5G网络助力智慧校园方案探讨

5G网络助力智慧校园方案探讨

李金鹏

广西物流职业技术学院，广西 贵港 537100

摘要：随着数字化校园高速发展，数据中台和一站式办事大厅陆续上马，数据中心和流程中心不断完善，高校的智慧校园建设已具备必要条件。基于此，本文就5G网络助力智慧校园方案进行简要探讨。仅供业内同行参考。

关键词：5G网络；智慧校园；方案；

1 5G+智慧校园的特征

5G+智慧校园建设具有三个方面的显著特征。一是高速率。5G在智慧校园中的应用，依托于Gbit/s标准的峰值速率，有助于适应教学和管理的高清视频和虚拟现实、大数据运算的需要，使得服务器可以连接更多的终端设备;有助于校园信息资源整合，优化信息资源配置。二是便捷性。5G+智慧校园建设具有无时间和空间限制性的特征。在5G技术支持下，通过高速、泛在、安全、自由的信息连接，突破传统的时间和空间的限制。通过互联网、物联网、移动互联网，无论在何时、何地都可以开展数据传输，数据传播的实时性更加突显，实现了信息流的双向式的传输。［2］三是互动性。5G+智慧校园具有互动性的特征，而非简单信息灌输，5G+智慧校园有助于学校与教师、师生间对话与信息互动。通过人机交互，能利用声音、画面等介质增加所有受众的视听感受，增强智慧校园建设的主动性，提高信息反馈增益。四是经济性。5G的出现解决了高速接口成本高昂问题，有助于在保障数据传输速率和带宽的同时，实现单位基站数量的减少，有效降低运营成本。

2 5G应用方案

2.1 5G+无人机

一些高校需对野外试验场地的自然环境参数、气候特征等进行全方位、多采集点的数据监测，借助5G+无人机等先进技术，可以克服环境危险不易到达、数据采集量大且常态化的困难，对深化产教融合起到巨大推动作用。

2.2 5G+4K直播课堂

在线教育正成为现代教育体系的重要组成部分，在新冠疫情造成线下教育停滞期间，在线教育成为大部分课堂的开展形式。但现阶段，在线教育还存在着一些问题，例如平面网页呈现课堂的形式单一，空间的阻隔感使得学生的参与度不高，虚拟空间缺乏培养技能和进行实验的环境等。教育与AR/VR技术的结合将为线下教育与线上教育带来一次革新［1］。借助5G大带宽、低时延、高可靠的特性，5G智慧课堂充分与云端智慧教育的统合，教师和学生以数字身份参与课堂，在虚拟教学场所中进行互动。5G+VR设备的引入能够充分重塑教学内容的展现形式，让学生“沉浸”在知识中。此外，学校还希望借助虚拟空间的可塑性，打造校园虚拟实验室，虚拟集会等场景，将AR/VR从课堂延伸至课后活动。

2.3 5G+智能备份

校园网络一般为有线网络，利用5G+CPE可以作为有线网络的备份。平时校园网业务以有线为主，一旦有线产生故障，则数据自动切换到5G网络。智能备份的线路包括：①校园总出口专线；②各教学楼、信息中心、研发楼到总机房的内部线路。

2.4 5G+智慧安防

借助5G大带宽特性，将一些有线接入成本过高的全高清视频监控摄像头接入到校园安防系统，同时配备搭载5G的自动巡逻机器人，通过5G+CPE方式建设校园监控、后勤管理信息化系统，搭建物联网智慧校园，应用技防代替人防，实现智慧管理，将管理落到实处。

2.5 5G 提供校园网融合互通方案

虽然当前各地都建设了校园网，但是校园网通常是建立在4 G EPON网络构架上的，其存储容量、传播方式都有较大局限性。而 5G技术是建立在数字蜂窝网络架构上的数据处理模式，有助于构建更加稳定、拥有更宽数据信道、支持多频传输模式 5G提供校园网融合互通方案如图 1所示:

5G技术实现运营商提供的MEC设备下沉至校园内，通过校园基站和服务器，可拥有海量云存储和大数据计算空间，支持分流策略的报文发送，为学校的教学、行政管理、课题研究都提供了更加开放的应用平台和数据处理保障，有助于校园网功能的拓展和创新。

图15G网融合互通方案示意图

3 技术解决方案

按照总体规划、分步实施原则，搭建校园的 5G 核心网、校园专属中心节点，为后期校园 5G 应用提供一流平台。在 5G 专网上承载无人机、智慧课堂、智能备份、智慧安防等业务。方案包含无线专业、承载网、UPF等多专业。

3.1应用业务场景性能指标要求

国内运营商针对不同场景下的2B业务均推出了符合相应业务需求的5G定制网解决方案，针对业务对时延、带宽、隔离安全等要求的不同，中国移动推出了“优享、专享、尊享”三种服务模式，中国电信推出了“致远、比邻、如翼”三种服务模式，以中国电信为例介绍2B应用解决方案。考虑校园信息保密需求，数据不出校园，适合采用UPF比邻入驻组网方案。同时根据各业务所涉及区域，拟对以上应用涉及的校园公共区域、教学楼等区域进行5G覆盖。

3.2 无线网部署方案

需对校园公共区域、教学楼、办公楼等区域进行5G覆盖。（1）5G室外基站方案；因无人机飞行、智能巡逻机器人都涉及校园整个室外区域，需对校区所有区域进行覆盖，根据校园布局、结合校园周边已建5G室外基站，统筹考虑新增5G室外基站点位和建设形式；具体设备选型建议：①5G+无人机需求容量预估：校方预估无人机数量，拟定最高同时出动比例，测算网络上行吞吐量要求=25Mbps*无人机数量*最高同时出动比例；高空覆盖：因无人机飞行高度较高，为保障高空覆盖，基站侧需采用多天线垂直波束来增强覆盖。②5G+智慧安防需求高清视频监控摄像头、自动巡逻机器人搭载的5G模组上行带宽需求=8Mbps*设备数*摄像头/机器人数量*并发率。综上，建议室外基站可采用64TR/32TRAAU作为5G信源。（2）5G室内分布系统方案；5G+4K直播课堂和5G+智能备份主要应用场景在各教学楼、信息中心、研发楼、办公楼，需建设5G室内分布系统。5G+4K直播课堂，上行容量需求=25Mbps*使用智慧课堂的教室数量*业务并发比；5G+智能备份平时用到的概率不高；预估忙时吞吐量约为：办公楼上下行均500Mbps；其他楼上下行均100Mbps。考虑上行大带宽，教学楼、办公楼拟采用3.5GRRU+错层覆盖的方式进行覆盖；考虑到教学楼同时存在大量2C用户，可采用3.5G8TRRRU，并采用错层+平层双主干室分的方式增加单用户吞吐率。（3）BBU设备方案；低时延保障：为充分应对无人机低时延的需求，BBU均下沉到用户机房，减少传输节点，降低线路传输时延及节点转发时延。

3.3承载网部署方案

（1）接入方案；5G基站承载方案：对于致远、比邻模式原则上与2C业务共同承载在STN网络上。考虑校园信息保密需求，数据不出校园，UPF可部署在客户自有机房，接入校园STN-A设备，根据与客户签订的SLA，按照GB50174数据中心设计规范明确机房相应的等级；若客户机房不满足等级要求，需进行相应地改造。UPF通过静态路由+BFD对接 STN A/B，打通 EPC VPN、OUTBAND VPN、RAN VPN优先使用裸纤方式与客户私网互联，加防火墙隔离。校园5G网络接入方案如图2所示：

图2 园区5G网络接入方案

（2）业务流向；以校园客户私网通过裸纤直连园区UPF为示例，业务流向：用户数据经终端—基站—A设备—B设备—UPF—防火墙—客户私网，UPF采用独占模式部署于学校机房，UPF数据传至用户自建数据中心，满足其应用功能。

3.4 核心网部署方案

MEC最初意为移动边缘计算，现拓展为多接入边缘计算，旨在为客户提供就近的计算、平台、IT服务，以满足客户低延迟、大带宽等特性需求。电信MEC体系如下：①UPF和MEC系统采用松耦合方式部署。②5G研发中心自研5GMEC，建设5GMEC边缘节点（共享/独享）；MEC边缘节点接入MEC业务管理平台省级汇聚层。如图3所示。③天翼云边缘云节点（MEC）建设互联网CDN边缘节点模式（ECX）或轻量化天翼云；边缘节点接入天翼云云管平台。

图3 MEC边缘节点接入方案

3.5安全方案

（1）安全隔离能力；比邻模式面向时延敏感型企业客户。主要安全手段有QoS增强、无线资源预留、DNN定制、网络切片定制、园区区域限流、按需将UPF或MEC网元下沉至边缘机房或园区等。可实现5G流量本地卸载，限制客户终端只能在特定区域接入等功能。（2）校园安全需求分析；校园5G应用传输数据含学校能耗数据、学生财务数据、学生健康体能数据等私密数据，出于数据安全的要求，数据不允许出校园，并且对延时有一定要求，避免学生卡业务在中晚餐中出现延时终端等情况。本项目运维数据可以看出园区的情况，可在本地部署配置核查、漏洞扫描等安全引擎，远程统一进行安全管理和分析。为了满足安全需要，企业内网和定制专网中间部署防火墙进行安全隔离，并在防火墙上配置安全策略，对双向流量进行过滤和管控，防火墙和企业内网开通直连链路，UPF通过防火墙接入企业内网。UPF内置防病毒功能。

4 效益与价值

5G智慧校园通过各组成硬件终端的5G化，充分利用5G网络与生俱来的技术和业务优势，能够改善高校信息技术基础设施，营造网络化、数字化、个性化、泛在化的智慧教育环境，助力高校数字化转型。

结语

综上所述，5G+智慧校园具有高速率、便捷化、互动性、经济性等特征。依托于新型大规模 MIMO、高频段传输、全双工、D2D 通信、超密集组网技术，5G 技术提供了校园网融合互通方案、助力校园物联网建设。推动 5G+智慧校园建设，应进一步加强 5G 技术更广泛的应用于校园、大数据智能管理、多元化场景构建、精准化数据挖掘。

参考文献：

[1] 赵磊磊,张黎,代蕊华.智慧校园的智能升级:基于人工智能的智慧校园[J].现代教育技术,2020,30(11):126-132.

[2] 冷洪敏,郭文良.构建智慧校园的价值关切与路径选择[J].教学与管理,2021(10):113-115.

[3] 谢幼如,黎佳,邱艺,等.教育信息化2.0时代智慧校园建设与研究新发展[J].中国电化教育,2019(05):163-169.