5G MEC在智慧校园业务场景中的应用研究

李伶 杜俊宇

摘   要：随着5G技术的日趋成熟，其场景化应用在工业、交通、物流等领域逐渐“落地”。但5G与教育领域的结合，尤其是在智慧校园建设中的应用还处于研究论证阶段。文章从基于5G的智慧校园架构出发，分析了5G MEC技术在本地业务分流、智慧教学及校园安防监控等业务场景中的应用模式，为即将到来的5G智慧校园专网建设提供理论价值。

关键词：5G;MEC边缘云;智慧校园;本地分流

中图分类号：TP393.1 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）13-0072-03

一、引言

当前，教育信息化发展正处于关键时期。从国家战略层面，教育部印发的《教育信息化2.0 行动计划》和国务院印发的《中国教育现代化2035》均指明了智慧校园建设的方向[1]。从技术发展层面来看，传统云计算和大数据技术在信息技术发展的智慧化阶段，存在着数据安全和隐私保护不足、实时性不足、带宽不足以及存储和算力资源的效率低、能耗高等局限性[2]。5G技术具有高带宽、大连接和低时延三大特征，涵盖教育领域的云计算、物联网、智能网络终端等技术，使得教育的形态和模式将被重新构建。其中， MEC（Multi-Access Edge Cloud）边缘云技术通过在移动网络边缘提供信息化系统和云计算能力，能够弥补传统云计算的不足[3]，为智慧校园建设提供技术保障。

二、MEC智慧校园网架构

MEC边缘云技术是在靠近人、物或数据源头的网络边缘侧部署云资源池和云平台，为接入网提供IT和云计算能力，使得业务可以本地化、近距离部署[4]。接入网产生的大量数据，尤其是视频传输、AR/VR等应用数据无需往返公有云。一方面减少了传输时间和网络成本，大幅度降低运营商骨干网的拥塞与负担，减缓网络带宽压力;另一方面，由于边缘云靠近用户数据，能够更好地感知用户信息并向业务应用开放，有利于提升用户的业务体验和指标，并为用户提供定制化服务。

基于5G MEC的智慧校园网方案，在校园范围内建设5G基站，形成无缝连接的校园网络，全面支撑校园通信业务的需求。在基站和核心网之间部署边缘云平台，运行各种校内应用，存储有用的数据。本地业务被分流到边缘云或本地网络，保证了数据的安全性，也能满足校内超低时延应用的需求。非本地业务转发至核心网，与运营商4G网络传输模式相同。MEC智慧校园网方案如图1所示。

三、业务场景应用分析

1.本地分流

虽然5G网速明显提升，但如果师生对校内资源的访问要绕道运营商网络，再返回校园的互联网环境，网间切换必将影响传输效率，而MEC本地分流技术可以解决这一问题。

图2为MEC本地分流架构图。从该图可以看出，MEC平台串接部署在基站和核心网之间，对流经的用户数据进行拆包分析，根据分流规则将本地业务数据流直接分流至本地网络，即校园网。此时，不仅降低了回传带宽消耗，同时本地业务的近距离部署也可以降低访问时延，提升用户体验。

另一方面，用户访问公网业务时MEC平台将所有数据流采用透传的方式，直接发送至核心网，且由于MEC平台的透明部署，无需对用户终端和核心网进行改造，降低部署及推广的难度。同时，如果MEC故障，则流量完全透传，无法实现分流，不影响业务。

MEC平台分流规则有多种配置方法，常见的有IP五元组法和基于DNS域名解析法[4]。IP五元组是指源IP、源端口、目的IP、目的端口和传输层协议。在本地分流规则中，主要根据目的IP和目的端口判断用户的访问目标是否为本地业务。若是，则分流至校园网，否则直接透传至运营商骨干网。以江苏师范大学师生访问校园网自助服务系统为例，目标地址及端口为“202.195.64.90：9080”，分流规则中预先配置该IP地址段属于本地业务范围，故MEC将用户数据丢到校园网，大大缩短了传输路径和时延。基于DNS解析的分流规则是根据DNS目标域名判断是否需要分流，如江苏师范大学师生访问学校主页“www.jsnu.edu.cn”，MEC拆包检测发现符合分流规则将流量分流至校园网。对不符合分流规则的所有流量均按照常规路径转发至运营商骨干网。现网实际测试结果证明，本地转发比非本地转发情况下ping包时延缩短50%[5]。

2.教育教学

教学是教育领域的核心业务，5G MEC技术在智慧教学方面有着广阔的应用前景。例如：在远程互动教学中，通过MEC边缘云部署，提供低延时、大带宽和高可靠的反馈促进教学效果的提升;在AR/VR教学中，对时延要求高的渲染功能就近部署在靠近用户的边缘云侧，有效提升传输速率，减少云服务时延，改善学习体验。

（1）互动教学

5G互动教学是将智慧教室内各种硬件模块进行5G化处理，从原来的有线网络、无线WiFi、蓝牙、Zigbee/NB-IoT等网络承载，转变为高带宽、高速率、高安全、低时延的5G网络承载。常见的智慧教室硬件终端包括交互智能平板/一体化黑板、5G班牌、常态化录播主机、摄像头、麦克风、5G授课宝、5G学生终端/反馈器、5G展台等。和传统智慧课堂相比，5G智慧课堂通过将各硬件终端5G化处理，在接入层面充分利用5G网络与生俱來的技术优势，给用户带来更快、更好、更流畅的课堂体验。同时，利用MEC边缘云架构，所有教学的后台应用、教学数据和学生信息等部署在学校的MEC边缘云平台中，减少了公有云泄露的技术风险，安全更有保障，且便于学校的管理维护。5G智慧课堂整体架构如图3所示。