平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)——新型移動通信系統(tǒng)架構(gòu)研究

王曉云，段曉東，孫滔

研究與開發(fā)

平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)——新型移動通信系統(tǒng)架構(gòu)研究

王曉云1，段曉東2，孫滔2

（1. 中國移動通信集團(tuán)有限公司，北京 100053；2. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

5G的部署讓網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)個人向服務(wù)產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展。分析了移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)歷程，提出了新的架構(gòu)發(fā)展方向——平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。面向網(wǎng)絡(luò)碎片化這一產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的根本性挑戰(zhàn)，新的架構(gòu)中通過平臺化解決成本問題，通過“服務(wù)化”實(shí)現(xiàn)異構(gòu)能力，通過二者的協(xié)同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠、可保障。給出了平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的定義、總體架構(gòu)及數(shù)學(xué)模型。結(jié)合5G服務(wù)化架構(gòu)（service-based architecture，SBA）設(shè)計的創(chuàng)新實(shí)踐，提出了服務(wù)設(shè)計的原則，并進(jìn)而給出了層次化的設(shè)計思路。

系統(tǒng)架構(gòu)；平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)化架構(gòu)

0 引言

（1）系統(tǒng)架構(gòu)是移動通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)

數(shù)字化已經(jīng)成為各行業(yè)乃至整個社會變革的重要驅(qū)動力。代表處理能力的計算機(jī)、代表接入能力的移動通信、代表連接能力的互聯(lián)網(wǎng)，正逐漸發(fā)展為數(shù)字化時代最具代表性的三大基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域。相應(yīng)地，“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“移動通信系統(tǒng)架構(gòu)”“互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)”是支持相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展和變革的基礎(chǔ)，可以說是數(shù)字世界的“三大架構(gòu)”。

從數(shù)據(jù)總流量、服務(wù)的終端和用戶數(shù)的發(fā)展來看，移動通信已成為數(shù)字世界最主要的接入方式。截止到2022年8月，62.06%的網(wǎng)站流量通過移動終端訪問實(shí)現(xiàn)，92.1%的互聯(lián)網(wǎng)用戶通過手機(jī)訪問互聯(lián)網(wǎng)[1]。預(yù)計移動網(wǎng)絡(luò)活躍用戶數(shù)將持續(xù)增長，從當(dāng)前超過80億戶到2027年超過90億戶，其中5G終端占比逐漸上升。移動用戶數(shù)量分布預(yù)測如圖1所示[2]。

圖1 移動用戶數(shù)量分布預(yù)測[2]

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是新型信息通信基礎(chǔ)設(shè)施的骨骼和中樞。架構(gòu)的變革既能帶動整體網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性創(chuàng)新，又能牽引全產(chǎn)業(yè)鏈及業(yè)務(wù)服務(wù)的升級換代。和其他類型的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)相比，移動通信網(wǎng)絡(luò)面向業(yè)務(wù)，一些新的設(shè)計理念、新的協(xié)議往往更早在移動通信系統(tǒng)應(yīng)用。

移動通信是復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其架構(gòu)的設(shè)計極具挑戰(zhàn)。從全球范圍來看，該系統(tǒng)由百億終端、千萬基站、萬套核心網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成。無線接入網(wǎng)（由基站組成）支持終端接入、切換、尋呼，是移動通信網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)系統(tǒng)。核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)移動性管理、連接管理、用戶管理、服務(wù)管理等，起到統(tǒng)領(lǐng)全局、承上啟下的作用，是移動通信網(wǎng)絡(luò)的核心。新一代信息通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)需要體系化、全局化地進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。移動通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動通信系統(tǒng)架構(gòu)

（2）移動通信系統(tǒng)架構(gòu)的演進(jìn)脈絡(luò)

從1G以來，移動通信系統(tǒng)架構(gòu)隨著服務(wù)對象的拓展及新技術(shù)的引入而不斷演進(jìn)，呈現(xiàn)出端到端IP化—云化—服務(wù)化的發(fā)展脈絡(luò)，這3次技術(shù)變革分別從連接、資源、功能3個方面進(jìn)行，使得移動通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活，而移動通信系統(tǒng)也向軟件化、可定義方向發(fā)展。移動通信系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)脈絡(luò)如圖3所示。

圖3 移動通信系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)脈絡(luò)

●IP化實(shí)現(xiàn)連接的柔化。IP技術(shù)的引入不但增強(qiáng)了移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的底座，也為上層通信業(yè)務(wù)提供了柔性的連接基礎(chǔ)。IP技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用起步于2G時分復(fù)用（time-division multiplexing，TDM）時代，核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)的網(wǎng)元、接口、協(xié)議先后完成IP化，進(jìn)而在4G實(shí)現(xiàn)了端到端IP化。在5G時代，新的IP技術(shù)（如確定性IP）也被引入移動通信網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)移動網(wǎng)服務(wù)垂直行業(yè)的能力。

●云化實(shí)現(xiàn)資源柔化。虛擬化、云計算技術(shù)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)通信設(shè)備形態(tài)專用、資源固化的束縛。以中國運(yùn)營商為例，從4G核心網(wǎng)開始實(shí)現(xiàn)軟/硬件解耦，而5G核心網(wǎng)則直接部署在云上。在此基礎(chǔ)上，云化的觸角逐漸向無線接入網(wǎng)拓展。可以預(yù)見，以“算力網(wǎng)絡(luò)”為代表的新的云計算演進(jìn)技術(shù)，也將反映在5G-Advanced及6G網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與計算資源的協(xié)同優(yōu)化。

●服務(wù)化實(shí)現(xiàn)功能柔化?；谌嵝缘倪B接、資源，5G核心網(wǎng)采用“服務(wù)”定義其邏輯功能，通過應(yīng)用程序接口（application programming interface，API）調(diào)用實(shí)現(xiàn)服務(wù)的訪問。網(wǎng)絡(luò)能力（即網(wǎng)絡(luò)的處理邏輯）的軟件化、服務(wù)化不僅讓網(wǎng)絡(luò)上層的業(yè)務(wù)設(shè)計更加適應(yīng)底層云資源，同時也讓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步開放、讓定制成為可能。

當(dāng)前，以交換為主的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)正發(fā)生向新型信息通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變的重大變革。如何定義系統(tǒng)架構(gòu)，對未來信息通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。本文從移動通信系統(tǒng)架構(gòu)變革的歷程出發(fā)，以服務(wù)為目標(biāo)提出系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)的規(guī)律和方向，首次系統(tǒng)化提出“平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展理念，并對其建模及設(shè)計方式進(jìn)行了完整的闡述?；诜?wù)化架構(gòu)（service-based architecture，SBA）的5G網(wǎng)絡(luò)是“平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”的初步實(shí)踐，6G將會實(shí)現(xiàn)對其的進(jìn)一步深化拓展。

1 平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的定義

1.1 移動通信網(wǎng)的功能向平臺化、服務(wù)化拓展

移動通信系統(tǒng)在逐代演進(jìn)中，不斷豐富其自身的能力，發(fā)展出“通信業(yè)務(wù)”“數(shù)據(jù)接入”“信息服務(wù)”3個重要的角色。首先，移動通信網(wǎng)絡(luò)自成體系，提供完整的“通信業(yè)務(wù)”（語音、短消息）：這是1G、2G語音服務(wù)時代移動通信發(fā)明的初衷。再者，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，3G、4G是流量服務(wù)時代，如前文所述，移動通信成為“數(shù)據(jù)接入”最重要的手段。近年，隨著數(shù)字化的深化，5G、6G時代單一性的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)已經(jīng)不能滿足通信需求，多要素的綜合信息服務(wù)既是移動通信自身發(fā)展的要求，也是其服務(wù)對象的需求，移動通信將成為提供綜合“信息服務(wù)”的載體。移動通信網(wǎng)絡(luò)在全球互聯(lián)網(wǎng)中的角色如圖4所示。

1.2 平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的定義

平臺化、服務(wù)化是移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力拓展的必然要求。如第1.1節(jié)所述，移動通信對人們生產(chǎn)生活的影響越發(fā)廣泛，信息通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)能力和服務(wù)對象不斷拓展，在5G時代發(fā)生了躍變。這表現(xiàn)在以下幾個方面。一，移動通信、數(shù)字化向各行業(yè)的滲透和應(yīng)用逐漸深化，通信網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)“人”向服務(wù)“物”的行業(yè)場景拓展，后5G及6G時代，這個服務(wù)的邊界將繼續(xù)擴(kuò)展；二，網(wǎng)絡(luò)從單一的語音、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)“業(yè)務(wù)”，向多樣化的信息加工、處理、存儲等“服務(wù)”轉(zhuǎn)變。網(wǎng)絡(luò)成為多要素融合信息服務(wù)的載體，連接、算力、智能、感知、安全、數(shù)據(jù)等能力依托網(wǎng)絡(luò)觸及生活的各個角落；三，網(wǎng)絡(luò)成為連接數(shù)字空間和物理空間的媒介，元宇宙等新的業(yè)務(wù)場景需要網(wǎng)絡(luò)提供算力、安全、數(shù)字身份認(rèn)證等方面的能力，網(wǎng)絡(luò)空間也成為與陸、海、空、天并列的第五大主權(quán)空間[3]，網(wǎng)絡(luò)將助力物理空間與數(shù)字空間的協(xié)同融合。

圖4 移動通信網(wǎng)絡(luò)在全球互聯(lián)網(wǎng)中的角色

移動通信系統(tǒng)在個人市場的成功得益于其強(qiáng)大的規(guī)模效益。面向千行百業(yè)的差異化需求的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)能力、有服務(wù)等級協(xié)定（service level agreement，SLA）保障的網(wǎng)絡(luò)可靠質(zhì)量、易部署可規(guī)?；木W(wǎng)絡(luò)成本效益，是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“能力三角”。然而，這似乎已成為通信網(wǎng)絡(luò)的“不可能三角”。本文創(chuàng)新性地提出“平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”，即通過平臺化的機(jī)制、靈活復(fù)用，解決成本問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展；通過服務(wù)化的功能模塊設(shè)計解決異構(gòu)問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可定制；通過二者的協(xié)同解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的可靠保障問題。

本文將“平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”定義為：通過資源的池化、能力的“原子化”、控制的柔性化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的“服務(wù)化”，以其為技術(shù)基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)成為聚合相關(guān)業(yè)務(wù)能力的“平臺”，為用戶提供按需的信息服務(wù)。

上述定義闡述了網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)為以“服務(wù)化”的機(jī)制提供信息服務(wù)的“平臺”這一發(fā)展理念。該“平臺”是指面向用戶的、泛在的、聚合信息服務(wù)能力的環(huán)境。

2 平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及建模

2.1 “演化還原理論”的設(shè)計方法

全球漫游、全程全網(wǎng)、跨代共生是移動網(wǎng)絡(luò)最典型的特征，也是其賴以生存發(fā)展的生命線。2G以來，“全球漫游”的特點(diǎn)大大提高了移動通信產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)模效益，是移動通信蓬勃發(fā)展、全球部署的核心要素。移動網(wǎng)絡(luò)從終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)形成“全程全網(wǎng)”的端到端連接控制及業(yè)務(wù)邏輯，是其服務(wù)質(zhì)量超越“盡力而為”的方式，實(shí)現(xiàn)可保障的技術(shù)基礎(chǔ)。新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革需要考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的過渡和演進(jìn)，“跨代共生”是移動網(wǎng)從2G到5G以來逐代發(fā)展成功的關(guān)鍵，保障了其系統(tǒng)平滑地演進(jìn)和過渡。

移動通信網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)決定了新的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計需要兼顧現(xiàn)有系統(tǒng)，同時要對新的元素展現(xiàn)出包容和開放性?；诖顺霭l(fā)點(diǎn)，本文提出了“演化還原理論”的新型系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法。“還原理論”的思想認(rèn)為復(fù)雜的系統(tǒng)、事務(wù)、現(xiàn)象可以通過將其化解為各部分之組合的方法，加以理解和描述。通過“還原論”將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜巨系統(tǒng)解構(gòu)，拆解為“原子服務(wù)”，作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺的組件。以“演化”為重要特性，設(shè)計開放化、靈活的網(wǎng)絡(luò)能力，支持網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的發(fā)展。這需要在架構(gòu)的接口及協(xié)議方面進(jìn)行設(shè)計，為不斷引入的新的網(wǎng)絡(luò)能力提供支撐?！把莼迸c“還原”看似是相互矛盾的兩個理念，實(shí)際上反映的是系統(tǒng)平滑迭代的協(xié)同和統(tǒng)一。

2.2 總體架構(gòu)

本文提出平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)，如圖5所示。該架構(gòu)是一個層次化的設(shè)計，包括資源層、服務(wù)層、應(yīng)用層。服務(wù)層是本架構(gòu)的核心特征，其之于總體網(wǎng)絡(luò)，如同操作系統(tǒng)之于計算機(jī)。具體如下。

圖5 平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)

（1）池化的資源基礎(chǔ)。提供池化的網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲資源，為上層邏輯提供可擴(kuò)展、可按需調(diào)用的資源基礎(chǔ)。端到端的IP化和云化是這些資源能夠流通、靈活調(diào)度的保證。

（2）基于服務(wù)構(gòu)建、面向服務(wù)設(shè)計。以服務(wù)構(gòu)建、以服務(wù)定義功能和接口。從終端、接入到網(wǎng)絡(luò)側(cè)，提供全服務(wù)化的能力[4]。通過API定義網(wǎng)絡(luò)、計算、數(shù)據(jù)服務(wù)。使用者不需要關(guān)心其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，方便調(diào)用。服務(wù)的形式可以是多樣的，根據(jù)不同場景，融合（或一體化）的要素服務(wù)與解耦的服務(wù)可同時存在。

（3）網(wǎng)絡(luò)即平臺。可擴(kuò)展的池化資源、可按需調(diào)用的服務(wù)使網(wǎng)絡(luò)的靈活性得到極大的提升。網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)的信息傳輸?shù)耐ǖ?，變成一個可提供多種數(shù)據(jù)承載能力、多種信息服務(wù)能力的“平臺”，也就是網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)的綜合體。

平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的“服務(wù)”由服務(wù)的定義、服務(wù)的組織、服務(wù)的交互刻畫。

（1）服務(wù)的定義：服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，一個“原子服務(wù)”提供某種特定邏輯處理功能并存儲相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。服務(wù)定義的難點(diǎn)在于合適的服務(wù)粒度的設(shè)計。

（2）服務(wù)的組織：以構(gòu)成整個網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，對服務(wù)進(jìn)行編排、管理，讓分解后的原子服務(wù)能構(gòu)成一個有機(jī)的整體，提供完整的信息傳輸和處理的機(jī)制——這也是網(wǎng)絡(luò)的“操作系統(tǒng)”。

（3）服務(wù)的交互：服務(wù)間通過API進(jìn)行調(diào)用，接口的協(xié)議棧需要兼顧易讀性和效率，在不同的服務(wù)的域內(nèi)，其接口協(xié)議可以不同。

本節(jié)所闡述的架構(gòu)是整體網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計愿景。以平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，其在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)實(shí)現(xiàn)的過程中是逐步深化的。在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的上層，如移動通信的核心網(wǎng)是平臺化、服務(wù)化的突破點(diǎn)。一方面云化和虛擬化技術(shù)為資源的平臺化打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，另一方面其在不同場景下的差異化控制更易于通過軟件化的模塊實(shí)現(xiàn)。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

其中，集合由||個服務(wù)s構(gòu)成，即：

將一個業(yè)務(wù)流程（如尋呼流程、終端切換流程）定義為一組服務(wù)的序列調(diào)用，即：

一般情況下，話務(wù)模型依賴于部署場景（面向個人、面向某種行業(yè)專網(wǎng)）。為簡化描述，本文不作額外區(qū)分。

定義為服務(wù)關(guān)聯(lián)矩陣，其元素a表示流程中調(diào)用服務(wù)的次數(shù)。

3 平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

3.1 服務(wù)設(shè)計的原則

表1 4G系統(tǒng)消息數(shù)量

注：GPRS隧道協(xié)議（GPRS tunnel protocol，GTP），非接入層（non access stratum，NAS），S1應(yīng)用協(xié)議（S1 application protocol，S1AP）

從服務(wù)的定義出發(fā)，可以得到如下3個服務(wù)定義的原則。

引理1 自包含原則。一個服務(wù)的執(zhí)行，不應(yīng)必然依賴于其他服務(wù)的執(zhí)行。

定義服務(wù)的目的是靈活地按需配置，如果一個服務(wù)B的執(zhí)行必然依賴于另一服務(wù)C，即B和C在邏輯處理中是強(qiáng)耦合關(guān)聯(lián)的，則把B和C定義為不同的服務(wù)，在增加服務(wù)調(diào)用鏈（調(diào)用次數(shù)）的長度的同時，沒有提升系統(tǒng)的靈活性。即若對任意A→B，都會導(dǎo)致A→B→C，那么B和C應(yīng)該合并為同一個服務(wù)。

引理2 可重用原則。一個服務(wù)如果沒有被一個以上的服務(wù)使用者調(diào)用，則其不應(yīng)單獨(dú)作為一個服務(wù)。

如本文第1.2節(jié)所定義，平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是通過平臺化的能力，按需調(diào)用服務(wù)、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。若某一“原子服務(wù)”A單獨(dú)存在，僅僅被唯一的服務(wù)B調(diào)用（在當(dāng)前及可預(yù)期的業(yè)務(wù)邏輯下），這和服務(wù)的定義相違背。從系統(tǒng)的優(yōu)化方面來看，服務(wù)A和任一服務(wù)融合在降低服務(wù)的數(shù)量（簡化了系統(tǒng)設(shè)計）的同時，不會降低系統(tǒng)的平臺化能力。因此優(yōu)化設(shè)計的方案是不將A列為一個“服務(wù)”，其邏輯處理可與任一服務(wù)融合。

引理3 獨(dú)立性原則。不同服務(wù)間邏輯處理所涉及的狀態(tài)存儲是相互獨(dú)立的。

不同服務(wù)間的狀態(tài)獨(dú)立存儲，服務(wù)A的邏輯處理操作所更新的狀態(tài)存儲在服務(wù)A中，其狀態(tài)數(shù)據(jù)不會存儲在服務(wù)B中。在獨(dú)立性原則下，服務(wù)可以進(jìn)行獨(dú)立的生命周期管理，即不同服務(wù)可以獨(dú)立地部署、升級、遷移等。

“自包含”“可重用”“獨(dú)立性”是服務(wù)設(shè)計的3個必要原則，可以避免過細(xì)的服務(wù)粒度設(shè)計，但會導(dǎo)致高的系統(tǒng)復(fù)雜性。在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計時，可以基于上述三原則進(jìn)行服務(wù)的初始優(yōu)化設(shè)計，基于服務(wù)設(shè)計三原則優(yōu)化服務(wù)粒度流程如圖6所示。

圖6 基于服務(wù)設(shè)計三原則優(yōu)化服務(wù)粒度流程

3.2 核心網(wǎng)實(shí)踐——5G服務(wù)化架構(gòu)

5G獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了端到端5G能力，被認(rèn)為是5G的目標(biāo)方案。獨(dú)立組網(wǎng)的標(biāo)志性特征是有一個新的“網(wǎng)絡(luò)大腦”——SBA定義的核心網(wǎng)。在該設(shè)計中，通過“拆”將功能解耦為原子服務(wù)；通過“組”實(shí)現(xiàn)原子服務(wù)的有機(jī)組合；通過新型的API調(diào)用和協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)靈活的“連”。對5G架構(gòu)尤其是核心網(wǎng)的控制面進(jìn)行了全新設(shè)計。5G的SBA是平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)理念的第一個實(shí)踐，也是移動通信系統(tǒng)歷代架構(gòu)的最大變革。

（1）SBA的層次化設(shè)計

平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是一個新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以設(shè)備而非服務(wù)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的基本元素。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從單體網(wǎng)元設(shè)備向服務(wù)的轉(zhuǎn)變，首先將4G的網(wǎng)元的設(shè)備功能進(jìn)行解耦重構(gòu)。例如，對服務(wù)網(wǎng)關(guān)（serving gateway，S-GW）和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（packet data network gateway，P-GW）進(jìn)行控制面和用戶面的分離，對移動性管理實(shí)體（mobility management entity，MME）進(jìn)行移動性管理和會話管理的分離，對用戶的狀態(tài)進(jìn)行邏輯和處理分離（引入對結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩類數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的存儲結(jié)構(gòu)）。

為避免服務(wù)種類過多而帶來的系統(tǒng)復(fù)雜性，可以將相關(guān)的邏輯處理進(jìn)行聚合，這是基于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的消息交互機(jī)制進(jìn)行設(shè)計的。在第3.1節(jié)所述三原則基礎(chǔ)上，形成從服務(wù)操作到整個系統(tǒng)的層次化設(shè)計。這包括對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理（稱為“操作”）、多個對同一狀態(tài)機(jī)進(jìn)行的操作組成“服務(wù)”（本文也稱為原子服務(wù)）、多個完成相關(guān)能力的服務(wù)組成“功能”、多個功能的有機(jī)組合形成“系統(tǒng)”（即總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）。SBA中的層次化定義如圖7所示。

（2）SBA的服務(wù)框架

支撐網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)為基礎(chǔ)構(gòu)建成平臺需要一套框架體系，用以實(shí)現(xiàn)服務(wù)的注冊、發(fā)現(xiàn)、授權(quán)。服務(wù)管理框架功能示意圖如圖8所示。在5G的服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，該框架以服務(wù)化的方式，通過引入網(wǎng)絡(luò)存儲功能（network repository function，NRF）解決該問題。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力原子化后，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)間交互數(shù)量劇增，服務(wù)快速尋址成為難點(diǎn)?；贜RF的服務(wù)管理框架可實(shí)現(xiàn)原子服務(wù)高效管理，包括能力敏捷擴(kuò)展、業(yè)務(wù)流程實(shí)時可靠、交互安全隔離。服務(wù)框架具有如下3個方面的主要功能。

圖7 SBA中的層次化定義

圖8 服務(wù)管理框架功能示意圖

●服務(wù)快速尋址，支持新服務(wù)快速上線：原子服務(wù)一旦部署，將自動注冊到NRF供全網(wǎng)功能按需調(diào)用，NRF對服務(wù)進(jìn)行注冊、更新等全生命周期管理。

●對服務(wù)調(diào)用進(jìn)行編排，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程實(shí)時可靠：編排面向多場景的業(yè)務(wù)流程，建立消息攜帶機(jī)制，提高交互效率及可靠性。

●根據(jù)服務(wù)請求信息篩選查找結(jié)果，實(shí)現(xiàn)服務(wù)訪問安全隔離：建立基于用戶身份、位置、服務(wù)類型、切片標(biāo)識的服務(wù)認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)間服務(wù)差異化與隔離。

（3）SBA服務(wù)的交互

SBA采用API調(diào)用、模塊化的原子模塊、基于HTTP/HTTP2的協(xié)議體系，通過IT化的架構(gòu)、CT化的機(jī)制，重構(gòu)功能和連接，實(shí)現(xiàn)平臺化的服務(wù)能力。將流程消息型接口完全打破，通過基于HTTP/HTTP2的協(xié)議將服務(wù)間的交互用API調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)，通過API實(shí)現(xiàn)能力的自由調(diào)度和服務(wù)封裝。

3.3 服務(wù)化架構(gòu)的應(yīng)用

SBA是5G最重要的標(biāo)志性創(chuàng)新之一，也是5G全面賦能垂直行業(yè)的基石。以SBA為基礎(chǔ)，可以靈活設(shè)計差異化網(wǎng)絡(luò)切片，按需生成不同行業(yè)專網(wǎng)，快速組建輕量級邊緣計算網(wǎng)絡(luò)[6]。這些能力正是平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)。5G SBA及網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)如圖9所示。

5G服務(wù)化架構(gòu)對核心網(wǎng)的重構(gòu)使得更靈活的分流控制、更分布式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成為可能。得益于此，“邊緣計算”成為5G原生的能力。在4G時代，核心網(wǎng)的S-GW和P-GW是兼具控制面、用戶面的復(fù)合網(wǎng)元，其部署位置也往往處于省中心等集中地點(diǎn)，不論是從成本還是機(jī)制上都無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊緣處的本地靈活分流?？刂泼娴姆?wù)化，使得會話控制的功能從4G的S-GW和P-GW分離出來，形成相對簡單的5G UPF，并使得連接更加靈活。

網(wǎng)絡(luò)切片是5G服務(wù)垂直行業(yè)的另一個代表性的能力。它通過定制化的功能組合、網(wǎng)絡(luò)的隔離及SLA保障提供虛擬專網(wǎng)的服務(wù)?；赟BA按需編排網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使得切片成為5G服務(wù)垂直行業(yè)的基本框架。在網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)中，如何確保終端正確、快速地選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片、實(shí)現(xiàn)終端業(yè)務(wù)隔離是其關(guān)鍵。除了按場景（如低時延網(wǎng)絡(luò)、低功耗網(wǎng)絡(luò)、大流量網(wǎng)絡(luò)等功能）的定義，SBA還定義了“NSSF服務(wù)”，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片靈活選擇。NSSF具備全域的網(wǎng)絡(luò)切片部署信息，基于終端上報的網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識，判斷當(dāng)前終端可用切片列表并告知終端。通過網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識將5G網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行端到端連通，以切片為粒度進(jìn)行資源保障和隔離，并實(shí)現(xiàn)管理與控制協(xié)同。

圖9 5G SBA及網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系的變革發(fā)展一直是產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)[7-9]。性能的“確定性”往往導(dǎo)致資源分配問題成為NP難問題，而IP互聯(lián)網(wǎng)所倡導(dǎo)的“盡力而為”則通過目標(biāo)軟化，使得應(yīng)用極大便捷和豐富。數(shù)字化的發(fā)展使得信息通信網(wǎng)絡(luò)的使命發(fā)生躍變。作為一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其在不斷擴(kuò)展服務(wù)對象和范圍邊界的同時，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的有序擴(kuò)展、追求盡可能低的“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵”是整個產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界面臨的重大挑戰(zhàn)。

本文給出了移動通信變革性的設(shè)計模式，提出平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方向。5G是架構(gòu)“服務(wù)化”的開始，SBA是控制面的服務(wù)化。6G將進(jìn)一步深化平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，在面向5G-Advanced及6G發(fā)展過程中，已經(jīng)呈現(xiàn)出服務(wù)化擴(kuò)展的趨勢，“服務(wù)化”在不同領(lǐng)域的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)會有所不同。在用戶面，UPF在3GPP的Release 18引入了服務(wù)化的信息開放接口[10]。服務(wù)化的RAN也引發(fā)了廣泛的研究和思考[11]，其服務(wù)的設(shè)計、服務(wù)間交互的協(xié)議會隨著接入網(wǎng)本身性能和特點(diǎn)的不同而有所差異?！皩＞W(wǎng)”是5G最主要的業(yè)務(wù)能力，是網(wǎng)絡(luò)“平臺化”的初步體現(xiàn)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新設(shè)計影響深廣，已經(jīng)超越了移動通信系統(tǒng)本身。SBA、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等技術(shù)，所引入的定制化、差異化、分布式能力，對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營平臺、傳輸網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展都起到了巨大的促進(jìn)和參考作用，這是前幾代移動通信系統(tǒng)所沒有做到的。

距離平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)仍有很長的路要走。第一，網(wǎng)絡(luò)的可定義性需要增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（運(yùn)營商）提供平臺服務(wù)，而用戶應(yīng)該成為網(wǎng)絡(luò)的主人，基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)二次開發(fā)的能力仍然有限；第二，面向業(yè)務(wù)層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的開放需要增強(qiáng)，服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是支持豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形態(tài)，支持不斷增強(qiáng)的多要素信息服務(wù)，這都依賴于通過面向業(yè)務(wù)層的服務(wù)提供給用戶；第三，“平臺化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)計理念在5G核心網(wǎng)的控制面有了最先的突破，但其在移動通信系統(tǒng)的其他領(lǐng)域，用戶面的轉(zhuǎn)發(fā)、無線電接入網(wǎng)的基帶處理、終端的靈活可定義都需要結(jié)合其領(lǐng)域技術(shù)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和應(yīng)用的深化。

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Service-based network as a platform: research on a new information communication network architecture

WANG Xiaoyun1, DUAN Xiaodong2, SUN Tao2

1. China Mobile Communications Co., Ltd., Beijing 100053, China 2. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

The deployment of 5G enables the network to expand from serving individuals to the industry. The evolution of mobile communication system was analyzed, and a new architecture development direction-service-based network as a platform was proposed. Facing the fundamental challenge of diversified requirements of industrial scenarios, the new architecture employed “platform” to address the generalization and scalability obstacles, and employed “service” to address heterogeneous characteristics of the network. The network service level assurance could also be guaranteed. The definition, overall architecture and mathematical model of “service-based network as a platform” were given. Based on the innovative practice of 5G service-based architecture (SBA) design, the principles of service design were proposed, and then the hierarchical design ideas were given.

system architecture, service-based network as a platform, service-based architecture

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023008

2022–12–05；

2023–01–07

孫滔，suntao@chinamobile.com

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（No.2020YFB1806801，No.2020YFB1806800）

The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1806801, No.2020YFB1806800)

王曉云（1968?），女，中國移動通信集團(tuán)有限公司教授級高級工程師、技術(shù)部總經(jīng)理，原創(chuàng)技術(shù)策源地總師，新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)副總師，新一代移動信息通信技術(shù)國家工程研究中心負(fù)責(zé)人，主要研究方向?yàn)槌笠?guī)模移動通信系統(tǒng)架構(gòu)與組網(wǎng)等。

段曉東（1977?），男，中國移動通信有限公司研究院正高級工程師、副院長， IMT-2030 (6G)推進(jìn)組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組組長，主要研究方向?yàn)?G/6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、IP新技術(shù)、IPv6、算力網(wǎng)絡(luò)等。

孫滔（1981?），男，博士，中國移動通信有限公司研究院正高級工程師、首席專家， 3GPP SA2副主席，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會第十屆全國委員會委員，長期從事移動通信網(wǎng)架構(gòu)、IP新技術(shù)研究及國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。