核心網的平臺化架構研究*

張宏遠，丁海峰，朱立潔

（1.上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200093；2.中國電信集團有限公司云網發展部，北京 100052；3.中國電信集團有限公司上海分公司，上海 200000）

0 引言

從程控電話網到現在的5G 移動通信網絡，從固定語音通信到現在的移動多媒體通信，通信網絡迅猛發展。數字中國建設離不開數據通信，通信網絡為數字中國的政治、經濟、文化、社會、生態提供基礎通信能力。在數字產業發展的需求下，國內運營商也在努力建設融合、共享、高效的通信網絡。中國電信在固移融合背景下，實現IP 城域網及無線回傳網絡統一承載[1]，廣電的承載網融合則是為了最大化利用其豐富的機房、管道和光纜資源[2]。分析通信系統架構變革的歷程，研究人員以服務為目標提出系統架構演進的規律和方向，提出“平臺化服務網絡”的發展理念[3]。

隨著云計算技術的發展，核心網一直朝著云計算的方向演進。對于5G 來說已經有了開源系統，并支持Kubernetes 部署[4]，VoLTE 也可以通過開源無線接口平臺項目（Open Air Inteface，OAI）及開源IMS 核心網項目（Open IMS Core）實現[5]。2020年，微軟收購云原生網絡解決方案提供商Affirmed Networks、核心網供應商Metaswitch，并著手與美國第二大移動運營商AT&T 達成協議，協助AT&T 將核心網部署在Azure 公有云上，計劃像開超市一樣向企業客戶售賣核心網。作為通信網絡的控制中樞，從核心網的功能出發，核心網的主要作用是進行終端鑒權、用戶管理及交換控制等[6]，上云后沒有了底層硬件的區別，則融合的核心網平臺就成了一個選擇。本文透過核心網的網元，直接從核心網的功能進行分析，探討融合的核心網架構，在通信網絡平臺化演進的大趨勢下，參考IT、業務系統架構，提出了核心網的平臺化架構。

1 核心網功能分析

1.1 核心網功能演進

在程控交換機時代，固定核心網主要負責電路交換，隨著接入終端類型的增加，固網業務類型增加，需要對終端進行接入鑒權，不同的業務需要進行鑒權。到了軟交換、IMS 時期，業務承載演進到分組域，固定核心網不僅要鑒權、交換控制，還要負責鏈路的建立與切換。雖然固定核心網的主要任務是實現這些功能，但對于網絡建設來說，核心網廠商一般把網絡功能封裝在不同的網元中，如軟交換的媒體網關（Media Gateway，MGW）負責媒體交換，移動交換中心（Mobile Switch Center，MSC）負責業務控制、鑒權等功能，IMS 的呼叫業務與控制功能實體（Call Session Control Function，CSCF）網元負責呼叫業務與控制功能，歸屬用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）負責鑒權等。核心網設計就是根據業務需求對網元的布局、數量及配置進行規劃設計，因此傳統核心網的最小設計單元是網元。

移動核心網增加了移動性管理、移動切換、漫游等功能需求。如圖1 所示，在2G、3G 時代，移動核心網的MGW、MSC 及歸屬位置寄存器（Home Location Register，HLR）就實現了這些功能。4G 移動核心網演進為數據承載網，不同用戶的業務承載QoS 需要不同的控制策略，因此移動核心網中疊加了PCC（策略控制與計費）功能。5G 核心網控制平面是在IT 服務架構基礎上重新構建的移動核心網架構體系，網元之間以服務化接口進行互通[7-8]。5G 核心網的網元基本以功能命名，如接入管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、業務控制功能（Session Management Function，SMF）、網絡切片管理功能（Network Slice Selection Function，NSSF）等，以前包含在MSC、移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）等核心網元中的用戶鑒權功能單獨由鑒權服務功能（Authentication Server Function，AUSF）來承接。

圖1 移動核心網功能演進

1.2 以功能為核心的優勢分析

從以上分析可以看出，核心網的本質是計費、鑒權認證、策略控制、話務控制、資源分配、接入控制等功能[9]，網元僅僅是封裝這些功能的載體。在上云前，由于產品開發、設備管理、網絡配置、運維等原因，利用網元概念可以簡化核心網架構，快速進行網絡建設，簡化運維；上云后，每個網絡功能作為可以云化部署的軟件功能，核心網功能與業務平臺、IT 等系統的軟件功能并沒有本質區別，因此核心網功能云化部署后，用網元對核心網功能進行封裝就沒有了必要性，直接對功能及能力進行規劃設計，實現資源共享、彈性伸縮、快速部署，從而提高網絡的效率和靈活性。在核心網中直接把網絡功能作為網絡設計、規劃的對象，可以帶來以下優勢：

（1）把核心網功能作為網絡規劃、設計、部署的對象，讓核心網規劃、設計更貼近核心網的本質，避免網元中固定配置的多余功能封裝，提高核心網的柔性及精確性。這種直接面向功能的核心網設計對于建設輕量化定制核心網具有重要意義。如圖2 所示，4G 核心網MME、HSS 等網元封裝了核心網功能，規劃、設計顆粒度就只能是網元，如果以功能為目標則就可以更精細化地規劃設計，有利于網絡功能的演進與融合。

圖2 核心網功能的歸并

（2）直接以網絡功能作為核心網的規劃、設計對象符合核心網的服務化架構演進。服務化架構是以輕量級接口協議為基礎，為網絡功能、接口位置提供服務。不同垂直行業對核心網的差異化需求主要體現在功能的差別，若在建設核心網的過程中，仍使用傳統的網元部署方式，容易忽略不同行業的功能區別，網元封裝的功能難以適配不同垂直行業的定制化核心網業務特性。以網絡功能作為目標后，核心網規劃、設計就更容易體現行業功能要求[10]，并關注用戶的上網要求，然后對網絡功能進行分離設計，通過虛擬化技術提高網絡功能。

（3）以功能作為核心網規劃、設計的主要內容對核心網的布局與建設帶來了新思路。目前核心網的規劃設計的核心內容是網元的布局與配置，核心網容災設計的主要內容是網元容災。如果以功能為規劃設計內容，有利于直接對網絡功能制定合理的容災策略，如鑒權認證功能就可以利用分布式數據存儲、免鑒權、AI 智能鑒權、分級授權等方式來保障用戶遇到核心網數據庫故障時的基本業務。

（4）以功能為對象可以節省投資。每次網絡升級換代后，網元類型會增加，網元功能也會有較大升級，因此從1G 到5G，每次升級都要新建核心網。核心網云化后，以功能為建設對象，則每次的網絡升級換代都是一次功能升級。在功能升級的建設思路下，就可以利舊大部分的網絡功能，僅需增補或升級部分功能，從而節省投資。

（5）以網絡功能為對象有利于推進云網融合。傳統核心網不僅軟件功能與硬件緊密耦合，業務與網絡也是耦合的，不同網元封裝不同的功能，各網元之間采用不同的接口協議，如與HSS 交互需支持Diameter 協議。云網融合就是要充分利用云網資源，并結合云的高可用性、可擴展性及彈性擴縮容，此時以功能為對象更適合進行核心網與云的有效分工。

核心網向服務化架構演進，5G 核心網架構總體呈現出網元功能解耦、兼容萬物互聯、業務驅動的導向，但是核心網的標準架構還是單體架構[8]，只是借鑒了一些云原生的思路，如服務注冊、服務發現等。廠商在實現的時候還是把每個功能體設計為封閉的網元，這顯然不利于核心網的上云與云網融合。天地一體網絡包含了多層次的異構子系統，其核心網的本質依然是交換控制、鑒權認證與資源調度，同時也對AI 智能控制提出了需求，從而實現算力度量、智能調度、實時編排[11]。因此，基于網元的核心網架構顯然不能適應復雜多變的核心網需求，需要在通信網絡平臺化演進的大趨勢下，對核心網架構進行創新研究。

2 核心網平臺化架構

2.1 核心網平臺化

平臺化服務網絡是移動通信的演進趨勢[12]，并且平臺化、服務化是移動通信網絡服務能力拓展的必然要求。在1G 的時候，語音電話是移動通信的唯一業務，隨后增加了短信業務；然后在2G 后期，隨著數據能力的出現增加了多媒體消息；隨著3G時期數據域增強能力，移動聊天、彩鈴等業務也逐步開展；到了4G、5G 時期，大帶寬、低時延、多鏈接的移動數據交換能力使得在線游戲、移動辦公、直播等業務都能在通信網絡上飛速發展。當承載少數幾個業務時，移動通信網絡可以為這些業務定制服務，當移動通信網絡上承載了成百上千的業務后，移動通信網絡已經不可能為單個業務去調整，此時移動通信網絡已經變為一個平臺，它為不同業務提供通用化的數據交換、基本位置能力等服務。

如圖3 所示，互聯互通的移動網絡、衛星網絡、固定網絡共同構建了一個業務承載平臺，其上承載了基礎業務、融合業務及數字產業應用。

圖3 通信網絡的平臺化

核心網是通信網絡的控制與交換中心，最初的固定網絡主要服務電報、電話業務，移動電路域也是與語音話務緊密結合。隨著核心網承載、控制、業務的分離，現在的移動核心網、固定網也不再為單個業務服務，5G 核心網提供的AMF、SMF、用戶數據管理（Unified Data Management，UDM）、AUSF 等都是與具體業務解耦的通用服務能力。在固網方面，IMS 也做到業務與控制的分離，每個業務都可以通過應用服務器提供相應的業務應用。綜上所述，現在的移動核心網、固定核心網已經成為一個能力平臺，以后隨著固移融合，融合了固移能力的核心網平臺將成為更大、更強的能力平臺[9]。顯然，核心網已經成為一個能力平臺，在網絡功能虛擬化（Network Function Visualization，NFV）、軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）等技術已經成熟的情況下，就應該按照平臺化架構的目標去規劃設計核心網，而不應該按照傳統的網元單體架構去規劃、設計。

核心網平臺化演進將帶來以下優勢：

（1）支持多種應用場景。核心網平臺化可以支持不同類型的應用場景，例如物聯網、車聯網、增強移動寬帶等。平臺化的核心網可以通過虛擬化、云化等技術來實現網絡資源的共享和創新，為不同類型的應用場景提供更加靈活、可定制的網絡服務。

（2）提高網絡的靈活性和可擴展性。核心網平臺化可以通過網絡功能虛擬化、云化、軟件化等技術的應用，提高網絡的靈活性和可擴展性。這些技術可以幫助運營商更加方便地進行網絡資源的配置和管理，提高網絡的資源利用率和運行效率。

（3）降低網絡運營成本。通過網絡的平臺化，可以實現網絡資源的共享和協同工作，降低網絡運營成本。平臺化的核心網可以將網絡資源虛擬化并統一管理，減少硬件設備的數量和維護成本，從而降低網絡的運營成本。

（4）支持創新業務的快速推出。平臺化的核心網可以通過開放接口、標準化協議等技術，支持創新業務的快速推出。開放接口和標準化協議可以降低新業務的接入門檻，為創新業務提供更加靈活、高效的接入方式。

（5）提高用戶體驗。平臺化的核心網可以根據不同用戶的需求和應用場景，提供更加個性化、定制化的服務。這可以提高用戶的滿意度和體驗。

綜上所述，核心網平臺化有提高網絡的靈活性、可擴展性，降低網絡運營成本，支持創新業務的快速推出，提高用戶體驗等優勢，具有重要的意義和價值。

2.2 平臺化架構

網絡體系架構被譽為網絡研究“皇冠上的明珠”[13]，移動通信網絡架構是數字世界的“三大架構”之一，我國的通信專家一直在探索核心網的新架構[3,14]，其中云化架構一直是他們研究的一個方向。云化架構強調的是核心網能力的分層解耦，解決的是核心網功能軟件與硬件的解耦，目的是提升資源利用率和部署效率。云原生5G 核心網以實現現有網絡功能的容器化為目的，重點是核心網功能的微服務化，在上云的基礎上提高網絡的彈性擴縮容能力[4,15]。核心網平臺化架構是在云化的基礎上實現核心網功能的分類歸并，讓核心網平臺成為承載不同業務的通用能力平臺。

核心網的平臺化架構應該將核心網功能與業務應用解耦，對核心網功能進行歸并管理，對業務進行柔性支撐。核心網需要支撐的業務眾多，首先應按照業務應用對核心網的功能需求進行分析，對不同的核心網功能分而治之，讓核心網平臺以提供通用連接管理、話務管理、移動性管理為主，并在此基礎上對通用的位置應用、消息轉發、群組通話、預付費等提供開放能力。

如圖4 所示，平臺化的核心網架構包含接入層、核心功能層、開放能力層、智能運維、安全管理、公共數據等模塊。接入層應滿足寬帶化、IP 化的接入能力，能滿足政企專線、家庭網關、移動終端及衛星終端等不同通信終端的接入需求。核心網功能層是核心網通用能力的集合，媒體編碼、轉換，會話管理、移動性管理等在核心功能層按照系統功能架構重新組合，對外提供核心功能。在核心功能層之上，平臺化的核心網可以提供開放能力層，對外部業務應用提供消息、定位、語音等業務能力。這些開放能力可以被外部的業務應用訂閱或調用，并附加定制的其他功能形成不同的政企應用或信息通信融合（Information and Communication Technology，ICT）應用。智能運維模塊負責核心網功能配置及管理，按應用需求配置功能實例或網絡實例滿足業務或網絡切片的需求。核心網平臺配備安全管理平臺對用戶數據、業務、網絡進行安全管理。

圖4 平臺化核心網

2.3 核心網平臺化架構的關鍵點

核心網還處于上云的初期，網元的虛擬化部署尚未普及，核心網平臺化架構距離成熟部署還有很多技術問題需要解決，核心網的平臺化架構建設也是一個逐步完善的過程。本文提出平臺化架構是為了把核心網改造為一個開放的、融合的柔性網絡能力平臺。

2.3.1 開放性

核心網的架構一直是基于網元的單體架構，核心網產品被以網元的形態提供給運營商，網元對運營商來說就是黑箱。平臺化架構就可以打開這種黑箱，讓運營商不僅能夠看到內部功能，還能編排功能，從而更精細地運營網絡，讓核心網從一個定制化的消費網絡變成一個可以生產的網絡。核心網平臺化架構的開放性表現在以下幾個方面：

（1）業務能力的開放。核心功能之間遵循開放的服務化接口，功能之間解耦，對新的業務可以通過能力編排來實現。

（2）平臺軟件、協議、代碼的開放，保持核心網的長期升級與擴容。

（3）部署方式的開放。核心網平臺不需要全部功能部署在一個資源池，不需要同樣的容災備份方式，每個功能按照其技術能力選擇合適的部署地點與備份容災方式。

2.3.2 融合性

“經”“權”關系的探討源于孔子，孟子繼承了孔子的經權學說并有所發展?？鬃又猿蔀槿寮宜枷氲募蟪烧撸蔀闀r之圣人，與其通權達變，靈活變通有著密不可分的關系。李有光（2011）認為，儒家正是因為從孔子始就強調“經”與“權”，即原則性和靈活性的對立統一、互動互存的關系，才使得儒術在歷史長河中既堅守自己的倫理之道毫不動搖，又不斷吸收新的思想成分，隨著歷史條件的變化而調整，從而最終確立了自身的國家意識形態和主流文化的地位?！墩撜Z》中多處體現著經主權輔，經權互變的思想。

平臺化的核心網的融合性應體現在以下幾個方面。

（1）核心網平臺架構中應融合云、網、數、智、安等多要素，在融合云網技術的基礎上提供數據、AI 及安全等多能力；

（2）融合性應體現在接入能力的多樣性，無論移動終端還是固定終端，無論是中繼接入還是Wi-Fi 接入，核心網平臺應該提供融合的接入及控制能力；

（3）融合性體現在核心功能的融合，如接入鑒權功能應對所有接入方式的終端和用戶提供鑒權能力。

2.3.3 柔 性

核心網平臺要對外提供能力，而外部的需求具有不確定性，因此核心網平臺應是一個柔性網絡，能為不同的場景、不同的業務需求提供不同的基礎能力，即通過“以應用服務為中心”漸進式重構3～7 層協議棧，實現應用服務“主動表達需求”，提供按需使用能力[13]。此外，柔性的核心網平臺還應該能夠在服務化的基礎上提供定制化的切片網絡實例，服務不同的客戶?？傊?，平臺化的核心網通過控制與轉發的分離，分布式與集中式的融合，實現“全網可管控”，提供差異化能力[13]。

3 核心網平臺化帶來的新問題

3.1 建設方式

平臺化核心網一定是部署在云上的軟件系統，網絡功能以NFV方式部署，云資源池提供硬件能力。平臺比網元具有更長的生命周期，在系統架構允許的情況，平臺只需要升級擴容功能，即使網絡演進要6G，也不需要新建一個6G 核心網平臺。

3.2 容災方式

平臺化后，容災的對象是能力集，現有面向網元的1+1、N+1 及池化（pool）容災方式不再適用。平臺化后，核心網功能部署在云上，具體的核心網能力由云上的每臺虛機或容器來完成，而這些虛機或容器本身具備了重生、遷移等能力。

此外，沒有網元后，也就沒有了網元門限、網元故障。平臺化核心網的容災需要考慮功能實例故障、單機故障及節點故障。這些故障容災方式與現有的IT、業務平臺容災方式幾乎相同，可選擇的容災技術也就多了。

3.3 運維方式

平臺化的核心網應具備自動運維能力，包括自動化部署、自動化測試、自動化監控和自動化故障排除等功能。這些功能可以使運維人員更加高效地管理和運維網絡，同時也能提高網絡的可靠性和穩定性。

自動化運維所需要的這些功能或工具需要研究人員在平臺化架構下不斷研究、探索、試驗，因此也對運維人員提出了更高的要求。

3.4 智慧核心網

平臺化的核心網應具備數據分析能力，可以對網絡中產生的大量數據進行分析和挖掘，讓運營商及時、準確地了解用戶的需求和行為，同時對網絡運行數據進行分析，預測網絡負荷，優化網絡資源分配和使用，提高網絡的用戶體驗和業務效益。

4 結語

通信網絡是承載數字產業的基礎平臺，現有核心網的單體架構難以適應數字產業的多樣化發展需求，本文從網絡建設的角度對未來核心網的架構進行分析研究。作為通信網絡的中心，核心網提供信令處理、用戶數據傳輸、安全保障等功能。通過分析核心網的本質功能，再借鑒業務平臺、IT 系統的架構優勢，本文提出了核心網的平臺化架構。核心網平臺化架構是融合虛擬化、軟件化、服務化等多種現有技術的面向數字產業的應用，滿足多種接入方式的網絡架構。核心網建設采用平臺化架構后，各個核心網功能通過標準的應用程序接口（Application Programming Interface，API）互相調用，軟件功能部署在虛擬化的服務器中，實現資源共享，同時能夠進行自動化運維和智能數據分析。

雖然國內運營商都在推進核心網上云，但是核心網平臺化架構的落地還需要解決服務功能之間的協作與通信問題，并需要實現自動化運維與數據分析。此外，核心網規劃、設計目標從網元改為功能、系統架構，容災方式也有了新的變化。核心網的平臺化架構建設是一個逐漸推進的過程，功能上可以先從數據平臺化建設、集中維護入手，并在小型的定制網中先行先試。