5G通信技術(shù)的主要特點及如何實現(xiàn)5G智慧校園建設(shè)

隨著數(shù)字化時代的到來，新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬需求、低時延高可靠需求和大連接需求迫切，受新冠肺炎疫情影響，教育行業(yè)對利用5G等新技術(shù)建設(shè)智慧校園的需求尤其突出，本文構(gòu)建了5G智慧校園云管端控新模式及應(yīng)用，對5G智慧校園建設(shè)與落地過程中相關(guān)難點問題進(jìn)行分析，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

一、緒論

隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速發(fā)展，新一代信息技術(shù)發(fā)展迅速，用戶對通信技術(shù)的要求日益增強，現(xiàn)存的2/3/4G的通信方式未來將無法滿足人們生活和工作需要。5G作為新一代信息通信技術(shù)演進(jìn)升級的重要方向，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量。2015年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《IMT愿景：5G架構(gòu)和總體目標(biāo)》，定義了增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延（uRLLC）、海量機器類型通信（mMTC）三大應(yīng)用場景，以及峰值速率、流量密度等八大關(guān)鍵性能指標(biāo)，其中，eMBB 聚焦在高清視頻、VR/AR等對帶寬有極高需求的業(yè)務(wù)；mMTC 則覆蓋智能交通、智能電網(wǎng)、智能制造等對聯(lián)接密度要求較高的場景；uRLLC焦自動駕駛/輔助駕駛、遠(yuǎn)程控制等對時延極其敏感的業(yè)務(wù)場景。

在3G和4G時代，主要業(yè)務(wù)是語音，短信和移動寬帶，業(yè)務(wù)類型相對比較單一。而5G時代，移動通信網(wǎng)絡(luò)不僅僅服務(wù)于個人消費者，更重要的是將服務(wù)于垂直行業(yè)，衍生出豐富的業(yè)務(wù)。5G時代不僅僅是更快的移動網(wǎng)絡(luò)或更強大的智能手機，而是鏈接世界的新型業(yè)務(wù)，如mMTC 和URLLC。與4G相比，5G將提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和每平方公里百萬級的連接能力。近兩年，中國移動、中國聯(lián)通、中國電信以及中國鐵通加快在全國開展5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，依托5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營優(yōu)勢，聯(lián)合地方政府、企業(yè)，已陸續(xù)開展了百余多項“5G+智慧應(yīng)用”，包括無人駕駛、智慧工地、VR、無人機、物流、智慧醫(yī)療、智慧校園、智慧工廠、車聯(lián)網(wǎng)等等，推動5G與垂直行業(yè)融合應(yīng)用發(fā)展；尤其是疫情期間，5G遠(yuǎn)程專家診斷、5G遠(yuǎn)程教育與培訓(xùn)為抗擊疫情提供了助力。為此，本文主要結(jié)合5G智慧校園場景下，對5G通信技術(shù)應(yīng)用和落地過程中難點問題進(jìn)行分析，對5G智慧校園的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

二、5G通信技術(shù)主要特點

2.1開放性

5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將從集中式向分布式架構(gòu)演進(jìn)，目前5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇可以包括SA（Standalone，獨立組網(wǎng)）架構(gòu)和NSA（Non-Standalone，非獨立組網(wǎng)）架構(gòu)。SA架構(gòu)是類似于2/3/4G，5G與前代系統(tǒng)相互獨立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)， 5G核心網(wǎng)與5G基站直接相連，終端只接入5G或4G（單連接），5G與4G關(guān)系類似于4G與3G/2G的互操作模式；NSA模式指5G依附于4G基站工作的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無法獨立組網(wǎng)。為滿足5G需求和打造一個先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)，SA架構(gòu)具有服務(wù)化、互聯(lián)網(wǎng)化、功能軟件化和多樣化連接等特點。服務(wù)化架構(gòu)以軟件服務(wù)重構(gòu)核心網(wǎng)，實現(xiàn)5G核心網(wǎng)軟件化、靈活化、開放化和智能化；5G網(wǎng)絡(luò)通過架構(gòu)和功能的重構(gòu)，實現(xiàn)軟件定義的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用連接，從固定網(wǎng)元、固定連接到動態(tài)配置、靈活連接，開放性更強。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片

傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)只能服務(wù)于單一的移動終端，無法適用于多樣化的物與物之間的連接，而不同的業(yè)務(wù)對5G網(wǎng)絡(luò)的速率和時延要求均不相同，為提高通信系統(tǒng)的靈活性、可擴展性和部署速度，5G網(wǎng)絡(luò)將引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV、軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN以及服務(wù)化架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是一種按需組網(wǎng)的技術(shù)，每個網(wǎng)絡(luò)切片帶寬、服務(wù)質(zhì)量、專屬資源都能得到充分保證，切片之間相互隔離，切片之間的錯誤或故障不會相互影響。

2.3 邊緣計算

邊緣計算（MEC）能力是運營商網(wǎng)絡(luò)能力與用戶業(yè)務(wù)需求結(jié)合的關(guān)鍵點，是5G拓展各行業(yè)業(yè)務(wù)的重要抓手，4G時代運營商開始MEC探索，但缺乏網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范定義的網(wǎng)元位置和設(shè)備形態(tài)，5G核心網(wǎng)分布式架構(gòu)天然支持MEC。5G網(wǎng)絡(luò)支撐廣連接、高覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)接入，為物聯(lián)網(wǎng)提供可靠的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，海量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳感器接入5G網(wǎng)絡(luò)，對5G網(wǎng)絡(luò)的連接管理提出了很高要求。5G標(biāo)準(zhǔn)制定了核心網(wǎng)業(yè)務(wù)面網(wǎng)元UPF下沉方案，為邊緣計算提供了統(tǒng)一靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，基于本地緩存、本地應(yīng)用、業(yè)務(wù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)服務(wù)等業(yè)務(wù)需求，業(yè)界提出邊緣計算概念，通過本地化具備計算能力來滿足低時延和傳輸節(jié)省等目的。

三、5G智慧校園建設(shè)與實施難點分析

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)生為中心的互動模式是實現(xiàn)5G智慧校園的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引入5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋實現(xiàn)全景視頻、5G+VR/AR直播等，實現(xiàn)遠(yuǎn)程互動教學(xué)、AR輔助教學(xué)和多地同步實時授課等，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。

圖1 5G智慧校園云管端控新模式

利用5G大帶寬和低時延特性，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，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全景攝像頭實時圖像采集，并通過端到端的5G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸實時圖像，將圖像回傳至遠(yuǎn)端的服務(wù)器機房，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)生和教師可以通過佩戴基于5G的VR眼鏡，可以實時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)與實施過程中，或存在多樣化的、個性化的需求，或存在場地建設(shè)改造、布設(shè)施工受限的困難，這對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)方面的實踐，具體可總結(jié)出如下幾個方面的問題和挑戰(zhàn)：

1、軟件定義網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

隨著下一代移動通信新技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，5G通信網(wǎng)絡(luò)開始基于IPv6實現(xiàn)路由選址，不僅能從IP地址數(shù)量上能夠足夠滿足海量終端設(shè)備的有效接入，同時，更重要的是還解決了終端位置和身份的定義，保障了低時延和高可靠。SDN（Software?Defined?Network）體系架構(gòu)能有效實現(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)來實現(xiàn)對網(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)點的IPv6數(shù)據(jù)包擴展報頭傳遞到各節(jié)點，無需選址，有效保障了低時延轉(zhuǎn)發(fā)。但是，如何實現(xiàn)通過SDN對業(yè)務(wù)流和所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行實時優(yōu)化，即大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和低時延響應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化是個挑戰(zhàn)。

SDN體系架構(gòu)

2、網(wǎng)絡(luò)虛擬化帶來的挑戰(zhàn)

隨著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)虛擬化對配套項目的組織與建設(shè)還比較滯后。傳統(tǒng)交換機和路由器均為專用通信硬件設(shè)備，它們在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的工作層級也是固定的。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，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，對業(yè)務(wù)編排要求高，與相關(guān)通信設(shè)備的對接落地實施挑戰(zhàn)大；而且，在通過5G網(wǎng)絡(luò)切片和虛擬化機制，大量網(wǎng)絡(luò)通信傳輸隧道具備極高的動態(tài)性，需要人工對通信傳輸進(jìn)行有效規(guī)劃才能滿足業(yè)務(wù)的多方面需求，平臺網(wǎng)絡(luò)速率和業(yè)務(wù)時延均不太一樣，會增加高精度時鐘的建設(shè)與維護(hù)難度，面對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。

3、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、高可靠低時延、大規(guī)模泛連接等。通過網(wǎng)絡(luò)切片管理可以為每一個業(yè)務(wù)組織形成一個VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)），但，在5G環(huán)境下的各類校園應(yīng)用中去具體部署實施還是有難題的，5G場景下網(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)切片來實現(xiàn)對用戶身份、選擇和管理VPN，并通過按需服務(wù)方式下達(dá)接入要求，可取的辦法是對時延、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可以實時提供，考慮以用戶價值為中心，同時邊緣云之間的溝通需要打招呼，需要有大量的網(wǎng)絡(luò)開銷操課。按IDC的預(yù)測，未來會有超過50%的數(shù)據(jù)會在邊緣層處理，而兩級云的成本只是單級云的39%，邊緣計算是落地在基站里，邊緣計算的節(jié)點需要不斷發(fā)掘，另外，通過邊緣計算之間的5G通信，5G應(yīng)用邊緣計算是希望把計算能力下沉到邊緣，邊緣負(fù)責(zé)處理對時間敏感的數(shù)據(jù)，保障過濾掉這些數(shù)據(jù)再補充到云環(huán)境中。云計算的部分能力下沉，存儲和內(nèi)容分發(fā)能力下沉，能夠適應(yīng)低時延、快速處理，但是下沉到每一個DU分布單元，還是下沉到CU集中單元，邊緣計算的密集度怎樣選擇，這是一個挑戰(zhàn)。

4、運營商SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改造難點

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、各省以及地市范圍內(nèi)均可能出現(xiàn)多種階段、多種形態(tài)并存的場景，針對NSA和SA兩種技術(shù)架構(gòu)分別編制規(guī)范。采用SA架構(gòu)會對現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中的存量核心網(wǎng)網(wǎng)元造成影響，在運營商信令網(wǎng)擴容改造方面，一方面LDRA需要擴容硬件增加HTTP/2超文本傳輸協(xié)議處理模塊，現(xiàn)有機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?，F(xiàn)網(wǎng)大部分STP設(shè)備都是針對傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計的，擴展性有限，廠家也不再生產(chǎn)相關(guān)板卡，若存量老舊平臺板卡不足以支撐擴容，則需要硬件整體替換。

5、室外5G基站建設(shè)難點

在5G時代，用戶將面臨2G/3G/4G/5G多網(wǎng)共存的模式，由于4/5G網(wǎng)絡(luò)在較長時間內(nèi)共存，為了確保業(yè)務(wù)連續(xù)性，需要進(jìn)行4/5G網(wǎng)絡(luò)互操作，無線及核心網(wǎng)存在是否建立4/5G核心網(wǎng)之間的多種接口的決策和選擇。5G到4G訪問時，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中斷時長/語音業(yè)務(wù)中斷時長/呼叫建立時延為100ms級；4G訪問5G時候，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中斷時長為100ms級。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，如何從海量的用戶端對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)點部署位置的密集程度相關(guān)，海量基站的建設(shè)將會有不同。

6、室內(nèi)5G小站組網(wǎng)實施難點

在進(jìn)行5G智慧校園建設(shè)時，考慮未來10年，預(yù)計移動通信數(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：2.6Ghz，電信/聯(lián)通：3.5Ghz，移動/廣電： 4.9Ghz）信號覆蓋弱、宏基站信號難以覆蓋至室內(nèi)各個主播教室；傳統(tǒng)的無源室分信號系統(tǒng)難以支撐5G的M-MIMO多天線技術(shù)。室內(nèi)場景中5G小基站超密集組網(wǎng)，小基站數(shù)量會大幅增長。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)升級面臨演進(jìn)難、實施難、成本高等的問題，同時，國內(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充；小站設(shè)備大多采用市電交流供電，同時對機房等配套設(shè)施要求不高，容易部署，投資和建設(shè)的性價比高，部署的優(yōu)勢更加突出。

四、結(jié)束語

為構(gòu)建5G智慧校園的建設(shè)，實現(xiàn)實時雙向音視頻互動教學(xué)、支持大并發(fā)的在線互動學(xué)習(xí)和基于全景視頻的互動教學(xué)。本文通過對5G通信的優(yōu)勢特性分析對具體應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)和難點進(jìn)行了探討，分析了5G網(wǎng)絡(luò)在實施和建設(shè)過程中的難點問題，并提出了部分解決思路，為支撐不同業(yè)務(wù)場景下差異化5G應(yīng)用落地提供參考，希望能從中找到適應(yīng)5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及創(chuàng)新的新思路。

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