5G时代智慧图书馆知识服务的变革

田丽梅

（渤海大学图书馆，辽宁 锦州 121000）

1 引言

2019年成为第五代移动通信技术（5th Generation，以下简称5G）元年，5G不仅仅实现了网络速度的超越，它将终端全盘纳入网络，高速、泛在、低时延的网络特点将全社会引入万物互联的时代。随着5G商用的进一步加快，5G的海量技术创新催生出无数的新应用模式，以人工智能、大数据、物联网、云计算等为核心的智慧图书馆建设成为图书馆界的热议话题。邬贺铨院士曾说过：“5G对中国科技与经济发展是难得的机遇，围绕5G技术与产业的国际竞争也是严峻的挑战，5G的创新永远在路上[1]。”同样，5G对智慧图书馆的发展所带来的机遇千载难逢，掌握全新技术完备智慧服务模式也将是图书馆所面临的严峻挑战，面临5G的全盘布局，图书馆智慧服务的创新永远在路上。未来的图书馆必将抓住5G时代蕴含的新机遇，创新理念、创新模式、突破发展的瓶颈，提升服务效能、缩小数字鸿沟，建设读者满意的智慧图书馆。

2 5G的演变与核心技术

2.1 5G的演变

中国IMT-2020（5G）推进组认为，5G是由标志性能力指标及Gbps用户体验速率和一组关键技术包括大规模天线阵列（Massive MIMO）、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络构架（网络切片）来共同定义的。回顾移动通讯发展历程，1G采用频分多址（FDMA）实现模拟语音技术；2G采用时分多址（TDMA）实现数字语音和低速数据技术；3G采用码分多址（CDMA）实现用户峰值速率最高达数十Mbps，并支持多媒体数据业务；4G采用交频分多址（OFDMA）实现用户峰值速率最高达1Gbps，并支持多种移动宽带数据业务。5G关键能力比前几代移动通信更加丰富，5G打破了世界万物原有的联通界线，所有数据和信息将会在一个数字生态系统里通过最优化的方式进行传递。高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联、重构安全体系的特性使其具有超强的数据业务部署能力。因此，5G通信技术颠覆了智慧图书馆中移动信息服务发展在网络层面的短板因素，并且开辟了更为广阔的应用场景。

2.2 5G的核心技术作用和价值

5G的网络结构、网络能力和要求都有很大的提高，大量技术被融入其中，其主要核心技术简述如下。

2.2.1基于OFDM优化的波形和多址接入

5G采用OFDM（正交频分复用）和多址接入相结合的技术，使系统可以有效利用信道进行多径分集增益，提升系统在衰落信道条件下的性能，实现多个用户同时共享无线频谱，增强频谱效率、降低误码率、创建单载波OFDM波形，实现高能效上行链路传输。5G并不满足以上需求，还需要通过子载波间隔扩展实现可扩展的OFDM参数配置。LTE（长期演进技术）利用子载波之间固定间隔15KHZ可实现最高20 MHZ的载波带宽。同时，5G还利用毫米波、非授权频段等方式来丰富频谱类型。成熟的5G将被应用于大规模物联网，这就要求5G要跨参数实现载波聚合，通过OFDM加窗提高多路传输效率，利用时域加窗或频域滤波提升频率局域化。

2.2.2灵活的框架设计

网络服务架构是5G能够迅速满足垂直行业需求的重要手段，5G依靠网络服务架构的灵活性来进一步提高服务多路传输效率，框架设计的灵活性体现在频域和时域上，通过灵活的系统设计、新型信道编码方案以及大规模天线技术等关键接入网技术，实现高速率、多业务、多场景、全覆盖应用。为方便第三方按需设计定制化网络服务，5G将网络能力以能力开放接口的方式开放给第三方应 用[2]。5G的TTI比4G的LTE网络将降低一个数量级的时延，用户可以根据实际需求向上或向下扩展TTI完成灵活框架设计，从而节省等待时间。5G将网络功能通过服务方式实现对外提供，各个网络功能服务之间利用标准接口进行互通，支持按需调用、功能重构，从而提高核心网的灵活性和开放性。

2.2.3先进的新型无线技术

5G必然需要利用现有技术充分创新才能实现，如载波聚合、大规模MIMO、非共享频等都是5G不可或缺的引用技术。为应对增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（uRLLC）的挑战，5G必须克服有源天线系统（AAS）的限制功能：升级MIMO为大规模4*4水平；将频率大于24GHz以上频段应用于移动宽带通信；利用共享频谱和非授权频谱，扩展多个维度；提高现有信道编码技术的性能极限，这些无线技术大幅提升了信道容量和覆盖面，提高了数据传输速率，实现更低的延迟、更好的连接和更少的小区间干[3]。

2.2.4基于SON（Self-Organizing Netwerk，自组织网络）技术的超密集异构网络

为了实现网络的高流量密度、高峰值速率性能以及用户体验速率的性能指标，5G采用缩小基站间距，在热点高容量典型场景中利用宏微异构的超密集组网架构进行部署，利用SON技术的自规划、自配置、自优化和自愈合的功能来完成系统维护并提高网络效率，从而减少运营商的支出和运营成本投入。

除此之外，5G还有许多不可忽视的核心技术，如切分逻辑网络、按需求向用户提供网络服务、管理体系、服务体系、计费体系的网络切片技术；缓解网络拥塞，缩短响应时间，提高用户体验的内容分发网络技术；减轻基站负担，降低端到端的传输时延，提升频谱效率，降低终端发射功率的设备到设备通信技术；靠近物联网边缘进行计算、处理、优化和存储并与云计算技术并肩作战的边缘计算等。4G改变生活，而5G改变社会，它将是社会进步、产业推动、经济发展的助推器。

3 5G技术推进图书馆智慧服务的创新

数字技术推动智慧图书馆不断创新，5G极致的体验和更大的容量，将开启物联网时代，它将和大数据、云计算、人工智能等技术一道迎来智慧图书馆的黄金时代。

3.1 5G技术助推图书馆智慧服务手段创新

3.1.1 5G与ML（机器学习）+AI（人工智能）技术

云计算、虚拟化和大数据技术的出现为AI提供了良好的成长土壤。“信息技术应用的高级形态就是智能化，一个智能化的图书馆反映在服务上就是智慧图书馆。”这是上海图书馆馆长刘炜曾说过的一句话，他认为要想完善智慧图书馆服务，必须不断融入“机器学习+人工智能”技术，实现无延时应对读者的情境需求。机器学习是通过利用已有数据训练出模型，而后利用模型预测的一种方法，它是让计算机利用数据而不是发号指令来完成工作任务。5G所具备的大带宽、低延时、广联接的特性，促使机器学习在智慧图书馆服务中可以深度挖掘用户海量数据信息，预测用户需求方向进而提供智慧化服务。随着科技的不断发展，计算机通过大数据进行深度学习和机器学习，逐渐形成数据驱动的人工智能，并在国家战略、应用普惠、技术突破、数据集聚的驱动下进入迅速发展阶段。人工智能不断地挑战着人们的感知与认知的极限，引起了图书馆界的高度重视。理论方面，早在2013年首版的《国际图联趋势报告》（IFLA Trend Report）即提出：人工智能的进展使互联网设备能够与语音识别、机器翻译和语音合成相结合，从而支持实时多语言语音翻译；2016年报告进一步指出人工智能既拥有加强已有的图书馆功能的能力，也有代替这些功能的能力。实践应用的成功案例比比皆是：2017年9月，百度教育和武汉大学联合共建AI图书馆，重新定义“借书”，不但解决了传统图书馆信息存储介质、空间大小以及服务过程中人为干扰因素等诸多问题，而且实现了大数据和语音识别与读者完美互动，成功推动了图书馆向知识开放获取机制的人工智能方向转型；2018年1月，机器人馆员“图小灵”在上海图书馆一楼大厅办证咨询处正式上岗；2019年11月，天津大学研发的AI“智图”机器人顺利完成图书盘点操作任务。人工智能给图情界带来了诸如业务重构和事业转型等方面的挑战，同时也迎来了提升用户个性化深度服务体验的多场景应用机遇。笔者认为，图情事业迎接人工智能的步伐必将坚实又矫健！

3.1.2 5G与VR/AR（虚拟现实/增强现实）技术

5G领域的技术研发和网络部署世界领先，虚拟技术协同增强现实技术伴随着人工智能的发展，正全力打造智慧图书馆全新的服务模式，即“沉浸式互动体验”模式，它将为用户融合多种感官体验的沉浸式阅读，拓展广阔的阅读载体和场景。智慧图书馆利用AR技术，将文献与数据库中的图像、音频、视频等进行有效叠加，根据用户需求为其提供相应的背景和资料支撑，使读者沉浸于文献中描述的虚拟与现实相融合叠加的3D场景，增强用户阅读体验。美国北卡罗来纳州立大学图书馆学习空间和服务部门的负责人伍德伯里指出：“VR技术直接与计算机科学及设计学科相关，在心理学和教育学等学科中具有很高的实践价值。图书馆是这些学科交叉的关键点，在学习新的沉浸式技术之时，各个学科都可以找到合适的内容，这也促进了不同学科协作解决问题的能力提升。”[4]在美国，VR技术在图书馆馆藏和空间两大重点服务领域大展拳脚，对社会文化教育产生了极大的推动力。国内图书馆在VR技术应用到智慧化管理和人性化感知方面早有成功案例。早在2008年，国家图书馆上线的“虚拟现实系统”标志着国内图书馆虚拟现实技术成功起步，随之各高校图书馆数字阅读体验区层出不穷。在5G网络布局下，图书馆借助VR技术为用户提供融合多场景的知识体验，运用VR/AR技术与地图软件或图书馆模型相结合，根据读者实际位置及需求给出到达其所需资源位置的最优路径，然后通过射频技术将资源呈现到读者的移动终端上，并实现一站式的查询、借阅、参考咨询等在内的一系列可视化、实时交互的立体服务，增强读者用户对智慧图书馆现实环境的理解与体验。

3.1.3 5G与SI技术

体感交互技术在图书馆中的应用已经不是热门话题，但是5G赋予体感交互技术的新技能又一次让智慧图书馆心动。0.1Gbps-1Gbps的用户体验速率、10Tbs/km2的流量密度、时速高达500km/h的移动通信环境让体感交互设备在智慧图书馆中的应用场景更加广泛。智慧图书馆利用生物认证传感器的面部识别认证功能优化图书馆服务，通过光学感测、惯性感测和光学联合感测捕捉并生成复杂、可靠且难以篡改的生物认证身份，避免了读者用户携卡的不便，同时也加强了图书馆的安全管理。智慧图书馆的移动服务端可为用户提供手势识别、运动捕捉、面部表情识别、眼球追踪等服务内容，并动态捕捉用户的心理行为特征，进而为读者提供个性化定制服务[5]。

3.2 5G技术助推图书馆智慧服务方式创新

5G网络通信技术利用算法分析对信息源进行融合，带给用户研究领域的全方位进展和整体态势，最大限度地满足用户的信息需求。借助5G核心技术，图书馆为用户提供针对性强的高质量服务，进而推进终端与用户间的良性互动，有助于创新多源信息融合的智慧服务。

3.2.1打破数据壁垒，开启移动视觉搜索服务

移动视觉搜索（Mobile Visual Search，简称MVS）是将移动智能终端的信息获取设备所采集到的视觉数据作为检索对象进行输入，经过预处理和特征提取程序得到关联信息的一种信息检索模式。图书馆利用神经网络工作平台将各类学术资源融入用户情境信息和反馈数据中，让用户从海量的视觉资源中快速获取关联内容。智慧图书馆MVS服务平台利用视觉检索数据和用户历史行为生成视觉检索数据图集和用户特征向量并转化为连续函数，最终形成用户和视觉检索数据索引，通过GPS、传感器、网络监控器等设备感知读者位置信息和网络环境等动态情境，运用Hadoop云计算分布式框架和Ma-pReduce分布式编程模型等技术对海量数据进行高效处理，匹配读者兴趣区域，精准定位搜索目标，为用户提供智慧型知识服务，提升读者体验、完善智慧图书馆知识服务体系[6]。

3.2.2构建数据网络，打造智慧流媒体服务

流媒体服务对于智慧图书馆来说并不陌生，5G标准全力支持360°VR流媒体服务为图书馆开展智慧服务拓宽了新的领域。2018年4月，教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》[7]中明确了人工智能技术将成为智慧教育中最大的动力引擎。智慧图书馆可利用增强现实技术进军移动端教育培训领域，包括入馆教育、专业教育和信息素养教育等，打破传统的面对面传授方式，用户利用智能手机作为接入设备，联合图书馆数字教育模型展开形象生动的虚拟化场景教育，为用户模拟实体概况、空间向导等信息资源，并开通跨屏数据，利用聚类算法综合分析用户心理情境，打造更为智能的精准学习方式。

3.3 5G技术助力图书馆智慧服务的体系创新

5G概念白皮书指出：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠是5G的四大主要技术场景。万物互联、深度挖掘、智慧数据将成为5G时代智慧图书馆的主流服务体系。5G的新特性必然会带动云服务质量的全面升级，无论在网络架构方面、基础设施方面、业务服务方面，智慧图书馆都将加快推进全面云化网络构建，依托多接入边缘计算（MEC），打造云网融合支撑的智慧服务体系，实现“云+网”一体化服务模式。

4 结语

图书馆保存和传播人类文化知识的主题永恒不变，图书馆的历史见证了人类文明的传承与智慧的行踪，每一次信息技术革命都将颠覆图书馆传统的服务方式。5G是当代高新技术的制高点，是图书馆拓展智慧服务新领域的重要支柱。信息交互模式的改变，意味着整个信息服务、知识服务环境的改变，未来图书馆将以大数据、人工智能、云计算、物联网为支撑，不断丰富智慧服务的内涵，改革创新，推进图书馆事业向前发展。