MSC Pool負載均衡問題研究

朱 斌，赫 罡，馬瑞濤，郝曉鋒（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

0 前言

3GPP TS23.236在R5版本中正式提出了核心網(wǎng)（CN）池（Pool）組化的概念，它允許 1 個 RAN（RNC 或BSC）節(jié)點連接到多個CN（MSC或SGSN）節(jié)點。同時它也提供了一種新的路由機制，該機制允許RAN節(jié)點從Pool內(nèi)多個CN節(jié)點中選擇1個節(jié)點為用戶服務。而這種路由機制實際就是由NNSF實現(xiàn)的，為了保證Pool內(nèi)CN節(jié)點的負載均衡，NNSF節(jié)點可根據(jù)負載均衡算法把進入MSC Pool服務區(qū)內(nèi)的用戶分配給不同MSC來服務用戶。

NNSF的路由選擇保證了用戶在MSC Pool服務區(qū)內(nèi)一直由分配的MSC為該用戶提供服務，而負載均衡算法保證了MSC Pool內(nèi)的各MSC之間的負載均衡。本文主要對MSC Pool中的關(guān)鍵技術(shù)NNSF和負載均衡算法進行研究。

1 基本原理

當用戶首次在Pool內(nèi)開機或者漫游進入MSC Pool的服務區(qū)域，NNSF節(jié)點依據(jù)負載均衡算法選擇Pool內(nèi)的一個有效的MSC為用戶提供服務，被選擇的有效MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。此后用戶在MSC Pool內(nèi)登記、切換、呼叫、開關(guān)機等會始終由NNSF節(jié)點通過NRI選擇到對應的MSC為其服務，負責其業(yè)務的處理。

1.1 觸發(fā)條件

觸發(fā)負載均衡算法的場景有以下3種。

a）NNSF節(jié)點收到僅攜帶IMSI或IMEI的消息，即終端之前未分配CN節(jié)點，消息中沒有攜帶NRI字段。

b）NNSF節(jié)點根據(jù)終端攜帶的路由參數(shù)無法從配置的NRI與CN節(jié)點的映射關(guān)系表中找到服務的CN節(jié)點，即TMSI攜帶的NRI沒有對應CN節(jié)點。

c）NNSF節(jié)點根據(jù)終端攜帶的路由參數(shù)可以從配置的NRI與CN節(jié)點的映射關(guān)系表中找到服務的CN節(jié)點，但是對應的CN節(jié)點信令不可達，即TMSI攜帶的NRI有對應的CN節(jié)點，但是到該CN節(jié)點的信令不可達。

具體的判斷執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 消息執(zhí)行流程

1.2 處理流程

依據(jù)實際中的觸發(fā)條件，表1中有3類具體的場景需要執(zhí)行負載均衡算法。

表1 負載均衡算法觸發(fā)情況分類

當用戶終端攜帶不同的用戶標識發(fā)起業(yè)務時，處理流程不同。

a）當用戶以IMSI或IMEI發(fā)起業(yè)務時，NNSF節(jié)點（RNC/BSC/MGW）使用負載均衡算法選擇1個有效的MSC作為MS的服務MSC，被選擇的MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。

b）當用戶以TMSI發(fā)起業(yè)務時，NNSF節(jié)點（RNC/BSC/MGW）使用NNSF路由選擇功能 （根據(jù)配置的NRI與CN節(jié)點的對應關(guān)系表）為用戶選擇服務的MSC。當被選擇的MSC無NRI與MSC的對應關(guān)系時，NNSF節(jié)點使用負載均衡算法，選擇Pool區(qū)內(nèi)1個有效的MSC作為服務的MSC，被選擇的MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。

c）當用戶以TMSI發(fā)起業(yè)務時，NNSF節(jié)點（RNC/BSC/MGW）使用NNSF路由選擇功能 （根據(jù)配置的NRI與CN節(jié)點的對應關(guān)系表）為用戶選擇服務的MSC。當被選擇的MSC有NRI與MSC的對應關(guān)系但MSC無效時（鏈路不通、處于禁用或卸載狀態(tài)），NNSF節(jié)點使用負載均衡算法，選擇Pool區(qū)內(nèi)一個有效的MSC作為服務的MSC，被選擇的MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。

2 算法介紹

目前，負載均衡算法從具體的功能實現(xiàn)上可分為靜態(tài)算法和動態(tài)算法2種。靜態(tài)負載均衡算法采用的是預先決策的分配機制，不需要NNSF節(jié)點與相關(guān)系統(tǒng)周期性進行負荷情況的信息交互；而動態(tài)負載均衡算法相比靜態(tài)負載均衡算法具有更多的靈活性，需要根據(jù)系統(tǒng)或接口的負載情況周期性地調(diào)整分配權(quán)重，它采用的是實時交互的決策機制。動態(tài)負載均衡算法雖然比靜態(tài)負載均衡算法更具優(yōu)勢，但是會給系統(tǒng)帶來更多的額外開銷，影響系統(tǒng)的處理性能。

2.1 靜態(tài)負載均衡算法

靜態(tài)負載均衡算法的具體實現(xiàn)方式有很多種，目前主要有2類，一類是加權(quán)隨機數(shù)算法，另一類是加權(quán)輪詢算法。

2.1.1 加權(quán)隨機數(shù)算法

該算法依據(jù)各個MSC的權(quán)重值來進行用戶的選擇分配，分配方式利用隨機數(shù)概率的方式。具體的步驟如下。

a）獲取各CN節(jié)點對應的容量權(quán)重值C（i）

式中：

CAPi——第i個MSC的容量因子

b）獲取權(quán)重的取值W（i）

式中：

W（0）=0

c）隨機生成一個范圍在［0，1］之間平均分布的隨機數(shù)V，如果V大于W（i-1）且小于等于W（i），則選擇第i個CN節(jié)點。

舉例：假如MSC Pool內(nèi)有3個MSC，容量分別為10 萬、10 萬、20 萬，容量因子分別取值為 1、1、2，則可以計算得到 W（0）=0，W（1）=0.25，W（2）=0.5，W（3）=1。如圖2所示，當產(chǎn)生的隨機數(shù)在0～0.25之間時選擇MSC1服務，在 0.25～0.5 之間時選擇 MSC2，在 0.5～1 之間時選擇MSC3為其服務。這樣就可以使用戶按照容量1∶1∶2的比例均衡分布在不同的MSC上。

圖2 加權(quán)隨機數(shù)算法示例圖

2.1.2 加權(quán)輪詢算法

加權(quán)輪詢算法也依據(jù)CN節(jié)點的權(quán)重來進行MSC的分配，與加權(quán)隨機算法不同的是，它采用的是依次輪詢的機制，而不是隨機的方式，該算法嚴格按照比例依次為新用戶分配可服務的MSC。

舉例：同樣假如MSC Pool內(nèi)有3個MSC，權(quán)重因子分別取值為1、1、2，那么對于新登錄的用戶，NNSF節(jié)點會依次將第1個用戶分配給MSC1，第2個用戶分配給MSC2，第3個用戶和第4個用戶分配給MSC3，第5個用戶分配給MSC1，依次類推。最終用戶按照比例分配在不同的MSC上。

2.2 動態(tài)負載均衡算法

動態(tài)負載均衡算法目前也主要有2類：一類主要依據(jù)A接口的電路負荷，另一類主要依據(jù)VLR的用戶實際容量。

2.2.1 A接口的電路負荷

BSC會周期性地計算到每個CN節(jié)點的A接口電路負荷，也就是占用電路/所有電路的值，根據(jù)負荷值的比重分配新用戶到不同的CN節(jié)點上，例如A接口負荷低的分配的用戶相對多一些。

2.2.2 MSC可用用戶容量

a）MSC Pool內(nèi)各個MSC統(tǒng)計本局剩余用戶容量（總?cè)萘繙p去登記用戶數(shù)），然后Pool區(qū)內(nèi)各個MSC分別將本局可用用戶容量等信息傳遞給各個NNSF節(jié)點。

b）NNSF根據(jù)負荷因子進行負荷分擔，而負荷因子決定Pool區(qū)內(nèi)某個MSC被選中的概率，其中MSCi負荷因子=MSCi的可用用戶容量/MSC各節(jié)點當前可用容量總和（見圖3）。

圖3 動態(tài)負荷均衡示意圖

3 部署建議

MSC Pool網(wǎng)絡建設前期需要對整個Pool組內(nèi)的設備容量、接口配置、NNSF開啟等進行統(tǒng)籌考慮，特別需要考慮以下幾個方面的情況。

3.1 負載均衡算法

由于負載均衡算法為廠家特有的實現(xiàn)方式，在3GPP的標準中沒有明確定義。因此，MSC Pool部署建設初期不建議部署NNSF的設備節(jié)點進行異廠家混合組網(wǎng)；此外，由于目前MSC Server和MGW之間還存在設備交互機制和部分信令協(xié)議內(nèi)容私有化的現(xiàn)狀，不建議Pool內(nèi)CN設備異廠家組合。

對負載均衡算法的支持建議如下。

a）靜態(tài)負載均衡算法必須支持并能保證異廠家（CN和RAN節(jié)點為不同廠家）的互通。

b）動態(tài)負載均衡算法建議為可選，現(xiàn)階段實現(xiàn)的動態(tài)負載均衡算法都是私有協(xié)議，不能保證互通，在CN和RAN節(jié)點為同廠家情況時可以采用。

3.2 NNSF部署節(jié)點

依據(jù)3GPP TS23.236的規(guī)定：NNSF在RAN節(jié)點實現(xiàn)，也可以在CN節(jié)點（一般指MGW）實現(xiàn)。目前NNSF功能可以在RNC或BSC部署，也可以選擇在MGW上部署。依據(jù)不同節(jié)點的部署情況，有3種方案可考慮（見表2）。

現(xiàn)有主流設備商基本都能支持RNC/BSC實現(xiàn)NNSF以及MGW代理A Flex，部分廠家不支持MGW代理Iu Flex。由于現(xiàn)網(wǎng)存在不少BSC不支持A Flex的情況，結(jié)合廠家MGW的支持情況，方案2和方案3是目前優(yōu)選的2個方案。

表2 NNSF功能部署節(jié)點情況比較

對于負載均衡算法和NNSF部署有如下建議。

a）RNC必須支持Iu Flex功能。

b）如果BSC不支持A Flex功能，MGW必須能夠代理A Flex功能。

c）MGW應支持A Flex功能，可以支持Iu Flex功能。

4 結(jié)束語

MSC Pool的引入會帶來很多的優(yōu)勢，其中負載均衡是MSC Pool的一個關(guān)鍵技術(shù)，它能夠均衡Pool區(qū)內(nèi)的話務，起到削峰抑谷的作用，并能減少跨局切換和更新信令、降低信令負荷、提升用戶通話質(zhì)量。本文結(jié)合3GPP標準規(guī)范的要求和設備的實際支持情況，詳細說明了MSC Pool負載均衡算法的觸發(fā)條件和基本處理流程，分析了幾種典型的負載均衡算法，結(jié)合設備的支持情況，探討了MSC Pool組化部署的一些考慮，為部署MSC Pool提供了建議。

［1］3GPP TS23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network（RAN）nodes to multiple Core Network （CN）nodes［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/23.236.htm.

［2］3GPP TS 25.413 UTRAN Iu interface RANAP signalling ［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25.413.htm.

［3］3GPP TS 24.008 Mobile radio interface Layer 3 specification;Core network protocols［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/24.008.htm.

［4］ITU-T Recommendation H.248 Gateway control protocol ［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.javvin.com/protocolMegaco.html.

［5］肖颯，伍建萍.2G/3G共核心網(wǎng)的MSC Pool組網(wǎng)策略 ［J］.電信科學，2008（11）.