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案例分享丨5G超融合专网建设

2024-07-03 中国教育网络

　　为贯彻落实党中央、国务院关于加快5G网络建设、大力实施国家教育数字化战略行动，以及《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》的决策部署，西北工业大学（以下简称“西工大”）立足学校“127”发展目标，积极开展以5G为代表的教育新型基础设施建设，谋划布局5G与教育的双向赋能和融合创新，加快构建高质量教育支撑体系，有力推动了学校各项事业的数字化转型和智能化升级。

　　近几年，西工大联合三大运营商等产业链上下游合作伙伴，创建学校5G创新应用试验平台，部署校内UPF及MEC，建设宏站近100个，逐步实现5G网与校园网的线路互联、数据互通、身份互信和安全互保，建成全国首个可信可控的“5G+WiFi+IoT”超融合专网，推动国防特色院校在5G教学和5G科研上的协同创新，获得了特色鲜明的5G+智慧教育创新应用成果，受到行业的广泛关注与认可。2023年，学校先后获得第六届“绽放杯”5G应用征集大赛5G+教育专题赛一等奖和全国总决赛二等奖。

建设需求分析

　　在教育新型基础设施建设方面，现有校园网缺乏面向高等教育合作发展所需的跨域跨空间的服务延伸能力，可信安全保障和智慧物联应用还有待提升。5G融合高校网络基础设施可实现校内外一张网、空地一张网和管理一张网，以IMSI实名认证、5G切片等5G安全特性为校园网基础设施叠加安全属性，满足师生通过全国5G网络漫游访问学校资源，提供校内联网终端在5G广域和WiFi局域融合承载下的无感切换，能够快速汇聚校园各类物联应用，提升平安校园、绿色校园的建设效率。

　　在教学实践方面，受限于现有网络环境的低带宽、时延抖动等问题，VR仿真和实景实践教学带来的沉浸感不足。利用5G大带宽、低时延特性可实现航空制造装配类等大容量课程的VR教学，让VR学习身临其境，同时在5G空地网联环境下，可开展飞行器低空域飞行实景教学，实现飞行器飞行高清画面的实时回传和飞行姿态与轨迹的实时控制，提升教学互动感。

　　在科研创新方面，一是亟须建立实时可靠的科研数据传输环境，二是迫切需要全无线融合的智联网络承载平台。利用5G端到端确定性时延，能够为复杂环境下智能体协同作业的研究课题提供实时控制和时序保障能力。利用5G+WiFi的融合应用，实现物联传感设备和巡防巡检机器人跨无线无感接入，为人机物融合系统研究在智慧城市感知和管理的落地应用提供实现路径。

建设方案及应用成效

　　网络架构及整体技术方案

　　西工大5G超融合专网面向教育数字化转型对开放融合和可信可控的需求，综合网络切片、多接入边缘计算、5G LAN、WiFi6/7等创新技术，提出可信可控的“5G+WiFi+IoT”超融合专网解决方案，总体网络建设方案如图1所示。

图1 西工大 5G 超融合专网总体建设方案

　　开放融合：西工大5G超融合专网实现5G新空口与WiFi共存组网，通过5G核心网平台进行统一管理、准入鉴权和策略分发，将5G、WiFi、IoT物联、有线终端的数据传输在5G核心网进行了融合，进而形成内外一张网、空地一张网和管理一张网。

　　可信可控：西工大5G超融合专网一是使用国产自研的软硬件系统，确保供应链安全；二是基于IMSI实名认证解决终端在5G和WiFi下的身份融合授信问题，将WiFi的鉴权锚定到SIM上的五元组鉴权向量，实现双向鉴权的接入安全；三是建立5G切片级确定性时延的高可靠网络质量保障，解决管理、教学和科研在不同场景下的差异化服务问题；四是下沉到学校建设UPF，上线部署DN-AAA安全认证平台，并与学校校园网认证计费系统对接，实现不同身份、不同业务需求用户的网络隔离，提供边界安全；五是建立融合统一的运营平台，去运营商化，去设备商化，实现运营安全。

　　典型场景

　　1. 无边界校园网服务

　　西工大5G超融合专网实现了安全可信基础上的无边界校园网覆盖，推动学校教学资源和管理服务的延伸，实现“哪里有5G，哪里就有校园网”的便捷体验，满足师生在校内外通过5G访问学校业务系统和电子图书资源的需求。

　　同时，我们探索了5G超融合专网在加快仿真实景教学、大模型异构智能体研究、人机物融合系统研究等设施的数字化和智能化升级实现路径。

　　2. 仿真实景教学实践

　　当前航空制造装备类课程的教学需要大量的实践案例，VR仿真教学成为支撑飞机制造、航空发动机装配等大容量、高成本教学实践实训的重要支撑。现有VR仿真教学依赖校园无线网络，接入带宽低、信号不稳定、抖动有延时，容易造成视觉眩晕感，目前仅能在小范围的智慧教室里开展，效果不理想，推广有难度。西工大5G超融合专网利用内嵌5G模组或5G CPE等网关，让VR设备接入5G网络进行信息交互，以5G网络小于10ms的超低时延特性，为VR教学带来无眩晕的视网膜沉浸体验。

　　在面向航空飞行器控制的外场实景教学中，现阶段的教学内容主要靠视距范围内的飞行器操控，通过比照地面控制台接收的飞行数据和飞行器在视距范围内的飞行姿态、飞行轨迹等画面，辅助学生了解并掌握飞行控制相关理论。目前，飞行器实景教学存在飞行控制数据回传难、公网传输风险高、飞行高清画面无法获取等问题。西工大5G超融合专网提供低空域5G覆盖环境，给飞行器加装5GCPE和视频采集设备，利用5G切片提供专用的空地数据传输通道，实现飞行器地面控制指令和飞行数据的实时安全交互，同时为地面教学现场回传飞行器飞行高清画面，让外场实景教学身临其境。图2为基于西工大5G超融合专网的飞行器控制实景教学。

图2 基于西工大 5G 超融合专网的飞行器控制实景教学

　　3. 大模型异构智能体应用研究

　　大模型异构智能体研究是以国产大模型作为语义理解底座，以无人机集群、机器狗、机械臂等异构智能体作为协同控制平台，融合环境信息与自身状态的语义交互能力，推动异构智能体在任务理解、硬件控制和协调合作等方面的能力实现，对人工智能在灾难救援、工业生产、低空安防等复杂场景下的灵活应用具有重要意义。目前，无人机集群、机器狗、机械臂等异构智能体在协同作业上迫切需要及时可靠的空地数据传输网络，进行指令下发和时序控制。

　　针对此需求，西工大5G超融合专网利用5G CPE等网关设备，将无人机、机器狗、机械臂等异构智能体接入5G网络，通过5G端到端的确定性时延，为复杂环境下智能体协同作业提供实时控制和时序保障能力，同时利用5G切片专网，确保科研数据的本地安全转发，形成了军工科研项目组网的典型案例，为军民智能无人系统的产业化部署提供无限可能。图3为基于西工大5G超融合专网的异构智能体协同作业研究。

图3 基于西工大5G超融合专网的异构智能体协同作业研究

　　4. 人机物融合智能系统应用研究

　　人机物融合智能系统应用是基于信息物理融合、物联网、人工智能等技术在社会各领域开展的群智感知和治理应用，在许多实际场景下，需要通过物联网、移动互联网等城市信息网络基础建设，将视频监控、温度传感、电子围栏、门禁安防等感知设备进行并网控制，实现物联环境下多维数据收集和管理任务分发，最终完成复杂情况下的精细化管理，推进社会治理体系和治理能力现代化。目前，人机物融合智能系统应用在传输层面主要面临因4G/5G、WiFi和物联网基础建设不完善、不统一而导致的跨无线传输中断问题。

　　西工大5G超融合专网实现了5G广域和WiFi局域的融合承载，人机物融合智能系统采用基于现有5G基建和自建WiFi的“云边网端”一体化设计，在广域开放环境下依靠5G网实现端－边－云互联融合，在局域封闭环境下通过5G+WiFi的无感切换设计基于任务的动态迁移机制，达到无缝连续协同，解决了物联传感设备和巡防巡检机器人在跨无线域漫游中的数据传输难题。基于5G超融合专网的人机物融合智能系统研究成果现已应用在西安城市轨道交通的运营管理中，集成了环境危害监测、电路故障监测、异常状况监测、公共区域异常识别、密集人流监控、突发事件应急取证等感知能力，初步形成了智慧城市管理解决方案。

实用性和可推广性

　　在实用性方面，一是充分利用了高校现有校园网和运营商5G基础设施，不仅减少5G超融合专网的建设成本，而且落地应用后为学校在后续无线网和物联网的部署运维上节约经费，让学校将更多资金投入到教学和科研主业；二是促进教育跨域跨空间的交流合作，推动学校教学资源和管理服务的延伸，实现“哪里有5G，哪里就有校园网”的便捷体验；三是为5G+仿真实训教学和5G+科研创新提供高品质、高可靠的网络互联环境，持续提升新工科人才培养成效，带动5G产业孵化，推动众多科研计划项目。

　　在可推广方面，一是探索出由高校、运营商、设备商协同共建的5G产学研用模式。学校总体负责进度管理和资源统筹，负责5G超融合专网的落地应用，提供5G在学校管理、教学、科研等方面的实践场景。运营商负责5G超融合专网的建设和运维。设备商负责提供5G技术解决方案和人员保障。二是5G超融合专网解决方案的落地为国家企事业单位园区安全可控网络的发展起到示范作用，现正在通过运营商向陕西省内高校和医疗单位进行推广。三是5G无人机、5G人工智能等5G科研创新成果在国防院校、军工单位的应用场景丰富，预期可产生较大产业价值。

　　来源：《中国教育网络》2024年4月刊

　　作者：王康、薛静（作者单位为西北工业大学信息化管理处）

　　责编：陈永杰

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