移动通信核心网络从 1G/2G 程控交换、电路交换时代的融合统一,到 2.5G/3G/4G 的软交换、GPRS、EPC 和 IMS 的专业分家,核心网从业人员面对的业务流程、信令协议各不相同,自身的技能储备也千差万别。随着 5G 网络云化,SBA 服务化网络架构的提出,核心网各专业融合统一成为可能,无论是设备厂商,还是运营商的核心网从业人员如仍像目前这样分专业去转型应对,明显难以胜任。本文主要从 SBA 服务化架构解读、网元功能层面的核心网各专业融合统一分析、网元内部处理逻辑层面的核心网各专业融合统一分析 3 个方面来分析 SBA 架构下核心网各专业融合统一的可行性,为核心网网元功能单元的能力设计,以及从业人员能力提升和转型提供一个参考。

 

5G 将渗透到未来社会的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统。面对极致的体验、效率和性能要求,以及“万物互联” 的愿景,5G 的网络架构设计将面临极大挑战。相较于 2G/3G/4G 时代,5G 的网络架构会发生颠覆性的变化,其网络架构设计主要需要满足关键性能需求和网络运营需求。3GPP 定义了 5G 应用的三大场景(eMBB、mMTC 和 uRLLC),主要是从关键性能需求提出,而网络运营方面的需求主要是运营商在部署新网络时,一般都会考虑建设和运营的可行性和便利性,从而对 5G 网络提出了灵活部署、覆盖与容量兼容、精细化控制、能力开放和异构兼容等需求,这些需求在当前 LTE 网络只能实现很少一部分。因此, 5G 网络架构的设计需要满足转控分离、集中控制、分布式部署、资源池化和服务模块化等要求。

 

1、SBA 服务化网络架构的解读

从网络架构实现角度来说,5G 网络架构相比传统 2G/3G/4G 架构而言,是一种颠覆性的变化。但是,从网络功能来说,5G 网络相比传统 2G/3G/4G 还是有一定继承性。因为,通信网络的各代演进从来都不是一种割裂的状态,而是一种螺旋式递进的规律,每一代通信网络都会继承前一代一些特征,并演变出一些的新的特征。

 

1.1 继承传统架构的 5G 核心网架构

为了实现 5G 网络的功能模块化、无状态设计和 C/U 分离需求,3GPP 在网络功能进行重新定义,将传统 2G/3G/4G 的网元重新定义为网络功能模块,就是图 1 中各种命名以“F”结尾的功能块,5G 核心网继承架构如图 1 所示。

 

图 1 5G 核心网继承架构图

 

与 4G 网络功能相比,5G 核心网点到点架构既有对 4G 核心网网元功能的拆分和整合,也有新增的功能点。比如 AMF 就相当于 4G 网络的 MME,但是只负责用户接入控制和移动性管理,而 MME 的会话管理部分被拆分整合进 SMF。此外 SMF 还整合原 Service-GW/PDN-GW 的路由控制、地址分配和合法监听等控制功能。而 NEF、NSSF 和 NR 属于 5G 网络的新增功能,分别用于能力开放、切片管理和网元功能注册,便于与各类互联网和物联网应用对接、扩展和业务模式创新。其中,NRF 的出现实现了各类功能网元的解耦,这也是实现 SBA 服务化网络架构的关键。

 

1.2 5G 核心网 SBA 服务化架构

SBA 服务网络架构是中国移动首先提出的一种架构,借鉴了 IT 领域生产者和消费者的概念。所谓生产者就是只产生网络服务能力,至于谁去使用并不关心。而消费者就是使用网络服务能力去实现网络服务,至于网络服务能力由谁产生并不关心。5G 核心网 SBA 服务化架构如图 2 所示。

 

图 2 5G 核心网 SBA 服务化架构图

 

通过这种服务化理念引进,整个网络功能实现松耦合,各个网络功能挂载一条总线上,各个网络功能既是生产者,也是消费者,不仅自身产生网络服务能力,同时也消费其它网络功能的能力,这种角色的转变就是通过 NRF 网络功能实现。各个网络功能都向 NRF 注册,将自己 IP 地址、域名和能力集等信息注册到 NRF 上,NRF 统一监控总线上各类网络功能的变更,并及时更新已变更的信息。当某个网络功能需要与另一个网络功能通信时,会去 NRF 上查询对端的信息,NRF 会将对端的 IP、域名和能力集进行反馈。然后,该网络功能就能通过总线寻址到对端,从而完成通信。因此,这种服务化的架构不仅实现了网络功能松耦合,而且将原来架构中的固定转发路径变为点到点转发。

 

2、网元功能层面的核心网各专业融合统一分析

现在,很多人都以为 5G 的语音业务无论是初期的 VoLTE、后续 EPS Fallback,还是最终的 VoNR 仍是由 IMS 网络来提供,再加上现在介绍 5G SBA 架构都是以 4G EPC 网络架构做参考对比,导致存在“5G 时代的核心网仍然是分成 PS 和 IMS 两大领域”的误区。其实,从业务提供层面来讲可以这样认为,毕竟不同业务的信令协议和业务不同。但是,从网元功能实现和网络架构的设计理念来讲,未必还需要进行上述的专业分家。

 

2.1 业务角度的核心网专业划分

移动通信网络的核心网从 GSM 时代开始就分为电路交换域 CS 和分组交换域 PS,分别负责移动语音业务和 GPRS 手机上网业务。到了 3G 时代,核心网在 CS 和 PS 的基础上又多了一个 IMS 域,它的定义是“IP 多媒体子系统”,在 2008 年的 3GPP R5 版本定义并冻结。在国内,只有中国移动在 2009 年 6 省市部署 IMS 域试点,2010 年 27 省全面部署 IMS 域并全面商用,初期用于固网 VOBB 政企和家庭固话业务承载。而到了 4G 时代,由于其作为 VoLTE 高清语音 / 视频通话业务的核心网络,在移动通信核心网的地位提升。移动通信网络架构演进如图 3 所示。

 

图 3 移动通信网络架构演进图

 

目前,4G 时代,移动通信核心网主要细分为 EPC、IMS 和软交换 CS 三大专业,EPC 仍然继承提供 GPRS 业务,只是带宽大了很多,速度快了许多,可以简单理解为 GPRS 业务的增强版。而 IMS 则从初期只提供固网业务,发展为开始为用户提供高清语音 / 视频通话业务,不仅业务种类多了终端侧的视频通话、视频彩铃和一号多终端等富媒体业务,且语音质量(清晰度、保真度)和接续时延等用户感知,相比传统软交换 CS,都有质的提升。至于软交换 CS,仍然承担部分未换卡 GSM 用户语音&数据业务,以及未开通 VoLTE 业务的 4G 用户语音业务。

 

因此,在 4G 网络阶段,移动通信核心网专业从业务承载的角度来看,分为 EPC 专业(用户数据业务、彩信业务)、IMS 专业(高清语音 / 视频业务、短信业务)和软交换 CS 专业(传统语音业务、短信业务)三大专业。所以,大家都宣称自己是核心网专业从业人员,但是业务流程、信令协议、网元配置以及人员技能储备等方面都是不同的。

 

到了 5G 时代,如图 2 所示 SBA 服务化核心网架构的提出,网元功能模块全部“软”化,从软件模块化设计和“生产者 / 消费者”理念来看,这必然会导致 SBA 架构下各网元功能模块之间通过一条逻辑总线互联,松耦合且无强依赖。这与现有 IMS 网络架构设计理念(控制、承载、业务三分离)是相符的,也为统一提供语音 / 数据类业务,不再细分 IMS/CS/PS 等专业打下基础。比如业务管理网元功能 SMF 不仅只继承 EPC-C 面功能,同时集成统一整个 IMS-C 面功能。而用户面网元功能 UPF 不仅只继承 EPC-U,同样也能集成 IMS-U。

 

2.2 IMS 逻辑网元与 SBA 架构网元功能融合

IMS 网络架构从 2008 年 3GPP R5 版本冻结以来,一直没有变化。从这一点来看,正好说明这个架构是非常成熟的。整个 IMS 网络架构也是分层的,分为接入层,承载层、控制层和业务层共 4 层。IMS 网络架构如图 4 所示。

 

图 4 IMS 网络架构图

 

首先,就是核心层与接入层之间的用作边界网关的 SBC 网元,它主要用于用户接入控制、业务代理鉴权和数据分组的路由转发。从网元兼具的具体功能角度来看,用户接入控制功能可以卸载到 SBA 架构的 AMF,业务代理鉴权可以卸载到 SBA 的 AUSF,业务路由控制可以卸载到 SBA 的 SMF,媒体面数据分组转发功能可以卸载到 SBA 的 UPF 上。

 

从 SBC 向上,就到了真正的核心控制层,主要就 3 类网元 CSCF、ENUM/DNS 和 HSS。CSCF 在 3GPP 定义中又分为 3 个逻辑功能网元 P-CSCF、I-CSCF 和 S-CSCF。

 

P-CSCF 网元也是用于业务的接入控制,本质上它才是 IMS 拜访域核心层的入口。由于涉及跨网络层对接,从安全角度考虑设置边界网关 SBC,正是因为 SBC 的存在,使得 P-CSCF 变成了一个纯信令控制面网元。在固网业务网内,P-CSCF 是独立设置的,与边界网关 SBC 采用星型拓扑连接,目的就是对不同业务区域用户接入统一集中管理。在 VoLTE 业务网内,P-CSCF 与 SBC 合设。所以,从网元功能角度来看,其接入控制功能同样可以卸载 SBA 架构的 AMF 上。

 

I-CSCF 网元主要用于跨 IMS 核心控制层互通,所以具有拓扑隐藏的功能。也就是说,从其它 IMS 核心控制层来的业务请求消息只能找本端的 I-CSCF,本端核心网的其它网元对外来的业务请求消息是不可见的。其实,它本质上也是一种接入控制类网元。所以,也可以卸载到 SBA 架构的 AMF。如果考虑安全风险,也可以卸载到 SBA 架构的 SMF。

 

S-CSCF 网元主要用于信令的路由控制和业务逻辑的触发,从这点来看是个典型的会话控制类网元。所以,必然可以卸载到 SBA 的 SMF 上。

 

ENUM/DNS 网元用于 IMS 域内全网的路由寻址,但是不做路由转发,由本端的 S-CSCF 负责路由转发。从网元功能来看,与 SBA 架构下 NRF 何其相似,这也是为什么有人提出 5G 时代 DNS 功能弱化的原因。现有 ENUM/DNS 还负责用户数据的存储,而 SBA 架构的 NRF 可没此功能需求,但是,结合替换 HSS 的 UDM/UDR 网络功能单元,可以实现用户数据存储,从而真正实现统一的用户数据中心。而 HSS 网元的鉴权 / 授权功能可以卸载到 AUSF 上。

 

从核心控制层往上,就是业务层了,主要提供各类业务。通过标准接口与核心控制层对接,只用于业务逻辑的生成和下发,并不涉及业务路由的控制,所以它们与核心控制层是一种解耦关系,完全符合 SBA 架构“生产者 / 消费者”理念,其本质就是 SBA 架构 AF 网络功能单元。如果有进一步能力开放需求,还可以通过服务化总线接口与 NEF 网络功能单元配合实现。

 

以上,通过 IMS 网络各网元功能的解析,阐述了从网元功能层面,IMS 网元与 SBA 架构网元功能融合的可行性。至于软交换 CS 专业,网元功能只有接入控制、业务控制和媒体转发 3 类,与 SBA 架构网元功能融合同样不存在问题。

 

3、网元内部处理逻辑层面的核心网各专业融合统一分析

网络的网元种类很多,按专业细分有软交换的、EPC 的、承载网的、IMS 的和增值业务的等。按照所处的网络位置分有边界网关、接入端局、互联互通关口局、长途汇接局和信令转发点等。同样,各类网元的提供厂商也很多。但是,无论什么类型的网元,无论由谁来提供,网元内部处理逻辑绕不开三大块:消息接口和分发逻辑单元、业务处理逻辑单元和数据库逻辑单元。网元处理逻辑模型如图 5 所示。

 

图 5 网元内部处理逻辑模型

 

消息接口和分发逻辑主要用来接收各类信令 / 媒体消息,按照一定的过滤机制分发给内部的业务逻辑处理单元,业务逻辑处理完成处理后,将业务状态缓存到内部的数据库逻辑单元,并将处理结果转发给消息接口和分发逻辑单元,然后消息接口单元按照一定路由策略转发给外部其它网元的消息接口单元。上述各专业和各类型网元内部都是类似的处理逻辑,这种逻辑处理机制同样符合软件模块化解耦设计的思想。而 SBA 架构本身就采用软件模块化设计的思想,不仅将各类网元功能“软”化,同时将传统网络各网元的逻辑功能进行了拆分和重组,使得每个“软”化的网元功能单元能力更加清晰。因此,我们前面提到的 SMF 不仅只继承 EPC-C 面功能,同样也能集成 IMS-C 面功能的观点,增加的逻辑功能点主要涉及消息接口和分发逻辑单元、业务处理单元的开发,而 IMS 域的接入控制功能卸载到 AMF、鉴权功能卸载 AUSF 等,增加的逻辑功能点也主要涉及上面两处。

 

但是,这种处理逻辑其实是一种有状态的设计理念,涉及业务状态在本网元内部的存储,一旦本网元故障,而业务数据没有异地灾备机制的情况下,就会发生业务受损。而 5G 时代为了进一步提高业务可靠性,需要无状态的设计理念,因此可以将各业务功能单元的业务状态存储单元采用高可靠、负载均衡对接架构,从而实现业务高可用,无损失特性。

 

因此,不同业务信令、流程在同一类 SBA 网元功能单元完成逻辑判断和业务处理,也就是水到渠成的事情。比如在 SMF 只能处理 PS 业务流程基础上,在其内部业务处理逻辑单元中增加 SIP 信令处理单元、Diameter 信令处理单元、HTTP 信令处理单元,就能在 SMF 上同样实现 CSCF 的功能。同理,在 AMF 也能实现 P-CSCF/I-CSCF 的功能。而 5G 网络基于业务流的 QoS 策略,在一个 PDU 会话中通过识别不同业务流,从而建立不同 5QI(类似现在 QCI)等级的业务承载,更为这种各专业融合统一的核心网架构提供天然的基础。

 

4、结束语

在笔者看来,结合 SBA 服务化网络架构理念和网元功能单元“软”化,未来核心网专业统一是很有可能的,并且从技术角度来看,应该也不存在无法解决的问题。因此,无论是设备厂商,还是运营商核心网从业人员都应该未雨绸缪,提前应对未来网络架构变化带来的人员能力和产品功能挑战。

 

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