G網絡面向個人到4G網絡走向移動互聯網的發展階段，5G網絡技術的主要應用價值體現在推動產業互聯網數智升級，與教育信息化的重點發力方向契合。二是5G+邊緣計算技術作為基礎信息通信技術，通過深度融合大數據、人工智能等互聯網技術，可為學校提供教育專網一體化解決方案，為校園師生及物聯網終端在用戶體驗速率、連接數密度、流量密度、峰值速率、移動性及端到端時延等方面帶來顛覆性革命[3]。

我國在5G垂直行業應用方面的發展已走在世界前列。在工業互聯網、自動駕駛等領域，差異化和定制化的5G專網服務已相對完備。然而，它在教育行業的應用成效并不顯著。主要原因是傳統教育網絡的承載力不足，校園數據安全風險大，教學系統資源共享難，以及存在信息孤島現象[4]。因此，本文將結合智慧校園的需求，綜合考慮網絡支持情況和信息安全要求，提出基于5G+邊緣計算的應用解決方案，旨在優化無線網絡接入、邊緣數據處理和用戶鑒權管理能力，從而提升教學質量和校園管理水平。

二、5G智慧校園概述

（一）5G智慧校園建設需求

校園基礎設施建設歷程與世界信息技術演進進程一致，已從計算機技術普遍應用的數字化階段，發展到互聯網全球化的網絡化階段，目前正在向萬物互聯的智慧化階段邁進。智慧校園是數字校園的高級形態，是對數字校園的深化與提升[5]。智慧校園的建設與實施是提高現代化教育技術水平及教學綜合質量、進一步推動教育深化改革、增強院校綜合競爭力與影響力的基礎性保障[6]。

相較于傳統的數字校園，新型智慧校園對突破數據空間、信息交互、應用系統領域的建設需求更加凸顯[7]。其中一方面是融合組網需求，通過整合校內感知交互網絡，打通人與人、人與物、物與物之間的通信路徑，便于學校統一管理接入終端；另一方面是中心云與邊緣云協同需求，保證校區間、學校間和不同層級的教育行政管理部門之間的獨立性，同時打破煙囪式的數據孤島格局，通過匯聚分布式的教育教學系統數據，實現信息互通和資源共享；第三方面是云網融合需求，實現有效承載定制化的教學應用，尤其能滿足多路并發高清視頻場景需求，助力AR/VR（Augmented Reality/Virtual Reality）課堂等業務的順利開展[8]。

（二）5G智慧校園應用的系統架構

數字校園系統建設的核心主要是信息系統的應用集成和系統間數據資源整合，通過構建統一標準的數字化平臺，消除信息孤島現象。實際上，數字校園信息系統建設主要是通過信息門戶平臺與校內管理系統進行業務整合和數據集成，并通過門戶單點登錄各管理系統，面向校園管理者提升人、財、物的運營管理效率[9]。

而智慧校園系統建設是在數字校園基礎上，更強調為校園師生的教育教學和校園生活提供智能化、個性化、便捷化的信息服務。智慧校園應用系統架構是融合了“云、網、邊、端、業”的一體化系統，具體包括：①移動手機、電子計算機、校園監控、實驗儀器等終端層；②固網、Wi-Fi、5G移動網、物聯網等校園網絡層；③為校園信息化業務提供數據存儲、計算等能力的算力層；④實現學校可自主管控教學和運營數據的平臺層；⑤面向教師、學生、家長和校園管理人員，提供教學、教研、教管、評價和公共校園服務的應用層。

三、智慧校園中的5G網絡與邊緣計算技術

（一）5G網絡技術

5G網絡架構具有分級部署、靈活組網的特點。它支持核心網控制面（C-plane）與用戶面（U-plane）分離，以及無線網中央單元（Centralized Unit，CU）與分布單元（Distributed Unit，DU）分離。這種架構可以有效解決校內網訪問操作煩瑣、數據與校外網隔離性不強的問題。在智慧校園場景中，可以將5G用戶面網元（User Plane Function，UPF）下沉部署至校內機房，實現校園業務數據卸載至校內平臺，與公網業務隔離。當移動用戶在邊緣網絡覆蓋范圍間進行接入切換時，集中部署的5G核心網業務與協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）支持會話連續性模式，從而保障校園網業務訪問不中斷，打破校園室內、室外網絡接入的局限性；應用功能（Application Function，AF）可通過策略控制功能（Policy Control Function，PCF）或網絡開放功能（Network Exposure Function，NEF）影響用戶面路由，動態選擇業務本地流量的卸載規則，實現校園用戶靈活訪問校園內網和公網。此外，5G網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）等技術的應用，將網絡設備軟件和硬件解耦，形成標準的、通用的虛擬資源，使得學校對網絡設備的維護轉變為對軟件資源的運營管理，提升校園網絡部署效率和資源利用率。

（二）邊緣計算技術

邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）將網絡及計算資源部署于校園數據中心，通過邊緣云承載校園平臺和應用，以解決視頻教學業務時延過大、匯聚流量過大等問題。適用于智慧校園業務的邊緣云資源包括計算型或存儲型通用硬件服務器，以及適用于AI推理場景的圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）和神經網絡處理器（Neural Processor Unit，NPU）等異構硬件，能夠滿足個性化教學、校園安防等應用需求，包括視頻編解碼、并行計算等。虛擬機及容器等多種虛擬化基礎設施（Infrastructure as a Service，IaaS）可有效降低校園計算資源擴容及設備運維難度。邊緣計算平臺（Platform as a Service，PaaS）為校內應用提供運行環境和必要組件，支持校園管理員部署管控虛擬防火墻、負載均衡、鑒權認證、流量控制等網絡能力。此外，通過構建中心云與邊緣云相結合的分布式部署架構，依托統一云資源管理平臺，可以實現集中及邊緣兩級云資源的高效管理調度，并解決各級學院及管理部門間系統數據交換流轉問題。

（三）安全管理措施

相比于現有的4G網絡、Wi-Fi和有線網，5G網絡的安全特性及管理措施都有所提升，可以解決校園數據傳輸、計算和存儲方面的安全隱患。在安全組網方面，可以采用與公網業務隔離的專網組網方式，滿足校園數據安全要求。在校外或校內機房部署專用UPF和邊緣計算資源，為特定的教學管理業務提供獨享分流和數據不出場服務。在隧道隔離方面，校園業務數據從UPF出口后，可以通過建立專線隧道到校內服務器平臺，確保專線的物理獨立性和安全可靠性。可以根據需要配置GRE（Generic Routing Encapsulation）、L2TP（Layer Two Protocol）或IPSec（IP Security）隧道協議，以增強傳輸通道的安全性。在接入控制方面，面向校園內的師生用戶，在完成第一次接入認證的基礎上，將在會話建立階段進行二次認證，以確定接入終端的合法性并決定是否允許完成會話建立，滿足校園內網會話的增強安全控制需求。

四、基于5G網絡和邊緣計算的智慧校園信息化解決方案

（一）校園應用場景分類

智慧校園以教學科研為本，融合師生日常生活及校園運營管理，是一個綜合的小型社會體系。它包括教學、科研、評教、公共服務、安全管理、生活后勤等校園活動。根據不同的校園應用場景對5G網絡及邊緣計算需求的差異，可以大致分為教育教學類和校園運營類場景。

教育教學類場景，例如AR/VR智慧教學、虛擬實訓、遠程同步課堂等，需要依靠5G網絡為視頻、圖像數據提供低時延、大帶寬、高可靠的傳輸條件。同時，結合AI、物聯網等多種創新技術融入課堂，為K12教育、高校、職教、企業培訓等提供沉浸式高清全景直播點播、虛擬現實沉浸式課堂、強交互的虛擬實訓等體驗服務。通過這些服務，實現各個學段教育信息化、現代化、智慧化的深度應用。

校園運營類場景，如校園安防、“雙減”監管、智慧考務等，需結合5G網絡切片、邊緣計算、大數據等關鍵技術，為校內運營管理平臺、大數據智能分析系統提供高并發、高可靠的基礎設施支持，以提升校園師生、校務管理人員的網絡覆蓋率及接入便利性，同時保障校內數據不出場、內網接入安全隔離，滿足校園運營監管的要求，如網絡事件可溯源、終端賬號可管理、內網訪問可隔離等。

（二）教育教學類場景方案

基于5G構建邊-云融合的教育專網，將集中在遠端云中心的教學系統從“核心”下沉到“邊緣”，通過邊緣計算和云計算相互協同，保障學校網絡的服務質量和數據存儲安全。該架構還支持學校靈活應對業務變化，并尤其適用于視頻教學課堂類應用，為實時性和帶寬密集型業務提供更好的支持。

以遠程同步課堂為例，根據視頻教育教學系統架構以及校內的組織管理關系，制定端到端網絡拓撲結構。主要包括：無線側部署5G宏站、分布式皮基站等，以提高5G網絡的覆蓋率。根據視頻教學業務的帶寬需求，選擇適用的頻率組網模式。傳輸側采用專線配置隧道的形式，以確保教學數據的安全隔離。5G網絡核心側根據時延和安全等級的需求，將UPF下沉至運營商地市或校園機房。在切片和數據網絡名稱（Data Network Name，DNN）的配置方面，根據不同教學應用的網絡服務類型單獨規劃切片及DNN標識，以滿足對網絡性能保障和監控的要求。此外，根據視頻教學系統對計算處理性能的要求，選擇通用服務器或適用于AR、VR、AI計算的異構硬件來承載平臺和應用程序，以滿足視頻編解碼、并行計算等需求。

上述方案重點解決了校園無線網絡容量低、時延高的問題。一方面，可以擴大校園無線網絡覆蓋范圍，節省高清視頻傳輸的帶寬，解決視頻卡頓、丟幀和分辨率低等不良體驗。另一方面，在校園內將數據流量卸載至邊緣云，使校內數據不經過公網，實現本地業務的閉環處理，保障視頻教學業務的高可靠和低時延性能。

（三）校園運營類場景方案

通過構建5G校園專網，部署專用核心網和傳輸網資源，配置專屬切片和分流策略，實現校園內網業務與5G公眾網業務的隔離。這樣可以滿足高校師生在校內、本地和全國范圍內的需求，無需使用虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）進行撥號，只需通過5G網絡登錄校內管理系統和訪問校內學術資源。此方案既能滿足師生對不同網絡應用的需求，又不影響公網業務的訪問體驗。該方案尤其適用于校園運營管理類應用，為公專網隔離性和用戶定向訪問提供更好的支持。

以教務管理系統為例，根據校園運營管理系統部署及用戶訪問權限管理要求，制定5G智慧校園專網方案。主要包括：根據校園師生接入密度及小區覆蓋范圍，無線側采用5G宏站、分布式皮基站等方式部署。傳輸側采用專線配置隧道形式，以保障數據安全隔離。在5G網絡核心側，基于需求下沉UPF的基礎上，重點結合校園師生訪問場景，選擇配置上行分類器（Uplink Classifier，ULCL）或專用DNN的分流策略。對于校園內或本地訪問場景，可采用ULCL分流策略，通過識別并根據會話的不同目的IP進行分流，其中校園內網業務通過校園內網錨點UPF進行疏導，訪問公網的流量上聯至通用錨點UPF出口。對于跨省遠程訪問場景，可采用專用DNN分流策略，通過為校園師生新增簽約校園網專用DNN，實現公網流量從通用UPF出口，校園內網流量匯聚至支持專用DNN的UPF出口訪問。

上述方案可重點解決校園內網安全隔離和用戶便捷接入的問題。一方面，將定向訪問校園內網IP的請求直接通過專網分流至校園網服務器，數據流不經過互聯網，實現與公網隔離，保障校園網及用戶數據的隱私。另一方面，通過5G專網組網，在網絡側對校內師生進行定向訪問簽約，實現無感知定向分流，免除用戶接入內網的操作配置，優化訪問體驗。

五、結束語

本文通過對比傳統數字校園信息化及應用系統架構，聚焦智慧校園對5G+邊緣計算技術的應用需求，將典型場景劃分為教育教學類和校園運營類。針對這兩類典型智慧校園應用場景，提出了一個端到端的信息化建設方案，以解決校園網在業務承載力、數據安全風險和校內訪問體驗等方面的問題，促進5G網絡和邊緣計算技術在智慧校園信息化教學結構和組織模式上的創新實踐。

作者單位：王薇 王小奇 李穎 何詩文 中國移動通信集團有限公司

李萌 北京工業大學信息學部

參" 考" 文" 獻

[1]中華人民共和國教育部.教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL].（2018-04-18）[2022-11-13].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2]中華人民共和國教育部.教育部關于印發《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》[EB/OL].（2021-07-08）[2022-11-13].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/202107/t20210720_545783.html.

[3]3GPP.5G;Study on self evaluation towards IMT-2020 submission：TR 37.910[S].2020.

[4]盧向群，孫禹.基于5G技術的教育信息化應用研究[J].中國工程科學，2019，21（6）：120-128.

[5]張淼科.5G網絡在高校智慧校園中的應用研究[J].電腦知識與技術，2021，17（20）：168-190.

[6]王強，霍慧彬，陳展，等.基于5G邊緣計算的全場景智慧校園建設[J].中國高校科技，2019（10）：94-96.

[7]余勝泉，陳璠，李晟.基于5G的智慧校園專網建設[J].開放教育研究，2020，26（5）：51-59.

[8]韓松岳，黃偉，李立甫.5G邊緣計算技術的智慧校園應用問題探究[J].現代信息科技，2020，4（21）：39-44.

[9]王曉燕.從“數字校園”到“智慧校園”[C].電子世界，1994-2023：128-129.