基于探针的5G专网质量测试研究与实现

陶志平（中国移动通信集团江苏有限公司，江苏南京 210012）

1 概述

随着万物互联时代的到来，5G网络已成为了不可或缺的关键基础设施。而5G 专网则是服务于各行各业的重要网络。相较于之前的简单介质，5G专网的业务组网介质更加复杂，跨域程度高，不仅需要支持客户端和无线设备接入，还需要涵盖边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）、承载和核心等多个维度。由此，该网络的业务场景也变得多种多样，并且客户的需求也更为复杂，如故障容忍度低、业务保障颗粒度细、数据安全性要求高等。在这个背景下，如何对内部核心侧以及分布在客户侧的设备和服务进行高效监控，满足客户要求的服务水平协议（Service Level Agreement，SLA）标准，对于电信运营商来说，无疑是一个全新的挑战。

目前，电信运营商在5G网络运维监控方面所使用的手段主要包括5G 专网核心网质量管理和仪表维护等方法。然而，5G 专网核心网质量管理虽然可以对核心网故障进行定位，但无法满足客户对网络的SLA 保障要求，难以监控客户专网质量和主动发现问题；而仪表维护手段则存在效率低、维护成本高等问题。因此，需要一种更为先进、可靠的5G专网监控方案。

为此，本文提出了一种基于探针的5G专网质量测试方案，包括多接口边缘探针和多接口分段测试方法。该方案能够全面、高效地监控5G 专网质量，实现客户专网质量监控和主动质量分析，具有更高的可靠性和效率，可为电信运营商提供更为先进、可靠的5G专网维护手段。图1给出了5G专网测试组网示例。

2 技术方案

本文通过在客户专网内部署5G测试硬件探针，通过多接口接入网络不同节点，自动进行业务主动测试，从而快速发现业务降质问题，对故障隐患进行定界定位，大大提高5G专网维护效率。

2.1 多接口测试硬件探针设计

图2 为探针系统部署示意。测试探针具备有线、Wi-Fi、5G多接口接入测试方式，以适应客户不同的组网结构。硬件框图如图3所示。

图2 探针系统部署示意

图3 测试探针硬件框图

CPU 核心模块为测试探针硬件核心部件，集成了CPU、内存、ROM。其中测试通道包括以下3种。

a）5G 测试通道。通过标准M.2 主机接口与5G 模组信息传递，便于不同型号无线模组的替代，支持两路5G测试通道，通过无线接入客户侧5G基站，监控无线信号质量，测试业务质量。

b）Wi-Fi测试通道。用于接入专网CPE设备进行业务质量测试。

c）以太网测试通道。用于接入专网路由器设备进行业务质量测试。

5G 基站拨测监控：通过边缘硬探针无线接入客户侧5G基站，监控5G无线及业务质量。

AR/CPE 拨测监控：通过边缘硬探针接入AR/CPE拨测，监控客户侧AR/CPE业务质量。

2.2 探针测试方案设计

测试中心主要提供人机交互界面服务；根据维护人员配置的测试计划，自动策略调度，生成单个测试实例并控制探针进行测试动作；对探针回传测试记录数据进行分析，进行业务质量统计监控和故障定界定位。测试及故障分析流程如图4所示。

图4 测试及故障分析流程

2.2.1 建立多接口分段测试模型

5G 专网测试目的除了业务质量监控，更重要的是能够对故障定界定位，如果只是针对单个节点的接入测试，只能感知业务质量变化，无法对故障进行定界和对故障点分析。本文针对5G 专网采用多接口分段测试方法，通过不同接口接入到不同网络节点，进行并发测试，为故障分析提供数据基础。

一个典型的5G 专网元素主要包括客户终端、AR路由器、CPE、基站、用户平面网络功能设备（User Plane Function，UPF）和服务器节点，按照业务路径和节点，划分为终端段、接入段、无线段、核心网段以及服务段，每段内由多个同类节点设备组成，每个节点的运行状态以及节点之间的传输质量是影响5G 专网业务质量好坏的关键因素。图5 为分段接入测试示意。

图5 分段接入测试示意

针对每段的节点设备，采用不同的接入方式进行测试，根据专网网络网段限制及数据隧道，选取不同的测试目标，测试业务流遍历覆盖专网内所有节点设备，具体如表1所示。

表1 测试模型能力支持表格

在图5 中，硬件探针通过以太网接入接入段AR1节点设备，向服务器1发起上行业务测试，测试业务流会经过{CPE1、5G 基站1、UPF、AR、服务器1}节点设备，测试结果反映的就是这些节点设备的运行状态以及之间的传输质量。

2.2.2 业务质量监控预警

建立多接口分段测试模型中描述的多接口接入测试探针设备，根据维护人员的配置，7×24 h周期性主动发起业务，以测试专网网络层连通性（ICMP Ping、TCP Ping、UDP Ping 等）以及应用层（Web、视频、下载等）业务质量，并实时进行质量统计分析，对关键业务指标KPI（成功率、时延）采用门限阈值判决、预警基线等方法监控，劣化时产生质量预警事件，触发故障分析。

为了遍历测试更充分，故障分析时，一般选取网络层连通性KPI预警事件作为样本数据。

2.2.3 构建故障分析图模型

当专网中节点或传输发生故障，会导致多个探针测试点同时产生预警事件，需要进行收敛和定位，根据专网拓扑结构以及硬件探针的测试业务流所经过的节点，构建故障分析图模型。

故障分析图模型定义为G=（N0，A0，C0，S）

a）节点集合N0={n1，n2，…，nm}。节点表示专网拓扑结构中的实际网元节点，每个节点具有状态值，表示某个时刻本节点为故障源的概率大小。

b）边集合A0={a1，a2，…，an}，表示相邻节点之间的连接关系。

c）相容通路集合C0={c1，c2，…，cn}。相容通路有多条边，表示故障传播途径，即故障只有通过相容通路才能传播，实际是测试模型中每一种测试业务流经过的相关联节点所组成的边集合。在5G 专网测试应用中，每一种测试模型对应的相容通路集合基本是静态的。

d）S为节点状态计算函数。根据探针的预警事件，结合测试方向、测试业务属性、测试业务重要性等要素计算相容通路中相关联节点的故障源概率。

2.2.4 故障诊断分析

故障诊断分析步骤如下。

a）质量预警事件预处理。对基于各个探针上报的质量预警事件，进行时间点约束并归一化，提取相应的测试模型，包括接入节点、相容通路等信息。

b）节点状态计算。扫描所有预警事件，根据相容通路集合，使用节点状态计算函数，计算相关节点的故障源概率，并更新节点状态值。

c）故障源搜索。遍历回溯故障分析图节点集合N0，获取状态值最大的节点Nx，确定节点Nx及其到上联节点之间的传输为故障点疑似范围。

2.3 探针5G专网边缘硬探针测试场景

a）硬探针内置5G 模组，通过园区5G 基站无线信号接入用户专网，可模拟园区5G 终端发起Ping/TCP Ping 用户服务器、发起DNS、HTTP、TraceRoute、FTP 上下行传输等测试功能。

b）硬探针内置2.4G/5G Wi-Fi 模块，通过用户CPE 释放的Wi-Fi 信号接入用户专网，可测试终端至CPE的网络质量及a）中的所有测试项。

c）硬探针通过以太网口有线接入用户AR 设备，模拟用户AR下的终端测试a）中的所有测试项。

3 实施成效

该系统已在某省13个地（市）应用，通过在客户专网内部署5G测试硬件探针，并采用多接口分段测试方法，可以快速发现业务降质并对故障进行定界定位，提高了5G 专网维护效率。使用系统进行日常网络维护及故障诊断分析，识别网络和业务隐患，通过趋势分析发现网络隐患，通过失败码偏离率等算法自动定位问题原因，网络分析效率提升80%以上，故障定界定位效率提升90%以上，有效解决了5G 专网网络维护痛点，显著提升5G 专网维护的效率和准确性，为客户提供更好的服务保障。

4 结束语

本研究提出了一种新的基于探针的5G 专网网络质量测试方案，能够实现快速、准确的网络质量探测，并满足5G专网网络服务质量的要求。未来，可以进一步改进技术，引入更多的人工智能算法，以提供更为准确、有效的5G 专网网络质量控制手段，从而为该网络的稳定运行提供有力保障。这一方案具有广泛的应用前景，将对5G专网网络运维的发展产生重要的推动作用。