5G核心網云網一體化運維

張雪

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 引言

2020年全球大多數主流運營商已轉向5G獨立組網架構，并開始了5G獨立組網架構的商用部署[1]。5G 網絡 3 種典型的場景為：增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、低時延高可靠通信（ultra-reliable and low latency communication，uRLLC）和大連接物聯網（massive machine type communication，mMTC）。傳統的專用硬件難以適應網絡和業務發展的需求，采用網絡功能虛擬化（network function virtualization，NFV）技術進行5G核心網的部署，能夠實現5G業務的快速部署、資源的靈活調用、故障的快速隔離和自愈，對5G網絡特性發揮起到了重要的作用[2]。同時網絡功能虛擬化技術的使用帶來一些運營維護的難點，例如軟硬件的一體化監控和告警關聯、網元和網絡功能虛擬化基礎設施（network function virtualized infrastructure，NFVI）的兼容性以及維護團隊職責的協同問題，這些難點都將是運營商在5G核心網運營維護過程中需要解決的問題。

2 5G核心網的虛擬化部署方案

與4G核心網架構不同，5G核心網引入服務化架構（service based architecture，SBA）進行設計。5G核心網的SBA借鑒了軟件開發領域成熟的面向服務的架構（service-oriented architecture，SOA）和微服務架構（micro-service architecture，MSA）的綜合優勢，提出了面向服務的總線架構，將傳統的以網元和信令傳輸為基礎的網絡架構轉變為以服務和應用程序接口（application programming interface，API）為主的服務架構，其主要架構如圖1所示[3]。此架構實現了網絡功能的靈活組合，能夠支撐業務的敏捷提供和能力開放。

圖1 5G核心網服務化架構

延續 4G核心網業務平面與控制平面完全分離的理念，5G核心網將網絡功能（服務或網元）分為控制面功能和用戶面功能。其中將用于數據轉發用戶面功能（user plane function，UPF）進行下沉，實現UPF靠近用戶側進行部署，可以有效避免長距離網絡傳輸時延，提升用戶體驗。控制面功能的網元采用集中式部署或分布式部署方式，采用服務總線的方式連接，各網元功能根據不同的功能統一接入服務總線，實現基于通用網絡訪問接口進行遠程訪問。5G核心網主要的網元功能定義見表1。

表1 5G核心網網元功能定義

基于SBA的5G核心網對各網元功能的重新梳理，使整個網絡架構更加靈活，業務部署更加敏捷，同時SBA使NFV的優勢得以充分發揮。NFV技術將傳統的CT業務部署到通用物理硬件虛擬化所形成的虛擬云平臺，實現軟硬件解耦的一種技術。NFV技術的應用不但避免了設備對專用硬件的依賴，減少運營商的CAPEX，同時，資源的靈活獲取，可能幫助運營商進行網絡切片的構建，滿足不同業務的需求，使寬帶、連接、安全性等特性在不同切片中體現出差異，在不同的場景發揮作用。在 NFV 技術的支持下，網絡的軟件、硬件得以分離，這使得網絡資源的配置和部署更為靈活，對進一步發揮5G系統的獨特優勢起到了重要的作用。

當前業界NFV架構主要采用歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）為NFV制定的參考架構，如圖2所示。NFV架構分為3層：基礎設施層、虛擬網絡層和運營支撐層。

圖2 ETSI NFV參考架構

（1）基礎設施層

基礎設施層為 VNF提供部署、管理和執行環境，并實現對硬件資源和虛擬資源的管理和監控，主要包括NFVI和虛擬基礎設施管理（VIM）兩部分，NFVI包括硬件資源層、虛擬化層及虛擬資源層，實現對虛擬網絡層業務網元的承載；VIM 實現對NFVI資源的管理、編排和調度等功能。

（2）虛擬網絡層

基于底層云化基礎設施實現業務能力，主要包括VNF、EMS及VNF管理系統（VNFM），VNF基于NFVI虛擬資源部署業務網元；EMS是VNF業務網絡管理系統，提供網元管理功能；VNFM是VNF管理系統，主要負責VNF生命周期管理。

（3）運營支撐層

實現對業務的編排、運維與管理，主要包括OSS（operation support system）/BSS（business support system）和NFVO（network functions virtualisation orchestrator）。OSS/BSS是業務網絡支撐系統，實現與NFVO的交互，共同完成維護與管理功能。NFVO主要負責跨VIM的NFVI資源編排及網絡業務的生命周期管理和編排，并負責NSD（network service descriptor）的生成與解析。

另外，參照ETSI NFV架構，NFVO、VNFM與VIM合稱NFV管理和編排（management and orchestration，MANO），負責提供可管、可控、可運營的服務環境，使基礎資源可以便捷地提供給應用。

除了基于NFV的架構外，5G核心網具有控制面和用戶面徹底分離的特性，這種特性使用戶面網元UPF可靈活下沉，分布式部署于更靠近用戶和數據源的邊緣節點，最大程度降低網絡時延，提升5G業務體驗。NFV架構使業務上線更加敏捷，可提升運營商與互聯網巨頭之間的競爭力，而分布式架構可以使5G網絡廣泛注入算力，讓運營商提供的業務更豐富，用戶的感知體驗更優。當前中國三大運營商 5G核心網的虛擬化部署已經進入商用階段，但是，對NFV網絡的運營維護系統和方案還處在探索階段，現階段有必要對虛擬化的5G核心網運營維護方案進行梳理，結合運營商4G網絡的運維經驗，在運維技術、流程和組織架構方面保障5G核心網的網絡安全、穩定，發揮5G業務特性。

3 虛擬化的5G核心網運營維護

當前5G核心網的新架構，能夠滿足5G新業務的需求，同時也能降低設備采購成本，但卻給5G核心網的運營維護工作帶來很多困難和挑戰。5G時代的核心網運維復雜度和工作量將呈幾何級數上升，運維工作朝著集約化、智能化、自動化的方向發展，運營維護系統和運營維護的組織架構都進行相應的變革，以適應網絡新架構。

3.1 虛擬化的5G核心網運營維護的難點

5G核心網的虛擬化和分布式架構，將會給運營維護工作帶來如下挑戰。

· 5G核心網從樞紐機房遷至DC（data center）機房，基站與5G核心網間流量跨機房、跨專業，組網結構更加復雜，涉及的廠商、軟硬件模塊、接口眾多，參數配置、聯調測試、故障定界都需要多專業、多廠商配合，運維復雜度大幅提升。且隨著網絡規模不斷擴大，故障點相比傳統網絡提升數倍，故障也容易迅速擴散。

· 網絡切片、UPF下沉等場景的引入使核心網網絡管理對象增多，變更操作更加頻繁。未來的邊緣節點可能有成千上萬，甚至幾十萬個廣泛分布于網絡中的各個位置，維護難度和工作量都將大幅增加。

· 分層解耦的架構使資源管理更加復雜，且各層、各網元告警上報方式不一致，造成故障告警信息的處理難度更加復雜，同時跨層告警需要進行關聯，以便快速地定位故障并進行相應處理。

· 5G 將賦能千行百業，政企（2B）業務對網絡的性能、穩定性的需求比個人（2C）業務更高，同時對網絡的SLA更加苛刻，虛擬化的 5G核心網必須保障網絡的高穩定性和高可靠性。

5G核心網新網絡架構和新業務需求對運營維護提出了新的挑戰，需要適應這些挑戰設計全新的智能化、集約化、融合化的5G核心網運營維護系統。

3.2 5G核心網的云網一體化運營維護系統

5G核心網的運營維護系統需要提供統一的5G核心網網絡運維服務能力和網絡綜合保障功能，需要支持自動化運維、智能根因分析、跨層一體化運維、網絡故障和性能管理、策略和安全管理，實現全網統一監控、全網統一管理。運營維護系統還要支持對5G新業務的管理能力，實現5G 核心網切片的全生命周期（設計、部署、閉環保障等）管理能力，實現5G 2B業務的統一策略能力，實現MEC（multi-access edge computing）管理等能力。

3.2.1 5G核心網的運營維護系統架構

5G核心網是具有虛擬化、云網融合、云邊協同特質的網絡系統，適應這種網絡架構，運營維護系統應具有微服務化、云化、智能化、集約化的特點。微服務化使用“平臺+應用”的架構，依托統一的數據平臺和能力，構建5G核心網運維應用；IT云化即運營維護系統開發和部署技術架構采用IT化的架構，部署在云端；由于5G核心網的操作維護工作量大，引入大數據、AI，推進運維的自動化和智能化，能夠降低維護難度，同時節約維護成本；集約化設計尤其重要，為了提升運維管理的效率，適應5G業務互聯網化、全網統一、快速加載、一點開通的特征，應建立全網統一集約的5G核心網運營維護系統，一級系統供集團和省公司的運維人員分權分域使用。

運營維護系統統一納管集團、省以及地市邊緣5G核心網網元，包括集團、省層面5G核心網所有網元、地市以及園區下沉UPF等。實現統一平臺、統一視圖、統一管理以及統一調度，資源實現統一管理、業務實現統一發放、網絡能力實現統一開放。同時，通過運營維護集約系統協同省和集團兩級運維體系，進行跨省故障協同，云網邊協同故障定位，多級運維人員協同進行故障處理。

5G核心網云網一體運營系統既要面向內部運維人員，也要面向其他系統和業務開放能力，還要面向外部客戶。面向運維人員需要讓集團/省/地市等各級運維人員能夠利用運營系統，更加方便高效地處理日常運維工作，例如網元新建、割接、故障處理、巡檢等；面向其他系統，要開放針對5G核心網的診斷、感知、測試等能力，同時支撐切片、MEC等5G新業務；面向客戶要提供對5G產品的在線訂購能力，對客戶業務的可視化能力和管理能力等。

基于5G核心網特點和運維工作的需要，梳理基本運維需求功能，其主要包括網絡監控管理、業務支撐、用戶預診斷，同時根據5G核心網的特點和運維難點，增加了網元自動化管理、云網統管、云網一體化支撐、切片保障和 MEC協同等能力，后續針對網絡自動駕駛，考慮引入決策智能、操作智能等模塊。5G核心網一體化運營系統的總體架構如圖3所示，系統通過數據共享平臺進行實時數據采集，通過能力共享平臺對網元進行控制指令下發，通過該運營調度系統獲取告警數據，通過AI中心獲取AI幾何能力，通過數據湖獲取話單等靜態數據，5G核心網運營維護系統完成5G核心網網絡運維服務能力的封裝，實現5G 核心網的全生命周期管理能力。

圖3 5G核心網云網一體運營系統架構

3.2.2 5G核心網運營維護系統重要功能

針對5G核心網運營維護系統的目標和定位，設計了5G核心網運維系統的功能模塊，7項功能模塊細分成33項功能清單，請各省公司5G核心網運維人員針對33項功能清單進行需求重要性進行打分。通過對省公司調研結果進行匯總分析如圖4所示，發現運維人員對網絡監控、業務保障的需求最高，在網絡監控中需求重要性最高的是告警管理和故障診斷。

圖4 5G核心網云網一體化運營系統功能優先級調研結果

5G核心網的告警管理和故障診斷同時是運營技術中的重點和難點。由于5G核心網的虛擬化架構，與4G核心網的運營維護不同，5G核心網的運營維護系統要形成硬件層、虛擬層、業務網元層相互關聯的跨層資源管理能力，建立跨層可控可管的網絡保障能力，實現跨層網絡告警關聯、故障定位和故障快速處理。

資源跨層關聯即通過挖掘網元跨層間資源的相互關聯關系，并利用拓撲關系進行展開，形成3層資源拓撲透視模型，為現網日常運營及維護中業務層、資源層、硬件層的告警發現、告警定位以及告警收斂提供有效的參考依據，實現從應用層一點切入即可關聯發現虛擬層及硬件層的準確關聯關系和具體定位信息。包括計算、存儲、網絡資源的關聯，以下以計算資源的關聯為例說明資源關聯的過程。

基于計算資源定義的邏輯并結合 5G核心網現網部署的特性，首先構建資源結構的設想，網元層主要包括 5G核心網關鍵網元，如 AMF、SMF、UPF等。向下映射到虛擬層的虛擬機及其信息，包括虛擬機 ID、虛擬機名稱、IP地址、MAC端口地址等，完成虛擬網絡虛擬機內部資源的拓展。并從這些信息中提取關聯項，映射虛擬機與宿主機間的關聯關系，同時挖掘宿主機的屬性及字段信息，包括主機名稱、主機IP地址完成主機到服務器間的位置關聯。通過EMS/NFVO的北向接口導出網絡資源靜態表，獲取容器所在的虛擬機唯一識別碼（UUID），再依據UUID查詢虛擬機信息、主機信息、服務器設備列表，將查詢獲得的服務器設備列表，通過主機ID實現與物理服務器 SN序列號的匹配關聯，完成從容器→虛擬機→主機→物理服務器的計算資源查詢以及拓撲關系關聯。

跨層告警關聯和故障定位是5G核心網運營維護系統必須具備的重要功能。5G核心網采用NFV架構后，告警的層次增加，告警數量激增，底層告警隱藏在由它引發的多層衍生告警中，很難分析告警的根原因，需要對各層之間的告警信息進行關聯，進一步實現跨層故障診斷。基于人工智能的方法對告警數據進行壓縮十分必要，對告警數據進行壓縮的關鍵是挖掘告警之間的有效關聯規則，然后利用規則對告警數據進行壓縮。告警關聯規則挖掘首先對告警數據進行預處理，然后根據事件的發生時間、位置、原因等信息生成事件列表，從事件列表中挖掘關聯規則，并在規則中提取規則泛化模式，最后使用泛化模式和關聯規則對告警數據進行壓縮。

5G核心網云網一體運營系統引入面向業務和網絡的跨層告警關聯、智能預警和輔助決策，使用AI算法對業務量、異常事件、KPI等實時數據進行分析，可以先于客戶發現故障，及時預警并定位故障，及時處理問題。根據5G核心網運營系統上線半年來系統承接相關告警、監控、故障處理等功能，并通過AI稽核等功能，發現局數據配置隱患3 000余個，業務配置錯誤超萬個，這些故障均及時進行了處理，增強了客戶滿意度，提升了5G客戶體驗。

3.3 虛擬化的5G核心網運營維護組織架構

5G新業務和新網絡架構，不僅需要運營維護系統具有全新特性，也應對組織架構和工作模式進行相應的變革。5G核心網網絡及業務維護涉及多專業，除核心網專業外，需IP專業、云計算等專業深度協同，建設跨專業、跨地域的核心網云網一體化運維團隊，負責 5G核心網云網一體化運營維護。5G核心網云網一體化運維團隊負責5G核心網的維護和管理工作，通過5G核心網的運營維護系統對5G核心網的網元層、虛擬化層和對應的硬件實現跨層一體化告警關聯和資源一體化管理。

虛擬化的 5G核心網是電信技術和云計算技術的融合，因此對運維人員的要求也要具備 CT和IT融合的技能。對網絡功能虛擬化要有深刻的理解和認知，具備對虛擬化網元進行全生命周期管理的能力；對云數據中心的基礎設施具備維護能力，能夠在 NFVI出現告警時，對虛擬層或硬件層進行修復；對核心網的業務邏輯有深刻的理解和認知，在業務出現告警時能夠對告警原因進行相應的判斷，及時進行故障的處理。因此對于5G核心網一體化運營維護的人員的能力要求是CT、IT和DT能力的多維度融合，需要對現有人員進行培訓，使運營維護人員具備云網一體融合運維能力。

4 結束語

5G核心網新的架構和部署模式，為運營維護工作帶來了挑戰，同時也為運營維護的智慧化、自動化帶來了新的機遇。伴隨著網絡云原生技術的發展，網絡的NFV化進程會逐步推進，業務將更加靈活，網絡能力更加開放，運營維護也會向網絡自動駕駛方向演進。結合大數據、AI等新技術，構建合理的運營維護系統，多專業運營維護人員協同合作，建立云網一體化運維體系，必能有效地提升5G核心網的運營維護效率，使5G核心網網絡安全、穩定、高性能地為5G用戶提供優質的服務。