5G 網絡業務可靠性試驗剖面構建方法

武潤升，黃 寧,2，包盛花，王軍良

（1.北京航空航天大學，北京 100191；2.北京航空航天大學 云南創新研究院，云南 昆明 650233；3.華為技術有限公司，上海 201206）

0 引言

隨著5G 技術的發展，5G 網絡在工業場景下的應用也越來越多，人們對5G 網絡可靠性的關注度也越來越高。剖面的構建是可靠性測試中尤為重要的一個步驟，是對可能影響試驗對象可靠性的一系列因素的描述，通過構建剖面可以對試驗過程中施加的應力進行規定，因此構建一個合理的、真實的試驗剖面對5G 網絡可靠性測試有著極其重要的意義。

5G 網絡以向用戶提供業務為核心，即根據用戶請求，先對網絡服務進行組合，然后提供給用戶。5G 網絡在工業應用場景中，首先通過虛擬層管理器進行資源分配[1]；其次經不同虛擬層功能單元進行組合，完成業務部署；最后，通過無線信號發送至執行端，實現業務的使用，滿足用戶需求。在這個過程中5G網絡所采用的網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）架構，使得軟硬件層間不再具有一一映射的關系[2]，業務的部署過程更加具有動態性特征，某些軟硬件節點的損壞有可能不會引發網絡的失效。此外，用戶在使用業務時會產生流量，若大量業務部署在相同路徑節點上，則會有幾率造成帶寬資源不足，而NFV 架構中的設備節點則并不會出現物理故障。

無線信號傳輸是5G 網絡應用的重要環節。無線信號傳輸波采用毫米波，而毫米波在大氣中傳播時衰減嚴重，傳輸易受遮擋影響且水汽、地形等環境因素也會產生干擾[3]，而5G 網絡終端節點往往具有移動性特征，移動過程出現的遮擋等干擾會影響無線信號的傳輸。由5G 的應用過程可以看出，5G 網絡業務可靠性的特點有：由于5G 業務的動態性特征，軟硬件設備與業務故障不再強相關；在網絡設備完好的情況下，用戶對業務的使用會引發業務故障；終端節點的移動過程導致信號出現被遮擋、衰減等情況，會影響無線信號傳輸，導致業務故障。

GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》[4]標準中的傳統剖面構建大都是基于硬件產品或系統在應用過程中不同的任務階段內所處的環境應力的分析，如文獻[5-9]大都是圍繞外界環境對設備可靠性的影響構建剖面。而5G 網絡中，設備的故障不再固定會導致業務故障，因此，若在剖面構建中僅僅考慮設備所處的環境信息，不足以支持測試業務可靠性。雖然傳統剖面設計的任務剖面中，有對系統為滿足用戶需求而執行任務的描述；但是任務是網絡通過執行用戶請求的業務來完成的目標，并不能描述用戶對業務的使用情況。此外，在傳統的剖面構建過程中，缺乏對終端節點的移動特征的考慮。

目前，部分文獻已有初步的對業務的考慮，如文獻[10]針對通信網絡業務進行剖面構建，但是其業務剖面的構建僅通過規定時間內基于統計結果施加流量來體現用戶對業務的使用，顆粒度較大，無法體現業務的具體使用特征，在后續具體試驗過程中不能描述業務使用過程中影響可靠性的具體環節。

基于此，本文針對5G 網絡業務使用特征提出了一種從業務層面出發的試驗剖面構建方法。該方法在對5G 網絡系統執行的任務中進行任務階段劃分的基礎上，以用戶對業務的使用過程為核心，將原有的環境剖面擴展為使用剖面和環境剖面；并考慮終端節點的移動特征與用戶對各業務的使用特征，將使用剖面細化為移動剖面與業務剖面。在此過程中，為了更加細致地描述業務使用，引入子業務概念，對5G 系統業務按流程特征進行小顆粒度的劃分，從而構建一個系統的、合理的業務剖面。

1 組成要素分析

針對5G 業務特點，對新的剖面設計方法的組成要素進行分析。從執行端執行過程出發，提出子業務概念，在此基礎上豐富使用環境剖面的內涵。

1.1 5G 網絡業務

5G 網絡是具有極高峰值速率、超低時延和海量連接的新一代移動通訊網絡[10]。隨著網絡即服務的概念不斷深入人心，5G 網絡的基礎設施不再是人們關注的重點，網絡上被請求的業務是否可靠逐漸占據重要地位。黃寧[11]在2013 年明確了對業務的定義：服務是基礎設施網絡對外提供的功能，業務是對服務的組合。在應用5G 網絡的工業場景下，5G 網絡業務的實現依托無線信號的傳輸，終端執行設備作為無線信號接收端往往具有移動特征，會導致信號因距離或遮擋受到干擾，所以在構建剖面時，需要考慮這種移動特征，從而構建相應剖面進行描述。

1.2 子業務

子業務是從業務中分解出來的部分功能，通常屬于分解到底層的葉子級業務。5G 需要評估的業務往往為系統級業務，其被使用是為了滿足宏觀角度的用戶需求，如果直接作為剖面構建的組成要素，無法覆蓋業務全過程；因此，為了在更加細致的層面對業務進行描述，引入子業務概念。把一個復雜的業務，層層分解直至滿足試驗需求為止。這樣可以極大地降低原先對大類業務的分析難度，實現頂層業務的層次化，增加分析的完整性。

1.3 使用剖面

5G 網絡以向用戶提供業務滿足用戶需求為核心，而5G 網絡動態性特征使得業務的提供不再依托固定構件，因此需要對業務使用過程直接進行描述，以支持5G 網絡的可靠性試驗。

在子業務劃分的基礎上，提出以使用剖面作為試驗過程中使用信息的描述。在使用剖面構建中，針對不同任務階段用戶使用業務過程中產生的使用信息的時序特征，構建業務剖面來進行描述。業務剖面（Application Profile，AP）的構建方式為：

式中：MS 為所處的不同階段；SubA 為階段內不同的子業務類型；OP 為子業務涉及的不同操作類型；T、PR分別代為不同操作的持續時長以及發生概率。

因使用而產生的移動信息同樣需要構建相應移動剖面進行描述。移動剖面（Mobile Profile，MP）的構建方式為：

式中：MS 為所處的任務階段；Node 為某任務階段具有移動特征的終端節點；TD為該節點的移動方向；v為移動速度；d為移動的距離；T為移動持續時間。

1.4 環境剖面

環境剖面是針對業務在被使用過程中可能遇到的各種主要環境參數及各類環境參數發生及持續時間來進行描述的，其面向的主體對象是用戶所請求的業務。環境剖面中的主要環境參數除了傳統試驗剖面中對設備環境應力的考慮，還應考慮對承載業務信息的5G 無線信號產生影響的各類環境應力。環境剖面的組成要素為業務執行過程中的環境因素、各類設計的環境參數的量值以及這些環境因素之間的時序關系。通過對業務執行過程中各個階段的分析，得到業務執行設備的各種主要環境參數和時間的關系。由于任務執行端一般具有移動性特征，不同階段可能涉及的環境有所不同，所以不同的業務執行階段可能對應著不同的環境剖面；因此，環境剖面可以有多個。

2 業務可靠性剖面構建流程

黃寧[12]針對業務可靠性試驗剖面提出了初步的構建方法，本方法在其基礎上，結合5G 業務動態性特點，增加了對5G 工業場景下各類業務的具體使用特征的剖面描述，并針對5G 無線信號易受影響的情況，增加剖面進行考慮。

業務可靠性剖面構建的具體流程如下文所述。

（1）明確業務評估需求：對待評估網絡具體的評估對象、試驗目的、具體要求進行界定，明確評估邊界。

（2）子業務劃分：分析業務的執行特征，按照功能性特點進行劃分，從而實現對原業務的層次化描述。

（3）明確任務想定：任務是系統根據用戶需求，通過業務來完成的目標，對任務內容進行想定后，進行任務階段劃分。

（4）具體剖面構建。

（5）合成試驗剖面。

3 案例應用

本文以某沿海貨運港口中遠程操控橡膠輪胎門式起重機（Rubber Tyre Gantry，RTG）進行裝運貨物的場景作為案例。該案例中包含4 輛大車，20 個貨堆。操作人員根據現場反饋視頻，控制指定的RTG 大車在港口工作區域內移動。整個過程中，操控指令由中控室發出，由下沉到工業園區的用戶面功能（User Plane Function，UPF）轉發；然后經由園區專網的移動邊緣計算節點（Mobile Edge Computing，MEC）分配計算資源并由虛擬計算機（Virtual Machine，VM）進行業務組合；最后通過基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）進行信號處理，轉發到廠區基站，經有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）發送至RTG 設備。裝有貨物的卡車先進入貨堆處，然后操作人員控制空閑大車移動至貨堆處，完成進出箱操作。港口的工作場景拓撲圖如圖1 所示。

圖1 港口工作場景拓撲結構

案例的業務可靠性剖面構建具體步驟如下文所述。

（1）試驗評估需求：測試港口RTG 設備能否在規定條件下，準確完成相應的裝運貨任務。

（2）子業務劃分：根據業務流程，可將“RTG遠程操控業務”細分為五個子業務：大車就位、小車空載、吊具抓箱、小車負載、吊具放箱。

（3）明確任務想定：RTG 執行任務主要分為進箱和出箱兩個階段，想定在工作時間內，RTG 設備連續完成n次出箱以及m次進箱任務。任務主要分為進箱和出箱兩個階段，進箱任務階段信息表如表1所示。

表1 進箱任務階段信息表

（4）業務剖面構建：在進箱階段，通過對操作行為的歷史數據統計相關領域內專家的意見，以子業務涉及的操作類型、操作持續時間、發生概率作為描述信息，這里以吊具抓箱為例，得到如表2所示的進箱階段的業務剖面信息表。

表2 進箱階段業務剖面信息表

（5）移動剖面構建：根據RTG 大車的移動速度、方向、持續時間作為信息，可得到如所表3 示的移動剖面信息表，這里同樣以進箱階段為例，其中L 為場地標志坐標。

表3 移動剖面信息表

（6）環境剖面構建。結合案例中港口環境特征與設備移動性，對不同區域特點進行相應區域劃分，基于此，可得到如表4 所示的環境剖面信息表。

表4 環境剖面信息表

綜上，由得到的業務剖面信息、移動剖面信息以及環境剖面信息，共同得到應用5G 網絡的RTG業務可靠性試驗剖面。

4 方法對比

將本文所提業務可靠性試驗剖面構建方法與現有剖面構建方法進行比較具體，如表5 所示。

表5 本方法與已有剖面構建方法對比

5 結語

本文針對面向5G 技術的網絡業務可靠性試驗剖面構建問題，分析了5G 網絡系統的特征以及現有剖面構建方法的特點，得出現有剖面構建方法無法適應5G網絡業務特征以及無線傳輸特征的結果，繼而提出在傳統剖面構建方法中任務階段劃分的基礎上，從業務層面進行考慮的方法。本方法基于用戶對業務的使用角度，提出子業務概念，對業務進行分解，構建使用剖面、環境剖面，并針對5G 業務特性將使用剖面劃分為業務剖面與移動剖面，對業務所處的各類環境以及業務特征進行全面、系統的總結，從而構建一個合理的可靠性試驗剖面。