任 馳，馬瑞濤，穆 佳（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

0 引言

移動網數據分析的需求由來已久，相關的工作也在4G 時代隨著網絡復雜度的提升以及應用的持續(xù)發(fā)展形成了較為完善的需求體系和應用方案。但隨著移動網絡的不斷演進，移動業(yè)務也開始呈現(xiàn)出爆炸性發(fā)展的趨勢，新場景、新業(yè)務層出不窮，對網絡提出了越來越多、越來越復雜的資源管理和調度需求，而傳統(tǒng)的網絡數據分析往往需要通過外部的平臺、硬件等非原生能力實現(xiàn)，系統(tǒng)的部署方案復雜，自動化程度相對較低，影響了后續(xù)決策調整和資源調度的實時性。

5G 網絡面向更極致的業(yè)務體驗，高速率、低時延以及高密度的部署場景，傳統(tǒng)的數據分析架構已經很難滿足對應的業(yè)務需求。而5G 核心網基于更靈活和輕量化的模塊化、服務化架構設計，為網元間直接的數據采集和集成提供了可能，并為未來針對不同場景進行擴展和定制留下了空間，因此5G核心網原生數據分析能力的提出是水到渠成。在此背景下，3GPP 在Rel-16 和Rel-17 階段設計了基于網絡數據分析功能（Network Data Analytics Function，NWDAF）的5G 核心網數據分析架構，并定義了一系列的數據采集、存儲、分析和管理的功能和流程，以滿足5G整體網絡發(fā)展下更快速和實時的網絡自動化管理和優(yōu)化需求。

1 整體架構概述

1.1 基礎架構要求

為滿足移動網絡日益豐富的業(yè)務需求，支持虛擬化架構下5G 網絡的動態(tài)、靈活和彈性的部署形態(tài)，3GPP 定義了NWDAF 及以其為核心的一系列數據采集、分析、存儲和協(xié)調框架，以實現(xiàn)5G核心網內生的數據采集和分析能力，進而通過NWDAF 體系實現(xiàn)靈活、實時的網絡及業(yè)務優(yōu)化決策及網絡資源動態(tài)調整。如5G 網絡可以通過數據分析掌握特定時間段內特定區(qū)域的網絡負載情況并作出擁塞預測，從而向應用服務器提供網絡擁塞預警，為應用側更新應用管理策略提供參考（比如自動駕駛類業(yè)務在接收到此類預警后重新規(guī)劃路線繞開潛在的網絡擁塞區(qū)域，或在進入可能出現(xiàn)網絡擁塞的區(qū)域前降低自動駕駛等級）。NWDAF 可以使用服務化接口提供對應的服務，向服務消費者提供所需的數據分析能力，并可以通過其他服務化網元（如AMF、SMF）開放的服務化接口進行數據分析所必須的數據采集工作。

在部署形態(tài)層面，特定區(qū)域內（如PLMN 內）可能存在一個中心NWDAF和多個下級NWDAF的架構，甚至可以存在多級的/樹狀的部署架構。依據不同的應用和部署需求，下級NWDAF 可能獨立部署，也可能和其他網元合設以支持靈活快速的數據實時采集能力。多NWDAF部署架構下，多個層級NWDAF可能分別支持不同的分析ID（Analytics ID）或服務于不同的服務區(qū) 域（NWDAF Serving Area），并 通 過 中 心/上 級NWDAF進行數據的統(tǒng)一分析管理。

在實際的數據采集和分析過程中，NWDAF 可以通過其開放的服務化接口直接接收來自NWDAF 服務消費者的分析請求并返回分析結果，或向數據源NF請求所需要的原始數據信息，其交互過程遵循服務化架構的通用標準流程，所對應的系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 基于NWDAF直接交互模式的數據分析架構

在請求或訂閱數據分析時，NWDAF 服務消費者可以在分析請求或分析訂閱消息中詳細描述分析的對象以及其他指導NWDAF 進行數據采集和數據分析的控制參數，這些控制參數可能包括（但不限于）：

a）以分析ID（Analytics ID）標記的請求的分析類型（如NF性能分析、UE異常行為分析等）。

b）分析報告目標。指示所請求的分析信息的對象，如特定的一個UE或一組UE，也可以針對所有UE。

c）報告門限。指示觸發(fā)NWDAF 通知的條件，如某事件發(fā)生次數超出特定取值等。

d）分析目標時段。以一個包含開始時間和結束時間的時間間隔表達，如果時間間隔的開始時間和結束時間屬于過去，則表示該請求是一個針對過去信息進行統(tǒng)計的請求，而屬于未來則表示該請求是一個針對未來情況進行預測的請求。

e）分析輸出策略。指示針對請求的分析，需要優(yōu)先保障分析的準確性要求或分析輸出的時間要求，如果是前者，則準確性未達到要求前，即使達到了請求中所要求的時間，NWDAF 也不會反饋分析信息，如果是后者則會嚴格遵循NWDAF 服務消費者指示的時間要求（時間間隔或時間周期）。

需要注意的是，為了不限制實際應用中的靈活性和可擴展性，3GPP所定義的要求只針對系統(tǒng)架構和接口交互的能力，而不涉及數據分析、模型訓練算法的要求，具體的算法可以基于不同的應用需求和應用場景進行靈活的配置和管理。

NWDAF 可以通過調用如表1 所示的數據開放服務，從對應的數據源進行數據采集。

表1 數據源NF及其支持的數據開放服務

1.2 NWDAF能力分解

NWDAF 可以具備數據分析能力或模型訓練能力之一，也可以同時具備2種能力，在這樣的邏輯功能分解要求下，可將支持不同能力的NWDAF 視作不同的邏輯功能模塊，分別為：

a）分析邏輯功能（AnLF）。包含分析邏輯功能（AnLF）的NWDAF 可以進行數據的推理，生成分析信息（如基于分析消費者的請求或訂閱生成針對過往的統(tǒng)計分析，或針對未來的預測信息），并將分析信息作為其所提供的服務開放給分析消費者。

b）模型訓練邏輯功能（MTLF）。包含模型訓練邏輯功能（MTLF）的NWDAF 可以針對初始分析模型進行訓練，并將完成訓練的分析模型提供給AnLF使用。

分析服務的消費者可以基于服務化架構下的NF發(fā)現(xiàn)和選擇機制通過NRF 發(fā)現(xiàn)支持所需能力的NWDAF（AnLF 能力、MTLF 能力，或同時支持2 種能力），在此基礎上，NWDAF 還會將其所支持的分析ID（Analytics ID）、服務區(qū)域等信息作為NF 資料（Profile）的一部分注冊到NRF 中，以支持分析服務消費者能夠找到一個具體的NWDAF。

2 數據管理及分析增強要求

2.1 概述

為滿足靈活的數據采集和存儲管理能力，提升基于NWDAF 的數據分析系統(tǒng)的數據采集和分析效率，在NWDAF 的基礎架構和功能分解要求的基礎上，3GPP進一步定義了以下數據管理增強架構要求。

a）基于DCCF（Data Collection Coordination Func?tion）/MFAF（Messaging Framework Adaptor Function）的數據采集/分發(fā)協(xié)調框架。

b）基于ADRF（Analytics Data Repository Function）的數據存儲和檢索框架。

下文將分別介紹數據采集和分發(fā)協(xié)調，以及數據存儲管理對應的系統(tǒng)架構和功能增強要求。

2.2 數據采集和分發(fā)的協(xié)調

2.2.1 數據協(xié)調架構

在直接通信模式（圖1）的基礎上，網絡也可能通過基于DCCF/MFAF 的數據采集協(xié)調框架完成對應的數據或分析請求流程。DCCF 可以記錄經過其所處理的每一個數據采集或分析請求流程以及后續(xù)的處理過程，從而避免不同的NWDAF 向同一個數據源重復采集相同的數據，或在某一分析請求已經完成并被返回給分析服務消費者后，不同的分析服務消費者請求同樣范圍的分析時重復相同的數據采集、分析和反饋流程。

基于DCCF/MFAF的數據協(xié)調架構如圖2所示。

2.2.2 數據采集協(xié)調

在部署DCCF 的場景下，數據或分析消費者可以基于其本地配置選擇直接向數據源或NWDAF 請求原始數據和分析數據，或是將數據/分析請求消息發(fā)送給DCCF，由DCCF 根據請求中所包含的信息判斷數據采集和分析狀態(tài)，并在需要時選擇合適的數據源或NWDAF 執(zhí)行對應的數據采集或分析請求流程。DC?CF 會持續(xù)地跟蹤其所管理的處于活躍狀態(tài)的數據處理過程，即DCCF 記錄每一個獨立的數據采集和數據分析流程，將其組成一個列表并在數據處理的過程中持續(xù)維護這個列表的狀態(tài)。需要注意的是，在NWDAF 直接向數據源請求數據的情況下，NWDAF 也可以選擇將其所進行的數據采集的相關信息（如數據源類型，所調用的服務，使用的Analytics ID 或Event ID，時間/地理范圍等）注冊到DCCF 中，以備DCCF 在未來進行查詢和匹配，避免重復的數據采集和分析過程。

圖2 基于DCCF框架的數據分析架構

理論上，一個DCCF 可以同時服務多個數據消費者或從多個數據源進行數據采集，但在實際的應用中還是建議一個數據消費者或數據源只和一個DCCF 或DCCF 組（DCCF Set）關聯(lián)，如果DCCF 和數據消費者或數據源部署了多對多的關系，不同的DCCF 仍可能重復的從同一個數據源采集數據，這樣就違背了數據采集協(xié)調框架設計的初衷。

2.2.3 數據分發(fā)協(xié)調

在應用了DCCF/MFAF 框架（圖2）的情況下，原始數據和分析數據的采集和分發(fā)由DCCF/MFAF 統(tǒng)一進行協(xié)調和管理，系統(tǒng)可以通過2種方式進行數據協(xié)調，即：

a）由DCCF直接進行數據分發(fā)管理。

b）由消息框架（Messaging Framework）通過MFAF進行數據分發(fā)。

在通過DCCF 進行數據分發(fā)管理的情況下，數據源提供的原始數據或NWDAF 提供的分析數據將發(fā)送給DCCF 而不是直接發(fā)送給消費者NF，并由DCCF 基于之前收到的數據或分析請求統(tǒng)一協(xié)調并分發(fā)給對應的消費者NF，DCCF 也可以配置將所收到的數據存儲在ADRF中以供未來檢索和使用。

在原始數據分發(fā)協(xié)調的情況下，在向數據消費者進行數據分發(fā)之前，DCCF 可以基于數據消費者的數據采集請求消息中所包含的數據格式化指示和數據預處理指示進行對應的數據處理工作。其中，數據格式化指示中的信息指明DCCF 應在何時向數據請求者發(fā)送數據通知，如：是否緩存并定時發(fā)送數據通知，是否將多條數據通知合并在一條消息中發(fā)送，或當數據消費者同時請求了多個事件通知時，是否只有在所有事件均發(fā)生時才會向數據消費者發(fā)送通知。而數據預處理指示則指示DCCF 需將多個通知消息中所包含的數據進行提煉和歸納并形成統(tǒng)一的數據報告，并在向數據消費者發(fā)送的數據通知中以一個數據報告取代多個數據通知消息，減少所需要發(fā)送的數據量，降低對應接口的數據流量負荷。

在消息框架通過MFAF 進行數據分發(fā)管理的情況下，將由消息框架進行數據的格式化和預處理。需要說明的是，消息框架是針對數據采集和分發(fā)的可擴展需求所定義的支持非3GPP 協(xié)議的功能實體，因此不能直接和3GPP 網元功能進行交互，為此3GPP 定義了支持消息框架和3GPP 系統(tǒng)間協(xié)議轉換和消息交互的消息框架適配器功能MFAF，MFAF通過服務化接口提供對應的服務分別向數據消費者和DCCF 進行交互。在實際的應用中，NF消費者的數據或分析請求仍發(fā)送給DCCF，由DCCF 在判斷數據采集狀態(tài)并確定需要發(fā)起新的請求后指示MFAF 進行數據采集，在DCCF 向MFAF 發(fā)送的指示消息中包含足夠的信息以支持消息框架識別從數據源處獲取的數據并進行數據格式化和數據預處理。消息框架完成數據處理后將其提供給MFAF，并由MFAF 根據DCCF 的指示將數據通知給數據的消費者。

2.3 數據存儲管理

2.3.1 數據存儲架構

ADRF 是為實現(xiàn)統(tǒng)一的原始數據和分析數據的存儲和管理所定義的網絡功能實體，ADRF 可以作為數據的消費者從DCCF/MFAF 或其他控制面NF 獲取數據，也可以作為數據源由DCCF/MFAF 或NWDAF 從中檢索并獲取數據。

基于ADRF的數據存儲架構如圖3所示。

圖3 基于ADRF的分析數據存儲架構

2.3.2 數據存儲要求

ADRF 通過對外開放的服務化接口提供對應的服務以實現(xiàn)數據（原始數據和已經完成分析的分析結果數據）的存儲管理，NWDAF 或DCCF/MFAF 可以調用ADRF 的數據管理服務請求將已采集到或已完成分析的數據存儲在ADRF 中，也可以在采集或分析數據的過程中預先判斷之后收到的數據是否需要存儲在ADRF 中，在后一種情況下NWDAF 或DCCF 將在收到分析數據或數據消費者發(fā)來的請求時，通過數據存儲訂閱請求預先要求ADRF 向其進行訂閱，并在完成數據采集或數據分析后通知ADRF，觸發(fā)ADRF 向其獲取并存儲對應的原始數據或分析數據。

在數據檢索和獲取方面，數據消費者可以向ADRF 直接請求所需要的特定時間窗口內的原始數據或分析數據，這個時間窗口一般為一個過去的時間段，由ADRF 確定數據的可用性后將其提供給數據消費者，如果所請求的數據尚未存儲在ADRF 中，ADRF也可以指示對應的功能實體進行數據的獲取活動。針對尚未產生的數據（即目標時間段為未來的時間），數據消費者通過訂閱的方式向ADRF 進行數據的請求，進而觸發(fā)ADRF 向對應的數據管理者進行數據訂閱。

ADRF 也可能和其他NF 合設部署，在此情況下，如果ADRF 直接從與其合設的NF處獲取了數據，其應將獲取的數據情況注冊到DCCF中，以備DCCF未來協(xié)調調用。

3 典型應用場景分析

3.1 概述

在向NWDAF 請求獲取數據分析信息時，NWDAF服務消費者會在請求或訂閱消息中指示所期望的分析場景，這些分析場景以不同的Analytics ID 進行標記，3GPP 系統(tǒng)在當前階段支持的分析場景如表2 所示。

表2 5GC支持的分析ID（Analytics ID）列表

下文以UE 通信分析為例對典型事件分析進行介紹。

3.2 UE通信分析

UE通信分析的目標為支持更優(yōu)化的針對UE業(yè)務的網絡行為，包括靈活提供定制化的移動性管理策略，優(yōu)化的流量路由管理，改善QoS及非激活定時器管理策略等。NWDAF 通過分析UE 的通信模式以及用戶面流量模型，向5GC 中的其他NF 提供分析結果，作為后續(xù)執(zhí)行優(yōu)化策略的輸入信息。

針對UE 通信分析，NWDAF 所需要采集的數據以及對應的數據源如表3所示。

經過NWDAF 的分析，NWDAF 可以向消費者提供UE 相關的統(tǒng)計信息或預測信息，針對統(tǒng)計分析的情況，NWDAF輸出的分析結果如表4所示。

表3 UE通信分析所需的輸入信息

表4 UE通信的統(tǒng)計分析輸出信息

針對預測分析的情況，NWDAF 輸出的分析結果和統(tǒng)計的基本相同，并在此基礎上標明NWDAF 對分析結果的概率論斷信息，提供分析的置信度作為NWDAF服務消費者后續(xù)決策的參考。

4 結束語

本文根據3GPP 相關標準的要求，重點分析了5G核心網原生數據分析的系統(tǒng)架構和功能增強要求，討論了以NWDAF 為核心，以DCCF/MFAF 和ADRF 為輔助的數據管理框架，并以UE 通信分析為例介紹了典型的數據分析場景和主要數據的獲取和輸出要求。

當前階段，3GPP 在Rel-16 和Rel-17 階段僅提出了部分分析場景（見表2）對應的解決方案，而在實際的應用中，基于不同的網絡部署方式和應用管理需求，對應的分析需求顯然遠不止限于規(guī)范定義的場景。3GPP 規(guī)范只是提供了基本的系統(tǒng)框架和不同場景的分析思路，在后續(xù)的部署和實踐中則需要基于不同的需求和場景，參考該框架進一步思考如何提升NWDAF 架構的可擴展性和泛用性，推動NWDAF 架構和運營商已有的分析平臺以及OSS/BSS 系統(tǒng)結合，以構建通用的、全場景的5G 網絡原生的數據分析能力，真正實現(xiàn)網絡整體的自動化管理和優(yōu)化。