5G与教育行业深度融合研究
时间：2023-06-30 21:55:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
马燕茹，黄元元
（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）
全国上下都非常重视教育的发展，因为教育关乎整个国家的发展。党的十九大报告提出“教育现代化、建设教育强国”战略，教育部颁发的《教育信息化2.0行动计划》强调以信息化全面推动教育现代化，到2022年基本实现“三全两高一大”发展目标，即教学应用覆盖全体教师、学习应用覆盖全体适龄学生、数字校园建设覆盖全体学校，信息化应用水平和师生信息素养普遍提高，建成“互联网+教育”大平台。
随着社会发展的变化和信息技术的广泛应用，教育的办学方式开始进入追求个性的时代。在高等教育和职业教育完全覆盖的情况下，家长和学生更加期望选择符合学生特点的个性化学校，要求学校向更加个性化的方向发展；
随着学生的培养更加个性化，学校的组织模式更加弹性灵活，将根据学生的个性化学习需要采用更加个性化的教学和活动安排[1]。
目前的教育普遍存在缺乏创造能力教育、缺乏个性化培养等问题；
学生越来越趋向于具有创造力、个性化能力培养的教育需求；
偏远区域更是教师资源、教学资源、网络资源紧缺，学生亟需开放性、沉浸式、灵活性强的教学手段和方法。
5G技术可以提供大带宽、低时延、海量连接三大业务。借助5G的技术优势，结合4K/8K高清、XR虚拟与增强现实技术、人工智能等新技术，教育行业可以在教学效果、教学智能、教学创新和教学网络覆盖等方面得到极大的提升，因此研究5G和教育行业的深度融合，有助于教育行业通过5G技术实现跨越式发展。
1.1 教育行业的鲜明特点
终生教育是未来发展的趋势，因此教育整体市场规模非常庞大，普通教育K12（教育类专用名词，是学前教育至高中教育的缩写，现在普遍被用来代指基础教育）达到61%，大学教育占26%，学前教育占7%，其他教育占6%。可以看出学生类教育占比高达90%，是教育行业的重点。但是目前校园的的信息化水平没有形成规模效益，主要表现在：（1）学校搭建私有云为主，没有享受到公有云红利；
（2）信息技术主要围绕提高学生成绩为主，未向素质教育拓展；
（3）设备种类繁多，老师教学任务重，使用率非常低；
（4）厂家众多，竞争激烈，频繁更换。
1.2 教育行业的机会点
从智慧教育信息技术产业链的角度分析，上游建设主体分为软件商、硬件厂商和内容提供商，三大主体用4个维度的产品来支撑智慧教育的建设，即校园IT基础设施、互动教学硬件设备、信息化平台及软件、线上内容资源；
通过软件、硬件和内容的整合构成了智慧教育行业，包括智慧校园、智慧课堂教学、在线教育。
教育行业不同的场景，可能对5G技术的需求不同，总的来说，可使用的5G关键技术如下。
2.1 无线关键技术
2.1.1 资源切片
目前，第3代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Preject，3GPP）并没有针对无线侧网络切片功能的具体实现方式做精确定义，但因为5G新空口（New Radio，NR）支持非常灵活的空口无线时频资源的使用，从而可灵活地适配于不同的网络切片功能。
2.1.2 带宽增强
（1）载波聚合。3GPP为5G（NR）网络就载波聚合分别定义FR1和FR2的标准，并定义FR1与FR2之间的载波聚合方式。
（2）上行增强。从无线空口时隙配比上看，现阶段5G仍以下行为主，如3.5 GHz频段采用双周期，上下行时隙配比主要为3：7，2.6 GHz频段采用5 ms单周期，上下行时隙配比主要为2：8，这样导致上行速率和调度实时性受限。5G可通过以上方式实现上行带宽的增强。①专属上行。对于专网专享模式的基站，可根据应用需求，定制专属的帧结构，通过优化时分双工（Time Division Duplexing，TDD）帧结构的上下行配比、增加上行占比，大幅提升上行带宽容量。②超级上行。5G可以利用TDD高频与频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）低频结合的方式，通过动态频谱、共享频谱技术，提升其上行能力。目前中国电信率先主导验证了3.5 GHz+2.1 GHz超级上行技术，中国移动也正在计划利用2.6 GHz+1.8 GHz提升其上行能力[2]。
2.1.3 低时延高可靠技术
（1）低时延优化技术。NR要求实现毫秒级的用户面端到端时延，在3GPP中对空口时延提出的要求为双向0.5 ms，结合定制网网络模式需求，NR在空口提出多项针对性配置方案，有非时隙调度、上行免授权调度、混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）反馈增强、支持时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）和5G网络融合。
（2）高可靠技术。为满足专网网络的应用场景性能需求，3GPP对可靠性提出的要求为99.999 9%。为达到这一要求，NR在空口提出多项针对性配置方案，有新的调制编码方案、各类冗余/重复传输、在迷你时隙层面上重复传输和slot聚合。
2.1.4 室内定位
3GPP明确了5G室内定位场景的精度，要求水平维和垂直维的定位精度均小于3 m（区域内80%用户），可以采用新空口到达时差（New Radio-Time Different Of Arrival，NR-TDOA）定位、上行链路到达角（Uplink Angles of Arrival，UL-AOA）定位、下行链路离开角（DownLink-Angle-of-Departure，DLAoD）定位、Multi-往返时延（Round-Trip Time，RTT）定位和增强Cell ID（Enhanced-Cell ID，E-CID）定位5种不同的技术达到定位要求。
2.2 承载网关键技术
承载网隔离可分为硬切片、软切片。硬切片拥有更好的隔离性，主要基于灵活以太网（Fle Ethernet，FlexE）等技术，可实现以太网层面的物理隔离和资源独占。软切片主要基于虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）+服务质量（Quality of Service，QoS）隔离调度技术，可实现多种业务在一个物理网络上的逻辑隔离。
2.3 核心网关键技术
2.3.1 定制切片
定制切片的业务需求满足高安全隔离、端到端服务级别协议（Service Level Agreement，SLA）保障，管理运营已经对切片有明确要求的行业应用、大型企业，主要应用场景为矿山、智能电网、智能制造等。
定制切片的业务是通过在基站和核心网网元配置客户的定制切片，实现端到端的定制切片部署。核心网需要配置的网元包含接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、统一数据管理功能（Unified Data Management，UDM）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、用户面功能（User Plane Function，UPF），网络切片选择（Network Slice Selection，NSSF）需要配置切片信息（切片类型和描述等）
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，需在终端配置定制DNN，并在统一数据管理（Unified Data Management，UDM）签约定制DNN。当处于特定区域范围时，用户通过定制DNN发起PDU会话建立请求，会话管理功能（Session Management Function，SMF）根据终端提供的定制DNN及所在的跟踪区识别码（Tracking Area Identity，TAI）选择知道下沉的边缘UPF作为锚点UPF，并分流接入企业专网实现本地业务流量的卸载。
基于ULCL分流方案，公共核心网的UPF作为主锚点，下沉的边缘UPF作为ULCL分流点及辅锚点。用户注册时，选择主锚点建立PDU会话，SMF根据TAI、DNN、业务流等特定信息触发ULCL，UPF配置分流规则实现本地流量的分流卸载。
2.3.3 VPDN
5G VPDN业务需求是基于5G网络，利用第2层隧道协议（Layer 2 Tunneling Protocol，L2TP）和通用路由分装（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道技术为客户构建与公众互联网隔离的虚拟专用网络。终端用户通过5G 虚拟专用拨号网络（Virtual Private Dial Network，VPDN）业务接入到客户网络，对各类应用均可透明传送[3]。
2.3.4 QoS
通过QoS策略部署实现业务加速功能。业务加速包括优先加速型和宽带保障型业务加速功能。通过QoS参数配置，实现业务的优先调度，保证比特率的带宽保障。
通过5G +边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）+边缘云+人工智能（Artificial intelligence，AI）使能智慧教育应用、实现“校内-校间-校外”信息资源打通、响应教育部要求的“无处不在、无时不在、家校共育”教育类普惠服务。根据智慧校园、智慧课堂教学、在线教育对信息化技术的需求，以及目前5G可提供的能力，经过研究和梳理，现阶段可落地的场景包括5G+智慧课堂评价、5G+增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）教室、5G+高清智慧课堂和5G+AI校园安防。下面分别研究这4个场景的解决方案。
3.1 5G+智慧课堂评价
场景描述：教室中安装高清摄像头，对学生及教师状态进行采集及AI分析；
对授课质量进行评估；
对学生学习状态采集评估；
一键生成个性化学情分析报告。
场景价值：教师可以全面了解学生对授课内容的感受情况，便于提升教学方式方法。针对每个学生的特点，可得到个性化学习指导。学校可远程可视化评估教学质量。
技术实现：教室内需无线完全覆盖，核心网UPF下沉至校园部署，降低时延；
MEC就近部署，形成平台底座能力，加载AI分析平台，由后台实时采集教室图像，做自动化的AI分析，分析报告呈现教学质量评估的可视化，同时可收集学生个性化过程的行为数据，每位学生个性数字画像生成分析报告，整个过程无需教师干预，让教师回归教学本质，充分释放潜能，推进学校特色教学。
3.2 5G+AR/VR教室
场景描述：基于第三方的VR平台，为学校部署理化生VR实验室，提供多人实验课件、互动演练等VR教学服务；
学校也可以搭建VR双师课堂教室，通过5G VR设备与电教馆侧名师实时互动，双师教学。
场景价值：通过课堂VR教学体验，学生可以沉浸式体验博物馆、音乐厅、美术展览、各种比赛等赛事，而且可实现延伸教学。
技术实现：校园无线进行无死角完全覆盖，核心网UPF和MEC平台下沉至校园部署，降低时延，建设平台底座能力。在MEC平台上可部署各种AR能力，流量访问控制在园区内，学生只需佩戴AR设备就可以体验各种校园外的场景[4]。
3.3 5G+高清智慧课堂
场景描述：通过5G实现随时随地互动式教学、智慧辅助教学带来全新教学体验。教师使用交互大屏授课，与学生智能平板互动教学，可以网络备课、多屏互动教学、课后个性辅导、重点回放。
场景价值：教师可提升课堂教学互动效率，以更加直观有趣的方式进行教学；
学生可及时与教师进行互动答疑，使用丰富多彩的多媒体教学课件；
学校可对外提升知名度，同时便于教学管理。
技术实现：利用5G的大带宽和低时延技术，集成第三方的智慧课堂应用。
3.4 5G+AI校园安防
场景描述：校园安全问题高发，敲响安全警钟。传统技术手段存在不足，大多数以人防为主，无法时刻盯着监控；
对正在发生的问题无法主动干预；
缺乏安全预警机制，众多校园欺凌事件，受害者不敢反抗。
场景价值：“360度”可移动监控、从事后取证到主动干预。
技术实现：摄像头通过5G接入MEC边缘云，进行AI行为分析，结合高精度定位，准确识别事件发生位置；
系统自动触发视频呼叫，通知安保人员。
3.5 解决方案总结
5G可以助力教育产业做强做大智慧教育，主要具有以下优势。
（1）校园网络与监控补盲。智能化平安校园是校园管理的刚需，结合5G+视频AI优势，解决安防痛点。
（2）借助运营商的5G网络和边缘云资源，降低网络改造或升级难度，短平快地建立高速网络以应对高清视频应用。
（3）针对教室内高清视频内容课件数据高并发和5G VR类泛教学，运营商快速便捷集成第三方应用。
（4）采用5G网络实现教育数据的多方位采集与共享，实现校内、校间、校外数据打通，“教育无处不在”个性化教学，配合学校和家长实现“家校共育”，顺应教育部所提倡的随时随地泛在化教育的趋势。
5G技术与教育行业的融合是一个渐进的过程，需经历预热、起步、成长、规模发展4个阶段。不同校园的数字化发展水平和对数字化改造的需求，在很大程度上决定了5G技术在校园的创新扩散速度。对照5G应用整体发展规律，目前5G与教育行业的融合仍然处于发展初期阶段，行业对5G应用将循序渐进，呈现出螺旋上升的发展模式。本文仅仅研究了初级阶段5G如何与教育行业进行融合，提升教育行业的竞争力，助力构筑“产学研”5G+云教育行业生态。随着5G技术的发展、教育产业链体系的逐步成熟以及不同场景对5G需求的不断增长，5G与教育行业的融合会更加紧密。
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