馬燕茹，黃元元

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

全國(guó)上下都非常重視教育的發(fā)展，因?yàn)榻逃P(guān)乎整個(gè)國(guó)家的發(fā)展。黨的十九大報(bào)告提出“教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，教育部頒發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》強(qiáng)調(diào)以信息化全面推動(dòng)教育現(xiàn)代化，到2022年基本實(shí)現(xiàn)“三全兩高一大”發(fā)展目標(biāo)，即教學(xué)應(yīng)用覆蓋全體教師、學(xué)習(xí)應(yīng)用覆蓋全體適齡學(xué)生、數(shù)字校園建設(shè)覆蓋全體學(xué)校，信息化應(yīng)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(tái)。

隨著社會(huì)發(fā)展的變化和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，教育的辦學(xué)方式開始進(jìn)入追求個(gè)性的時(shí)代。在高等教育和職業(yè)教育完全覆蓋的情況下，家長(zhǎng)和學(xué)生更加期望選擇符合學(xué)生特點(diǎn)的個(gè)性化學(xué)校，要求學(xué)校向更加個(gè)性化的方向發(fā)展；隨著學(xué)生的培養(yǎng)更加個(gè)性化，學(xué)校的組織模式更加彈性靈活，將根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需要采用更加個(gè)性化的教學(xué)和活動(dòng)安排[1]。

目前的教育普遍存在缺乏創(chuàng)造能力教育、缺乏個(gè)性化培養(yǎng)等問題；學(xué)生越來(lái)越趨向于具有創(chuàng)造力、個(gè)性化能力培養(yǎng)的教育需求；偏遠(yuǎn)區(qū)域更是教師資源、教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)資源緊缺，學(xué)生亟需開放性、沉浸式、靈活性強(qiáng)的教學(xué)手段和方法。

5G技術(shù)可以提供大帶寬、低時(shí)延、海量連接三大業(yè)務(wù)。借助5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合4K/8K高清、XR虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能等新技術(shù)，教育行業(yè)可以在教學(xué)效果、教學(xué)智能、教學(xué)創(chuàng)新和教學(xué)網(wǎng)絡(luò)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(guò)5G技術(shù)實(shí)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(diǎn)

終生教育是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，因此教育整體市場(chǎng)規(guī)模非常龐大，普通教育K12（教育類專用名詞，是學(xué)前教育至高中教育的縮寫，現(xiàn)在普遍被用來(lái)代指基礎(chǔ)教育）達(dá)到61%，大學(xué)教育占26%，學(xué)前教育占7%，其他教育占6%?？梢钥闯鰧W(xué)生類教育占比高達(dá)90%，是教育行業(yè)的重點(diǎn)。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(xué)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(xué)生成績(jī)?yōu)橹?，未向素質(zhì)教育拓展；（3）設(shè)備種類繁多，老師教學(xué)任務(wù)重，使用率非常低；（4）廠家眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈，頻繁更換。

1.2 教育行業(yè)的機(jī)會(huì)點(diǎn)

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(gè)維度的產(chǎn)品來(lái)支撐智慧教育的建設(shè)，即校園IT基礎(chǔ)設(shè)施、互動(dòng)教學(xué)硬件設(shè)備、信息化平臺(tái)及軟件、線上內(nèi)容資源；通過(guò)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(xué)、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(chǎng)景，可能對(duì)5G技術(shù)的需求不同，總的來(lái)說(shuō)，可使用的5G關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 資源切片

目前，第3代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Preject，3GPP）并沒有針對(duì)無(wú)線側(cè)網(wǎng)絡(luò)切片功能的具體實(shí)現(xiàn)方式做精確定義，但因?yàn)?G新空口（New Radio，NR）支持非常靈活的空口無(wú)線時(shí)頻資源的使用，從而可靈活地適配于不同的網(wǎng)絡(luò)切片功能。

2.1.2 帶寬增強(qiáng)

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

（2）上行增強(qiáng)。從無(wú)線空口時(shí)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(shí)隙配比主要為3：7，2.6 GHz頻段采用5 ms單周期，上下行時(shí)隙配比主要為2：8，這樣導(dǎo)致上行速率和調(diào)度實(shí)時(shí)性受限。5G可通過(guò)以上方式實(shí)現(xiàn)上行帶寬的增強(qiáng)。①專屬上行。對(duì)于專網(wǎng)專享模式的基站，可根據(jù)應(yīng)用需求，定制專屬的幀結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化時(shí)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(jí)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(guò)動(dòng)態(tài)頻譜、共享頻譜技術(shù)，提升其上行能力。目前中國(guó)電信率先主導(dǎo)驗(yàn)證了3.5 GHz+2.1 GHz超級(jí)上行技術(shù)，中國(guó)移動(dòng)也正在計(jì)劃利用2.6 GHz+1.8 GHz提升其上行能力[2]。

2.1.3 低時(shí)延高可靠技術(shù)

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

（2）高可靠技術(shù)。為滿足專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景性能需求，3GPP對(duì)可靠性提出的要求為99.999 9%。為達(dá)到這一要求，NR在空口提出多項(xiàng)針對(duì)性配置方案，有新的調(diào)制編碼方案、各類冗余/重復(fù)傳輸、在迷你時(shí)隙層面上重復(fù)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(chǎng)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(dá)時(shí)差（New Radio-Time Different Of Arrival，NR-TDOA）定位、上行鏈路到達(dá)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(shí)延（Round-Trip Time，RTT）定位和增強(qiáng)Cell ID（Enhanced-Cell ID，E-CID）定位5種不同的技術(shù)達(dá)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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)層面的物理隔離和資源獨(dú)占。軟切片主要基于虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）+服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）隔離調(diào)度技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)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(wù)需求滿足高安全隔離、端到端服務(wù)級(jí)別協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）保障，管理運(yùn)營(yíng)已經(jīng)對(duì)切片有明確要求的行業(yè)應(yīng)用、大型企業(yè)，主要應(yīng)用場(chǎng)景為礦山、智能電網(wǎng)、智能制造等。

定制切片的業(yè)務(wù)是通過(guò)在基站和核心網(wǎng)網(wǎng)元配置客戶的定制切片，實(shí)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(dòng)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(luò)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(dāng)處于特定區(qū)域范圍時(shí)，用戶通過(guò)定制DNN發(fā)起PDU會(huì)話建立請(qǐng)求，會(huì)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(shí)別碼（Tracking Area Identity，TAI）選擇知道下沉的邊緣UPF作為錨點(diǎn)UPF，并分流接入企業(yè)專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)本地業(yè)務(wù)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(diǎn)，下沉的邊緣UPF作為ULCL分流點(diǎn)及輔錨點(diǎn)。用戶注冊(cè)時(shí)，選擇主錨點(diǎn)建立PDU會(huì)話，SMF根據(jù)TAI、DNN、業(yè)務(wù)流等特定信息觸發(fā)ULCL，UPF配置分流規(guī)則實(shí)現(xiàn)本地流量的分流卸載。

2.3.3 VPDN

5G VPDN業(yè)務(wù)需求是基于5G網(wǎng)絡(luò)，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(luò)。終端用戶通過(guò)5G 虛擬專用撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Dial Network，VPDN）業(yè)務(wù)接入到客戶網(wǎng)絡(luò)，對(duì)各類應(yīng)用均可透明傳送[3]。

2.3.4 QoS

通過(guò)QoS策略部署實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)加速功能。業(yè)務(wù)加速包括優(yōu)先加速型和寬帶保障型業(yè)務(wù)加速功能。通過(guò)QoS參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)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(chǎng)景的5G解決方案

通過(guò)5G +邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）+邊緣云+人工智能（Artificial intelligence，AI）使能智慧教育應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)“校內(nèi)-校間-校外”信息資源打通、響應(yīng)教育部要求的“無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不在、家校共育”教育類普惠服務(wù)。根據(jù)智慧校園、智慧課堂教學(xué)、在線教育對(duì)信息化技術(shù)的需求，以及目前5G可提供的能力，經(jīng)過(guò)研究和梳理，現(xiàn)階段可落地的場(chǎng)景包括5G+智慧課堂評(píng)價(jià)、5G+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（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(gè)場(chǎng)景的解決方案。

3.1 5G+智慧課堂評(píng)價(jià)

場(chǎng)景描述：教室中安裝高清攝像頭，對(duì)學(xué)生及教師狀態(tài)進(jìn)行采集及AI分析；對(duì)授課質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估；對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)采集評(píng)估；一鍵生成個(gè)性化學(xué)情分析報(bào)告。

場(chǎng)景價(jià)值：教師可以全面了解學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的感受情況，便于提升教學(xué)方式方法。針對(duì)每個(gè)學(xué)生的特點(diǎn)，可得到個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)。學(xué)?？蛇h(yuǎn)程可視化評(píng)估教學(xué)質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：教室內(nèi)需無(wú)線完全覆蓋，核心網(wǎng)UPF下沉至校園部署，降低時(shí)延；MEC就近部署，形成平臺(tái)底座能力，加載AI分析平臺(tái)，由后臺(tái)實(shí)時(shí)采集教室圖像，做自動(dòng)化的AI分析，分析報(bào)告呈現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)估的可視化，同時(shí)可收集學(xué)生個(gè)性化過(guò)程的行為數(shù)據(jù)，每位學(xué)生個(gè)性數(shù)字畫像生成分析報(bào)告，整個(gè)過(guò)程無(wú)需教師干預(yù)，讓教師回歸教學(xué)本質(zhì)，充分釋放潛能，推進(jìn)學(xué)校特色教學(xué)。

3.2 5G+AR/VR教室

場(chǎng)景描述：基于第三方的VR平臺(tái)，為學(xué)校部署理化生VR實(shí)驗(yàn)室，提供多人實(shí)驗(yàn)課件、互動(dòng)演練等VR教學(xué)服務(wù)；學(xué)校也可以搭建VR雙師課堂教室，通過(guò)5G VR設(shè)備與電教館側(cè)名師實(shí)時(shí)互動(dòng)，雙師教學(xué)。

場(chǎng)景價(jià)值：通過(guò)課堂VR教學(xué)體驗(yàn)，學(xué)生可以沉浸式體驗(yàn)博物館、音樂廳、美術(shù)展覽、各種比賽等賽事，而且可實(shí)現(xiàn)延伸教學(xué)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：校園無(wú)線進(jìn)行無(wú)死角完全覆蓋，核心網(wǎng)UPF和MEC平臺(tái)下沉至校園部署，降低時(shí)延，建設(shè)平臺(tái)底座能力。在MEC平臺(tái)上可部署各種AR能力，流量訪問控制在園區(qū)內(nèi)，學(xué)生只需佩戴AR設(shè)備就可以體驗(yàn)各種校園外的場(chǎng)景[4]。

3.3 5G+高清智慧課堂

場(chǎng)景描述：通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地互動(dòng)式教學(xué)、智慧輔助教學(xué)帶來(lái)全新教學(xué)體驗(yàn)。教師使用交互大屏授課，與學(xué)生智能平板互動(dòng)教學(xué)，可以網(wǎng)絡(luò)備課、多屏互動(dòng)教學(xué)、課后個(gè)性輔導(dǎo)、重點(diǎn)回放。

場(chǎng)景價(jià)值：教師可提升課堂教學(xué)互動(dòng)效率，以更加直觀有趣的方式進(jìn)行教學(xué)；學(xué)生可及時(shí)與教師進(jìn)行互動(dòng)答疑，使用豐富多彩的多媒體教學(xué)課件；學(xué)?？蓪?duì)外提升知名度，同時(shí)便于教學(xué)管理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：利用5G的大帶寬和低時(shí)延技術(shù)，集成第三方的智慧課堂應(yīng)用。

3.4 5G+AI校園安防

場(chǎng)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(wú)法時(shí)刻盯著監(jiān)控；對(duì)正在發(fā)生的問題無(wú)法主動(dòng)干預(yù)；缺乏安全預(yù)警機(jī)制，眾多校園欺凌事件，受害者不敢反抗。

場(chǎng)景價(jià)值：“360度”可移動(dòng)監(jiān)控、從事后取證到主動(dòng)干預(yù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：攝像頭通過(guò)5G接入MEC邊緣云，進(jìn)行AI行為分析，結(jié)合高精度定位，準(zhǔn)確識(shí)別事件發(fā)生位置；系統(tǒng)自動(dòng)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(qiáng)做大智慧教育，主要具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）校園網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控補(bǔ)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(shì)，解決安防痛點(diǎn)。

（2）借助運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣云資源，降低網(wǎng)絡(luò)改造或升級(jí)難度，短平快地建立高速網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)對(duì)高清視頻應(yīng)用。

（3）針對(duì)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(xué)，運(yùn)營(yíng)商快速便捷集成第三方應(yīng)用。

（4）采用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教育數(shù)據(jù)的多方位采集與共享，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)、校間、校外數(shù)據(jù)打通，“教育無(wú)處不在”個(gè)性化教學(xué)，配合學(xué)校和家長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)“家校共育”，順應(yīng)教育部所提倡的隨時(shí)隨地泛在化教育的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

5G技術(shù)與教育行業(yè)的融合是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，需經(jīng)歷預(yù)熱、起步、成長(zhǎng)、規(guī)模發(fā)展4個(gè)階段。不同校園的數(shù)字化發(fā)展水平和對(duì)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(kuò)散速度。對(duì)照5G應(yīng)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(duì)5G應(yīng)用將循序漸進(jìn)，呈現(xiàn)出螺旋上升的發(fā)展模式。本文僅僅研究了初級(jí)階段5G如何與教育行業(yè)進(jìn)行融合，提升教育行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，助力構(gòu)筑“產(chǎn)學(xué)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(chǎng)景對(duì)5G需求的不斷增長(zhǎng)，5G與教育行業(yè)的融合會(huì)更加緊密。