校園5G網絡關鍵技術的研究及應用

◆辛艷 修長虹 趙云飛

（沈陽藥科大學網絡中心 遼寧 110015）

隨著現代移動科技的飛速發展，移動終端普及化的今天對于網絡速率的需求也在不斷增加。如何發展更加適合我國高校師生需求的高速率、安全指數高的移動通信技術已經成為我國通信業急需解決的問題。4G 網絡技術已經進入全面應用階段，但是其弊端也日漸顯著，所以對5G 網絡技術的需求更加迫切。在原有4G 網絡技術基礎上平滑演進的5G 網絡技術，通過網絡整合、資源共享、信息互通，發揮各機體的能動性，實行統籌管理，具有速度類似光纖速度、雙向傳遞無線電波等多元化、用戶體驗更加順暢等特點。因此，掌握5G 網絡的關鍵技術，極大地提升了校園內的網絡環境，讓師生在不同的移動終端享受更加快速、便捷的服務。

1 5G 網絡技術的基本概念

5G 網絡技術即第五代移動通信網絡技術（5th generation mobile network technology）是繼2G、3G 和4G 系統之后的最新一代蜂窩移動通信技術。它具有高速率數據傳輸、減少傳輸延遲、降低能源成本、提高系統容量和大規模設備連接等性能[1]。

5G 網絡采用數字蜂窩網絡技術。數字蜂窩網絡技術是將聲音和圖像的模擬信號通過模數轉換器轉換為數字化比特流，在被供應商劃分為許多小地理覆蓋區域的蜂窩網絡中進行傳輸。所有5G 網絡無線設備通過無線電波與蜂窩網絡中的本地天線陣和低功率自動收發器進行通信。其中，本地天線陣通過高速寬帶光纖或無線回程連接與電話網絡和互聯網連接，低功率自動收發器從公共頻率池中分配頻道，而這些在地理上分離的蜂窩頻道可以重復使用。

2 5G 網絡技術的發展背景

5G 網絡技術發展的三個主要推動力：

1）流量需求：人們對現有的移動網絡數據需求大大提升，越來越多的移動設備接入到移動網絡中來，導致移動數據流量暴漲。

2）容量需求：按照當前移動通信網絡發展，容量難以支持千倍流量的增長，網絡能耗和比特成本難以承受，急需提升網絡容量，提高網絡資源的智能使用高效性。

3）頻譜需求：流量增長必然帶來對頻譜的進一步需求。而移動通信頻譜稀缺，可用頻譜呈大跨度、碎片化分布，難以實現頻譜的高效使用。因此需要合理利用頻譜資源，滿足多樣化接入方式[2]。

3 5G 網絡的關鍵技術

3.1 超密集異構（HDH）網絡

5G 網絡正朝著網絡多元化、寬帶化、綜合化及智能化的方向發展。隨著各種智能終端的普及，移動數據流量將呈現爆炸式增長。在這種熱點高容量密集場景下，出現無線環境復雜且干擾多變、移動信令負荷加劇以及系統成本提高等問題。

在5G 網絡基站中將采用超密集異構網絡（Hyper-dence heterogeneous network，HDH），這樣就極大地解決了上述問題[3]。HDH網絡主要采用了超密集組網規劃部署以及超密集組網關鍵技術，基站間距將進一步縮小，即減小小區半徑，增加低功率節點數量，這可以在一定程度上提高系統的頻譜效率。同時，HDH 網絡通過快速資源調度可以進行無線資源高效調配，提高系統無線資源利用率和頻譜效率，可以實現網絡的高頻段效能、高流量密度、高峰值速率性能以及用戶體驗高速率等指標。因此，HDH 網絡成為5G 網絡提高數據流量的關鍵技術。

3.2 移動自組織（Ad Hoc）網絡

在5G 網絡中，將面臨網絡的部署、運營及維護的挑戰。在傳統移動通信網絡中，主要依靠人工方式完成網絡部署及運維，既耗費大量人力資源，又增加運行成本。這主要是由于網絡存在各種無線接入技術，且網絡節點覆蓋能力各不相同，它們之間的關系錯綜復雜。

在5G 網絡技術中采用移動自組織（Ad Hoc）網絡，其可以在兩個距離很遠而無法直接通信的節點之間傳遞信息。整個網絡不需要固定的基礎設施，是一種無線多跳的臨時性自治系統[3]。網絡中的各個節點不需要直接連接，而是通過中繼的方式。這種中繼方式是采用計算機網絡中的分組交換機制，在不能利用或者不便利用現有網絡基礎設施的情況下，如基站、AP 等以及終端的發射功率和無線覆蓋范圍有限的情況下，利用可以移動的便攜式用戶終端，如筆記本、PDA等，使用戶可以隨時處于移動或者靜止狀態，提供給距離較遠的兩個用戶終端進行分組轉發的相互通信。每個用戶終端既可以作為主機又可以作為路由器，這樣節點之間構成了一種無線多跳網絡。采用移動Ad Hoc 網絡可以在網絡部署及運維方面得到優化。其在部分通信網絡遭到破壞后還能維持剩余的通信能力，具有很強的魯棒性和抗毀性。因此，移動Ad Hoc 網絡的智能化成為5G 網絡中必不可少的一項關鍵技術。

3.3 內容分發網絡（CDN）

在5G 網絡中，會產生大規模音頻、視頻、圖像等業務。爆炸式增長的網絡流量會極大地影響用戶訪問互聯網的服務質量。在傳統的網絡訪問中，主要采用動態系統。當用戶對網絡發出請求時，一般需要經過網絡中多臺路由器的傳輸，最終將發出的請求交于動態系統來處理。但是由于傳統的TCP/IP 網絡本身的請求機制、網絡鏈路中環境的復雜性及硬件的不可靠性，致使用戶會出現重復發出請求的情況，最終出現用戶在發出請求過程中請求等待、數據加載時間過長的一些現象。這種動態系統中出現的延遲情況將直接影響到工作效率，而僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題，它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、網站服務器的處理能力等因素的影響。這些問題的出現與用戶服務器之間的距離有著密切的關系。

內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）可以有效地解決上述問題。CDN 是一種新型網絡內容服務體系，其基本思路就是在傳統網絡訪問中添加節點服務器，在原有網絡結構的基礎之上形成智能虛擬網絡，可以實時地根據網絡流量、各節點的連接、負載狀況、響應時間等綜合因素，將用戶的請求重新導向離用戶最近CDN 代理緩存服務器上，這樣可以實現在用戶就近取得所需內容時，盡可能避開互聯網上有可能影響數據傳輸速度和穩定性的瓶頸和環節，解決網絡擁擠的狀況，降低響應時間，提高用戶訪問網站的響應速度，使內容傳輸得更快、更穩定[3]。CDN 包括內容管理、全局網絡流量管理、分布式存儲、負載均衡以及網絡請求重定向五個方面。其中內容管理和全局網絡流量管理是CDN 的核心，具有高質量、高效率、鮮明網絡秩序等特性。CDN 對5G 網絡的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用。

3.4 設備到設備（D2D）通信

在5G 網絡技術中，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗也是5G 網絡的演進方向，如網絡容量和頻譜效率的進一步提升。設備到設備通信（Device-to-Device communication，D2D）具有潛在的提升系統性能、增強用戶體驗、減輕基站壓力及提高頻譜利用率的前景[3]。

D2D 通信是一種將通信會話數據直接在終端之間進行傳輸，不需要通過基站轉發，相關的控制信令仍由蜂窩網絡負責的近距離數據直接傳輸的技術。當用戶在小區基站控制下使用相同資源時，可以在系統基站控制著的D2D 通信下使用資源塊以及發送功率，以保證D2D 帶給小區現有通信的干擾在可接受的范圍內。當通信網絡是在較高的負載密集蜂窩復用網絡中時，系統同樣可以給D2D 通信合理分配資源，這樣可以提高資源利用率和網絡容量，減輕基站負擔。當無線通信基礎設施損壞時，或者在無線網絡的覆蓋盲區時，終端可借助D2D 實現端到端通信甚至接入蜂窩網絡中。其通過提升頻譜利用率，降低終端發射功率，降低端到端的傳輸時延。因此，D2D 通信是5G 網絡中的關鍵技術之一。

3.5 多進多出（MIMO）技術

在5G 網絡中，信道容量的提升是基本要求。而多進多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術具有成倍提高系統信道容量，改善通信質量等優勢[3]。

MIMO 技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收。在對現有頻譜資源充分利用的基礎上，通過利用空間資源來獲取可靠性與有效性兩方面增益，在收發之間構成多個信道的天線系統，利用多天線陣發送和接收技術與空間分集、時間分集相結合的技術，為系統提供空間分集增益與空間復用增益。通過多個天線實現多發多收，提高了整個信道傳輸容量以及頻譜的利用率，增強系統的抗干擾能力等。這一特性成為5G 網絡的核心技術之一。

4 5G 的校園應用

在校園網絡中，5G技術的應用可以涉及學校的方方面面，主要包括以下三個方面：VR/AR（虛擬現實/增強現實）智慧教育、智慧教務系統、校園智能管理。

4.1 VR/AR 智慧教育

當采用5G技術作為智慧教育的服務平臺，可以給學校、教師、學生以及家長提供交流平臺和教學空間的智慧服務。校園作為5G 智慧教育的主要使用者，VR/AR（虛擬現實/增強現實）與現代教育的相結合將呈現出全新的教學體驗[4]。

（1）VR/AR 課堂教學

在VR/AR 課堂教學場景中，可以根據不同的學科，采用物體立體空間的組建與展示，虛擬場景空間的營造與構建，通過自然的、直觀的交互方式，將抽象的學習內容可視化、形象化，為學生提供傳統教材無法實現的沉浸式學習體驗，提升了學生獲取知識的趣味性及主動性，使學生更好吸收知識。

（2）VR/AR 科學實驗室

在VR/AR 科學實驗中，利用VR/AR 技術，在多媒體計算機上建立虛擬實驗室。當學生走進這個虛擬實驗室時，可以身臨其境般的操作各種虛擬儀器。這樣的實驗室既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，絕對的安全。

（3）VR/AR 遠程教學

在VR/AR 遠程教學中，通過雙向音視頻互動教學系統，采用虛擬一體機視角，學生足不出戶便可以獲得與真實課堂一樣的體會，從而實現教育的“最后一公里”全覆蓋。這種互動教學系統，能更好地激發學習興趣、豐富感性認識、加深內容理解以及提升教學質量。

4.2 智慧教務系統

通過基于5G技術的智慧教務系統對教學實現全方位的智慧管理。其通過人工智能技術對教師進行遠程觀看來掌握教師授課情況，并可以做出對教師教學的測評[5]；通過對出席課堂的學生進行面部識別，有效的代替了傳統的點名方式進行考勤，節省老師上課的時間；其還可以找出全局最優的排課組合，實現傳統排課和分層走班排課的整合。

4.3 校園智能管理

基于5G技術的校園智能管理系統，利用5G 網絡低時延特性，可以將全校的系統集成，包括智能網絡管理系統、校園監控設備管理系統、門禁設備管理系統、校園照明設備管理系統、多媒體設備管理系統等等[6]。

（1）智能網絡管理系統

智能網絡系統可實現對實時網絡流量的查看、查看異常網絡應用情況、獲取相關網絡分析數據、及時獲得網絡攻擊檢測報警，從而實現校園網絡完全信息的及時掌握、及時發現、及時處理。其可以對機房內的設備設施進行實時智能監控，如用電監測、UPS 狀態監測、智能延遲上電、機房能耗分析等；還可以對環境監測管理設備實現煙霧報警、新風空調系統、溫濕度、漏水、消防等系統的監測。

（2）校園監控設備管理系統

校園監控設備管理系統通過校園智能管理系統的智能安防、視頻監控、人臉識別、行為分析等技術，將監控數據本地存儲分發，提升應急事件反應速度，保證視頻的私密性。

（3）門禁設備管理系統

門禁設備管理系統與校園智能管理系統對接，通過平臺實現對門禁系統的統一、遠程、精準管理。

（4）校園照明設備管理系統

校園照明設備管理系統可以根據室內光照情況進行光照色溫調節，維持健康光照，使室內平均照度恒定、均勻，有利于保護師生視力，為學生提供健康舒適的學習環境；還可以智能控制照明時間，有效延長照明設備的使用壽命，節省成本。對于校園公共照明系統實現智能控制，當發生安全隱患和事故時，直接將告警信息推送到監控中心及相關管理老師和領導的移動智能終端上，幫助管理人員實時監控，準備定位和快速響應[7]。

（5）多媒體設備管理系統

通過整合教室里的電腦、投影機、投影幕布、觸控一體機等多媒體設備，實現系統設備的安全關機和遠程監管，讓校園管理更高效、更節能。支持通過智慧物聯網平臺APP 遠程管理，有效克服傳統多媒體設備各自為政、集成復雜、難以統一管理或管理功能單一的缺點。

（6）會議室/報告廳管理系統

基于校園智能管理系統的報告廳智能管理則運用無紙化、在線預約式的管理方式，不但可以實現傳統報告廳專人管理的全部功能，更可通過智能管理系統，實時了解會議室使用情況，為其他部門提供預約指導。

5 結束語

5G 網絡技術在校園網的終端、網絡、無線接入等方面進行融合及創新，為我們提供高速率、高可靠性、低時延的服務以及讓我們享受流媒體、超高清視頻等業務。5G 網絡技術在物聯網時代實現靈活可擴展的網絡架構，能夠根據需求進行組網，涵蓋不同行業用戶以及開展多種業務類型，豐富我們的生活[8]。隨著上面這些關鍵技術的研究與應用，5G 網絡技術在校園網中的使用也具有劃時代的重要意義。