基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

謝 剛

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，上海 201206）

0 引言

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商加快了5G網(wǎng)絡(luò)部署。目前，中國(guó)移動(dòng)5G支持NSA[1]，SA兩種方式接入核心網(wǎng)。市面上NSA終端較多，NSA接入EPC核心網(wǎng)，部署周期較短，是目前5G運(yùn)營(yíng)初期的主流技術(shù)；SA終端較少，SA核心網(wǎng)重新組網(wǎng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)、部署周期長(zhǎng)，是今后5G運(yùn)營(yíng)發(fā)展期的主流技術(shù)。因此，NSA作為一種從4G向5G平滑過(guò)渡的技術(shù)，將存在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)網(wǎng)管只能監(jiān)測(cè)4G LTE運(yùn)營(yíng)，缺乏針對(duì)5G NSA業(yè)務(wù)的監(jiān)測(cè)手段，一旦5G業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)出現(xiàn)故障，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，只能等用戶(hù)投訴反饋來(lái)發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題，不利于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)。為此，本文提出一種基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)4G和5G NSA重要業(yè)務(wù)指標(biāo)實(shí)時(shí)聯(lián)合監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)4G，5G NSA的運(yùn)營(yíng)問(wèn)題，提高核心網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率，保障用戶(hù)4G，5G NSA的上網(wǎng)體驗(yàn)。

1 LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析

LTE，NSA終端分別通過(guò)的ENodeB，GNodeB基站接入EPC核心網(wǎng)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)EPC核心網(wǎng)主要包含移動(dòng)管理實(shí)體（Mobility Management Entity，MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving Gateway，SGW）、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PDN Gateway，PGW）等設(shè)備。其中，SGW和PGW合設(shè)稱(chēng)為SAEGW。ENodeB，GNodeB與核心網(wǎng)之間的傳送數(shù)據(jù)分為兩種，分別是控制面數(shù)據(jù)和用戶(hù)面數(shù)據(jù)。控制面數(shù)據(jù)即信令數(shù)據(jù)，包括移動(dòng)性管理、會(huì)話(huà)管理、安全管理等數(shù)據(jù)。用戶(hù)面數(shù)據(jù)主要是承載用戶(hù)上網(wǎng)、語(yǔ)音等的內(nèi)容數(shù)據(jù)。

ENodeB的控制面直接接入MME，用戶(hù)面直接接入SAEGW。GNodeB采用option 3X[2]方式接入EPC核心網(wǎng)，控制面數(shù)據(jù)通過(guò)LTE基站轉(zhuǎn)接接入MME，用戶(hù)面直接接入SAEGW，GNodeB與ENodeB之間也傳送部分用戶(hù)數(shù)據(jù)。

根據(jù)LTE與NSA無(wú)線接入特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)營(yíng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提取LTE與NSA聯(lián)合接入核心網(wǎng)的8個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分別是LTE控制面指標(biāo)“4G用戶(hù)數(shù)”“4G附著成功率”“4G切換成功率”，LTE用戶(hù)面指標(biāo)“4G流量”；NSA控制面指標(biāo)“5G用戶(hù)數(shù)”“5G附著成功率”“5G切換成功率”，NSA用戶(hù)面指標(biāo)“5G流量”。

核心網(wǎng)控制面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)采樣點(diǎn)部署在MME，用戶(hù)面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)采樣點(diǎn)部署在SAEGW。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)這些重要指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障核心網(wǎng)安全運(yùn)行。

2 基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)包括主機(jī)子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。主機(jī)子系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)提供計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間，部署A，B兩臺(tái)高性能雙機(jī)服務(wù)器，A機(jī)運(yùn)行應(yīng)用程序，B機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用LINUX、數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)為主機(jī)子系統(tǒng)與核心網(wǎng)設(shè)備連接提供網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，部署單臺(tái)三層交換機(jī)，作為服務(wù)器雙機(jī)的接入網(wǎng)關(guān)，上聯(lián)IP承載網(wǎng)，打通到核心網(wǎng)設(shè)備MME，SAEGW的IP路由。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)部署在硬件系統(tǒng)上，包括采集子系統(tǒng)、處理子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)

2.2.1 采集子系統(tǒng)

采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)定時(shí)采集移動(dòng)核心網(wǎng)設(shè)備原始數(shù)據(jù)，送給處理子系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)包括一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊有兩個(gè)邏輯接口，分別是對(duì)外接口和對(duì)內(nèi)接口。對(duì)外接口連接外部核心網(wǎng)設(shè)備的采樣點(diǎn)，控制面采樣點(diǎn)在MME上。數(shù)據(jù)采集模塊定時(shí)通過(guò)SSH遠(yuǎn)程登錄方式自動(dòng)登錄MME設(shè)備，獲取MME相關(guān)用戶(hù)數(shù)、附著成功率等采樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，log以文本形式保存在服務(wù)器上；用戶(hù)面采樣點(diǎn)在SAEGW上，數(shù)據(jù)采集模塊定時(shí)通過(guò)SSH遠(yuǎn)程登錄方式自動(dòng)登錄SAEGW獲取SAEGW路由板卡上相關(guān)端口的速率，其中ENodeB通過(guò)PTN網(wǎng)絡(luò)接口連接SAEGW，GNodeB通過(guò)SPN網(wǎng)絡(luò)連接SAEGW。

采集子系統(tǒng)以5分鐘周期粒度從核心網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，時(shí)效性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)網(wǎng)管平均一小時(shí)延時(shí)的水平，5分鐘時(shí)延保障了指標(biāo)反饋的及時(shí)性，這也是本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。

采集子系統(tǒng)接入采樣點(diǎn)收集到采樣數(shù)據(jù)后，分離出有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部進(jìn)程直接發(fā)到處理子系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2.2.2 處理子系統(tǒng)

處理子系統(tǒng)分為3個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)處理模塊、指標(biāo)存儲(chǔ)模塊和指標(biāo)輸出模塊。處理子系統(tǒng)對(duì)收到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，傳送指標(biāo)給輸出子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理模塊接收采集子系統(tǒng)發(fā)送的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)指標(biāo)的算法公式，計(jì)算出兩種數(shù)據(jù)發(fā)送給指標(biāo)存儲(chǔ)模塊，一種是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)，此類(lèi)數(shù)據(jù)比較全面，作為基礎(chǔ)指標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，基礎(chǔ)指標(biāo)數(shù)據(jù)保障了應(yīng)用的可擴(kuò)展性；另一種是應(yīng)用數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)，此類(lèi)數(shù)據(jù)是為了輸出子系統(tǒng)應(yīng)用程序而計(jì)算的，可以提高應(yīng)用程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)的效率。數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出指標(biāo)輸出模塊需要輸出的指標(biāo)，發(fā)給指標(biāo)存儲(chǔ)模塊。

指標(biāo)存儲(chǔ)模塊把從數(shù)據(jù)處理模塊傳送來(lái)的指標(biāo)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表、各類(lèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)表。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)表存輸出模塊需要調(diào)用的應(yīng)用數(shù)據(jù)。

指標(biāo)輸出模塊是輸出子系統(tǒng)的接口，主要為指標(biāo)查詢(xún)和呈現(xiàn)提供接口，并且部署了指標(biāo)門(mén)限監(jiān)測(cè)功能，指標(biāo)門(mén)限值需要預(yù)設(shè)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。指標(biāo)輸出模塊自動(dòng)定時(shí)對(duì)指標(biāo)值巡檢核對(duì)，對(duì)達(dá)不到門(mén)限值的指標(biāo)，推送指標(biāo)告警給輸出子系統(tǒng)，以便提醒維護(hù)工程師及時(shí)解決指標(biāo)異常問(wèn)題。

2.2.3 輸出子系統(tǒng)

輸出子系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸出各項(xiàng)重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)值、指標(biāo)告警，提供指標(biāo)查詢(xún)界面，供維護(hù)人員日常維護(hù)核心網(wǎng)設(shè)備使用。輸出子系統(tǒng)分為指標(biāo)呈現(xiàn)模塊、指標(biāo)查詢(xún)模塊和指標(biāo)告警模塊。圖2所示為輸出子系統(tǒng)界面示意圖。

指標(biāo)呈現(xiàn)模塊可呈現(xiàn)最近一段時(shí)間所有的重要指標(biāo)，提供了區(qū)分網(wǎng)元的折線界面，供維護(hù)工程師實(shí)時(shí)直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行情況，圖2中呈現(xiàn)的是MME 5G用戶(hù)數(shù)和SAEGW 5G用戶(hù)面流量統(tǒng)計(jì)圖。性能指標(biāo)查詢(xún)模塊為維護(hù)工程師提供指標(biāo)查詢(xún)功能，在查詢(xún)表單中填入時(shí)間、查詢(xún)網(wǎng)元、場(chǎng)景名稱(chēng)等等條件得到查詢(xún)結(jié)果，圖2示意圖中性能指標(biāo)查詢(xún)的是EPS附著成功率。指標(biāo)告警模塊監(jiān)測(cè)到指標(biāo)劣化時(shí)，發(fā)出指標(biāo)告警，提醒工程師及時(shí)處理潛在的故障隱患，圖2中對(duì)附著成功率發(fā)出5級(jí)告警，這里告警級(jí)別的閾值是人工在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定的。

圖2 輸出子系統(tǒng)界面

3 應(yīng)用前景

基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在中國(guó)移動(dòng)上海公司EPC核心網(wǎng)部署運(yùn)行了一段時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定，效率較高，本系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中多次主動(dòng)發(fā)現(xiàn)NSA相關(guān)核心網(wǎng)的問(wèn)題，提示維護(hù)工程師及時(shí)解決問(wèn)題，挽回了較大的損失，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)網(wǎng)管時(shí)延大，無(wú)法監(jiān)測(cè)NSA運(yùn)行的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)基于傳統(tǒng)IT硬件和操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)快速部署。如此高效的實(shí)現(xiàn)技術(shù)能為EPC核心網(wǎng)運(yùn)營(yíng)提供以下好處。

首先，部署本系統(tǒng)成本低，收效好，可以增強(qiáng)EPC核心網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)能力，保障5G NSA用戶(hù)上網(wǎng)快速?zèng)_浪體驗(yàn)；其次，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以方便地增加LTE，NSA監(jiān)測(cè)指標(biāo)種類(lèi)和數(shù)量，由于采用通用接口，兼容大多數(shù)核心網(wǎng)設(shè)備機(jī)型；再次，集中性強(qiáng)，通過(guò)修改程序也可以監(jiān)測(cè)SA指標(biāo)，在LTE，NSA，SA共同運(yùn)營(yíng)期間，可以做到三系統(tǒng)集中監(jiān)控；最后，時(shí)效性強(qiáng)，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及時(shí)，反饋問(wèn)題迅速，能夠提高核心網(wǎng)工程師的效率，減輕工程師的工作壓力[3]。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

5G技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)網(wǎng)管只能監(jiān)測(cè)4G運(yùn)營(yíng)，開(kāi)發(fā)進(jìn)度緩慢，無(wú)法監(jiān)測(cè)5G NSA運(yùn)行狀態(tài)。本文提出的基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效地加強(qiáng)NSA指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，保障移動(dòng)核心網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)。本文首先介紹了LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)接入方式，提出了基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，描述了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)，介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，展望了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用前景。5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，基于LTE與NSA聯(lián)合接入的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一定能夠有所作為。