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深度解析 3GPP TS 32.255：4 Architecture considerations (计费架构总览)

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深度解析 3GPP TS 32.255：4 Architecture considerations (计费架构总览)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 32.255 V18.6.0 (2024-12) Release 18规范中，关于“4 Architecture considerations”的核心章节，旨在为读者提供一个5G数据连接计费系统架构的宏观蓝图。

在上一篇文章中，我们跟随5G用户“小杰”的脚步，初步了解了5G计费的基本原则。今天，我们将转换视角，扮演一名运营商的网络工程师“小李”，他的任务是从零开始理解并部署一套全新的5G计费系统。本章内容，正是他需要掌握的系统“总设计图”。

第4章“架构考虑”是整个计费规范的基石。它定义了计费系统中的“角色”（网络功能）、它们之间的“沟通方式”（接口与参考点），以及它们在不同网络场景（如漫游、固网接入、B2B业务）下的“协作模式”。理解了这张蓝图，我们才能真正把握5G计费的脉络。

1. 前置背景：5G系统整体架构（4.1 High-level 5G System architecture）

在深入计费架构之前，规范首先通过4.1节，快速回顾了5G系统在各种部署场景下的高级架构。这部分内容主要引用了核心系统架构规范TS 23.501的图示，为计费讨论设定了上下文。

对于我们工程师小李来说，这一节就像是项目启动前的“背景介绍”。他需要知道计费系统未来将服务于一个极其复杂的网络环境。虽然我们无需在此详细展开每一种架构，但必须理解它们为计费带来的核心挑战：

  • 多样化的接入方式：网络不仅包括5G无线接入（Non-roaming），还包括与4G的互通（Interworking with EPC）、非3GPP接入（如Wi-Fi）、固网接入（Wireline Access）等。计费系统必须能对来自任何接入方式的数据进行统一处理。
  • 复杂的移动性与漫游：用户会在不同网络间漫游，数据流可能在本网转发（Home Routed），也可能在漫游地直接访问互联网（Local Breakout）。计费架构必须能清晰地处理这两种模式下的计费与结算。
  • 灵活的拓扑结构：为了支持边缘计算等场景，5G引入了I-SMF（中间会话管理功能），使得一个PDU会话可能由多个SMF共同管理。计费架构必须能适应这种分布式的会话控制模型。
  • 新兴业务场景：架构还必须为5G多播广播（5MBS）、时间敏感网络（TSN）、非公共网络（NPN）等新业务的计费提供支撑。

小李意识到，他要构建的不是一个孤立的计费模块，而是一个能够嵌入到复杂多变的5G生态系统中的、具有高度适应性的计费“大脑”。

2. 融合计费的核心架构 (4.2 5G data connectivity domain converged charging architecture)

本节是整个计费架构的核心。它正式定义了5G数据连接融合计费的参与者和它们之间的关系。

The SMF embedding the CTF, generates charging events towards the CHF for data connectivity converged charging or offline only charging. As described in TS 32.240, the CTF generates charging events towards to the CHF for converged online and offline charging processing. The CDRs generation is performed by the CHF acting as a CDF, which transfers them to the CGF. Finally, the CGF creates CDR files and forwards them to the BD.

这段原文勾勒出了计费信息从产生到最终进入计费中心的完整旅程。小李在他的设计白板上画出了这几个关键角色：

2.1 计费世界的“四大金刚”

  1. SMF (Session Management Function)：会话管理者。它内嵌了一个关键组件——CTF (Charging Trigger Function)，即“计费触发功能”。SMF是计费信息的源头，负责管理小杰的PDU会话，并在特定事件发生时（如会话建立、流量超限、QoS变更），“触发”计费流程。它就像一线执勤的“交通警察”，实时监控着数据车流。

  2. CHF (Charging Function)：计费功能核心。它接收来自SMF的计费事件，执行在线计费的配额管理和离线计费的话单生成。在离线计费场景下，CHF扮演了CDF (Charging Data Function) 的角色，即“计费数据生成功能”，负责生成原始的话单记录（CDR）。CHF是计费系统的“中央会计师”。

  3. CGF (Charging Gateway Function)：计费网关功能。它的职责是从一个或多个CHF（CDF）收集CDR，并将它们格式化、聚合成标准的计费文件。CGF是“话单档案管理员和快递员”。

  4. BD (Billing Domain)：计费域。这是计费信息的最终目的地，通常指运营商的计费结算中心、大数据平台等。在这里，计费文件将被用于生成最终账单、进行商业分析等。BD是“财务结算中心”。

2.2 部署的“三种姿势”：架构选项解析

小李的设计工作面临第一个选择：这几个功能模块应该如何部署？规范原文中的**“Figure 4.2.1: 5G data connectivity converged charging architecture”**清晰地展示了三种架构选项。

  • 选项一：高度集成模式

    • 架构描述：在此模式下，CHF与CGF被集成在同一个物理或逻辑实体中。SMF通过Nchf服务化接口与这个集成的CHF/CGF通信。该实体直接生成计费文件，并通过Bd接口传送给计费域（BD）。
    • 小李的思考：这是最简洁的部署方式。优点是架构简单，内部接口调用效率高。缺点是耦合度高，如果未来需要对接来自其他系统（如IMS网络）的CDR，这个集成的CGF可能需要进行改造。适合中小型、业务相对单一的网络部署。

  • 选项二：标准解耦模式

    • 架构描述：这是最标准、最灵活的模式。SMF通过Nchf与CHF通信。CHF（作为CDF）生成CDR后，通过Ga接口将其传送给一个独立的、外部的CGF。CGF负责收集来自网络中多个CDF（可能包括5GC CHF、IMS-AS等）的CDR，处理后通过Bd接口生成文件给BD。
    • 小李的思考：这是大型运营商的首选。Ga接口是3GPP定义的标准化接口，允许不同厂商的CHF和CGF互通。这种解耦架构使得计费系统可以水平扩展，轻松应对海量话单，并能统一处理来自不同业务域的计费数据。

  • 选项三：后端集成模式

    • 架构描述：与选项二类似，CHF和CGF是分离的。但这里的CGF被集成到了计费域（BD）内部。CHF通过Ga接口将CDR发送给CGF，后续的处理和入库都在BD内部完成，Bd接口在这种情况下“消失”了，被私有实现所取代。
    • 小李的思考：这种模式在希望简化外部接口、将复杂性收敛到计费中心（BD）的场景下有优势。但可能会导致计费域与网络侧的计费网关功能产生厂商锁定。

Ga is described in clause 5.2.4 and Bd in clause 5.2.5. of the present document and Nchf is described in TS 32.290.

规范明确指出了这些接口的详细定义，Nchf是基于HTTP/2的服务化接口，承载JSON格式的计费请求/响应消息；Ga是基于GTP’协议或 Diameter的CDR传输接口；Bd是基于FTP/SFTP的文件传输接口。

2.3 实战场景下的架构应用

接下来，小李需要理解这些基础架构在真实网络场景中是如何应用的。

  • 场景一：本地用户（Non-roaming） 规范中的**“Figure 4.2.2: 5G data connectivity converged charging architecture non-roaming reference point representation”**展示了最简单的情况。

    • 架构解读：当用户小杰在本地网络上网时，他的PDU会话由一个SMF管理。这个SMF通过一个名为N40的参考点与CHF进行交互。N40实际上就是Nchf服务化接口在参考点架构图中的别名。这是一个简单直接的“一对一”通信模型。

  • 场景二：归属地路由漫游（Home-Routed Roaming） 当小杰出国漫游时，情况变得复杂。规范通过**“Figure 4.2.3”** 和 “Figure 4.2.4” 分别用服务化和参考点两种形式展示了这种架构。

    • 架构解读：
      1. 双重角色：此时网络中出现了两对SMF和CHF。在小杰漫游的拜访地网络（VPLMN），有V-SMF和V-CHF。在小杰的归属网络（HPLMN），有H-SMF和H-CHF。
      2. 职责分工：V-SMF负责管理小杰在漫游地的接入和移动性，而数据流量会通过隧道传回H-SMF，再从归属地访问互联网。
      3. 计费流：计费也分为两条线。V-SMF与V-CHF交互（通过N40），用于生成VPLMN内部的计费数据，这是未来与HPLMN进行网间结算的依据。同时，H-SMF与H-CHF交互（也通过N40），用于对小杰进行计费，扣减他的套餐。
      4. SEPP的角色：在服务化架构图（Figure 4.2.3）中，VPLMN和HPLMN之间的信令交互（如V-SMF与H-SMF之间）会通过各自的安全边界保护代理SEPP（Security Edge Protection Proxy），确保了跨网通信的安全。

  • 场景三：本地疏散漫游（Local Breakout Roaming） 在LBO场景下，小杰的上网流量直接从漫游地的网络访问互联网，不再绕回国内。规范通过**“Figure 4.2.5”** 至 “Figure 4.2.6a” 详细描述了这种更复杂的计费模型。

    • 架构解读：
      1. V-SMF的核心角色：V-SMF不仅管理接入，还充当了PDU会话的锚点。
      2. 三方通话：此时的V-SMF需要同时与两个计费中心对话。它通过N40接口与V-CHF通信，用于VPLMN内部的计量。同时，它还需要通过一个新的接口N47，跨越PLMN边界与H-CHF通信。
      3. H-CHF的角色：H-CHF在这种模式下依然是计费策略的决策者。例如，它需要决定是否给小杰的漫游数据业务授权（在线计费），或者接收漫游使用报告用于出账（离线计费）。
      4. Inter-CHF交互：在更高级的LBO架构（Figure 4.2.6a）中，甚至引入了V-CHF与H-CHF之间的直接交互接口N107。这允许两个运营商的计费系统直接交换信息，例如同步计费策略，从而实现更精细的漫游计费控制。

The N40 reference point is defined for the interactions between V-SMF and V-CHF, the N47 reference point is defined for the interactions between V-SMF and H-CHF.

小李在他的笔记中特别标注了N40（网内计费交互）和N47（跨网计费交互）这两个关键接口，它们是实现LBO漫游计费的核心。

  • 场景四：MVNO（虚拟运营商）支持 规范的 “Figure 4.2.6b” 和 “Figure 4.2.6c” 展示了5G架构如何支持MVNO。
    • 架构解读：MNO（移动网络运营商，即小李所在的公司）拥有物理网络和核心网功能（SMF、CHF）。MVNO（移动虚拟网络运营商）租用MNO的网络向自己的用户提供服务。此时，MVNO会有自己的计费系统，规范中称之为A-CHF（Actor-CHF）。
    • MNO的SMF会同时与自家的CHF以及MVNO的A-CHF进行交互。与自家CHF交互用于MNO内部的资源成本核算（批发计费），与A-CHF交互则是为了让MVNO能对自己的最终用户进行计费（零售计费）。这套灵活的架构为运营商拓展B2B批发业务提供了强大的技术基础。

3. 面向B2B的演进：消费域与商业域计费（4.3 5G data connectivity converged charging Consumer CHF to Business CHF architecture）

本章最后一部分，4.3节，为我们揭示了5G计费架构面向企业业务（B2B）的终极形态，尤其是在网络切片等场景下。

Figure 4.3-1 depicts the 5G data connectivity converged charging Consumer CHF to Business CHF architecture in reference point representation:

规范中的**“Figure 4.3-1”**引入了两个新的CHF角色：

  • C-CHF (Consumer CHF)：消费域计费功能。这本质上就是我们在4.2节中讨论的CHF，负责对最终用户（如小杰的个人手机）的PDU会话进行计费。
  • B-CHF (Business CHF)：商业域计费功能。这是一个新的逻辑实体，专门负责对企业租户（Tenant）进行计费。

场景化解析：

小李的公司向一家大型物流公司出售了一个端到端的5G网络切片（S-NSSAI），用于其全国范围内的无人驾驶卡车车队。

  1. 双层计费模型：
    • 物流公司的每一辆卡车（UE）建立PDU会话时，SMF首先会与C-CHF交互。C-CHF根据卡车SIM卡的套餐（可能是个物联网套餐），对其流量进行计量。这是**消费层（B2C）**的计费。
    • 同时，由于这个PDU会话使用了特定的网络切片，C-CHF会通过N108接口，将相关的计费信息（如流量、时长、激活会话数等）上报给B-CHF。
    • B-CHF则负责从整个切片的维度对物流公司进行计费。它可能不关心单辆卡车用了多少流量，而是关心整个切片的总流量、峰值带宽、SLA达标率等。这是**商业层（B2B）**的计费。

This architecture is used for Network slice converged charging based on 5G data connectivity: the B-CHF handles the Tenant the Network Slice is assigned to.

这个C-CHF与B-CHF的分层解耦架构，完美地解决了5G时代B2B业务的计费难题，使得运营商既能管理好网络中的每一个连接，又能从更高维度的“服务”层面（如一个网络切片、一个TSN确定性通道）进行商业变现。

文章结尾

通过对第4章计费架构的全面解读，工程师小李的脑海中已经构建起了一幅清晰的5G计费系统蓝图。他明白了计费系统并非单一设备，而是一个由SMF、CHF、CGF、BD等多个功能实体协作组成的复杂系统。更重要的是，他掌握了这套架构如何通过灵活的接口和角色分工，去适应本地、漫游、MVNO乃至网络切片等截然不同的商业场景。

这张“设计图”为我们后续理解具体的计费流程、信令交互和参数定义打下了坚实的基础。在下一篇文章中，我们将回到5.1节，继续探讨计费原则中更深层次的话题，如PCC策略与计费的联动。

FAQ环节

Q1：CHF（计费功能）和CGF（计费网关功能）有什么核心区别？为什么有时候它们会集成在一起？ A1：核心区别在于职责不同。CHF的核心职责是“决策与生成”，它负责实时的配额授权（在线计费）和生成原始的话单记录CDR（离线计费时作为CDF）。CGF的核心职责是“收集与分发”，它从一个或多个CHF（或其他CDR生成点）收集CDR，进行聚合、格式化，然后生成标准的计费文件发送给计费中心。它们集成在一起是为了简化部署，降低小规模网络中设备间接口的复杂性；而分离开则是为了实现更好的扩展性、开放性和多业务融合，是大型网络的首选。

Q2：为什么漫游场景需要区分“归属地路由（Home-Routed）”和“本地疏散（Local Breakout）”两种计费架构？ A2：这是由业务模型和网络效率共同决定的。在“归属地路由”下，用户数据全部传回国内，运营商可以像管理本地用户一样对其进行策略控制和计费，业务体验一致，但网络路径长、时延高。计费架构相对简单，主要在各自网络内部完成。在“本地疏сан”下，用户直接访问漫游地互联网，体验更好，网络效率高。但这对计费架构提出了更高要求，拜访地网络（V-SMF）需要同时与自家计费系统（V-CHF）和归属地计费系统（H-CHF）通信，以协同完成对用户的授权和计费，同时满足网间结算的需求。

Q3：规范中提到的N40、N47、N107、N108这些接口有什么区别？ A3：这些都是计费相关的参考点：

  • N40: SMF与同一PLMN内的CHF之间的接口，用于网内计费交互，是最基础的计费接口。
  • N47: V-SMF（在拜访地网络）与H-CHF（在归属地网络）之间的接口，用于本地疏散（LBO）漫游场景下，实现跨网络的计费控制和信息上报。
  • N107: V-CHF与H-CHF之间的接口，用于更高级的LBO漫游场景，允许两个运营商的计费系统直接“对话”，协同策略。
  • N108: C-CHF（消费域CHF）与B-CHF（商业域CHF）之间的接口，用于网络切片等B2B场景，将最终用户的个人使用量信息上报，用于企业租户层面的计费。

Q4：5G计费架构是如何支持MVNO（虚拟运营商）的？ A4：通过引入一个专为MVNO服务的计费实体A-CHF（Actor-CHF）来实现。MNO（主运营商）的SMF在处理MVNO用户的PDU会话时，会触发两路计费流程：一路是与MNO自己的CHF通信，用于MNO向MVNO收取的网络资源租用费（批发结算）；另一路是通过开放接口与MVNO的A-CHF通信，将该用户的使用详情（如流量、时长等）告知A-CHF，以便MVNO可以根据自己的套餐对用户进行计费（零售计费）。

Q5：C-CHF（消费域CHF）和B-CHF（商业域CHF）架构主要解决了什么问题？ A5：主要解决了5G时代B2B业务，特别是网络切片业务的“双层计费”难题。第一层是面向最终连接（如一个物联网终端或一部手机）的B2C计费，由C-CHF负责。第二层是面向企业客户（租户）购买的整体服务（如一个网络切片）的B2B计费，由B-CHF负责。这种分层架构将复杂的计费逻辑解耦，使得运营商既能精细化管理每个用户的消费，又能以更宏观、更商业化的维度（如SLA、切片总容量）向企业客户收费，极大地拓展了5G的商业模式。

关系图谱