5G網(wǎng)絡(luò)的端到端客戶感知評估方法

黃昭文

【摘 要】在5G網(wǎng)絡(luò)中，通信業(yè)務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需求都將大幅增加，研究如何有效保障5G網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和接入能力已成為重要課題。通過對5G網(wǎng)絡(luò)客戶感知的評估方法進(jìn)行深入研究，指出現(xiàn)有客戶感知分析方法需要改進(jìn)的方面，提出把業(yè)務(wù)需求、客戶真實(shí)體驗(yàn)與5G網(wǎng)絡(luò)流量分析相結(jié)合的思路，建立了一個基于網(wǎng)絡(luò)連接的客戶感知量化評估方法，并驗(yàn)證了該方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】5G 客戶感知 CBMOQ 端到端

An Evaluation Method of End-to-End Customer QoE in 5G Network

[Abstract] In the 5G network， the communication service type， the network connection number， the network quality demand will increase greatly. The research on the effective guarantee of the 5G network quality and the access capability is an important issue. The evaluation method of customer perception for 5G network is thoroughly analyzed and the aspects to be improved for the existing customer perception analysis methods were pointed out. Then， the idea that combines service demand， customers real experience and the 5G network traffic analysis was put forward. A quantitative customer perception evaluation method named CBMOQ was built whose effectiveness was verified.

[Key words]5G network customer perception CBMOQ end to end

1 引言

國際電信聯(lián)盟已經(jīng)啟動5G標(biāo)準(zhǔn)研究工作，并明確了IMT-2020的工作計劃：2015年中完成IMT-2020國際標(biāo)準(zhǔn)前期研究，2016年開展5G技術(shù)性能需求和評估方法研究，2017年底啟動5G候選方案征集，2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定[1]。5G將大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營的效率，帶來相比4G超百倍的能效提升，它將以可持續(xù)發(fā)展的方式滿足未來超千倍的業(yè)務(wù)流量增長，以及超高速率、超低時延和海量連接等多樣化業(yè)務(wù)需求。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)不僅傳輸速率更高，而且在傳輸中呈現(xiàn)出低時延、高可靠、低功耗的特點(diǎn)，未來將在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型在3G/4G的上網(wǎng)瀏覽、程序下載、社交應(yīng)用的基礎(chǔ)上還增加了高清視頻應(yīng)用、實(shí)時信息交互、游戲應(yīng)用等類型，物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器到機(jī)器（M2M，Machine to Machine）通信將占據(jù)大部分通信連接。與此同時，由于現(xiàn)網(wǎng)中的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)用戶還需要一定的時間才能過渡到5G，預(yù)期在將來會出現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)制式共存的情況。這種復(fù)雜的應(yīng)用場景使得客戶感知難以得到有效評估。從網(wǎng)絡(luò)資源利用率的角度出發(fā)，運(yùn)營商也需要規(guī)劃如何通過有限的資源投入確保大多數(shù)客戶的感知[2-3]。如何評估這些業(yè)務(wù)水平及客戶的客戶感知，已成為移動通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的重要課題。

2 通信網(wǎng)絡(luò)客戶感知的研究進(jìn)展

通信領(lǐng)域?qū)蛻舾兄脑u估方法的研究已經(jīng)開展了較長時間，從事這方面工作的有企業(yè)、個人和標(biāo)準(zhǔn)化組織[4-5]。目前經(jīng)常使用的客戶感知評估方法可分為指標(biāo)建模法和客戶調(diào)研法[6-7]。這些評估方案更多的是基于對業(yè)務(wù)或服務(wù)的先驗(yàn)知識，從網(wǎng)管系統(tǒng)選取若干關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)進(jìn)行量化來反映客戶感知情況。這種方法雖然簡單，但是隨著業(yè)務(wù)種類及外部影響因素的不斷增加，在實(shí)際操作過程中如何選擇適用場景的指標(biāo)集將成為一個難題。此外，現(xiàn)有評估方案主要還是面向傳統(tǒng)的以真實(shí)的人類為主體的體驗(yàn)，并不能直接應(yīng)用于5G中涌現(xiàn)的海量的以機(jī)器為主體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3 基于連接的客戶感知評估方法

本文根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，把現(xiàn)有客戶感知的量化方法進(jìn)行推廣，建立了一個新的面向連接的客戶感知評估方法，簡稱為CBMOQ（Connection-Based Measure of Quality）。

5G碼流進(jìn)入CBMOQ后，分別按信令面及控制面進(jìn)行感知評估。圖中列舉了接入信令、瀏覽、下載、實(shí)時應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)、高清視頻等主要應(yīng)用類型及其處理模塊（C、U1、U2、U3、U4、U5），根據(jù)需要，可以依據(jù)本文所介紹的方法進(jìn)一步擴(kuò)展需評估的業(yè)務(wù)類型。

現(xiàn)把業(yè)務(wù)使用過程定義為S，S所包括的具體業(yè)務(wù)操作是一個業(yè)務(wù)操作的集合：S={s1， s2， …， sn}。其中每一個si分別代表業(yè)務(wù)的一類操作。例如對話音業(yè)務(wù)，S={呼叫， 尋呼， 接續(xù)， 通話}；對短信類業(yè)務(wù)，S={發(fā)送， 尋呼， 接收}。針對每一個si，需判斷其歸屬統(tǒng)計特性X={x1， x2， …， xm}。從客戶感知角度考慮，包括{Delay， Speed， Suc， …}，即分別對應(yīng)時延、速度、成功率等子屬性，根據(jù)需要還可以進(jìn)一步對統(tǒng)計屬性進(jìn)行拓展。根據(jù)業(yè)務(wù)種類的不同，可以選擇不同的映射函數(shù)。S與X之間的映射關(guān)系可以用映射函數(shù)g（s）表示：

3.1 控制平面感知評估

對于控制平面碼流，將通過信令解碼模塊＼接入信令模塊，分析其5G網(wǎng)絡(luò)接入信令的成功率及時延。分析評估本次連接接入網(wǎng)絡(luò)的成功率，例如附著、PDP激活、路由區(qū)更新成功率[8-9]，“1”表示成功，“0”表示失敗。 以下采用示性評分法計算：

3.2 用戶平面感知評估

（1）瀏覽類業(yè)務(wù)感知評估

客戶感知體現(xiàn)為終端用戶對運(yùn)營商提供業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用的整體表現(xiàn)的主觀感受。從客戶角度分析，客戶在使用通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)時，除了對業(yè)務(wù)內(nèi)容的感受外，主要的感受來自于業(yè)務(wù)交易的時長。根據(jù)研究[10-11]，用戶在使用業(yè)務(wù)過程中有一個“258原則”，即如果用戶需要超過8 s才能打開一個網(wǎng)頁，那么該用戶將很有可能由于等待時間過長而離開該網(wǎng)站而去訪問其他網(wǎng)站。這個規(guī)律的本質(zhì)是對客戶感知進(jìn)行了初步量化，也就是認(rèn)為客戶感知的下限為8 s。評估相應(yīng)單次業(yè)務(wù)時延，Dbig、Dsmall為對應(yīng)時延感知指標(biāo)的上、下門限的定義值。時延感知的上門限是指如果時延大于該指標(biāo)，則感知是差的；下門限是指如果時延小于該指標(biāo)，則感知是好的?；诰W(wǎng)頁瀏覽感知的“258原則”，可以分別取8和2進(jìn)行測試，以下采用線性評分法計算：

（2）下載類業(yè)務(wù)感知評估

分析評估相應(yīng)單次業(yè)務(wù)速度，Equick、Eslow為對應(yīng)速度感知指標(biāo)的上、下門限的定義值。速度感知的上門限是指如果速度大于該指標(biāo)，則感知是好的；下門限是指如果速度小于該指標(biāo)，則感知是差的。結(jié)合用戶具體采用的網(wǎng)絡(luò)制式，可以分別取對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)情況下載速度的快、慢門限值進(jìn)行計算：

（3）實(shí)時應(yīng)用類業(yè)務(wù)感知評估

以實(shí)時交互數(shù)據(jù)傳輸為主的應(yīng)用如網(wǎng)游等的用戶感知則更多地體現(xiàn)為對實(shí)時交互應(yīng)用加速的需求。在需要實(shí)時交互加速的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，網(wǎng)游、駕駛控制、即時通信應(yīng)用的使用率較高。評估相應(yīng)單次響應(yīng)時延，Dbig、Dsmall為對應(yīng)時延感知指標(biāo)的上、下門限定義值。時延感知的上門限是指如果時延大于該指標(biāo)，則感知是差的；下門限是指如果時延小于該指標(biāo)，則感知是好的?；跇I(yè)務(wù)需求，可以分別設(shè)置不同的門限值。

（4）物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)感知評估

物聯(lián)網(wǎng)是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的傳感器，其獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時性，是按一定的頻率進(jìn)行周期性地采集并不斷更新的[12]，因此其對網(wǎng)絡(luò)傳輸兼具時延短和數(shù)據(jù)可靠的需求。分析相應(yīng)單次業(yè)務(wù)時延，Dbig、Dsmall為對應(yīng)時延感知指標(biāo)的上、下門限的定義值。時延感知的上門限是指如果時延大于該指標(biāo)，則感知是差的；下門限是指如果時延小于該指標(biāo)，則感知是好的；R表示為對應(yīng)本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?”表示數(shù)據(jù)成功送達(dá)物聯(lián)網(wǎng)控制中心（如中國移動OneNet平臺），“0”表示數(shù)據(jù)傳輸失敗。

（5）視頻類業(yè)務(wù)感知評估

體驗(yàn)視頻類業(yè)務(wù)的常用指標(biāo)，如視頻會話建立、視頻業(yè)務(wù)建立、視頻播放、視頻流暢度等[13]，與傳輸網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量包括帶寬及誤碼率密切相關(guān)。通過對視頻流傳輸速度及誤碼率的統(tǒng)計，可以計算出視頻業(yè)務(wù)的客戶感知。令為相應(yīng)單次視頻業(yè)務(wù)的速度，Equick、Eslow為對應(yīng)速度指標(biāo)的上、下門限的定義值。根據(jù)視頻流的不同，Equick、Eslow應(yīng)取不同的值，例如對于720P的碼流，Equick、Eslow對應(yīng)值分別可取3 Mbps及1.8 Mbps。令y為相應(yīng)單次視頻業(yè)務(wù)的誤碼率，Lmax、Lmin為對應(yīng)誤碼率的上、下門限。

3.3 綜合感知評估

總體客戶感知的評估方法可按公式（8）計算，式中n為參與客戶感知評估的業(yè)務(wù)使用次數(shù)：

3.4 與傳統(tǒng)方法的對比

對比傳統(tǒng)的指標(biāo)建模方法，CBMOQ方法在以下幾個方面具有優(yōu)勢：

（1）由于CBMOQ方法統(tǒng)計的是網(wǎng)絡(luò)中全量的用戶行為，并對用戶的全量操作進(jìn)行感知評估，所評估的感知依據(jù)與客戶的實(shí)際體驗(yàn)（例如“258原則”）緊密結(jié)合，因此可以準(zhǔn)確掌握所有用戶及業(yè)務(wù)的真實(shí)感知。這種做法避免了統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)時出現(xiàn)的因?yàn)槠骄僮鞫巡糠秩醺兄畔⑵帘蔚娜秉c(diǎn)。

（2）CBMOQ方法的統(tǒng)計及歸類的原子操作是業(yè)務(wù)行為而不是設(shè)備上的運(yùn)行指標(biāo)，因此可避免對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)及設(shè)備能力的依賴，這對于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營而言是非常重要的。

（3）CBMOQ的統(tǒng)計過程是全量統(tǒng)計，可以根據(jù)需要分別選擇不同的子集，例如對重要客戶、重要業(yè)務(wù)分布進(jìn)行統(tǒng)計和監(jiān)測，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

（4）在時間粒度上，CBMOQ的統(tǒng)計過程可以根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)整，從而提供實(shí)時的感知監(jiān)測能力。

4 CBMOQ的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CBMOQ模型的準(zhǔn)確性，分別用傳統(tǒng)評估方法以及CBMOQ方法對移動通信區(qū)域在一段時間內(nèi)的流量進(jìn)行客戶感知評估，并對評估的連接數(shù)、數(shù)據(jù)量、業(yè)務(wù)數(shù)、用戶覆蓋率、信令面感知、客戶感知進(jìn)行對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)，基于CBMOQ的客戶感知評估方法，在相同數(shù)據(jù)源的條件下，量化評估連接數(shù)增長了59.84倍，評估數(shù)據(jù)量增長了68.15%，業(yè)務(wù)數(shù)增長了4.58倍，用戶覆蓋數(shù)增長了9.8倍，相應(yīng)客戶感知的總體評估值也比原統(tǒng)計方法更加全面。造成這種改變的主要原因是由于傳統(tǒng)的評估方法主要聚焦于數(shù)據(jù)量較大的下載類及瀏覽類業(yè)務(wù)，而CBMOQ基于對網(wǎng)絡(luò)流量的精確分類，對小流量、實(shí)時、游戲、視頻等新業(yè)務(wù)進(jìn)行了識別并評估，從而更能滿足對客戶體驗(yàn)的保障需求。

5 問題與挑戰(zhàn)

通過準(zhǔn)確評估客戶感知，有助于5G網(wǎng)絡(luò)向海量的連接提供端到端的QoS服務(wù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)類型及需求合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，提升網(wǎng)絡(luò)總體效率。CBMOQ雖可實(shí)現(xiàn)對全量連接的感知分析，但是對流量采集及感知計算成本提出的要求很高。5G網(wǎng)絡(luò)是一個多網(wǎng)絡(luò)、多層次、多域的巨量網(wǎng)絡(luò)，采集并處理5G網(wǎng)絡(luò)流量將面臨分光、傳輸、設(shè)備、機(jī)房等重大挑戰(zhàn)，這就需要5G網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃設(shè)計過程中考慮相關(guān)需求，及早布局以解決相關(guān)問題。

6 結(jié)束語

隨著流量和連接數(shù)量的增長，為了確保網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，5G網(wǎng)絡(luò)更需要一個可實(shí)際應(yīng)用的端到端客戶感知分析體系，以便對所接入的業(yè)務(wù)提供“四可”服務(wù)，即可視、可管、可分析、可溯源。CBMOQ分析體系基于傳統(tǒng)的客戶感知評估方法進(jìn)行了多方面的演進(jìn)，結(jié)合業(yè)務(wù)特性及感知規(guī)律，較好地滿足了需求，具有可擴(kuò)展性、靈活性、易用性的特點(diǎn)。經(jīng)對比測試發(fā)現(xiàn)，本方法更適用于5G網(wǎng)絡(luò)的端到端客戶感知評估。在此基礎(chǔ)上，下一步的研究重點(diǎn)將是提升感知評估的實(shí)時性及網(wǎng)絡(luò)問題的定位能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] IMT-2020（5G）推進(jìn)組. 5G概念白皮書[Z]. 2015.

[2] VAN MOORSEL， Aad. Metrics for the internetage： Quality of experience and quality of business[A]. In： Fifth International Workshop on Performability Modeling of Computer and Communication Systems[C]. Arbeitsberichte des Instituts für Informatik， Universit?t Erlangen-Nürnberg， Germany， 2001： 26-31.

[3] ITU-T： Definition of quality of experience （QoE）. International Telecommunication Union， Liaison Statement[S]. 2007.

[4] 郝益勇. 提升移動網(wǎng)絡(luò)用戶體驗(yàn)質(zhì)量的理論與方法研究[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2011.

[5] 楊燕. 淺析移動通信網(wǎng)絡(luò)中的QoE[J]. 電信科學(xué)， 2007（8）： 34-38.

[6] 熊玉輝，呂正林，蒙琳. 客戶感知理論及其體系的構(gòu)建初探[J]. 電腦與電信， 2012（7）： 35-38.

[7] 周行兵，陳前斌，隆克平. 3GPP中分組交換流媒體服務(wù)的體驗(yàn)質(zhì)量研究[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2007，19（4）： 485-488.

[8] 3GPP TS 48.018. General Packet Radio Service （GPRS）； Base Station System （BSS）-Serving GPRS Support Node （SGSN）； BSS GPRS Protocol （BSSGP）[S]. 2010.

[9] 3GPP TS 25.413. UTRAN Iu interface Radio Access Network Application Part （RANAP） signalling[S]. 2011.

[10] Zona Research. The need for speed[R]. 1999.

[11] Zona Research. The need for speed II， Zona Market Bulletin[R]. 2001.

[12] 胡永利，孫艷豐，尹寶才. 物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術(shù)[J]. 計算機(jī)學(xué)報， 2012（6）： 1147-1160.

[13] 王冼，廖振松，胡玉祥. 4G視頻業(yè)務(wù)用戶感知評估體系研究[J]. 信息通信， 2015（3）： 230-231.