基于5G的高校雙域專網設計與應用

楊文 鐘機靈 黃錦捷 周武裝

摘要：隨著5G網絡技術發展，對進一步推動5G等新技術與教育的融合發展，營造“人人可學、時時可學、處處可學”的智慧學習環境，以“雙域訪問、隔離使用、獨立計費”的設計思路進行5G校園雙域專網建設與應用，期望充分利用5G技術超高速率、低時延、低功耗、大規模連接、高可靠性等特點，與人工智能、大數據、物聯網等技術深度融合，構建標準化、信息化、數字化和智能化為一體的新型高校智慧教育教學新生態。

關鍵詞：5G；校園網；大數據；物聯網

中圖分類號：TP393? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0088-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著5G技術的日漸成熟，對進一步推動5G等新技術與教育的融合發展，營造“人人可學、時時可學、處處可學”的智慧學習環境，實現從大規模標準化培養向大規模個性化培養的躍升。2020年3月，國家發改委、工信部印發了《關于組織實施2020年新型基礎設施建設工程（寬帶網絡和5G領域）的通知》，明確重點基于 5G、VR/AR等技術，探索 5G 在遠程教育、智慧課堂/教室、校園安全等場景下應用，重點開展 5G+高清遠程互動教學、AR/VR 沉浸式教學、全息課堂、遠程督導、高清視頻安防監控等業務[1]。加強5G教育應用探索，探索5G教育應用的典型場景，研究5G時代教、學、評的典型模式，是促進5G時代智慧教育新生態構建的基礎。5G在教育領域的廣泛深入應用，技術賦能教育創新的成效將進一步凸顯。

5G等新技術迅速發展，助力學校數字化轉型的同時，也對網絡及安全等基礎設施提出了更高要求。河源職業技術學院（以下簡稱河職院）為河源市唯一高職院校，按河源市打造千億級電子信息產業集群人才需求，開設了移動通信、工業設計、人工智能、電子信息等相關專業，為滿足校園管理、專業建設及人才培養需求，亟須建設基于5G的高校雙域專網。

1 5G專網需求分析

校園網目前主要以校內有線局域網、Wi-Fi、VPN方式接入為主，為廣大師生提供對應校內應用及網絡需求[2]。2021年以來，隨著5G SA網絡商用后，各高校先后向運營商提出了為其實現SA 2B2C業務應用的迫切需求，2B2C融合專網逐步成為各大院校的共性需求。經調研，目前校園網存在的主要問題為：

1） 在人員密度較高區域（如圖書館、食堂、體育館等）的Wi-Fi訪問速度慢、體驗差，且存在安全隱患。

2） 對于時延要求較高的應用（比如高清監控、視頻會議、AR/VR等），現有的Wi-Fi或有線方式無法滿足承載要求。

3） 無線接入以Wi-Fi為主，室外難以全面覆蓋，無法保證室內外連續訪問。

4） 公網訪問校內受限資源通過VPN方式，訪問受VPN影響較大。

5） Internet網絡訪問受CERNET寬帶限制。

2 5G校園網設計思路

河源市加快5G產業發展行動計劃（2019—2022年） 的通知提出加快5G網絡建設，到2022年底主要城區和縣城實現5G網絡連續覆蓋，新建基站不少于1 664座。運營商已經通過10個5G基站覆蓋了河職院整個校園，覆蓋率超過90%，為河職院的1.5萬手機用戶數提供5G網絡信號服務，完全能夠滿足“5G校園專網設計與應用”所需的基礎網絡環境。

基于5G的雙域專網以“雙域訪問、隔離使用、獨立計費”的設計思路，為能夠滿足高校教學、管理、服務等需求，實現2B和2C校園師生融合網絡。

雙域訪問：校方師生“不換卡、不換號”使用5G終端訪問企業5G內網及互聯網。

隔離使用：基于安全考慮校方要求內外網隔離訪問，外部人員不能訪問內網。

獨立計費：訪問內網由2B校方統一付費，訪問公網由師生自行付費。

3 關鍵技術及設備

3.1 構建5G+光纖+Wi-Fi+感知終端+物聯網絡的融合校園網絡

1） 核心網：為滿足河職院校區對于核心數據隔離的要求，同時降低河職院的運營成本，計劃采用2B共享UPF+DNN的方式，共用運營商位于東源縣的2B UPF，提供一個S-NSSAI切片，同時新建一條DNN專線直接接入河職院機房，實現核心網數據的隔離與回傳。

2） 傳輸網：在傳輸實現方面，運營商計劃采用獨立VLAN ID的方式，基站將其業務ID映射為一個獨享的VLAN ID傳給SPN，SPN對于這種VLAN ID，直接為其配置一條端到端獨享的業務通道。這條業務通道可以提供TDM隔離、超低處理時延和帶寬等各項性能保障。

3） 無線網：由于河職院對于無線網的接入要求較高，運營商計劃使用4.9G或2.6G的5G基站設備，在校園內/外圍利舊現網的10個專用5G基站，根據不同的業務需求不同切片使用不同的載波小區，每個業務僅使用本小區的空口資源，業務間嚴格區分確保各自資源，確保數據的安全性。

3.2 無線網室分采用的設備型號規格

1） BBU

基站BBU（如圖1所示）采用華為公司的DBS 5900，配備10GE主控接口板（UMPTg5） 及5G基帶板（UBBPg5b） ，滿足5G信號處理的需要。

2） RRU

基站側RRU（如圖2所示）采用華為公司的RRU5150-d，提供2.6G頻段的5G信號。

4 5G專網設計

利用5G特有的ULCL（Uplink Classifier上行分流）技術，初期利用運營商的ULCL-UPF（5G上行分流的核心網用戶面）設備，結合無線TAC識別技術，采用專網與個人業務共用通用DNN方式，實現ULCL-UPF的動態插入，實現個人用戶（不換卡、不換號）訪問校園內網與訪問互聯網數據進行分流，內網數據不經過互聯網，通過專線（暫定1000Mbps） ，高效安全地訪問校園內網，5G雙域專網架構如圖3所示。

5G校園雙域專網采用ULCL方案。使用通用DNN，校園客戶端IP地址錨定在共享UPF上，當業務目的IP地址命中2B UPF的ULCL IP表，業務流從2B? UPF的N6接口連接校園服務器。對其余業務目的IP地址，業務流從2B? UPF的N9接口連接用戶錨定的共享UPF，從共享UPF的N6接口出公網。N9接口一般在公網上使用ITP隧道協議實現UPF之間的連接。校園網站可使用私網IP地址，從而與公網隔離。校方需要通過防火墻或路由器與1 000Mbps專線對接，運營商UPF與學校防火墻/路由器通過GRE VPN隧道相連，分配好所有5G終端的IP地址段。

ULCL方案的應用可以使用App或者普通瀏覽器來使用5G校園雙域專網，App通過內置目的IP地址可直接命中ULCL的設定IP[3]。瀏覽器使用URL，需要DNS返回內網IP地址。

5 5G+智慧校園應用

以5G構建高速穩定的數據傳輸層，實現智慧平安校園、智慧停車、人臉識別等校園管理系統的互連融合，對校園實行智慧化管理。

5.1 5G+ICT創新人才培養基地

根據國家對5G ICT人才的需求，系統設計5G ICT實訓教學體系，堅持教學與實戰相結合，建成5G+ICT創新人才培養基地，提升社會服務能力。圍繞ICT產業發展與需求，與設備供應商合作，共建5G+ICT高技能人才培訓基地，滿足學校高水平特色專業群建設需求的同時，服務下一代數據中心、下一代互聯網、下一代通信網絡等戰略性新興產業。

5.2 智慧平安校園

通過學校側云平臺將視頻監控數據本地存儲分發，有效提升業務質量，保證視頻的私密性。 搭載 AI 人工智能視頻分析部署在邊緣服務器，面向智能安防、視頻監控、人臉識別、行為分析等業務場景，利用 5G 網絡低時延，提升應急事件反應速度[4]。

5.3 智慧停車

將停車系統實時感知車輛進出校園情況，通過大帶寬、低時延的 5G 網絡將各種感知數據傳輸到管理中心，實現對校園車輛的遠程監控和管理。

5.4 5G人臉識別

以人臉識別技術為基礎，將智慧校園和門禁系統進行對接，通過平臺實現對門禁系統的統一、遠程、精準管理。何時、何地、何人進出校門、宿舍盡在掌握，同時實時動態掌握學生歸寢數據，提升宿舍科學管理水平。

5.5 5G智慧教室

基于5G大帶寬、低時延、廣連接的特性，5G智慧教室可更好地應用于課堂教學，促進課堂教學的教學模式改革和創新。

智慧教室配備物聯網中控、智慧互動課堂、課程錄制、教室擴音、物聯控制等系統，通過5G+物聯網技術，將教室內硬件環境進行有機整合，對教學設施設備形成統一管理，構建舒適教學環境，提升教學空間的使用效率，實現學習空間、信息技術與教育教學的深度融合，以支持傳統講授、模擬課堂（PBL） 、翻轉課堂（FC） 、雙師課堂、直播互動課等多種教學模式。

5.6 5G智慧消防

加強對消防設備監控，通過物聯網設備將消防管道水壓、消防泵機運行狀態定時上傳到后臺，通過設備監控頁面查看詳細數據， 實現對消防水系統的主動管理， 系統通過調取現場視頻、智能報警、數據信息等多種方式， 快速發現系統異常及故障[5]。

通過大數據分析，不斷優化節能策略，可以自動分析和統計各個樓宇、教室或者特定區域的能源計量、統計、分析，提供節能優化策略和建議。

6 5G校園雙域專網應用效果

按照“雙域訪問、隔離使用、獨立計費”的整體設計，推廣以5G專網為基礎的雙域產品方案，能夠滿足校方管理和學生服務，實現2B、2C校園師生融合網絡應用。

1） 雙域訪問：學校師生“不換卡、不換號”使用5G終端訪問校園5G內網及互聯網。

2） 隔離使用：基于安全考慮學校要求內外網隔離訪問，外部人員不能訪問內網。

3） 5G廣域覆蓋：可按需進行廣覆蓋，當前最大可覆蓋整個地市，后續支持多切片后可按需支持全國漫游。

4） 無感安全認證：網絡側可根據套餐簽約識別用戶，用戶激活即可自動連接校園網無須用戶手動認證。

5） 用戶體驗優化：實現室內外連續覆蓋無死角，無縫切換，容量更大，抗干擾強，移動性更好，不丟包斷網。

除了解決了傳統校園網的“校園內外網隔離訪問難、無法不換卡不換號”訪問校園內網、無線校園網過于依賴Wi-Fi等問題外，還能提供超過1Gbps超大帶寬，能支持更多超高清視頻應用，比如4K AR/VR/AI攝像頭等；超低時延還能支持5G 無人校巴、5G 安防機器人等應用。

7 結束語

充分利用5G技術超高速率、低時延、低功耗、大規模連接、高可靠性等特點，與人工智能、大數據、物聯網等技術深度融合，構建標準化、信息化[6]、數字化和智能化為一體的新型智慧教育新生態。

參考文獻：

[1] 姚立國，劉思佳，趙天雨.5G時代虛擬現實技術在建筑裝飾教學中的應用與發展[J].教育實踐與研究，2021（12）：11-14.

[2] 苗學忠，張俊.基于5G網絡的智慧園區建設方案研究[J].通訊世界，2021（2）：29-30.

[3] 楊俊鋒，施高俊，莊榕霞，等.5G+智慧教育：基于智能技術的教育變革[J].中國電化教育，2021（4）：1-7.

[4] 張潔雅，毛園園.“5G+智慧校園”的創新應用[J].智慧農業導刊，2021（1）：39-43.

[5] 吳學政.基于物聯網技術的高校智慧消防管理系統建設探討[J].科技通報，2017，33（10）：218-221.

[6] 歐陽日輝.數實融合的理論機理、典型事實與政策建議[J].改革與戰略，2022，38（5）：1-23.

【通聯編輯：梁書】