解构：5G关键技术及其主要应用场景
5G具有超高数据速率、大规模连接、低时延、高可靠性等特征，将渗透、影响到社会许多行业。其关键性能指标主要包括：用户体验数据速率、连接密度、端到端延迟、流量密度、移动性和峰值数据速率。
5G网络具有超过100 Mbps的用户体验数据速率、每平方公里100万个连接、1 毫秒端到端延迟和每秒数十千兆的峰值数据速率等关键性能指标（见表1）。
5G关键技术主要包括无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术，已成为业界关注的焦点。在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构，已取得广泛共识。未来5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术，更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。
5G主要技术场景包括：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。国际电信联盟（ITU）将5G的主要应用场景分为：增强型移动宽带、高可靠低时延通信和大规模机器通信三类。
增强型移动宽带，提供最高可达10Gbit/s 的高速率、高带宽业务能力，可满足如3D超高清视频、云存储、混合现实等对带宽要求较高的服务。
高可靠低时延通信提供仅1ms的超低时延，可满足如自动驾驶汽车、汽车互联网、工业自动化管理等对延迟敏感的服务。
大规模机器通信可提供高达1000，000/km2 的连接密度能力，可满足如智能城市、智能家居、智能农业等高连接密度要求的服务。
在增强型移动宽带服务场景中，峰值数据速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性、网络能源效率和流量密度都具有较高的重要性。在高可靠低时延通信服务场景中，低延迟和移动性是最重要的指标。在大规模机器通信服务场景中，5G 网络应可靠且无缝式地支持偶尔传输其数据包的大量设备（见表2）。因此，5G 在未来将广泛应用于居民区、办公大楼、体育场、高铁站等家庭、工作、休闲和交通等诸多场景。
在教育领域，5G 可应用于远程直播互动课堂、混合现实教学、AI 教育教学测评、智能校园管理等重要场景，并充分利用5G 相关技术特性，打造全时域、全空域、全受众的教学新体验。
机遇：基于5G 的智能技术及其教育应用
物联网是基于现有的和不断发展的、可互操作的信息通信技术，通过互联（物理和虚拟）事物来实现高级服务。它具有连通性、技术性、智能性、嵌入性等特征，主要包括无线射频识别技术、传感器技术、智能技术和纳米技术等。目前，物联网技术在教育中的应用主要体现在课堂教学、课外学习和教育管理三方面。
现有4G网络已广泛应用于物联网，并在不断发展以适应未来物联网的应用需求。未来物联网的新应用和业务模型需要新的性能标准，如，物联网设备的大规模连接、安全性、可靠性、无线通信的覆盖范围、超低延迟、高吞吐量等。为满足这些需求，5G 技术有望为未来物联网应用提供新的接口。5G不仅将在未来十年提供1000倍的互联网流量增长，还将为各个行业提供支持物联网发展的基础技术。
基于5G 的物联网技术在教育领域具有巨大的应用潜力：
（1）物联网能够促进课堂教学，通过传感器技术，实现学生与学生、学生与机器之间的交互，为教学提供智能化环境，改善传统的学习环境和学习方式，并随时调整教学结构；
（2）物联网可用于课外学习，它支持课外研究、移动学习和泛在学习等，以丰富课外学习方式， 促进学生能力等发展；
（3）物联网还可用于考勤管理、学校图书管理、教学仪器设备管理、学校教育安全管理等学校管理，以革新学校管理手段，提高管理效率和质量。
相关研究表明，物联网与互联教室结合能提高学习和教学体验。物联网应用还可以帮助教师转变课堂角色，减轻行政负担，让他们更专注于个人专业发展。5G+AI+IoT 等技术一旦集成，将推动万物互联，使教育迈向万物智能化时代（见图1）。总之，基于5G 的物联网智能技术在教育中的应用，将使每个物件更具智能性，进而使教与学环境更具智能化，并实现智能管理。
业界通常将“虚拟现实技术”主要分为虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）三类。VR 是模拟的虚拟世界，AR 是一种“虚实结合”的技术，它在真实环境上叠加虚拟世界，MR 融合虚拟现实的沉浸感和增强现实的实用性特征， 无缝对接虚拟与真实世界。
在教育领域，可利用VR 模拟现实中难以达到或体验的场景、活动，不受时空限制，进行各类模拟实验，可进行大量尝试、反复体验或纠错。
与VR 类似，AR/MR 已在教育领域彰显出它的实用价值，不断提供必要的信息，可使情境化学习变得无处不在。AR 可通过移动云教室和虚拟现实等服务，实现新的学习方式和团队合作。增强学习体验并不是MR的唯一应用， 它还可以帮助教师获得每个学生的必要信息，了解他们的能力和特殊需求。
然而，这些服务的实现需要新一代网络的支撑，需要考虑包括优化路由、无缝广域覆盖、虚拟存在、低延迟语音和视频编码等条件要求。目前，即使是速度最快的网络，从发送数据到接收数据之间，也会有短暂的延迟。对于VR/AR/MR 应用来说，只有当网络延时远低于人类视觉感知延时，学习者才具有身临其境、与世界零距离的感知体验。
而5G是低时延的原生平台，其增强型移动宽带业务，能够使学习者具有与世界零距离的真实感知体验。比如，VR/AR 头盔显示器长时间使用会导致头晕，而5G 网络可消除与延迟相关的影响，为学习者提供真正无缝和沉浸式的实时学习体验（见图2）。与此同时，5G 网络将大大缩短视频下载的延迟时间，扩大教室中混合现实内容和视频的容量。
5G 的传输速度比4G 快10 倍以上，将大大改善VR/AR/MR 中的学习者体验，使虚拟现实真正成为课堂上的有效工具。“在教育领域，5G 让个性化和情境化教育有了可行性，将其与日常经验联系起来，除了可以加强学习，还能提高学生的积极性，因为它展示了其实际应用的一面。
此外，基于5G 的VR/AR/MR 技术的发展，也将为远程教育带来新的契机。它可以提供远程呈现服务，让学习者仿佛体验到他/她与远程学伴在同一个地方。远程呈现服务需要提供给学习者使用五种感官的能力，从而使学习者的感知体验更加真实。
VR和3D全息图像技术的融合使用，使学习者的感知体验成为现实。目前，限于4G 的VR 技术只提供110度的视角，需扩展到200度才能满足用户的最低满意度，这也是目前在移动环境中无法实现高清视频和3D 图形的一个主要障碍。没有极高的传输速率和更低的延迟，就无法实现实时VR/AR/MR 服务。
而5G 网络可支持高带宽和低延迟，5G网络的切片技术可以与其他无线技术相结合，成为实现低延迟、高吞吐量VR/AR/MR 服务的关键技术之一。总之，5G 的低延迟处理和超高数据速率的技术，可以有效支持实时VR/AR/MR 和远程学习呈现服务。
近年来，人工智能（AI）对社会诸多领域均产生着巨大影响。AI 与教育领域融合，能够提高教学效率，为学生更好地学习增知增智、为教师更好地教学提供服务。随着AI 在教育中的应用，AI 已渗透到教育领域的各个方面，比如，利用AI 开发虚拟助手，进行个性化学习；AI 驱动评估，可为教师、学生和家长提供有关学生如何学习、学生所需要的支持以及学生学习进展的持续反馈等。
此外，AI 还可用于增强学习分析，随着学习变得更加数字化、智能化，AI 驱动的学习分析，将成为改善教育和提高机构竞争力的重要工具。
进入5G 时代，5G+AI“强强携手”，会实现互促发展。
第一，5G 网络对高数据速率、低延迟、高效使用频谱和不同网络技术共存等要求，需要结合AI 基于大量的物联网设备产生的海量数据，做出有效的决策。5G 网络为AI在云端和终端间的良好衔接、配合、互补，提供通信基础设施支撑，5G 将助力AI的教育应用更加丰富和走向普及，实现万物互联；而AI 技术应用也将实现5G 网络智能化， 在节省人工成本的同时，带给学习者更多真实的学习体验。
第二，5G 将驱动AI 更具“教育智能化”，助力教育公平化、个性化和智慧化。即5G+AI 将进一步催生智能教育，促使从“学以致用”到“用以致学”，即从传统命题性知识传授变为个性化知识传授；促进人机协同，即教师原本一人身兼组织者、评估者、教授者的多重身份将被分解，需要与智能机器协同；促使自适应学习的广泛实现，进而促进教育公平（见图3）。
云计算是一种分布式计算范式，既指通过互联网以服务方式提供的应用程序，也指提供这些服务的数据中心中的硬件和系统软件。它可以访问计算机、网络、存储、开发平台或应用程序等虚拟化资源。云计算和云存储的优势在于，资源不仅由多个用户共享，还可以根据用户需求动态地重新匹配。
在教育领域，云计算可为计算机密集型（虚拟世界、模拟、视频流等）或以在线大规模方式（MOOC）进行的数字化学习提供服务。云计算可为学生和教师提供工具，根据其学习需求，按需为教学场地和实验室部署计算资源。例如，教师可使用预安装的软件按需创建虚拟计算机，以快速部署计算实验室。云计算将孤立的教育资源上传并存储于云端服务器，能够实现教育资源共享与统一管理。
学习者只需使用可以联网的终端设备，就能轻易获取所需的教育资源，同时也可以将自己的资源与他人分享，实现教育资源的开放与共享。云计算也为学习者提供了各种在线应用程序，可用于支持各种学习场景。
当前，移动计算、无线网络和云计算三种技术，正在向移动云计算（Mobile Cloud Computing，简称MCC）领域发展。MCC以其高数据速率、高移动性和集中化管理服务， 成为5G网络架构的重要参考。5G网络容量的大幅提升，促使MCC服务成为移动学习服务的新热点。5G 助力MCC技术，将使许多资源有限的各种移动终端，有望提供更加个性化和交互式的学习服务。
MCC的发展，也为移动学习提供了更多可能。目前，移动学习受到计算处理能力低、存储容量小、分辨率低等移动终端自身弱点的限制，而5G+MCC 有助于解决这些问题，为移动学习的广泛开展提供契机。
因此我们认为，基于5G 的云技术、边缘计算、泛在计算正架构一个全新的技术场域：
第一，通过打造云端一体化开发平台，搭建丰富的物联网市场，共建开放的物联网标准，从而构建起物联网生态系统；
第二，使能平台和基础设施，加速物理世界和数字世界的融合，不断推动物联网向教育智联网发展，为学校的人才培养、数字治理、科研平台等，构建一个融合云技术、云存储、物联网、人工智能、大数据的数字化学习生态；
第三，赋能教育创新，从而形成一个协作在线、资源共享、数据智能、工具智能、决策智能等为一体的智能教育新生态系统。
（作者：兰国帅1，2，3 ，郭倩1，魏家财1 ，杨喜玲1 ，于亚萌1 ，陈静静1，1.河南大学教育科学学院；2.河南省教育信息化发展研究中心；3.河南大学技术促进学习创新研究院。本文系节选，原文标题为《5G+智能技术：构筑“智能+”时代的智能教育新生态系统*》。来自《远程教育杂志》）
