TMF国际大奖技术揭秘：5G智能动态步长
5G的到来将引发ICT步入万物互联的时代，用户数和使用量都会存在量级的增长，系统处理压力日渐凸显，虽然目前业务系统已实现计费应用和数据平台横向扩展能力，但是要支撑海量的话单处理能力，对主机、网络、存储等硬件资源的需求将是巨大的。
按3GPP的5G规范，计费系统是通过返回给网元的应答包中，下发配额给网元，从而控制网元发送消息给计费系统的频率。我们有没有办法利用话单接口协议的改变来减少话单量呢？套内大流量的用户有必要输出那么多话单吗？是否可以利用AI技术做提前预测呢？
减轻系统性能压力刻不容缓
随着智能终端普及、移动互联网应用日益丰富，提速降费、流量经营、物联网等业务的有序开展，导致话单量呈几何倍增，这对运营商系统支撑带来严峻的挑战。
以运营商某省无限流量业务发展为例，2018年09月至2019年07月消息量增长126%，存储增加263%，2019年07月日均消息量15.7亿、日均详单量达7.6亿，这对于运营商支撑系统的能力、存储、带宽等都是不小的压力。
4G时代业务的发展带来了话单批价运算量10到20倍的增长。即将到来的5G网络，也必将引发整个ICT产业从当下的移动互联网为主转而步入到万物互联的时代，届时对于运营商的系统容量和计费能力需求将无法预知。
为了减轻5G海量话单带来的系统性能压力，减少主机、网络、存储等硬件资源需求，迫切需要采用有效的机制来降低计费与网元的交互次数，同时减少计费话单量。
如何有效减轻系统性能压力
01 方案分析
要想减轻计费系统的性能压力，首先我们要来了解下目前计费系统与网元的消息交互模式。按3GPP的5G规范，计费系统是通过返回给网元的应答包中，下发配额给网元，从而控制网元发送消息给计费系统的频率。目前计费系统给网元下发的配额一般采用固定配额，但固定配额存在以下几个问题：如果配额配置太大，则每条消息产生的时长流量就比较大，从而导致欠费、提醒难控制；如果配额配置太小，则网元下发给计费系统的消息量就会激增，从而导致计费系统性能压力增大。
通过引入智能动态步长，可以根据不同用户、不同流量业务使用情况，精准的对用户未来流量使用趋势进行预测。然后根据趋势预测数据，针对性的对每个用户的每个业务类型单独计算步长。当用户使用量未达到流量提醒阈值之前，参考用户预测数据，优先控制话单量；当用户使用量达到流量提醒阈值之后，使用小步长，优先控制欠费和确保提醒及时性。
使用智能动态步长之后，用户每天话单量将随着步长的变化而变化，如下图所示：
根据以上的步长和话单量趋势图，我们可以看出：月初时，用户套餐剩余量比较大，此时给用户一个较大的步长，话单量会比较小；月底时，随着用户套餐剩余量减小，最终步长采用基准步长，此时话单量会增大。
02 2C场景效果举例
举个场景进行说明：假设用户A订购一个流量为50G的套餐，提醒阈值为80%。用户A于3日8：00上网3小时，使用流量3G；于25日19：00上网2小时，使用流量2G。
那么对于用户A，在3日8：00~10：00之间，由于套内剩余量比较大，系统将根据用户上网预测流量进行步长计算，步长为1G，系统将生成3G/1G=3条话单；25日19：00~20：00之间，由于套内剩余量比较小，系统将根据用户套内剩余量进行步长计算，步长为0.5G，系统将生成1G/0.5G=2条话单；25日20：00~21：00之间，由于套内剩余量为0，系统将使用基准步长（0.1G），生成1G/0.1G=10条话单。使用动态步长的情况下，合计生成话单数为3+2+10=15条。
如果不使用动态步长，全部采用基准步长（0.1G）,那么系统将生成(3G+2G)/0.1G=50条话单。
如上所示，用户A在这两个时间段内的流量使用智能动态步长就能减少35条话单，减少了70%的话单。
03 2B场景效果举例
我们来看一下5G 2B的情况，假设高速公路交警采用5G高速无人机做自动巡检，一个无人机一天可以巡检6个小时，按4G的固定步长（每15分钟下一条话单），一个无人机一天就要产生24条话单。一条1200公里的高速公路，一个来回要10个无人机，要做到不间断巡检的话，至少要有240个无人机。
4G固定步长的话，一天要产生5760条话单。按5G动态步长的情况下，2B交警用户无限量，每个无人机每天产生1条话单，一天总共只需要下240条话单，话单量只有4G的1/24。因此，对于5G 2B这类大政企客户的话，动态步长可以节省的话单量和计算资源更加可观。
5G智能动态步长需解决的关键问题
要实现5G智能动态步长，还有两个关键问题需要解决：
1）CHF环节响应时延要求严格，如何设计5G智能动态步长与计费系统交互流程，才能实现低时延、无入侵的智能动态步长计算，从而有效控制计费话单量？
2）不同用户群体具备不同行为特征，5G智能动态步长如何进行智能预测，才能生成准确的用户预测数据？
由此，5G智能动态步长与计费系统对接的设计要点：1）不能影响CHF低响应时长要求；2）需要兼顾欠费风险控制和提醒及时性保障，最好对现有计费流程不造成冲击；3）有效控制话单量。
非侵入性系统对接方案
基于以上设计要点考虑，我们设计的5G智能动态步长与计费系统整体交互流程如下图所示：
关键步骤如下：
配额申请：当用户需要使用服务时，5G网元向CHF发送计费数据请求，申请用户可使用的流量。
智能预测：根据实时和历史的清单量本数据，运用我司独有的针对业务系统智能运维的AIOps技术进行用户行为和发展趋势分析，生成用户预测数据。
智能计算：参考量本变更数据和用户预测数据，同时根据流量提醒阈值策略配置，运用我司自研的动态步长计算模型，生成用户动态步长。
配额下发：CHF在生成返回给5G网元计费数据应答报文时，根据5G智能动态步长系统生成的动态步长数据，下发配额给5G网元。
基于以上流程设计，我们来分析下是否有充分考虑和解决我们关注的设计要点：1）CHF只是增加了接收用户动态步长数据的步骤，可以异步进行，不会影响CHF总体响应时长；2）计费流程基本保持不变，用户欠费风险控制和提醒及时性保障不受影响；3）话单量控制主要取决于CHF下发的配额，即智能计算生成的用户动态步长结果，流程上没有问题。
准确的用户数据预测
通过引入AIOps智运维引擎，运用大数据、数据挖掘技术构建支持5G智能动态步长的用户数据预测，赋能计费系统，让一线运维人员不再依赖人工经验配置粗粒度的固定步长规则，从而实现精细化支撑用户级别的动态步长。
不同用户群体具备不同行为特征，如普通职员节假日时手机使用频率明显高于工作日，而销售人员工作日时手机使用频率较高；部分人群的流量多用于社交方面，而部分人群流量消耗集中于视频APP。为体现不同用户群体的行为习惯，我们需要针对不同用户群分别构建预测模型。
以小时作为切片粒度，将日时间划分为24个时间段。基于用户基本信息、用户消费习惯、流量消耗情况、流量使用习惯、历史各时间片段流量用量明细及节假日属性等，通过构建回归模型，预测用户在未来某天、某一时间片段的流量用量情况。
5G智能动态步长带来的好处
产品效果
据初步估算，相比4G固定步长，5G动态步长预计可以减少50%的话单量，一个千亿级月话单量的省份一年可以节省2250万的扩容投资。该产品可对接各运营商的计费系统，具备快速部署、非侵入性对接、配置灵活、预测准确、不影响原系统等特点。
我们挑选4个现网大流量用户，采用固定步长100M，共生成话单70702条，其中有61267条为100M的连续流量话单，分别属于1757个连续时段区间。
如果使用智能动态步长，这61267条100M的连续流量话单，预计可合并为1757条话单。预计使用智能动态步长的总话单数为70702-61267+1757=11192条。
综上所述，对于5G大流量话单，预计使用5G智能动态步长可减少话单数(70702-11192)/ 70702=84%。
按照大流量用户减少70%的话单、普通用户减少30%的话单来测算，相比4G预计可以减少50%的话单量。一个100亿级5G月话单量的省份一年可以减少57T存储、25台主机的扩容，一年可以节省225万投资。一个千亿级5G月话单量的省份一年可以减少570T存储、250台主机的扩容，一年可以节省2250万投资。近期主要发展2C，如果后面2B发展起来后，可以节省的话单量和节省的投资更加可观。
产品亮点
无缝对接：与计费系统对接简单，支持对接不同厂商的计费系统
通过接收计费系统话单实现智能动态步长计算，通过动态步长同步供计费系统使用，计费系统几乎无改造。
快速部署：支持容器化的快速交付部署方式
支持docker镜像一键发布、部署和回退，应用部署5分钟内完成。
预测准确：使用大数据分析智能预测用户未来流量使用情况
通过引入AIOps智运维引擎，支持AI模型自学习和优化、智能场景快速加载，运用我司独有的针对业务系统智能运维的AIOps技术实现5G智能动态步长的用户数据预测生成。可针对具备不同行为特征的不同用户群体分别进行预测，包括用户基本信息、用户消费习惯、流量消耗情况、流量使用习惯等。
配置灵活：支持灵活的动态步长计算策略配置
通过引入灵活的动态步长配置模型，支持按销售品或销售品组进行复杂场景的动态步长计算策略配置，照顾用户的个性化流量使用场景。比如一个用户订购多个套餐，可通过配置归并组合并用户流量进行动态步长计算。
不影响及时性：既可控制话单量也不影响欠费提醒和停机的及时性
用户使用量未达到流量提醒阈值之前，参考用户预测数据，减少话单量；用户使用量达到流量提醒阈值之后，使用小步长，优先控制欠费、确保提醒及时。
带来的收益
浩鲸科技BSS产品线和数据智能产品线通力打造的5G智能动态步长产品，就是基于5G新的NCHF协议，引入AIOps智运维引擎，运用大数据+AI分析用户的使用习惯，提前预测用户套内使用量，实现动态配额，可以在不增加用户欠费风险的前提下，有效降低计费与网元的交互次数，减少5G话单量，从而减轻5G带来的系统性能压力。在马来西亚吉隆坡的电信管理论坛亚洲站 (TM Forum Asia)上，浩鲸科技展示的基于5G智能动态步长的智能计费等催化剂项目，携手运营商和合作伙伴斩获“杰出催化剂-创新奖（Outstanding Catalyst-Innovation）”大奖！
减轻计费系统性能压力：通过大数据分析用户的使用习惯，采用智能配额，实时动态控制消息交互，在不增加用户欠费风险的前提下，可以有效降低计费与网元的交互次数，减轻5G海量话单带来的系统性能压力。2C预计可以减少50%的话单量，2B预计可以减少到原有话单量的1/20到1/30。
降低计费硬件投资需求：由于5G计费话单量减少，5G计费流程各环节的处理能力要求也将降低，与之相对应的5G计费应用、MDB、数据库、消息中间件、文件系统等对应的主机、网络、存储等硬件需求也将大幅度降低。
提升流量阈值提醒准确性：通过智能配额参考流量提醒阈值，在用户流量达到流量提醒阈值后，用户将使用基准步长（较小步长）进行配额授权，触发流量阈值提醒时，用户实际使用流量大小将更接近于用户配置的流量提醒阈值。
客户流量详单查询快：按原来的固定步长，一个用户一个月的话单就有成千上万，查询效率低，想要查询流量的详细使用情况，分析起来也比较耗时。5G使用动态步长后，同等使用的情况下，话单量比原先会减少很多，用户一方面查询快，另一方面也比较容易分析流量使用详情。