MEC在教育信息化發(fā)展中的應(yīng)用探討

馮瀟哲，文 濤，劉 揚(yáng)（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 概述

2019年2月中共中央、國(guó)務(wù)院聯(lián)合發(fā)布了《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》文件，文件提出推進(jìn)教育現(xiàn)代化的指導(dǎo)思想以及教育信息化的重要內(nèi)容，要求加快信息化時(shí)代的教育變革，建設(shè)智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化和智能化的教學(xué)、管理與服務(wù)平臺(tái)。在2020年新冠疫情期間，我國(guó)各個(gè)地區(qū)的教育系統(tǒng)相繼采取線上教育應(yīng)急措施，保障“停課不停學(xué)”。目前如何將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)教育行業(yè)相結(jié)合，成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，日益成熟的5G通信能力給人們的生活方式帶來(lái)了巨大改變，并激發(fā)了新的行業(yè)需求。就教育行業(yè)而言，利用VR/AR 技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室、遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)等全新業(yè)務(wù)需求應(yīng)運(yùn)而生。教育信息化也在從PC 終端+寬帶承載的固有方式，向終端移動(dòng)化+業(yè)務(wù)多樣化的方式演進(jìn)。在平臺(tái)架構(gòu)層面上，單一的集中化部署方式已不太適應(yīng)當(dāng)下教育行業(yè)的信息化發(fā)展需要。MEC 技術(shù)的出現(xiàn)為云資源平臺(tái)的部署提供了新的架構(gòu)方案。基于MEC 的云邊協(xié)同式平臺(tái)架構(gòu)具備低時(shí)延、高帶寬、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以滿足用戶在5G時(shí)代對(duì)平臺(tái)能力的大吞吐量、低時(shí)延和智能化等多方面需求。MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖1所示。

本文根據(jù)教育行業(yè)在信息化發(fā)展過(guò)程中面臨的實(shí)際需求，基于MEC 技術(shù)提出了云邊協(xié)同的教育專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案。

圖1 MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2 教育信息化發(fā)展的問(wèn)題與需求

近年來(lái)，隨著教育行業(yè)信息化的落實(shí)與深入，當(dāng)下發(fā)展所面臨的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

2.1 業(yè)務(wù)需求轉(zhuǎn)變

教育信息化發(fā)展初期的業(yè)務(wù)需求較為單一，主要集中在教學(xué)視頻的云化存儲(chǔ)、播放和教育資源的信息化管理，所采用的終端設(shè)備多為個(gè)人、辦公PC。而隨著通信技術(shù)的發(fā)展，教育行業(yè)對(duì)信息化需求也有了重大轉(zhuǎn)變。除傳統(tǒng)媒體資源的云化存儲(chǔ)外，催生了諸如遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)，VR/AR 虛擬沉浸的課堂教學(xué)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，基于教學(xué)過(guò)程產(chǎn)生數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析與管理平臺(tái)等全新的行業(yè)需求。終端設(shè)備類型也從單一的PC設(shè)備，向以手機(jī)、平板電腦等多設(shè)備類型并行的趨勢(shì)演進(jìn)。同時(shí)，新類型業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬、時(shí)延和計(jì)算能力層面，提出了更高的技術(shù)要求。

2.2 教育大數(shù)據(jù)分析

信息化的教學(xué)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的教學(xué)數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，并搭建統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。平臺(tái)的搭建在監(jiān)督和提高授課質(zhì)量，記錄、分析學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與偏好，規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化教育管理流程以及其他諸多層面都顯得至關(guān)重要。另外，充分利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高教育大數(shù)據(jù)分析能力并反哺教育行業(yè)本身，是5G+智慧教育要解決的重要問(wèn)題。

2.3 教育資源的分配問(wèn)題

教育資源的分配不平衡是教育行業(yè)長(zhǎng)期面臨的重要問(wèn)題。我國(guó)人口眾多，不同區(qū)域、城市、城鄉(xiāng)之間的教育資源差距較大，單純依靠傳統(tǒng)的政策扶植并不能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。而得益于通信行業(yè)技術(shù)發(fā)展和移動(dòng)業(yè)務(wù)普及，5G+智慧教育成為改善這一問(wèn)題重要著力點(diǎn)。借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和政策的推廣，新的教育形態(tài)有利于擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源的供給，緩解部分貧困、落后地區(qū)的教育資源供給不足的境況，可以在一定程度上解決教育資源的分配矛盾。

針對(duì)上述問(wèn)題，教育信息化在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中的技術(shù)需求主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

a）搭建基于MEC的邊緣業(yè)務(wù)平臺(tái)，滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延的高質(zhì)量要求。

b）在中心行業(yè)云平臺(tái)部署教育行業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。

c）利用5G+云邊協(xié)同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源的覆蓋范圍。

3 5G智慧教育專網(wǎng)的方案探討

3.1 總體網(wǎng)絡(luò)框架

以國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商某省5G智慧教育專網(wǎng)項(xiàng)目為例，其整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

5G智慧教育專網(wǎng)整體架構(gòu)可分為IaaS層、PaaS層和SaaS層等3層。

IaaS 層作為云網(wǎng)的基礎(chǔ)能力層，包含云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和承載網(wǎng)絡(luò)。云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施包含行業(yè)云和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。承載網(wǎng)絡(luò)主要包括教育專網(wǎng)、5G 網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和SDN控制器。

其中行業(yè)云的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

在省會(huì)城市設(shè)立一個(gè)核心云資源池，其他地（市）各設(shè)立一個(gè)地（市）云資源池，經(jīng)地（市）核心出口設(shè)備，接入運(yùn)營(yíng)商的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和骨干互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地（市）/核心云資源池的互通。每個(gè)云資源池包含業(yè)務(wù)所需的計(jì)算、存儲(chǔ)服務(wù)器以及配套的網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備。

圖2 某省5G智慧教育專網(wǎng)總體框架圖

圖3 行業(yè)云池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

MEC 節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源需求的不同，可選擇在地（市）、區(qū)域集中部署，或是下沉部署至教育園區(qū)內(nèi)。各MEC 節(jié)點(diǎn)向上通過(guò)運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)與MEPM 管理平臺(tái)互通，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含業(yè)務(wù)所需的UPF設(shè)備與MEP 服務(wù)器以及配套的網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備。不同部署模式的MEC點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 MEC節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

PaaS 層作為平臺(tái)能力層，可部署包含云計(jì)算基礎(chǔ)PaaS 平臺(tái)、教育研發(fā)平臺(tái)的iPaaS 層和包括教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)、教育AI 平臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的aPaaS層。

SaaS 層作為服務(wù)能力層，搭載5G+高清遠(yuǎn)程互動(dòng)課堂、5G+虛擬現(xiàn)實(shí)教育、5G+AI教育教學(xué)、5G+智能化管理等智慧教育的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.2 云邊協(xié)同

如圖5 所示，云邊協(xié)同是指MEC 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和教育行業(yè)云的協(xié)同，主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、管理協(xié)同和業(yè)務(wù)協(xié)同。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同

基于運(yùn)營(yíng)商5G 核心網(wǎng)+承載網(wǎng)的智能化網(wǎng)絡(luò)能力，5G 教育專網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。UPF 主要用于教育園區(qū)5G 專網(wǎng)分流場(chǎng)景，可以部署在教育園區(qū)內(nèi)，或在地（市）、區(qū)域集中部署。UPF 在管理、調(diào)度、分流等方面接受5G 核心網(wǎng)的統(tǒng)一管理。邊緣和中心計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過(guò)智能城域網(wǎng)承載，保證不同節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)流量高速、穩(wěn)定、智能化的管理和通信。

3.2.2 管理協(xié)同

在MEC 節(jié)點(diǎn)，除UPF 外其他邊緣應(yīng)用全部部署在MEP 上。MEP 向上歸屬教育行業(yè)云的統(tǒng)一管理。具體包括節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一網(wǎng)管、節(jié)點(diǎn)應(yīng)用生命周期和業(yè)務(wù)應(yīng)用市場(chǎng)等。教育行業(yè)云在邊緣部署管理代理軟件，負(fù)責(zé)其與MEC 節(jié)點(diǎn)通信和指令執(zhí)行，功能包括節(jié)點(diǎn)安全、注冊(cè)、設(shè)備、容器、函數(shù)、應(yīng)用下發(fā)等。

3.2.3 業(yè)務(wù)協(xié)同

根據(jù)實(shí)際需求將業(yè)務(wù)平臺(tái)按需部署在邊緣+中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的云邊協(xié)同。

a）在行業(yè)云部署AI 訓(xùn)練平臺(tái)，AI 訓(xùn)練是指根據(jù)海量圖像、語(yǔ)言等數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，形成訓(xùn)練結(jié)果。AI 訓(xùn)練平臺(tái)需要部署大量的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，同時(shí)也需要處理海量數(shù)據(jù)。AI 訓(xùn)練的結(jié)果可以部署在MEC邊緣節(jié)點(diǎn)，利用邊緣節(jié)點(diǎn)的時(shí)延、大帶寬等優(yōu)勢(shì)，緩解網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力。AI 協(xié)同在教育場(chǎng)景中包含學(xué)生人臉識(shí)別、語(yǔ)音交互、試卷和作業(yè)圖像識(shí)別等應(yīng)用。

b）視頻業(yè)務(wù)是5G 智慧教育的核心應(yīng)用，包含行業(yè)云平臺(tái)內(nèi)容庫(kù)的存儲(chǔ)、調(diào)度、接入等功能和邊緣平臺(tái)的存儲(chǔ)、直播、點(diǎn)播、渲染、會(huì)議等功能。具體場(chǎng)景包括遠(yuǎn)程教學(xué)、安防監(jiān)控、VR 教學(xué)和教學(xué)視頻的直播點(diǎn)播業(yè)務(wù)等。

c）在行業(yè)云部署大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)全網(wǎng)數(shù)據(jù)匯總、分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全局可視化呈現(xiàn)。在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)上傳至大數(shù)據(jù)平臺(tái)匯總存儲(chǔ)。

d）在行業(yè)云池部署物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，對(duì)行業(yè)終端設(shè)備的連接、注冊(cè)等通用功能進(jìn)行統(tǒng)一納管。在邊緣節(jié)點(diǎn)部署物聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)關(guān)，對(duì)終端設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，還可以部署部分對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)。

3.3 可實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力

基于5G MEC 智慧教育專網(wǎng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力，可以構(gòu)建遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、教育大數(shù)據(jù)以及教育資源服務(wù)等業(yè)務(wù)能力平臺(tái)，為解決教育行業(yè)的需求痛點(diǎn)提供解決方案。

3.3.1 遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)

遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)是未來(lái)智慧教育的核心應(yīng)用，主要指通過(guò)高清音視頻通信與多媒體協(xié)作，實(shí)現(xiàn)師生實(shí)時(shí)交流。可以為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者提供接近真實(shí)環(huán)境的課堂體驗(yàn)與教學(xué)服務(wù)，并支持滿足各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的教學(xué)、培訓(xùn)、研討、考試等業(yè)務(wù)。借助5G 網(wǎng)絡(luò)的eMBB 增強(qiáng)移動(dòng)寬帶和MEC 節(jié)點(diǎn)的低時(shí)延通信技術(shù)，受益于4K 超高清視頻、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、AI等新技術(shù)的引入，未來(lái)的遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)將在教學(xué)體驗(yàn)和教學(xué)效果上獲得顛覆性的改觀和提升，諸如沉浸式互動(dòng)學(xué)習(xí)、VR/AR 虛擬課堂+實(shí)驗(yàn)，協(xié)作、全景課堂直播等創(chuàng)新應(yīng)用將得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)高速快捷的用戶組網(wǎng)與接入，可以實(shí)現(xiàn)靈活的移動(dòng)學(xué)習(xí)和廣闊的地域覆蓋。

3.3.2 教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)

教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)基于成熟的行業(yè)云平臺(tái)架構(gòu)，對(duì)各層級(jí)教育行為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集和存儲(chǔ)，建立整個(gè)教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)的核心數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)教育領(lǐng)域內(nèi)數(shù)據(jù)匯集、統(tǒng)一展示和輔助決策。教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建立，還可以全面支撐教育行業(yè)的流程精細(xì)化管理、教師差異化教學(xué)與學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)，助力于提升整個(gè)教育行業(yè)的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3.3.3 教育資源服務(wù)

通過(guò)對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)能力的提升和全新交互技術(shù)的應(yīng)用，教育行業(yè)內(nèi)可以形成流程化、規(guī)范化的教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源和教育理念快速地復(fù)制傳播。利用云邊協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不斷縮小不同地區(qū)間的教育資源落差，促進(jìn)各級(jí)管理、教學(xué)人員的經(jīng)驗(yàn)交流，為解決行業(yè)難題提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，通信行業(yè)保持著飛速發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迭代更新的同時(shí)，也給傳統(tǒng)行業(yè)帶來(lái)了重大的變革與挑戰(zhàn)。從單一的集中式部署，到基于云邊協(xié)同的多元化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，MEC 技術(shù)的引入可以有效改善教育行業(yè)信息化發(fā)展產(chǎn)生的行業(yè)痛點(diǎn)。云邊協(xié)同的平臺(tái)架構(gòu)為新業(yè)務(wù)發(fā)展、大數(shù)據(jù)分析、優(yōu)質(zhì)資源的推廣等行業(yè)難題提供強(qiáng)有力的技術(shù)抓手。隨著運(yùn)營(yíng)商5G 能力的普及和云網(wǎng)技術(shù)的推進(jìn)，5G＋教育形態(tài)勢(shì)必逐步成為未來(lái)教育發(fā)展的重要走向。