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5G通信技术在高校智慧校园建设中的机遇与挑战分析

2020年8月3日 16:32  CCTIME飞象网  作 者:赵轩

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(Software Defined Network)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。

五、参考文献

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编 辑:章芳
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