5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性試驗剖面構(gòu)建方法

武潤升，黃 寧,2，包盛花，王軍良

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

0 引言

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，5G 網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)場景下的應(yīng)用也越來越多，人們對5G 網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)注度也越來越高。剖面的構(gòu)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(gòu)建剖面可以對試驗過程中施加的應(yīng)力進行規(guī)定，因此構(gòu)建一個合理的、真實的試驗剖面對5G 網(wǎng)絡(luò)可靠性測試有著極其重要的意義。

5G 網(wǎng)絡(luò)以向用戶提供業(yè)務(wù)為核心，即根據(jù)用戶請求，先對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進行組合，然后提供給用戶。5G 網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)應(yīng)用場景中，首先通過虛擬層管理器進行資源分配[1]；其次經(jīng)不同虛擬層功能單元進行組合，完成業(yè)務(wù)部署；最后，通過無線信號發(fā)送至執(zhí)行端，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的使用，滿足用戶需求。在這個過程中5G網(wǎng)絡(luò)所采用的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）架構(gòu)，使得軟硬件層間不再具有一一映射的關(guān)系[2]，業(yè)務(wù)的部署過程更加具有動態(tài)性特征，某些軟硬件節(jié)點的損壞有可能不會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)的失效。此外，用戶在使用業(yè)務(wù)時會產(chǎn)生流量，若大量業(yè)務(wù)部署在相同路徑節(jié)點上，則會有幾率造成帶寬資源不足，而NFV 架構(gòu)中的設(shè)備節(jié)點則并不會出現(xiàn)物理故障。

無線信號傳輸是5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。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(yán)重，傳輸易受遮擋影響且水汽、地形等環(huán)境因素也會產(chǎn)生干擾[3]，而5G 網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點往往具有移動性特征，移動過程出現(xiàn)的遮擋等干擾會影響無線信號的傳輸。由5G 的應(yīng)用過程可以看出，5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性的特點有：由于5G 業(yè)務(wù)的動態(tài)性特征，軟硬件設(shè)備與業(yè)務(wù)故障不再強相關(guān)；在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完好的情況下，用戶對業(yè)務(wù)的使用會引發(fā)業(yè)務(wù)故障；終端節(jié)點的移動過程導(dǎo)致信號出現(xiàn)被遮擋、衰減等情況，會影響無線信號傳輸，導(dǎo)致業(yè)務(wù)故障。

GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》[4]標(biāo)準(zhǔn)中的傳統(tǒng)剖面構(gòu)建大都是基于硬件產(chǎn)品或系統(tǒng)在應(yīng)用過程中不同的任務(wù)階段內(nèi)所處的環(huán)境應(yīng)力的分析，如文獻[5-9]大都是圍繞外界環(huán)境對設(shè)備可靠性的影響構(gòu)建剖面。而5G 網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備的故障不再固定會導(dǎo)致業(yè)務(wù)故障，因此，若在剖面構(gòu)建中僅僅考慮設(shè)備所處的環(huán)境信息，不足以支持測試業(yè)務(wù)可靠性。雖然傳統(tǒng)剖面設(shè)計的任務(wù)剖面中，有對系統(tǒng)為滿足用戶需求而執(zhí)行任務(wù)的描述；但是任務(wù)是網(wǎng)絡(luò)通過執(zhí)行用戶請求的業(yè)務(wù)來完成的目標(biāo)，并不能描述用戶對業(yè)務(wù)的使用情況。此外，在傳統(tǒng)的剖面構(gòu)建過程中，缺乏對終端節(jié)點的移動特征的考慮。

目前，部分文獻已有初步的對業(yè)務(wù)的考慮，如文獻[10]針對通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進行剖面構(gòu)建，但是其業(yè)務(wù)剖面的構(gòu)建僅通過規(guī)定時間內(nèi)基于統(tǒng)計結(jié)果施加流量來體現(xiàn)用戶對業(yè)務(wù)的使用，顆粒度較大，無法體現(xiàn)業(yè)務(wù)的具體使用特征，在后續(xù)具體試驗過程中不能描述業(yè)務(wù)使用過程中影響可靠性的具體環(huán)節(jié)。

基于此，本文針對5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)使用特征提出了一種從業(yè)務(wù)層面出發(fā)的試驗剖面構(gòu)建方法。該方法在對5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)中進行任務(wù)階段劃分的基礎(chǔ)上，以用戶對業(yè)務(wù)的使用過程為核心，將原有的環(huán)境剖面擴展為使用剖面和環(huán)境剖面；并考慮終端節(jié)點的移動特征與用戶對各業(yè)務(wù)的使用特征，將使用剖面細化為移動剖面與業(yè)務(wù)剖面。在此過程中，為了更加細致地描述業(yè)務(wù)使用，引入子業(yè)務(wù)概念，對5G 系統(tǒng)業(yè)務(wù)按流程特征進行小顆粒度的劃分，從而構(gòu)建一個系統(tǒng)的、合理的業(yè)務(wù)剖面。

1 組成要素分析

針對5G 業(yè)務(wù)特點，對新的剖面設(shè)計方法的組成要素進行分析。從執(zhí)行端執(zhí)行過程出發(fā)，提出子業(yè)務(wù)概念，在此基礎(chǔ)上豐富使用環(huán)境剖面的內(nèi)涵。

1.1 5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)

5G 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)[10]。隨著網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)的概念不斷深入人心，5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施不再是人們關(guān)注的重點，網(wǎng)絡(luò)上被請求的業(yè)務(wù)是否可靠逐漸占據(jù)重要地位。黃寧[11]在2013 年明確了對業(yè)務(wù)的定義：服務(wù)是基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)對外提供的功能，業(yè)務(wù)是對服務(wù)的組合。在應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)場景下，5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的實現(xiàn)依托無線信號的傳輸，終端執(zhí)行設(shè)備作為無線信號接收端往往具有移動特征，會導(dǎo)致信號因距離或遮擋受到干擾，所以在構(gòu)建剖面時，需要考慮這種移動特征，從而構(gòu)建相應(yīng)剖面進行描述。

1.2 子業(yè)務(wù)

子業(yè)務(wù)是從業(yè)務(wù)中分解出來的部分功能，通常屬于分解到底層的葉子級業(yè)務(wù)。5G 需要評估的業(yè)務(wù)往往為系統(tǒng)級業(yè)務(wù)，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(gòu)建的組成要素，無法覆蓋業(yè)務(wù)全過程；因此，為了在更加細致的層面對業(yè)務(wù)進行描述，引入子業(yè)務(wù)概念。把一個復(fù)雜的業(yè)務(wù)，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(yè)務(wù)的分析難度，實現(xiàn)頂層業(yè)務(wù)的層次化，增加分析的完整性。

1.3 使用剖面

5G 網(wǎng)絡(luò)以向用戶提供業(yè)務(wù)滿足用戶需求為核心，而5G 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性特征使得業(yè)務(wù)的提供不再依托固定構(gòu)件，因此需要對業(yè)務(wù)使用過程直接進行描述，以支持5G 網(wǎng)絡(luò)的可靠性試驗。

在子業(yè)務(wù)劃分的基礎(chǔ)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(gòu)建中，針對不同任務(wù)階段用戶使用業(yè)務(wù)過程中產(chǎn)生的使用信息的時序特征，構(gòu)建業(yè)務(wù)剖面來進行描述。業(yè)務(wù)剖面（Application Profile，AP）的構(gòu)建方式為：

式中：MS 為所處的不同階段；SubA 為階段內(nèi)不同的子業(yè)務(wù)類型；OP 為子業(yè)務(wù)涉及的不同操作類型；T、PR分別代為不同操作的持續(xù)時長以及發(fā)生概率。

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

式中：MS 為所處的任務(wù)階段；Node 為某任務(wù)階段具有移動特征的終端節(jié)點；TD為該節(jié)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(xù)時間。

1.4 環(huán)境剖面

環(huán)境剖面是針對業(yè)務(wù)在被使用過程中可能遇到的各種主要環(huán)境參數(shù)及各類環(huán)境參數(shù)發(fā)生及持續(xù)時間來進行描述的，其面向的主體對象是用戶所請求的業(yè)務(wù)。環(huán)境剖面中的主要環(huán)境參數(shù)除了傳統(tǒng)試驗剖面中對設(shè)備環(huán)境應(yīng)力的考慮，還應(yīng)考慮對承載業(yè)務(wù)信息的5G 無線信號產(chǎn)生影響的各類環(huán)境應(yīng)力。環(huán)境剖面的組成要素為業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中的環(huán)境因素、各類設(shè)計的環(huán)境參數(shù)的量值以及這些環(huán)境因素之間的時序關(guān)系。通過對業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中各個階段的分析，得到業(yè)務(wù)執(zhí)行設(shè)備的各種主要環(huán)境參數(shù)和時間的關(guān)系。由于任務(wù)執(zhí)行端一般具有移動性特征，不同階段可能涉及的環(huán)境有所不同，所以不同的業(yè)務(wù)執(zhí)行階段可能對應(yīng)著不同的環(huán)境剖面；因此，環(huán)境剖面可以有多個。

2 業(yè)務(wù)可靠性剖面構(gòu)建流程

黃寧[12]針對業(yè)務(wù)可靠性試驗剖面提出了初步的構(gòu)建方法，本方法在其基礎(chǔ)上，結(jié)合5G 業(yè)務(wù)動態(tài)性特點，增加了對5G 工業(yè)場景下各類業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)可靠性剖面構(gòu)建的具體流程如下文所述。

（1）明確業(yè)務(wù)評估需求：對待評估網(wǎng)絡(luò)具體的評估對象、試驗?zāi)康?、具體要求進行界定，明確評估邊界。

（2）子業(yè)務(wù)劃分：分析業(yè)務(wù)的執(zhí)行特征，按照功能性特點進行劃分，從而實現(xiàn)對原業(yè)務(wù)的層次化描述。

（3）明確任務(wù)想定：任務(wù)是系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，通過業(yè)務(wù)來完成的目標(biāo)，對任務(wù)內(nèi)容進行想定后，進行任務(wù)階段劃分。

（4）具體剖面構(gòu)建。

（5）合成試驗剖面。

3 案例應(yīng)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(jù)現(xiàn)場反饋視頻，控制指定的RTG 大車在港口工作區(qū)域內(nèi)移動。整個過程中，操控指令由中控室發(fā)出，由下沉到工業(yè)園區(qū)的用戶面功能（User Plane Function，UPF）轉(zhuǎn)發(fā)；然后經(jīng)由園區(qū)專網(wǎng)的移動邊緣計算節(jié)點（Mobile Edge Computing，MEC）分配計算資源并由虛擬計算機（Virtual Machine，VM）進行業(yè)務(wù)組合；最后通過基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）進行信號處理，轉(zhuǎn)發(fā)到廠區(qū)基站，經(jīng)有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）發(fā)送至RTG 設(shè)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(jié)構(gòu)

案例的業(yè)務(wù)可靠性剖面構(gòu)建具體步驟如下文所述。

（1）試驗評估需求：測試港口RTG 設(shè)備能否在規(guī)定條件下，準(zhǔn)確完成相應(yīng)的裝運貨任務(wù)。

（2）子業(yè)務(wù)劃分：根據(jù)業(yè)務(wù)流程，可將“RTG遠程操控業(yè)務(wù)”細分為五個子業(yè)務(wù)：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(wù)想定：RTG 執(zhí)行任務(wù)主要分為進箱和出箱兩個階段，想定在工作時間內(nèi)，RTG 設(shè)備連續(xù)完成n次出箱以及m次進箱任務(wù)。任務(wù)主要分為進箱和出箱兩個階段，進箱任務(wù)階段信息表如表1所示。

表1 進箱任務(wù)階段信息表

（4）業(yè)務(wù)剖面構(gòu)建：在進箱階段，通過對操作行為的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)專家的意見，以子業(yè)務(wù)涉及的操作類型、操作持續(xù)時間、發(fā)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(yè)務(wù)剖面信息表。

表2 進箱階段業(yè)務(wù)剖面信息表

（5）移動剖面構(gòu)建：根據(jù)RTG 大車的移動速度、方向、持續(xù)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(biāo)志坐標(biāo)。

表3 移動剖面信息表

（6）環(huán)境剖面構(gòu)建。結(jié)合案例中港口環(huán)境特征與設(shè)備移動性，對不同區(qū)域特點進行相應(yīng)區(qū)域劃分，基于此，可得到如表4 所示的環(huán)境剖面信息表。

表4 環(huán)境剖面信息表

綜上，由得到的業(yè)務(wù)剖面信息、移動剖面信息以及環(huán)境剖面信息，共同得到應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)的RTG業(yè)務(wù)可靠性試驗剖面。

4 方法對比

將本文所提業(yè)務(wù)可靠性試驗剖面構(gòu)建方法與現(xiàn)有剖面構(gòu)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(gòu)建方法對比

5 結(jié)語

本文針對面向5G 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性試驗剖面構(gòu)建問題，分析了5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特征以及現(xiàn)有剖面構(gòu)建方法的特點，得出現(xiàn)有剖面構(gòu)建方法無法適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特征以及無線傳輸特征的結(jié)果，繼而提出在傳統(tǒng)剖面構(gòu)建方法中任務(wù)階段劃分的基礎(chǔ)上，從業(yè)務(wù)層面進行考慮的方法。本方法基于用戶對業(yè)務(wù)的使用角度，提出子業(yè)務(wù)概念，對業(yè)務(wù)進行分解，構(gòu)建使用剖面、環(huán)境剖面，并針對5G 業(yè)務(wù)特性將使用剖面劃分為業(yè)務(wù)剖面與移動剖面，對業(yè)務(wù)所處的各類環(huán)境以及業(yè)務(wù)特征進行全面、系統(tǒng)的總結(jié)，從而構(gòu)建一個合理的可靠性試驗剖面。