基于仿真拨测的5G行业专网质量检测系统研究_5g网络仿真软件

通信世界网消息（CWW）5G通信的高速率、大容量、低时延和广泛连接等特性，使其在各行各业都具有广阔的应用前景。随着我国5G网络的大规模建设和5G应用的日益普及，5G行业专网成为了运营商新的利润增长点，但行业对5G专网的运维保障还没有形成一套较好的解决方案。这是因为5G系统的复杂性大大增加，传统的网络运维方式已经无法满足5G网络的需求，需要引入智能化的运维系统来解决这一问题。智能运维系统借助人工智能、大数据分析和自动化技术，可以实时监测、诊断和优化网络，提高网络的可用性和可靠性。

基于此，本文提出了一种基于仿真拨测的5G行业专网质量检测系统，首先通过多种探针方式覆盖5G专网的各个业务测试场景，其次以协议栈仿真技术逐级验证各网元能力，最后以Flink大数据技术收集拨测数据，实现指标异常检测、劣化检测等，为5G专网的智能运维保驾护航。

5G行业专网发展现状

5G行业专网作为5G技术的一个重要应用方向，随5G网络的大规模部署而迅速发展。其主要针对企业用户，能够为各行各业提供更高效、更智能的解决方案。

当前，5G专网已经在多个垂直行业中得到广泛应用。在制造业，5G专网通过提供高速率、低时延的网络连接，助力智能工厂的生产和管理；通过将设备、机器人和工人纳入同一网络中，实现数据的实时传输和工作协同，提高了生产效率和产品质量。在物流行业，5G专网可以实现智能物流管理，包括精准的位置追踪、实时数据传输和智能调度等，提高了物流行业的效率和可靠性。在医疗领域，5G专网可以支持远程医疗、医疗影像传输等服务，实现医疗资源的优化配置和医疗服务质量的提升。

此外，5G专网在能源、农业、金融等领域也发挥着重要作用。在能源行业，5G专网可以助力智能电网的建设，提高电网的稳定性和可靠性，实现对智慧能源的管理和利用。在农业领域，5G专网可以推动农业智能化，包括精准农业、农业物联网等，提高农业的生产效率和农产品质量。在金融行业，5G专网可以支持高频率的金融交易和数据实时传输，提高金融业务的效率和安全性。

为了满足不同行业专网用户对网络质量的要求，运营商迫切需要一种能够实时检测专网质量的方法，以确保网络的稳定性和高效性，提高专网用户的生产效率和满意度。

基于仿真拨测的5G专网质量检测系统设计

5G专网质量检测系统主要是为了解决专网运维过程中故障定位难、定位慢等问题，该系统主要分为数据采集、核心网仿真、数据分析与智能告警三个功能模块，系统通过实时拨测话单数据，利用协议栈仿真技术对核心网网元进行仿真，使用Flink大数据技术对拨测数据指标进行分析、检测，当指标出现异常时，立刻向运维人员报警。图1为5G行业专网保障系统架构。

图1 5G行业专网保障系统架构

5G行业专网数据采集

5G专网数据采集是质量检测的第一步，考虑到5G专网业务的复杂性，质量检测系统采用硬件与软件结合的方式，在有线侧与无线侧全方位采集拨测数据。对拨测数据的采集主要有以下几种方式。

方式一：通用终端

通用终端主要解决企业内部无线侧的网络质量检测问题，其具备以下功能。

1.无线网络指标收集：终端可以收集与无线网络相关的各种指标，如信号强度、小区信息、信噪比等。通过对这些指标的采集与分析，可以对无线网络的质量进行评估并及时发现潜在问题。

2.信令流程测试：终端可以进行信令流程测试，如专用DNN（企业内部数据网络）的注册和会话建立。基于此，可以确保企业内部数据网络的正常运行，提高企业内部通信的稳定性和可靠性。

3.企业应用和数据通道测试：终端可以对企业应用和数据通道进行测试，评估其状态及相关指标，如响应时延、网络时延、丢包率、抖动、网络带宽等。

方式二：端侧探针

SDK端侧探针SDK是一种采集并上报终端设备状态、网络覆盖、业务质量等关键信息的工具，同时还能执行测量指令，图2是端侧探针SDK使用示意。探针SDK的主要功能包括以下几个方面。

图2 端侧探针SDK使用示意

1.关键信息采集与上报：探针SDK可以采集终端设备状态、网络覆盖及业务质量等关键信息，并将这些信息上报给数据汇集模块或探针分析平台。通过对这些信息的采集与分析，可以了解终端设备的运行状况、网络的覆盖情况以及业务的质量。

2.适配不同终端设备：探针SDK可以通过南向接口与网关的适配层对接，从而实现在不同的5G终端设备上便捷运行。

3.与数据汇集模块和探针分析平台的交互：探针SDK通过北向接口与数据汇集模块或探针分析平台进行交互，实现数据的上报并接受来自平台的测试请求和配置管理。

4.下挂设备信息采集：探针SDK还可以通过网关与行业终端的接口进行通信，采集下挂设备的信息。

方式三：MEC软探针

MEC软探针是部署在边缘计算网络MEC服务器内的一种工具，通过仿真企业应用行为，对现网企业终端设备、CPE设备以及MEC边缘计算网络中的企业应用进行运营监控和预警保障。MEC软探针主要采用入驻式与伴随式两种部署方式。

入驻式MEC软探针是一种适用于优享、专享、尊享等各类企业用户的工具。其部署方式是将软探针直接安装在企业的MEC服务器上，并与企业应用部署在同一台MEC服务器上，实现共生共存。这种部署方式可以充分利用企业MEC云资源池，最大限度地减少对企业资源的占用。

在部署之前，入驻式MEC软探针需要获得企业用户的明确同意。用户可以根据自身需求和安全要求，决定是否允许软探针进驻其MEC服务器。入驻式软探针只占用企业的少量资源，以确保对企业应用的影响最小化。具体的部署方式如图3所示。

图3 入驻式MEC软探针部署方式

伴随式MEC软探针是为采用共享用户面协议网关（UPF）的优享、专享类企业用户设计的。相较于入驻式软探针，伴随式软探针的部署方式更为灵活，可以在独立的MEC服务器上进行部署。这种部署方式具有不影响企业业务的优点，企业部署后无需感知软探针的存在，且软探针不会占用企业的任何资源。伴随式MEC软探针具体的部署方式如图4所示。

图4 伴随式MEC软探针部署方式

基于协议栈仿真技术的核心网网元仿真

5G专网质量检测系统采用协议栈仿真技术，以3GPP的网元接口协议规范和网元接口协议栈模型作为标准，通过软件方式模拟gNB、AMF、SMF等网元的能力，以检测不同网元的功能。其实现原理是：在需要检测某一网元功能时，系统以仿真的方式对该网元的上一级网元进行模拟，从而验证该网元的能力。

对5G专网AMF网元的检测通过仿真gNB实现，如图5所示，涉及指标如下。注册注销：注册成功率、注册时延，注销成功率、注销时延。PDU会话：PDU会话建立成功率、时延。分DNN：分DNN的PDU会话建立成功率、时延。分切片：分切片的PDU会话建立成功率、时延。

图5 5G专网AMF网元检测

对5G专网SMF网元的检测通过仿真AMF实现，如图6所示，涉及指标如下。PDU会话：PDU会话建立成功率、时延。分DNN：分DNN的PDU会话建立成功率、时延。分切片：分切片的PDU会话建立成功率、时延。对5G专网UPF网元的检测通过仿真“gNB+SMF”实现，如图7所示，其涉及指标如下。PDU会话：PDU会话建立成功率、时延。分DNN：分DNN的PDU会话建立成功率、时延。分切片：分切片的PDU会话建立成功率、时延。数据通道：DNS解析成功率、时延，网页访问成功率、时延，公网服务器时延、丢包、抖动，企业应用服务器时延、丢包、抖动。

图6 5G专网SMF网元检测

图7 5G专网UPF网元检测

对企业应用的检测通过仿真gNB实现，如图8所示，涉及指标如下。企业应用：企业应用服务器状态、业务端口状态，以及企业应用服务器时延、丢包、抖动。应用协议：模拟企业应用协议测试，如UDP、TCP、FTP、HTTP、视频流等协议指标，还可以配合MEC软探针进行上下行业务验证。

图8 企业应用检测

基于Flink的大数据分析

5G专网数据采集与核心网网元仿真是质量检测系统的前置条件。本系统通过多种方式采集专网话单数据，并利用仿真网元逐级验证核心网网元的能力。采集数据后，各项指标数据汇聚至数据库进行后续的处理、分析和预警。然而，由于拨测话单数据实时产生且数据量庞大，为满足系统对数据处理和分析的需求，本系统选择了大数据领域中的Flink技术，用于实时处理和分析话单指标数据。该技术能够有效满足系统的需求，大数据分析平台的框架如图9所示。

图9 大数据分析平台框架

1.数据采集与处理

通过模拟5G专网用户发起的拨测话单，在经过不同分段仿真网元后得到多种指标数据，由于拨测话单实时产生、数据量大，本系统采用基于Flink的数据采集技术。采集后的数据通常以字符串形式存在，不能直接进行分析预测，需要对原始指标数据进行加工处理。

常见的数据处理主要是针对数据库中的重复数据项、数据异常项、数据缺失项等进行处理。

造成重复数据项的主要原因是数据的重复上报，针对此类错误应直接删除重复项，以保证数据库中日志数据的唯一性。

造成数据异常项的主要原因是在传输过程中数据受到干扰以致发生错误，如规定是数字类型的字段值，传回汉字或者符号；规定是int类型数据，返回浮点型数据等。对于数据异常项也应做删除操作。

另一种数据错误是字段值为空，这种现象可能由多种原因造成。针对此类数据，系统采用中位数插补进行数据填补。

2.故障检测与告警质量

检测系统的“最后一环”是故障的检测与告警，这是辅助运维人员排查故障的重要功能。当数据发生异常时，需要及时对异常指标进行检测。

针对异常检测场景，系统利用专家经验预设各网元指标的上下阈值，当实时上报指标大于或小于该项数值时，系统通过短信方式向运维人员告警，提示异常指标发生的时间、网元位置。本系统可提供7×24小时的故障预警保障。

应用场景及结论

基于仿真基站、网元及探针等技术手段，可以有效对2G、4G和5G核心网侧设备路径进行遍历，从而实现对物联网APN业务和物联网管道的全面拨测。通过这种拨测能力，保障用户的感知体验，并满足移动物联网的实际需求。此外，还可以为物联网业务提供一种便捷的“云管端”拨测能力，如图10所示。

图10 物联网仿真测试

监测和告警系统的建立为网络运维工作提供了可靠的支持，并显著提高了故障处理的效率，从而最大限度地减少了故障对专网业务的影响。通过对专网拨测指标的统计分析，质量检测系统能够及时发现网络指标的劣化问题。在指标劣化初期，系统通过短信或平台接口的方式告警，迅速将告警信息推送给网络维护人员，确保维护人员在问题出现的第一时间获知，进而快速、准确地进行故障定位和处理。5G行业专网质量检测系统的应用，可使运维人员更好地应对网络故障，保障行业用户业务的稳定性和可靠性。