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作者：赵轩
单位及职务：北京教育音像报刊总社网络信息化总负责人、北京市高等教育学会信息化研究分会理事
摘要：随着数字化时代的到来，新一代信息技术的快速发展，用户对网络具有大带宽需求、低时延高可靠需求和大连接需求迫切，受新冠肺炎疫情影响，教育行业对利用5G等新技术建设智慧校园的需求尤其突出，本文构建了5G智慧校园云管端控新模式及应用，对5G智慧校园建设与落地过程中相关难点问题进行分析，并对未来发展趋势进行展望。
一、绪论
随着全球新一轮科技革命和产业变革加速发展，新一代信息技术发展迅速，用户对通信技术的要求日益增强，现存的2/3/4G的通信方式未来将无法满足人们生活和工作需要。5G作为新一代信息通信技术演进升级的重要方向，是实现万物互联的关键信息基础设施、经济社会数字化转型的重要驱动力量。2015年，国际电信联盟（ITU）发布了《IMT愿景：5G架构和总体目标》，定义了增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延（uRLLC）、海量机器类型通信（mMTC）三大应用场景，以及峰值速率、流量密度等八大关键性能指标，其中，eMBB 聚焦在高清视频、VR/AR等对带宽有极高需求的业务；mMTC 则覆盖智能交通、智能电网、智能制造等对联接密度要求较高的场景；uRLLC焦自动驾驶/辅助驾驶、远程控制等对时延极其敏感的业务场景[1]。
在3G和4G时代，主要业务是语音，短信和移动宽带，业务类型相对比较单一。而5G时代，移动通信网络不仅仅服务于个人消费者，更重要的是将服务于垂直行业，衍生出丰富的业务。5G时代不仅仅是更快的移动网络或更强大的智能手机，而是链接世界的新型业务，如mMTC 和URLLC。与4G相比，5G将提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和每平方公里百万级的连接能力。近两年，中国移动、中国联通、中国电信以及中国铁通加快在全国开展5G网络建设，依托5G网络建设和运营优势，联合地方政府、企业，已陆续开展了百余多项“5G+智慧应用”，包括无人驾驶、智慧工地、VR、无人机、物流、智慧医疗、智慧校园、智慧工厂、车联网等等，推动5G与垂直行业融合应用发展；尤其是疫情期间，5G远程专家诊断、5G远程教育与培训为抗击疫情提供了助力。为此，本文主要结合5G智慧校园场景下，对5G通信技术应用和落地过程中难点问题进行分析，对5G智慧校园的发展趋势进行展望[2-5]。
二、5G通信技术主要特点
2.1开放性
5G的网络架构将从集中式向分布式架构演进，目前5G核心网络架构选择可以包括SA（Standalone，独立组网）架构和NSA（Non-Standalone，非独立组网）架构。SA架构是类似于2/3/4G，5G与前代系统相互独立的网络架构， 5G核心网与5G基站直接相连，终端只接入5G或4G（单连接），5G与4G关系类似于4G与3G/2G的互操作模式；NSA模式指5G依附于4G基站工作的网络架构，无法独立组网。为满足5G需求和打造一个先进的网络，SA架构具有服务化、互联网化、功能软件化和多样化连接等特点[6-8]。服务化架构以软件服务重构核心网，实现5G核心网软件化、灵活化、开放化和智能化；5G网络通过架构和功能的重构，实现软件定义的网络功能和应用连接，从固定网元、固定连接到动态配置、灵活连接，开放性更强[9-10]。
2.2 网络切片
传统的4G网络只能服务于单一的移动终端，无法适用于多样化的物与物之间的连接，而不同的业务对5G网络的速率和时延要求均不相同，为提高通信系统的灵活性、可扩展性和部署速度，5G网络将引入网络切片技术，基于网络功能虚拟化NFV、软件定义网络SDN以及服务化架构，网络切片技术是一种按需组网的技术，每个网络切片带宽、服务质量、专属资源都能得到充分保证，切片之间相互隔离，切片之间的错误或故障不会相互影响[11-13]。
2.3 边缘计算
边缘计算（MEC）能力是运营商网络能力与用户业务需求结合的关键点，是5G拓展各行业业务的重要抓手，4G时代运营商开始MEC探索，但缺乏网络技术规范定义的网元位置和设备形态，5G核心网分布式架构天然支持MEC。5G网络支撑广连接、高覆盖的物联网接入，为物联网提供可靠的网络通信服务，海量的物联网设备传感器接入5G网络，对5G网络的连接管理提出了很高要求。5G标准制定了核心网业务面网元UPF下沉方案，为边缘计算提供了统一灵活的网络架构，基于本地缓存、本地应用、业务优化、数据服务等业务需求，业界提出边缘计算概念，通过本地化具备计算能力来满足低时延和传输节省等目的[1,14]。
三、5G智慧校园建设与实施难点分析
为探索利用5G技术建设智慧校园，构建5G+智慧校园云管端控新模式，以学生为中心的互动模式是实现5G智慧校园的关键环节，引入5G网络覆盖实现全景视频、5G+VR/AR直播等，实现远程互动教学、AR辅助教学和多地同步实时授课等，有助于激发学生学习兴趣，提升教学质量和教学水平[15-16]。
图1 5G智慧校园云管端控新模式
利用5G大带宽和低时延特性,通过积极拓展5G智慧校园应用使能AR/MR远程教学成为现实，利用高校丰富资源打造智慧校园，未来老师佩戴AR眼镜在主播课堂现场教学、AR课件在眼镜中成像并采集至大屏幕，通过360全景摄像头实时图像采集，并通过端到端的5G通信网络传输实时图像，将图像回传至远端的服务器机房，进行VR图像渲染，并推送至远端5G接入侧，远端的学生和教师可以通过佩戴基于5G的VR眼镜，可以实时沉浸式观看课堂老师＋AR成像的教学内容[17-18]。但是，在构建5G智慧校园建设与实施过程中，或存在多样化的、个性化的需求，或存在场地建设改造、布设施工受限的困难，这对5G网络建设、5G通信设备或者光传输通信设备的建设与实施过程都提出了新的挑战，经过北京市多所高校在5G建设方面的实践，具体可总结出如下几个方面的问题和挑战：
1、软件定义网络的挑战
随着下一代移动通信新技术应用和发展，5G通信网络开始基于IPv6实现路由选址，不仅能从IP地址数量上能够足够满足海量终端设备的有效接入，同时，更重要的是还解决了终端位置和身份的定义，保障了低时延和高可靠。SDN（SoftwareDefinedNetwork）体系架构能有效实现数据包传送与网络控制分离，而且是面向连接的，利用基于SDN的网络操作系统来实现对网络的集中管理，通过将路由信息嵌入到原网络节点的IPv6数据包扩展报头传递到各节点，无需选址，有效保障了低时延转发。但是，如何实现通过SDN对业务流和所有网络节点进行实时优化，即大规模复杂网络和低时延响应的多目标优化是个挑战。
SDN体系架构
2、网络虚拟化带来的挑战
随着5G通信网络进行全面虚拟化和云应用化发展，虽然提升了5G通信网络功能的灵活性，但网络虚拟化对配套项目的组织与建设还比较滞后。传统交换机和路由器均为专用通信硬件设备，它们在网络架构中的工作层级也是固定的。而5G为了业务的灵活性，需要网络通信设备有不同的处理能力和传输特点，NFV(网络功能虚拟化)的方向是“硬件通用、软件可以定义”。5G网络边缘计算特性的引入则大幅增加了各类网元设备的数量，这将对网络通信设备提出更高的要求，网络通信方面的建设和运维复杂程度高、难度大；网络虚拟化的微服务化特性则要求满足用户的各类定制化需求，对业务编排要求高，与相关通信设备的对接落地实施挑战大；而且，在通过5G网络切片和虚拟化机制，大量网络通信传输隧道具备极高的动态性，需要人工对通信传输进行有效规划才能满足业务的多方面需求，平台网络速率和业务时延均不太一样，会增加高精度时钟的建设与维护难度，面对5G环境下的网络虚拟化应用如果出现问题，还需要准备有效响应的应急处理预案及通信设备。
3、网络切片的挑战
按业务逻辑需求划分不同的网络切片，网络切片分三大类：高速率广宽带、高可靠低时延、大规模泛连接等。通过网络切片管理可以为每一个业务组织形成一个VPN(虚拟专用网络)，但，在5G环境下的各类校园应用中去具体部署实施还是有难题的，5G场景下网络切片面向用户服务，如何保障全链路的VPN具有十分重要的意义，但是如何管理网络切片来实现对用户身份、选择和管理VPN，并通过按需服务方式下达接入要求，可取的办法是对时延、丢包率、可靠性有比较严格的业务提供均为网络切片，现有4G网络的VPN相比，5G的VPN可以实时提供，考虑以用户价值为中心，同时边缘云之间的沟通需要打招呼，需要有大量的网络开销操课。按IDC的预测，未来会有超过50%的数据会在边缘层处理，而两级云的成本只是单级云的39%，边缘计算是落地在基站里，边缘计算的节点需要不断发掘，另外，通过边缘计算之间的5G通信，5G应用边缘计算是希望把计算能力下沉到边缘，边缘负责处理对时间敏感的数据，保障过滤掉这些数据再补充到云环境中。云计算的部分能力下沉，存储和内容分发能力下沉，能够适应低时延、快速处理，但是下沉到每一个DU分布单元，还是下沉到CU集中单元，边缘计算的密集度怎样选择，这是一个挑战。
4、运营商SA网络架构改造难点
5G网络虽然有SA架构和NSA架构的两条基本演进路线，但由于业务需求、架构不同、网元不同、接口不同以及云基础设施条件不同，核心网在全国、各省以及地市范围内均可能出现多种阶段、多种形态并存的场景，针对NSA和SA两种技术架构分别编制规范。采用SA架构会对现存网络中的存量核心网网元造成影响，在运营商信令网扩容改造方面，一方面LDRA需要扩容硬件增加HTTP/2超文本传输协议处理模块，现有机房空间与电源方面的不足问题，在硬件总处理能力富裕的情况下可以采用将现分Diameter处理板卡改造成HTTP/2信令处理模块的扩容方案；另一方面，由于5G网元只支持IP链路，部分STP设备作为“根桥”可能需要新增IP板卡。现网大部分STP设备都是针对传统通信网络环境下设计的，扩展性有限，厂家也不再生产相关板卡，若存量老旧平台板卡不足以支撑扩容，则需要硬件整体替换。
5、室外5G基站建设难点
在5G时代，用户将面临2G/3G/4G/5G多网共存的模式，由于4/5G网络在较长时间内共存，为了确保业务连续性，需要进行4/5G网络互操作，无线及核心网存在是否建立4/5G核心网之间的多种接口的决策和选择。5G到4G访问时，数据业务中断时长/语音业务中断时长/呼叫建立时延为100ms级；4G访问5G时候，数据业务中断时长为100ms级。另外，5G网络依赖于基站建设速度，处理日益增加的基站建设任务，但是现有的基站能量负荷消耗严重，以及其对无线网络数据传输端口接入设施建设要求更加严格等状况；同时，如何从海量的用户端对基站的整体覆盖面弱化，加剧了5G通信传输网络基站选址的难题。另外，海量的微模式基站建设，与各类低功率的节点部署位置的密集程度相关，海量基站的建设将会有不同。
6、室内5G小站组网实施难点
在进行5G智慧校园建设时，考虑未来10年，预计移动通信数据流量增加100-1000倍，其中约70%流量来自室内。目前，5G中高频段（移动：2.6Ghz，电信/联通：3.5Ghz，移动/广电: 4.9Ghz)信号覆盖弱、宏基站信号难以覆盖至室内各个主播教室；传统的无源室分信号系统难以支撑5G的M-MIMO多天线技术。室内场景中5G小基站超密集组网，小基站数量会大幅增长。原来传统无源室分系统由功分器、耦合器、馈线、天线等组成，目前已建的室分系统不支持5G频段，系统升级面临演进难、实施难、成本高等的问题，同时，国内5G主要频段为2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz，相比4G主流频段，传输损耗和穿透损耗加大，难以通过室外覆盖室内。因此，小型基站更适合室分建设，小站由于信号发射功率和覆盖半径较小，单基站可容纳的用户数少，更适合小范围精确覆盖，小站采用多天线设置，可以根据不同的应用场景选用相应的小基站设备和网络建设模式，在满足覆盖的条件下提升系统容量。由于宏基站建网无法满足网络覆盖的广度和深度，小站可以作为宏基站的有效补充；小站设备大多采用市电交流供电，同时对机房等配套设施要求不高，容易部署，投资和建设的性价比高，部署的优势更加突出。
四、结束语
为构建5G智慧校园的建设，实现实时双向音视频互动教学、支持大并发的在线互动学习和基于全景视频的互动教学。本文通过对5G通信的优势特性分析对具体应用中遇到的挑战和难点进行了探讨，分析了5G网络在实施和建设过程中的难点问题，并提出了部分解决思路，为支撑不同业务场景下差异化5G应用落地提供参考，希望能从中找到适应5G新型网络架构及创新的新思路。
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