平臺化服務網絡——新型移動通信系統架構研究

王曉云，段曉東，孫滔

研究與開發

平臺化服務網絡——新型移動通信系統架構研究

王曉云1，段曉東2，孫滔2

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

5G的部署讓網絡從服務個人向服務產業擴展。分析了移動通信系統的演進歷程，提出了新的架構發展方向——平臺化服務網絡。面向網絡碎片化這一產業互聯網發展中的根本性挑戰，新的架構中通過平臺化解決成本問題，通過“服務化”實現異構能力，通過二者的協同實現網絡可靠、可保障。給出了平臺化服務網絡的定義、總體架構及數學模型。結合5G服務化架構（service-based architecture，SBA）設計的創新實踐，提出了服務設計的原則，并進而給出了層次化的設計思路。

系統架構；平臺化服務網絡；服務化架構

0 引言

（1）系統架構是移動通信網絡領域的關鍵核心技術

數字化已經成為各行業乃至整個社會變革的重要驅動力。代表處理能力的計算機、代表接入能力的移動通信、代表連接能力的互聯網，正逐漸發展為數字化時代最具代表性的三大基礎技術領域。相應地，“計算機系統結構”“移動通信系統架構”“互聯網體系結構”是支持相關技術領域發展和變革的基礎，可以說是數字世界的“三大架構”。

從數據總流量、服務的終端和用戶數的發展來看，移動通信已成為數字世界最主要的接入方式。截止到2022年8月，62.06%的網站流量通過移動終端訪問實現，92.1%的互聯網用戶通過手機訪問互聯網[1]。預計移動網絡活躍用戶數將持續增長，從當前超過80億戶到2027年超過90億戶，其中5G終端占比逐漸上升。移動用戶數量分布預測如圖1所示[2]。

圖1 移動用戶數量分布預測[2]

網絡架構是新型信息通信基礎設施的骨骼和中樞。架構的變革既能帶動整體網絡的系統性創新，又能牽引全產業鏈及業務服務的升級換代。和其他類型的基礎網絡相比，移動通信網絡面向業務，一些新的設計理念、新的協議往往更早在移動通信系統應用。

移動通信是復雜的巨系統，其架構的設計極具挑戰。從全球范圍來看，該系統由百億終端、千萬基站、萬套核心網設備構成。無線接入網（由基站組成）支持終端接入、切換、尋呼，是移動通信網絡的神經系統。核心網實現移動性管理、連接管理、用戶管理、服務管理等，起到統領全局、承上啟下的作用，是移動通信網絡的核心。新一代信息通信網絡的演進需要體系化、全局化地進行系統架構設計。移動通信系統架構如圖2所示。

圖2 移動通信系統架構

（2）移動通信系統架構的演進脈絡

從1G以來，移動通信系統架構隨著服務對象的拓展及新技術的引入而不斷演進，呈現出端到端IP化—云化—服務化的發展脈絡，這3次技術變革分別從連接、資源、功能3個方面進行，使得移動通信網絡更加靈活，而移動通信系統也向軟件化、可定義方向發展。移動通信系統架構演進脈絡如圖3所示。

圖3 移動通信系統架構演進脈絡

●IP化實現連接的柔化。IP技術的引入不但增強了移動通信系統網絡承載的底座，也為上層通信業務提供了柔性的連接基礎。IP技術在移動通信系統中的應用起步于2G時分復用（time-division multiplexing，TDM）時代，核心網、無線接入網的網元、接口、協議先后完成IP化，進而在4G實現了端到端IP化。在5G時代，新的IP技術（如確定性IP）也被引入移動通信網絡，增強移動網服務垂直行業的能力。

●云化實現資源柔化。虛擬化、云計算技術的發展，打破了傳統通信設備形態專用、資源固化的束縛。以中國運營商為例，從4G核心網開始實現軟/硬件解耦，而5G核心網則直接部署在云上。在此基礎上，云化的觸角逐漸向無線接入網拓展。可以預見，以“算力網絡”為代表的新的云計算演進技術，也將反映在5G-Advanced及6G網絡中，實現網絡與計算資源的協同優化。

●服務化實現功能柔化。基于柔性的連接、資源，5G核心網采用“服務”定義其邏輯功能，通過應用程序接口（application programming interface，API）調用實現服務的訪問。網絡能力（即網絡的處理邏輯）的軟件化、服務化不僅讓網絡上層的業務設計更加適應底層云資源，同時也讓網絡進一步開放、讓定制成為可能。

當前，以交換為主的傳統通信網絡正發生向新型信息通信網絡轉變的重大變革。如何定義系統架構，對未來信息通信網絡的發展具有至關重要的作用。本文從移動通信系統架構變革的歷程出發，以服務為目標提出系統架構演進的規律和方向，首次系統化提出“平臺化服務網絡”的發展理念，并對其建模及設計方式進行了完整的闡述。基于服務化架構（service-based architecture，SBA）的5G網絡是“平臺化服務網絡”的初步實踐，6G將會實現對其的進一步深化拓展。

1 平臺化服務網絡的定義

1.1 移動通信網的功能向平臺化、服務化拓展

移動通信系統在逐代演進中，不斷豐富其自身的能力，發展出“通信業務”“數據接入”“信息服務”3個重要的角色。首先，移動通信網絡自成體系，提供完整的“通信業務”（語音、短消息）：這是1G、2G語音服務時代移動通信發明的初衷。再者，隨著移動互聯網的迅速發展，3G、4G是流量服務時代，如前文所述，移動通信成為“數據接入”最重要的手段。近年，隨著數字化的深化，5G、6G時代單一性的網絡和業務已經不能滿足通信需求，多要素的綜合信息服務既是移動通信自身發展的要求，也是其服務對象的需求，移動通信將成為提供綜合“信息服務”的載體。移動通信網絡在全球互聯網中的角色如圖4所示。

1.2 平臺化服務網絡的定義

平臺化、服務化是移動通信網絡服務能力拓展的必然要求。如第1.1節所述，移動通信對人們生產生活的影響越發廣泛，信息通信網絡的業務能力和服務對象不斷拓展，在5G時代發生了躍變。這表現在以下幾個方面。一，移動通信、數字化向各行業的滲透和應用逐漸深化，通信網絡從服務“人”向服務“物”的行業場景拓展，后5G及6G時代，這個服務的邊界將繼續擴展；二，網絡從單一的語音、數據轉發“業務”，向多樣化的信息加工、處理、存儲等“服務”轉變。網絡成為多要素融合信息服務的載體，連接、算力、智能、感知、安全、數據等能力依托網絡觸及生活的各個角落；三，網絡成為連接數字空間和物理空間的媒介，元宇宙等新的業務場景需要網絡提供算力、安全、數字身份認證等方面的能力，網絡空間也成為與陸、海、空、天并列的第五大主權空間[3]，網絡將助力物理空間與數字空間的協同融合。

圖4 移動通信網絡在全球互聯網中的角色

移動通信系統在個人市場的成功得益于其強大的規模效益。面向千行百業的差異化需求的網絡異構能力、有服務等級協定（service level agreement，SLA）保障的網絡可靠質量、易部署可規模化的網絡成本效益，是網絡服務的“能力三角”。然而，這似乎已成為通信網絡的“不可能三角”。本文創新性地提出“平臺化服務網絡”，即通過平臺化的機制、靈活復用，解決成本問題，實現網絡可擴展；通過服務化的功能模塊設計解決異構問題，實現網絡可定制；通過二者的協同解決網絡服務質量的可靠保障問題。

本文將“平臺化服務網絡”定義為：通過資源的池化、能力的“原子化”、控制的柔性化實現網絡的“服務化”，以其為技術基礎，網絡成為聚合相關業務能力的“平臺”，為用戶提供按需的信息服務。

上述定義闡述了網絡演進為以“服務化”的機制提供信息服務的“平臺”這一發展理念。該“平臺”是指面向用戶的、泛在的、聚合信息服務能力的環境。

2 平臺化服務網絡架構及建模

2.1 “演化還原理論”的設計方法

全球漫游、全程全網、跨代共生是移動網絡最典型的特征，也是其賴以生存發展的生命線。2G以來，“全球漫游”的特點大大提高了移動通信產業鏈的規模效益，是移動通信蓬勃發展、全球部署的核心要素。移動網絡從終端、接入網、核心網形成“全程全網”的端到端連接控制及業務邏輯，是其服務質量超越“盡力而為”的方式，實現可保障的技術基礎。新一代網絡架構的變革需要考慮現有網絡的過渡和演進，“跨代共生”是移動網從2G到5G以來逐代發展成功的關鍵，保障了其系統平滑地演進和過渡。

移動通信網絡的上述特點決定了新的系統架構設計需要兼顧現有系統，同時要對新的元素展現出包容和開放性。基于此出發點，本文提出了“演化還原理論”的新型系統架構設計方法。“還原理論”的思想認為復雜的系統、事務、現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”將現有網絡的復雜巨系統解構，拆解為“原子服務”，作為基礎網絡平臺的組件。以“演化”為重要特性，設計開放化、靈活的網絡能力，支持網絡動態的發展。這需要在架構的接口及協議方面進行設計，為不斷引入的新的網絡能力提供支撐。“演化”與“還原”看似是相互矛盾的兩個理念，實際上反映的是系統平滑迭代的協同和統一。

2.2 總體架構

本文提出平臺化服務網絡的總體架構，如圖5所示。該架構是一個層次化的設計，包括資源層、服務層、應用層。服務層是本架構的核心特征，其之于總體網絡，如同操作系統之于計算機。具體如下。

圖5 平臺化服務網絡的總體架構

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

（2）基于服務構建、面向服務設計。以服務構建、以服務定義功能和接口。從終端、接入到網絡側，提供全服務化的能力[4]。通過API定義網絡、計算、數據服務。使用者不需要關心其實現細節，方便調用。服務的形式可以是多樣的，根據不同場景，融合（或一體化）的要素服務與解耦的服務可同時存在。

（3）網絡即平臺。可擴展的池化資源、可按需調用的服務使網絡的靈活性得到極大的提升。網絡從傳統的信息傳輸的通道，變成一個可提供多種數據承載能力、多種信息服務能力的“平臺”，也就是網絡和信息服務的綜合體。

平臺化服務網絡的“服務”由服務的定義、服務的組織、服務的交互刻畫。

（1）服務的定義：服務是網絡的基本單元，一個“原子服務”提供某種特定邏輯處理功能并存儲相應的狀態數據。服務定義的難點在于合適的服務粒度的設計。

（2）服務的組織：以構成整個網絡為目標，對服務進行編排、管理，讓分解后的原子服務能構成一個有機的整體，提供完整的信息傳輸和處理的機制——這也是網絡的“操作系統”。

（3）服務的交互：服務間通過API進行調用，接口的協議棧需要兼顧易讀性和效率，在不同的服務的域內，其接口協議可以不同。

本節所闡述的架構是整體網絡的設計愿景。以平臺化服務網絡為目標，其在網絡演進實現的過程中是逐步深化的。在基礎網絡的上層，如移動通信的核心網是平臺化、服務化的突破點。一方面云化和虛擬化技術為資源的平臺化打下了堅實的基礎，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現。

2.3 系統架構的數學模型

其中，集合由||個服務s構成，即：

將一個業務流程（如尋呼流程、終端切換流程）定義為一組服務的序列調用，即：

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

定義為服務關聯矩陣，其元素a表示流程中調用服務的次數。

3 平臺化服務網絡的設計

3.1 服務設計的原則

表1 4G系統消息數量

注：GPRS隧道協議（GPRS tunnel protocol，GTP），非接入層（non access stratum，NAS），S1應用協議（S1 application protocol，S1AP）

從服務的定義出發，可以得到如下3個服務定義的原則。

引理1 自包含原則。一個服務的執行，不應必然依賴于其他服務的執行。

定義服務的目的是靈活地按需配置，如果一個服務B的執行必然依賴于另一服務C，即B和C在邏輯處理中是強耦合關聯的，則把B和C定義為不同的服務，在增加服務調用鏈（調用次數）的長度的同時，沒有提升系統的靈活性。即若對任意A→B，都會導致A→B→C，那么B和C應該合并為同一個服務。

引理2 可重用原則。一個服務如果沒有被一個以上的服務使用者調用，則其不應單獨作為一個服務。

如本文第1.2節所定義，平臺化服務網絡的目標是通過平臺化的能力，按需調用服務、構建網絡。若某一“原子服務”A單獨存在，僅僅被唯一的服務B調用（在當前及可預期的業務邏輯下），這和服務的定義相違背。從系統的優化方面來看，服務A和任一服務融合在降低服務的數量（簡化了系統設計）的同時，不會降低系統的平臺化能力。因此優化設計的方案是不將A列為一個“服務”，其邏輯處理可與任一服務融合。

引理3 獨立性原則。不同服務間邏輯處理所涉及的狀態存儲是相互獨立的。

不同服務間的狀態獨立存儲，服務A的邏輯處理操作所更新的狀態存儲在服務A中，其狀態數據不會存儲在服務B中。在獨立性原則下，服務可以進行獨立的生命周期管理，即不同服務可以獨立地部署、升級、遷移等。

“自包含”“可重用”“獨立性”是服務設計的3個必要原則，可以避免過細的服務粒度設計，但會導致高的系統復雜性。在實際系統的設計時，可以基于上述三原則進行服務的初始優化設計，基于服務設計三原則優化服務粒度流程如圖6所示。

圖6 基于服務設計三原則優化服務粒度流程

3.2 核心網實踐——5G服務化架構

5G獨立組網架構實現了端到端5G能力，被認為是5G的目標方案。獨立組網的標志性特征是有一個新的“網絡大腦”——SBA定義的核心網。在該設計中，通過“拆”將功能解耦為原子服務；通過“組”實現原子服務的有機組合；通過新型的API調用和協議棧實現靈活的“連”。對5G架構尤其是核心網的控制面進行了全新設計。5G的SBA是平臺化服務網絡理念的第一個實踐，也是移動通信系統歷代架構的最大變革。

（1）SBA的層次化設計

平臺化服務網絡是一個新的網絡體系架構，傳統網絡以設備而非服務構成網絡的基本元素。為實現網絡從單體網元設備向服務的轉變，首先將4G的網元的設備功能進行解耦重構。例如，對服務網關（serving gateway，S-GW）和分組數據網網關（packet data network gateway，P-GW）進行控制面和用戶面的分離，對移動性管理實體（mobility management entity，MME）進行移動性管理和會話管理的分離，對用戶的狀態進行邏輯和處理分離（引入對結構化和非結構化兩類數據標準化的存儲結構）。

為避免服務種類過多而帶來的系統復雜性，可以將相關的邏輯處理進行聚合，這是基于網絡業務的消息交互機制進行設計的。在第3.1節所述三原則基礎上，形成從服務操作到整個系統的層次化設計。這包括對狀態機進行處理（稱為“操作”）、多個對同一狀態機進行的操作組成“服務”（本文也稱為原子服務）、多個完成相關能力的服務組成“功能”、多個功能的有機組合形成“系統”（即總體網絡架構）。SBA中的層次化定義如圖7所示。

（2）SBA的服務框架

支撐網絡以服務為基礎構建成平臺需要一套框架體系，用以實現服務的注冊、發現、授權。服務管理框架功能示意圖如圖8所示。在5G的服務化網絡架構中，該框架以服務化的方式，通過引入網絡存儲功能（network repository function，NRF）解決該問題。網絡服務能力原子化后，網絡服務間交互數量劇增，服務快速尋址成為難點。基于NRF的服務管理框架可實現原子服務高效管理，包括能力敏捷擴展、業務流程實時可靠、交互安全隔離。服務框架具有如下3個方面的主要功能。

圖7 SBA中的層次化定義

圖8 服務管理框架功能示意圖

●服務快速尋址，支持新服務快速上線：原子服務一旦部署，將自動注冊到NRF供全網功能按需調用，NRF對服務進行注冊、更新等全生命周期管理。

●對服務調用進行編排，實現業務流程實時可靠：編排面向多場景的業務流程，建立消息攜帶機制，提高交互效率及可靠性。

●根據服務請求信息篩選查找結果，實現服務訪問安全隔離：建立基于用戶身份、位置、服務類型、切片標識的服務認證和授權機制，實現專網間服務差異化與隔離。

（3）SBA服務的交互

SBA采用API調用、模塊化的原子模塊、基于HTTP/HTTP2的協議體系，通過IT化的架構、CT化的機制，重構功能和連接，實現平臺化的服務能力。將流程消息型接口完全打破，通過基于HTTP/HTTP2的協議將服務間的交互用API調用方式實現，通過API實現能力的自由調度和服務封裝。

3.3 服務化架構的應用

SBA是5G最重要的標志性創新之一，也是5G全面賦能垂直行業的基石。以SBA為基礎，可以靈活設計差異化網絡切片，按需生成不同行業專網，快速組建輕量級邊緣計算網絡[6]。這些能力正是平臺化服務網絡的設計目標。5G SBA及網絡切片架構如圖9所示。

5G服務化架構對核心網的重構使得更靈活的分流控制、更分布式的數據轉發成為可能。得益于此，“邊緣計算”成為5G原生的能力。在4G時代，核心網的S-GW和P-GW是兼具控制面、用戶面的復合網元，其部署位置也往往處于省中心等集中地點，不論是從成本還是機制上都無法實現網絡邊緣處的本地靈活分流。控制面的服務化，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。

網絡切片是5G服務垂直行業的另一個代表性的能力。它通過定制化的功能組合、網絡的隔離及SLA保障提供虛擬專網的服務。基于SBA按需編排網絡服務，使得切片成為5G服務垂直行業的基本框架。在網絡切片的實現中，如何確保終端正確、快速地選擇相應的網絡切片、實現終端業務隔離是其關鍵。除了按場景（如低時延網絡、低功耗網絡、大流量網絡等功能）的定義，SBA還定義了“NSSF服務”，實現網絡切片靈活選擇。NSSF具備全域的網絡切片部署信息，基于終端上報的網絡切片標識，判斷當前終端可用切片列表并告知終端。通過網絡切片標識將5G網絡切片進行端到端連通，以切片為粒度進行資源保障和隔離，并實現管理與控制協同。

圖9 5G SBA及網絡切片架構

4 結束語

網絡技術體系的變革發展一直是產業界關注的熱點[7-9]。性能的“確定性”往往導致資源分配問題成為NP難問題，而IP互聯網所倡導的“盡力而為”則通過目標軟化，使得應用極大便捷和豐富。數字化的發展使得信息通信網絡的使命發生躍變。作為一個復雜的巨系統，其在不斷擴展服務對象和范圍邊界的同時，網絡體系結構的有序擴展、追求盡可能低的“網絡結構熵”是整個產業界和學術界面臨的重大挑戰。

本文給出了移動通信變革性的設計模式，提出平臺化服務網絡的設計方向。5G是架構“服務化”的開始，SBA是控制面的服務化。6G將進一步深化平臺化服務網絡的實現，在面向5G-Advanced及6G發展過程中，已經呈現出服務化擴展的趨勢，“服務化”在不同領域的設計和實現會有所不同。在用戶面，UPF在3GPP的Release 18引入了服務化的信息開放接口[10]。服務化的RAN也引發了廣泛的研究和思考[11]，其服務的設計、服務間交互的協議會隨著接入網本身性能和特點的不同而有所差異。“專網”是5G最主要的業務能力，是網絡“平臺化”的初步體現。5G網絡架構的新設計影響深廣，已經超越了移動通信系統本身。SBA、網絡切片、邊緣計算等技術，所引入的定制化、差異化、分布式能力，對網絡運營平臺、傳輸網絡、互聯網協議、云網絡架構的發展都起到了巨大的促進和參考作用，這是前幾代移動通信系統所沒有做到的。

距離平臺化服務網絡的設計目標仍有很長的路要走。第一，網絡的可定義性需要增強，網絡服務提供商（運營商）提供平臺服務，而用戶應該成為網絡的主人，基于服務的網絡二次開發的能力仍然有限；第二，面向業務層的網絡服務能力的開放需要增強，服務化網絡的目標是支持豐富的網絡應用形態，支持不斷增強的多要素信息服務，這都依賴于通過面向業務層的服務提供給用戶；第三，“平臺化服務網絡”的設計理念在5G核心網的控制面有了最先的突破，但其在移動通信系統的其他領域，用戶面的轉發、無線電接入網的基帶處理、終端的靈活可定義都需要結合其領域技術的特點實現技術和應用的深化。

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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

國家重點研發計劃項目（No.2020YFB1806801，No.2020YFB1806800）

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

王曉云（1968?），女，中國移動通信集團有限公司教授級高級工程師、技術部總經理，原創技術策源地總師，新一代寬帶無線移動通信網副總師，新一代移動信息通信技術國家工程研究中心負責人，主要研究方向為超大規模移動通信系統架構與組網等。

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)推進組網絡技術組組長，主要研究方向為5G/6G網絡架構、IP新技術、IPv6、算力網絡等。

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，中國科學技術協會第十屆全國委員會委員，長期從事移動通信網架構、IP新技術研究及國際標準化工作。