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

武潤(rùn)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(chǎng)景下的應(yīng)用也越來(lái)越多，人們對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)注度也越來(lái)越高。剖面的構(gòu)建是可靠性測(cè)試中尤為重要的一個(gè)步驟，是對(duì)可能影響試驗(yàn)對(duì)象可靠性的一系列因素的描述，通過(guò)構(gòu)建剖面可以對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中施加的應(yīng)力進(jìn)行規(guī)定，因此構(gòu)建一個(gè)合理的、真實(shí)的試驗(yàn)剖面對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)可靠性測(cè)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(qǐng)求，先對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行組合，然后提供給用戶。5G 網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，首先通過(guò)虛擬層管理器進(jìn)行資源分配[1]；其次經(jīng)不同虛擬層功能單元進(jìn)行組合，完成業(yè)務(wù)部署；最后，通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)送至執(zhí)行端，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的使用，滿足用戶需求。在這個(gè)過(guò)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(guò)程更加具有動(dòng)態(tài)性特征，某些軟硬件節(jié)點(diǎn)的損壞有可能不會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)的失效。此外，用戶在使用業(yè)務(wù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生流量，若大量業(yè)務(wù)部署在相同路徑節(jié)點(diǎn)上，則會(huì)有幾率造成帶寬資源不足，而NFV 架構(gòu)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)則并不會(huì)出現(xiàn)物理故障。

無(wú)線信號(hào)傳輸是5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。無(wú)線信號(hào)傳輸波采用毫米波，而毫米波在大氣中傳播時(shí)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(huì)產(chǎn)生干擾[3]，而5G 網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)往往具有移動(dòng)性特征，移動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)的遮擋等干擾會(huì)影響無(wú)線信號(hào)的傳輸。由5G 的應(yīng)用過(guò)程可以看出，5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性的特點(diǎn)有：由于5G 業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性特征，軟硬件設(shè)備與業(yè)務(wù)故障不再?gòu)?qiáng)相關(guān)；在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完好的情況下，用戶對(duì)業(yè)務(wù)的使用會(huì)引發(fā)業(yè)務(wù)故障；終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)被遮擋、衰減等情況，會(huì)影響無(wú)線信號(hào)傳輸，導(dǎo)致業(yè)務(wù)故障。

GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》[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(guò)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(xiàn)[5-9]大都是圍繞外界環(huán)境對(duì)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(huì)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(cè)試業(yè)務(wù)可靠性。雖然傳統(tǒng)剖面設(shè)計(jì)的任務(wù)剖面中，有對(duì)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(guò)執(zhí)行用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)來(lái)完成的目標(biāo)，并不能描述用戶對(duì)業(yè)務(wù)的使用情況。此外，在傳統(tǒng)的剖面構(gòu)建過(guò)程中，缺乏對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征的考慮。

目前，部分文獻(xiàn)已有初步的對(duì)業(yè)務(wù)的考慮，如文獻(xiàn)[10]針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行剖面構(gòu)建，但是其業(yè)務(wù)剖面的構(gòu)建僅通過(guò)規(guī)定時(shí)間內(nèi)基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果施加流量來(lái)體現(xiàn)用戶對(duì)業(yè)務(wù)的使用，顆粒度較大，無(wú)法體現(xiàn)業(yè)務(wù)的具體使用特征，在后續(xù)具體試驗(yàn)過(guò)程中不能描述業(yè)務(wù)使用過(guò)程中影響可靠性的具體環(huán)節(jié)。

基于此，本文針對(duì)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(yàn)剖面構(gòu)建方法。該方法在對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)中進(jìn)行任務(wù)階段劃分的基礎(chǔ)上，以用戶對(duì)業(yè)務(wù)的使用過(guò)程為核心，將原有的環(huán)境剖面擴(kuò)展為使用剖面和環(huán)境剖面；并考慮終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征與用戶對(duì)各業(yè)務(wù)的使用特征，將使用剖面細(xì)化為移動(dòng)剖面與業(yè)務(wù)剖面。在此過(guò)程中，為了更加細(xì)致地描述業(yè)務(wù)使用，引入子業(yè)務(wù)概念，對(duì)5G 系統(tǒng)業(yè)務(wù)按流程特征進(jìn)行小顆粒度的劃分，從而構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)的、合理的業(yè)務(wù)剖面。

1 組成要素分析

針對(duì)5G 業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)新的剖面設(shè)計(jì)方法的組成要素進(jìn)行分析。從執(zhí)行端執(zhí)行過(guò)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(shí)延和海量連接的新一代移動(dòng)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(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)上被請(qǐng)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(duì)業(yè)務(wù)的定義：服務(wù)是基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)對(duì)外提供的功能，業(yè)務(wù)是對(duì)服務(wù)的組合。在應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)場(chǎng)景下，5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)依托無(wú)線信號(hào)的傳輸，終端執(zhí)行設(shè)備作為無(wú)線信號(hào)接收端往往具有移動(dòng)特征，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)因距離或遮擋受到干擾，所以在構(gòu)建剖面時(shí)，需要考慮這種移動(dòng)特征，從而構(gòu)建相應(yīng)剖面進(jìn)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(lái)的部分功能，通常屬于分解到底層的葉子級(jí)業(yè)務(wù)。5G 需要評(píng)估的業(yè)務(wù)往往為系統(tǒng)級(jí)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(wú)法覆蓋業(yè)務(wù)全過(guò)程；因此，為了在更加細(xì)致的層面對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行描述，引入子業(yè)務(wù)概念。把一個(gè)復(fù)雜的業(yè)務(wù)，層層分解直至滿足試驗(yàn)需求為止。這樣可以極大地降低原先對(duì)大類業(yè)務(wù)的分析難度，實(shí)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(dòng)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(duì)業(yè)務(wù)使用過(guò)程直接進(jìn)行描述，以支持5G 網(wǎng)絡(luò)的可靠性試驗(yàn)。

在子業(yè)務(wù)劃分的基礎(chǔ)上，提出以使用剖面作為試驗(yàn)過(guò)程中使用信息的描述。在使用剖面構(gòu)建中，針對(duì)不同任務(wù)階段用戶使用業(yè)務(wù)過(guò)程中產(chǎn)生的使用信息的時(shí)序特征，構(gòu)建業(yè)務(wù)剖面來(lái)進(jìn)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(shí)長(zhǎng)以及發(fā)生概率。

因使用而產(chǎn)生的移動(dòng)信息同樣需要構(gòu)建相應(yīng)移動(dòng)剖面進(jìn)行描述。移動(dòng)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(dòng)特征的終端節(jié)點(diǎn)；TD為該節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向；v為移動(dòng)速度；d為移動(dòng)的距離；T為移動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

1.4 環(huán)境剖面

環(huán)境剖面是針對(duì)業(yè)務(wù)在被使用過(guò)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(shí)間來(lái)進(jìn)行描述的，其面向的主體對(duì)象是用戶所請(qǐng)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(yàn)剖面中對(duì)設(shè)備環(huán)境應(yīng)力的考慮，還應(yīng)考慮對(duì)承載業(yè)務(wù)信息的5G 無(wú)線信號(hào)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(guò)程中的環(huán)境因素、各類設(shè)計(jì)的環(huán)境參數(shù)的量值以及這些環(huán)境因素之間的時(shí)序關(guān)系。通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)執(zhí)行過(guò)程中各個(gè)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(shí)間的關(guān)系。由于任務(wù)執(zhí)行端一般具有移動(dòng)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(duì)應(yīng)著不同的環(huán)境剖面；因此，環(huán)境剖面可以有多個(gè)。

2 業(yè)務(wù)可靠性剖面構(gòu)建流程

黃寧[12]針對(duì)業(yè)務(wù)可靠性試驗(yàn)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(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，增加了對(duì)5G 工業(yè)場(chǎng)景下各類業(yè)務(wù)的具體使用特征的剖面描述，并針對(duì)5G 無(wú)線信號(hào)易受影響的情況，增加剖面進(jìn)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(píng)估需求：對(duì)待評(píng)估網(wǎng)絡(luò)具體的評(píng)估對(duì)象、試驗(yàn)?zāi)康摹⒕唧w要求進(jìn)行界定，明確評(píng)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(diǎn)進(jìn)行劃分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)業(yè)務(wù)來(lái)完成的目標(biāo)，對(duì)任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行想定后，進(jìn)行任務(wù)階段劃分。

（4）具體剖面構(gòu)建。

（5）合成試驗(yàn)剖面。

3 案例應(yīng)用

本文以某沿海貨運(yùn)港口中遠(yuǎn)程操控橡膠輪胎門式起重機(jī)（Rubber Tyre Gantry，RTG）進(jìn)行裝運(yùn)貨物的場(chǎng)景作為案例。該案例中包含4 輛大車，20 個(gè)貨堆。操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋視頻，控制指定的RTG 大車在港口工作區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。整個(gè)過(guò)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(dòng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（Mobile Edge Computing，MEC）分配計(jì)算資源并由虛擬計(jì)算機(jī)（Virtual Machine，VM）進(jìn)行業(yè)務(wù)組合；最后通過(guò)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）進(jìn)行信號(hào)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(jìn)入貨堆處，然后操作人員控制空閑大車移動(dòng)至貨堆處，完成進(jìn)出箱操作。港口的工作場(chǎng)景拓?fù)鋱D如圖1 所示。

圖1 港口工作場(chǎng)景拓?fù)浣Y(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(yàn)評(píng)估需求：測(cè)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(yùn)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(yuǎn)程操控業(yè)務(wù)”細(xì)分為五個(gè)子業(yè)務(wù)：大車就位、小車空載、吊具抓箱、小車負(fù)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(jìn)箱和出箱兩個(gè)階段，想定在工作時(shí)間內(nèi)，RTG 設(shè)備連續(xù)完成n次出箱以及m次進(jìn)箱任務(wù)。任務(wù)主要分為進(jìn)箱和出箱兩個(gè)階段，進(jìn)箱任務(wù)階段信息表如表1所示。

表1 進(jìn)箱任務(wù)階段信息表

（4）業(yè)務(wù)剖面構(gòu)建：在進(jìn)箱階段，通過(guò)對(duì)操作行為的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(shí)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(jìn)箱階段的業(yè)務(wù)剖面信息表。

表2 進(jìn)箱階段業(yè)務(wù)剖面信息表

（5）移動(dòng)剖面構(gòu)建：根據(jù)RTG 大車的移動(dòng)速度、方向、持續(xù)時(shí)間作為信息，可得到如所表3 示的移動(dòng)剖面信息表，這里同樣以進(jìn)箱階段為例，其中L 為場(chǎng)地標(biāo)志坐標(biāo)。

表3 移動(dòng)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(dòng)性，對(duì)不同區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)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(dòng)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(yàn)剖面。

4 方法對(duì)比

將本文所提業(yè)務(wù)可靠性試驗(yàn)剖面構(gòu)建方法與現(xiàn)有剖面構(gòu)建方法進(jìn)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(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)面向5G 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性試驗(yàn)剖面構(gòu)建問(wèn)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(diǎn)，得出現(xiàn)有剖面構(gòu)建方法無(wú)法適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特征以及無(wú)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(jìn)行考慮的方法。本方法基于用戶對(duì)業(yè)務(wù)的使用角度，提出子業(yè)務(wù)概念，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分解，構(gòu)建使用剖面、環(huán)境剖面，并針對(duì)5G 業(yè)務(wù)特性將使用剖面劃分為業(yè)務(wù)剖面與移動(dòng)剖面，對(duì)業(yè)務(wù)所處的各類環(huán)境以及業(yè)務(wù)特征進(jìn)行全面、系統(tǒng)的總結(jié)，從而構(gòu)建一個(gè)合理的可靠性試驗(yàn)剖面。