邊緣計算和WiFi6 技術在高校智慧校園建設中的應用探討

肖 偉，李書琪，黃厚雙，羅 影

（成都航空職業技術學院，四川 成都 610100）

0 引言

隨著大數據時代的到來，教育信息化進入了新的發展階段。教育部2018 年頒布的《教育信息化2.0 行動計劃》文件明確指出：“信息技術和智能技術深度融入教育全過程”“充分利用云計算、大數據、人工智能等新技術，構建全方位、全過程、全天候的支撐體系，助力教育教學”“以人工智能、大數據、物聯網等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，積極開展智慧教育創新研究和示范，推動新技術支持下教育的模式變革和生態重構”。這為今后一個時期教育信息化及校園網絡建設指明了方向。

1 高校校園網絡建設現狀與存在的問題

我國高校校園網絡建設經過近二十多年的發展，經歷從網絡連接的電子校園到信息化平臺的數字校園，再到如今正蓬勃發展智能管理的智慧校園。其基礎設備和網絡結構基本都處于保持原來未變或者適當更換維修的狀態，在目前大數據量、多業務平臺、多用戶數的情況下，經常出現網絡擁堵、設備故障等問題；高校監控系統、門禁系統、一卡通系統、廣播電視系統以及科研系統等多系統、多協議的非結構化數據日益增多，對后臺算力、存儲等的要求急速增高。特別是自疫情以來，越來越多的高校采用高清視頻和在線課程進行教育教學，互動教學、慕課等線上教學模式更加普及，自帶設備（Bring Your Own Device，BYOD）的教學類應用已逐漸成為主流且有繼續擴大化趨勢，無疑對現有校園網絡建設提出新的挑戰。

以筆者所在高校為例統計，學生通過筆記本電腦、手機上網的占比2/3 以上，日均無線流量達到707 MB。在網絡場景中，視頻和移動應用的流量已經超過總流量的70%。隨機抽查微信使用移動網絡和無線局域網的流量情況，如圖1、圖2 所示。

圖1 微信使用移動網絡流量統計

圖2 微信使用WiFi 流量統計

由此可見，在未來智慧校園網絡建設中，勢必要提升網絡運行能力和計算力才能夠滿足接入更多類型的終端設備，才能匹配高并發、大寬帶、低延時和多業務的應用需求。因此，在智慧校園建設過程中，需要對現有網絡架構和設備進行升級改造，研究新技術手段，才能解決上述瓶頸問題。

2 高校智慧校園建設中網絡通信模式與數據計算方式選擇

智慧校園建設中網絡通信能力和計算力成為兩大關鍵問題。借助新一代網絡通信技術和數據計算技術破解難題的過程中，如何選擇出適合智慧校園建設實際需求的技術方案尤為重要。

2.1 WiFi6 與5G 網絡通信技術在智慧校園建設中的適應性分析

第六代局域網無線技術WiFi6，采用802.11ax通信標準，支持2.4 GHz 和5 GHz 頻段，傳輸速率可達9.6 Gb·s-1，主要應用于室內場景，具有高帶寬、低時延、泛聯接以及區域隔離的保密性等優勢［1］；采用OFDMA 和MU-MIMO 技術實現了對多設備連接的支持，單個WiFi6 路由器能連接1 024 臺設備，并保證每臺設備的網絡體驗。安全方面，采用加密協議WPA 3 提高了安全性。

第五代移動通信技術5G 屬于廣域網技術，其內核與WiFi6 同樣都采用OFDMA 與MU-MIMO 技術，讓單接入點（Access Point，AP）的帶寬提升4倍，接入容量提升4 倍［2］。5G 具備覆蓋范圍廣、可支持高速移動環境等優勢，主要以室外覆蓋為主，兼顧部分室內淺層覆蓋。

5G 與WiFi6 都屬于新一代網絡通信技術，其總體性能相當［3］。還需要從應用場景進一步深入分析。盡管5G 和WiFi6 的應用場景有較多的相似之處，但WiFi6屬于局域網技術，主要應用范圍在1 km之內，適合高密度場景應用。而5G 相比WiFi6，移動性優勢明顯，在局部區域內很難做到全面覆蓋，更側重對廣域網設備的支持，在室外高速場景下的優勢更加突出。

高校智慧校園建設更多面向解決教室、宿舍、食堂、圖書館、實訓中心等室內場景的數據傳輸問題，終端類型以機器與機器（Machine to Machine，M2M）、PC 以及移動終端為主，具有較大業務量，需要有充分的網絡覆蓋能力，而對移動性要求相對不高，同時網絡使用者需要對網絡具有一定的控制權，在建設、使用成本費方面需要進行控制。綜上不難看出，在智慧校園構建中，通信網絡方式采用WiFi6 更為適合。

2.2 邊緣計算與云計算運行方式在智慧校園建設中的適應性分析

邊緣計算和云計算都是處理大數據時的一種計算運行方式，它們之間互為補充關系［4］。云計算是采用共享計算設施、存儲設備及應用程序等資源的計算模式。邊緣計算則有別于傳統中心化的云計算，將數據處理、應用程序運行、部分功能服務由中心節點“下沉”至網絡邊緣節點，在靠近終端數據源處就近進行計算處理。

邊緣計算主要對海量數據直接在設備端或邊緣服務器中進行處理，緩解云數據中心的壓力。邊緣計算使數據就近處理，服務的響應性能和可靠性提升且高效、安全。因此，邊緣計算更適合實時數據的分析和智能化處理。

高校智慧校園建設的首要任務就是保障海量的日常教學科研、實驗實訓以及辦公管理數據的儲存、處理和分析。面對眾多學生、教師、管理人員以及校外人員等的訪問任務需求，如果完全采用云計算的方式，無疑會造成云計算數據中心壓力倍增。網絡通信能力一旦跟不上，將會導致網絡時延、設備損耗故障等問題。事實上，有相當一部分數據處理任務完全可以在校內完成，無需通過云計算解決，可以避免造成云計算資源浪費。在智慧校園建設中，通過采用邊緣計算為主、云計算為輔的計算運行方式，不但可以提升智慧校園的網絡支持能力、數據處理能力以及信息化服務能力，還可以減少通信成本與計算成本、降低能耗、確保數據安全。

3 基于邊緣計算和WiFi6 技術的智慧校園建設解決方案

基于上述分析，本文提出一種基于邊緣計算和WiFi6 技術的智慧校園建設方案，整體架構如圖3所示，主要由感知交換層、接入管理層、分析展示層及數據存儲層組成。

圖3 智慧校園建設技術方案物理拓撲圖

感知交換層包括高校的各類應用場景及相應終端的各種硬件設備。概括而言，包括智慧教學場景、校園管理場景及教學管理場景共三大場景。

接入管理層用于實現終端數據的反饋和控制信號的上傳、下載、管理，主要通過物聯網平臺進行統一的設備管理，實現設備終端統一入網管理、遠程終端升級、權限統一分配管理以及統一運維管理，同時打通學校內的各個業務管理系統，通過物聯網平臺實現多業務的平臺聚合。

分析展示層用來對感知層終端所匯聚起來的數據進行管理、分析和展示，對校內情況進行綜合化、智能化、可視化的管理，進行校園能耗管理展示、校園安全管理展示、綜合環境管理展示以及GIS地圖式校園管理展示等。

數據存儲層對所有的終端設備、邊緣技術設備、業務系統、大數據分析等產生的數據、日志、控制文件、展示內容（圖片、文本、數據庫等）提供存儲空間，建立基于全校范圍的管理知識服務中心。

通過上述四個關鍵層級進行分層管理，能夠較好地適應智慧校園建設的需求，提升計算服務能力，提高網絡穩定性，保障內部數據安全性。

4 基于邊緣計算和WiFi6 技術的智慧校園未來應用場景

邊緣計算和WiFi6 組合的技術方案，能夠高效地收集數據，及時地分析數據，可靠地管理數據，使得智慧校園建設具有更廣闊的應用場景。

4.1 智慧課堂教學

智慧教室是智慧校園的重要組成部分，涉及看、聽、說、傳等功能。智慧教室主要教學設備包括投影、電子屏、互動教學問答器、考勤電子設備、監控設備、語音設備以及環境系統的燈光、空調、門窗等智能控制設備。這些設備多維度的數據需要進行及時分析，反饋給學生、老師以及相關管理者，以便有效地幫助學生掌握學習進度，幫助老師觀察課堂情況，幫助學校有效地改善教學管理［5］。利用WiFi6 的高傳輸、低延遲、多并發特性來構建無線局域網，通過“連接+計算”基礎設施，能夠實時地將碎片化和差異化的數據傳輸到對應邊緣服務器，通過邊緣計算提升計算資源利用率。

4.2 智慧生產實訓

隨著仿真系統AR/VR、移動錄播及互動教學的興起，需要無線網絡提供高并發、大帶寬、低延時和多業務的應用。有了WiFi6 網絡，可以靈活組網，形成“機器-網絡-邊緣-使用”的整體架構。未來實訓生產可以直接利用無線終端隨機接入系統，現場組網成“機房”，方便學生實操。

4.3 智慧校園生活

校園一卡通大量采用NFC、二維碼、人臉識別進行支付交易和身份識別工作。手機、平板電腦等設備作為邊緣計算節點，對交易過程、個人數據展示內容以及數據傳輸全過程進行加密、解密，以WiFi6 和有線通信作為互為冗余的數據傳輸通道，使用互聯網平臺及物聯網平臺，能夠將全校的人、機、物互聯互通，實現感知校園的管理目標。

4.4 智慧管理平臺

高校智慧校園地核心就在于智能化的管理平臺。門禁、安防、動環、一卡通等多系統的數據采集及傳輸處理，通過WiFi6 的高效傳輸與邊緣計算的高效處理，能夠將有用數據傳輸到平臺，為管理人員做出判斷提供有價值的信息。

5 結語

高校校園智慧化建設越來越場景化、多樣化所產生出的多樣性數據，在邊緣計算和WiFi6 技術支撐下，能夠實現對數據高效、及時、安全的傳輸、分析和處理，以個性化服務滿足校園用戶不斷提升的體驗要求。同時，通過對相應業務的大數據收集、挖掘分析，能夠真正構建起校園智慧化模式，不斷提升高校的管理水平和教育質量。