5G與教育行業(yè)深度融合研究

馬燕茹，黃元元

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

全國上下都非常重視教育的發(fā)展，因為教育關(guān)乎整個國家的發(fā)展。黨的十九大報告提出“教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強國”戰(zhàn)略，教育部頒發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》強調(diào)以信息化全面推動教育現(xiàn)代化，到2022年基本實現(xiàn)“三全兩高一大”發(fā)展目標，即教學應用覆蓋全體教師、學習應用覆蓋全體適齡學生、數(shù)字校園建設(shè)覆蓋全體學校，信息化應用水平和師生信息素養(yǎng)普遍提高，建成“互聯(lián)網(wǎng)+教育”大平臺。

隨著社會發(fā)展的變化和信息技術(shù)的廣泛應用，教育的辦學方式開始進入追求個性的時代。在高等教育和職業(yè)教育完全覆蓋的情況下，家長和學生更加期望選擇符合學生特點的個性化學校，要求學校向更加個性化的方向發(fā)展；隨著學生的培養(yǎng)更加個性化，學校的組織模式更加彈性靈活，將根據(jù)學生的個性化學習需要采用更加個性化的教學和活動安排[1]。

目前的教育普遍存在缺乏創(chuàng)造能力教育、缺乏個性化培養(yǎng)等問題；學生越來越趨向于具有創(chuàng)造力、個性化能力培養(yǎng)的教育需求；偏遠區(qū)域更是教師資源、教學資源、網(wǎng)絡資源緊缺，學生亟需開放性、沉浸式、靈活性強的教學手段和方法。

5G技術(shù)可以提供大帶寬、低時延、海量連接三大業(yè)務。借助5G的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合4K/8K高清、XR虛擬與增強現(xiàn)實技術(shù)、人工智能等新技術(shù)，教育行業(yè)可以在教學效果、教學智能、教學創(chuàng)新和教學網(wǎng)絡覆蓋等方面得到極大的提升，因此研究5G和教育行業(yè)的深度融合，有助于教育行業(yè)通過5G技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

1 教育行業(yè)深度剖析

1.1 教育行業(yè)的鮮明特點

終生教育是未來發(fā)展的趨勢，因此教育整體市場規(guī)模非常龐大，普通教育K12（教育類專用名詞，是學前教育至高中教育的縮寫，現(xiàn)在普遍被用來代指基礎(chǔ)教育）達到61%，大學教育占26%，學前教育占7%，其他教育占6%。可以看出學生類教育占比高達90%，是教育行業(yè)的重點。但是目前校園的的信息化水平?jīng)]有形成規(guī)模效益，主要表現(xiàn)在：（1）學校搭建私有云為主，沒有享受到公有云紅利；（2）信息技術(shù)主要圍繞提高學生成績?yōu)橹鳎聪蛩刭|(zhì)教育拓展；（3）設(shè)備種類繁多，老師教學任務重，使用率非常低；（4）廠家眾多，競爭激烈，頻繁更換。

1.2 教育行業(yè)的機會點

從智慧教育信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的角度分析，上游建設(shè)主體分為軟件商、硬件廠商和內(nèi)容提供商，三大主體用4個維度的產(chǎn)品來支撐智慧教育的建設(shè)，即校園IT基礎(chǔ)設(shè)施、互動教學硬件設(shè)備、信息化平臺及軟件、線上內(nèi)容資源；通過軟件、硬件和內(nèi)容的整合構(gòu)成了智慧教育行業(yè)，包括智慧校園、智慧課堂教學、在線教育。

2 教育行業(yè)可使用的5G關(guān)鍵技術(shù)

教育行業(yè)不同的場景，可能對5G技術(shù)的需求不同，總的來說，可使用的5G關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 無線關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 資源切片

目前，第3代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Preject，3GPP）并沒有針對無線側(cè)網(wǎng)絡切片功能的具體實現(xiàn)方式做精確定義，但因為5G新空口（New Radio，NR）支持非常靈活的空口無線時頻資源的使用，從而可靈活地適配于不同的網(wǎng)絡切片功能。

2.1.2 帶寬增強

（1）載波聚合。3GPP為5G（NR）網(wǎng)絡就載波聚合分別定義FR1和FR2的標準，并定義FR1與FR2之間的載波聚合方式。

（2）上行增強。從無線空口時隙配比上看，現(xiàn)階段5G仍以下行為主，如3.5 GHz頻段采用雙周期，上下行時隙配比主要為3：7，2.6 GHz頻段采用5 ms單周期，上下行時隙配比主要為2：8，這樣導致上行速率和調(diào)度實時性受限。5G可通過以上方式實現(xiàn)上行帶寬的增強。①專屬上行。對于專網(wǎng)專享模式的基站，可根據(jù)應用需求，定制專屬的幀結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）幀結(jié)構(gòu)的上下行配比、增加上行占比，大幅提升上行帶寬容量。②超級上行。5G可以利用TDD高頻與頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）低頻結(jié)合的方式，通過動態(tài)頻譜、共享頻譜技術(shù)，提升其上行能力。目前中國電信率先主導驗證了3.5 GHz+2.1 GHz超級上行技術(shù)，中國移動也正在計劃利用2.6 GHz+1.8 GHz提升其上行能力[2]。

2.1.3 低時延高可靠技術(shù)

（1）低時延優(yōu)化技術(shù)。NR要求實現(xiàn)毫秒級的用戶面端到端時延，在3GPP中對空口時延提出的要求為雙向0.5 ms，結(jié)合定制網(wǎng)網(wǎng)絡模式需求，NR在空口提出多項針對性配置方案，有非時隙調(diào)度、上行免授權(quán)調(diào)度、混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）反饋增強、支持時間敏感網(wǎng)絡（Time Sensitive Networking，TSN）和5G網(wǎng)絡融合。

（2）高可靠技術(shù)。為滿足專網(wǎng)網(wǎng)絡的應用場景性能需求，3GPP對可靠性提出的要求為99.999 9%。為達到這一要求，NR在空口提出多項針對性配置方案，有新的調(diào)制編碼方案、各類冗余/重復傳輸、在迷你時隙層面上重復傳輸和slot聚合。

2.1.4 室內(nèi)定位

3GPP明確了5G室內(nèi)定位場景的精度，要求水平維和垂直維的定位精度均小于3 m（區(qū)域內(nèi)80%用戶），可以采用新空口到達時差（New Radio-Time Different Of Arrival，NR-TDOA）定位、上行鏈路到達角（Uplink Angles of Arrival，UL-AOA）定位、下行鏈路離開角（DownLink-Angle-of-Departure，DLAoD）定位、Multi-往返時延（Round-Trip Time，RTT）定位和增強Cell ID（Enhanced-Cell ID，E-CID）定位5種不同的技術(shù)達到定位要求。

2.2 承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

承載網(wǎng)隔離可分為硬切片、軟切片。硬切片擁有更好的隔離性，主要基于靈活以太網(wǎng)（Fle Ethernet，F(xiàn)lexE）等技術(shù)，可實現(xiàn)以太網(wǎng)層面的物理隔離和資源獨占。軟切片主要基于虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）+服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）隔離調(diào)度技術(shù)，可實現(xiàn)多種業(yè)務在一個物理網(wǎng)絡上的邏輯隔離。

2.3 核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 定制切片

定制切片的業(yè)務需求滿足高安全隔離、端到端服務級別協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）保障，管理運營已經(jīng)對切片有明確要求的行業(yè)應用、大型企業(yè)，主要應用場景為礦山、智能電網(wǎng)、智能制造等。

定制切片的業(yè)務是通過在基站和核心網(wǎng)網(wǎng)元配置客戶的定制切片，實現(xiàn)端到端的定制切片部署。核心網(wǎng)需要配置的網(wǎng)元包含接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（Unified Data Management，UDM）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、用戶面功能（User Plane Function，UPF），網(wǎng)絡切片選擇（Network Slice Selection，NSSF）需要配置切片信息（切片類型和描述等）

2.3.2 本地分流

目前，5G成熟的本地分流包括基于DNN的分流方案和基于上行分流器（Uplink Classifier，ULCL）的分流方案。

基于DNN的分流，需在終端配置定制DNN，并在統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（Unified Data Management，UDM）簽約定制DNN。當處于特定區(qū)域范圍時，用戶通過定制DNN發(fā)起PDU會話建立請求，會話管理功能（Session Management Function，SMF）根據(jù)終端提供的定制DNN及所在的跟蹤區(qū)識別碼（Tracking Area Identity，TAI）選擇知道下沉的邊緣UPF作為錨點UPF，并分流接入企業(yè)專網(wǎng)實現(xiàn)本地業(yè)務流量的卸載。

基于ULCL分流方案，公共核心網(wǎng)的UPF作為主錨點，下沉的邊緣UPF作為ULCL分流點及輔錨點。用戶注冊時，選擇主錨點建立PDU會話，SMF根據(jù)TAI、DNN、業(yè)務流等特定信息觸發(fā)ULCL，UPF配置分流規(guī)則實現(xiàn)本地流量的分流卸載。

2.3.3 VPDN

5G VPDN業(yè)務需求是基于5G網(wǎng)絡，利用第2層隧道協(xié)議（Layer 2 Tunneling Protocol，L2TP）和通用路由分裝（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道技術(shù)為客戶構(gòu)建與公眾互聯(lián)網(wǎng)隔離的虛擬專用網(wǎng)絡。終端用戶通過5G 虛擬專用撥號網(wǎng)絡（Virtual Private Dial Network，VPDN）業(yè)務接入到客戶網(wǎng)絡，對各類應用均可透明傳送[3]。

2.3.4 QoS

通過QoS策略部署實現(xiàn)業(yè)務加速功能。業(yè)務加速包括優(yōu)先加速型和寬帶保障型業(yè)務加速功能。通過QoS參數(shù)配置，實現(xiàn)業(yè)務的優(yōu)先調(diào)度，保證比特率的帶寬保障。

3 教育行業(yè)不同場景的5G解決方案

通過5G +邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）+邊緣云+人工智能（Artificial intelligence，AI）使能智慧教育應用、實現(xiàn)“校內(nèi)-校間-校外”信息資源打通、響應教育部要求的“無處不在、無時不在、家校共育”教育類普惠服務。根據(jù)智慧校園、智慧課堂教學、在線教育對信息化技術(shù)的需求，以及目前5G可提供的能力，經(jīng)過研究和梳理，現(xiàn)階段可落地的場景包括5G+智慧課堂評價、5G+增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）教室、5G+高清智慧課堂和5G+AI校園安防。下面分別研究這4個場景的解決方案。

3.1 5G+智慧課堂評價

場景描述：教室中安裝高清攝像頭，對學生及教師狀態(tài)進行采集及AI分析；對授課質(zhì)量進行評估；對學生學習狀態(tài)采集評估；一鍵生成個性化學情分析報告。

場景價值：教師可以全面了解學生對授課內(nèi)容的感受情況，便于提升教學方式方法。針對每個學生的特點，可得到個性化學習指導。學校可遠程可視化評估教學質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)：教室內(nèi)需無線完全覆蓋，核心網(wǎng)UPF下沉至校園部署，降低時延；MEC就近部署，形成平臺底座能力，加載AI分析平臺，由后臺實時采集教室圖像，做自動化的AI分析，分析報告呈現(xiàn)教學質(zhì)量評估的可視化，同時可收集學生個性化過程的行為數(shù)據(jù)，每位學生個性數(shù)字畫像生成分析報告，整個過程無需教師干預，讓教師回歸教學本質(zhì)，充分釋放潛能，推進學校特色教學。

3.2 5G+AR/VR教室

場景描述：基于第三方的VR平臺，為學校部署理化生VR實驗室，提供多人實驗課件、互動演練等VR教學服務；學校也可以搭建VR雙師課堂教室，通過5G VR設(shè)備與電教館側(cè)名師實時互動，雙師教學。

場景價值：通過課堂VR教學體驗，學生可以沉浸式體驗博物館、音樂廳、美術(shù)展覽、各種比賽等賽事，而且可實現(xiàn)延伸教學。

技術(shù)實現(xiàn)：校園無線進行無死角完全覆蓋，核心網(wǎng)UPF和MEC平臺下沉至校園部署，降低時延，建設(shè)平臺底座能力。在MEC平臺上可部署各種AR能力，流量訪問控制在園區(qū)內(nèi)，學生只需佩戴AR設(shè)備就可以體驗各種校園外的場景[4]。

3.3 5G+高清智慧課堂

場景描述：通過5G實現(xiàn)隨時隨地互動式教學、智慧輔助教學帶來全新教學體驗。教師使用交互大屏授課，與學生智能平板互動教學，可以網(wǎng)絡備課、多屏互動教學、課后個性輔導、重點回放。

場景價值：教師可提升課堂教學互動效率，以更加直觀有趣的方式進行教學；學生可及時與教師進行互動答疑，使用豐富多彩的多媒體教學課件；學校可對外提升知名度，同時便于教學管理。

技術(shù)實現(xiàn)：利用5G的大帶寬和低時延技術(shù)，集成第三方的智慧課堂應用。

3.4 5G+AI校園安防

場景描述：校園安全問題高發(fā)，敲響安全警鐘。傳統(tǒng)技術(shù)手段存在不足，大多數(shù)以人防為主，無法時刻盯著監(jiān)控；對正在發(fā)生的問題無法主動干預；缺乏安全預警機制，眾多校園欺凌事件，受害者不敢反抗。

場景價值：“360度”可移動監(jiān)控、從事后取證到主動干預。

技術(shù)實現(xiàn)：攝像頭通過5G接入MEC邊緣云，進行AI行為分析，結(jié)合高精度定位，準確識別事件發(fā)生位置；系統(tǒng)自動觸發(fā)視頻呼叫，通知安保人員。

3.5 解決方案總結(jié)

5G可以助力教育產(chǎn)業(yè)做強做大智慧教育，主要具有以下優(yōu)勢。

（1）校園網(wǎng)絡與監(jiān)控補盲。智能化平安校園是校園管理的剛需，結(jié)合5G+視頻AI優(yōu)勢，解決安防痛點。

（2）借助運營商的5G網(wǎng)絡和邊緣云資源，降低網(wǎng)絡改造或升級難度，短平快地建立高速網(wǎng)絡以應對高清視頻應用。

（3）針對教室內(nèi)高清視頻內(nèi)容課件數(shù)據(jù)高并發(fā)和5G VR類泛教學，運營商快速便捷集成第三方應用。

（4）采用5G網(wǎng)絡實現(xiàn)教育數(shù)據(jù)的多方位采集與共享，實現(xiàn)校內(nèi)、校間、校外數(shù)據(jù)打通，“教育無處不在”個性化教學，配合學校和家長實現(xiàn)“家校共育”，順應教育部所提倡的隨時隨地泛在化教育的趨勢。

4 結(jié) 論

5G技術(shù)與教育行業(yè)的融合是一個漸進的過程，需經(jīng)歷預熱、起步、成長、規(guī)模發(fā)展4個階段。不同校園的數(shù)字化發(fā)展水平和對數(shù)字化改造的需求，在很大程度上決定了5G技術(shù)在校園的創(chuàng)新擴散速度。對照5G應用整體發(fā)展規(guī)律，目前5G與教育行業(yè)的融合仍然處于發(fā)展初期階段，行業(yè)對5G應用將循序漸進，呈現(xiàn)出螺旋上升的發(fā)展模式。本文僅僅研究了初級階段5G如何與教育行業(yè)進行融合，提升教育行業(yè)的競爭力，助力構(gòu)筑“產(chǎn)學研”5G+云教育行業(yè)生態(tài)。隨著5G技術(shù)的發(fā)展、教育產(chǎn)業(yè)鏈體系的逐步成熟以及不同場景對5G需求的不斷增長，5G與教育行業(yè)的融合會更加緊密。