SGSN+MME融合池組策略研究

苗 杰，高功應(yīng)，穆 佳

（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司 北京 100048）

1 引言

隨著信息通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各種高速移動(dòng)通信和寬帶無(wú)線接入技術(shù)不斷涌現(xiàn)，3GPP提出了系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)項(xiàng)目（SAE）以滿足更高用戶數(shù)據(jù)速率、更大系統(tǒng)容量、無(wú)縫覆蓋和降低運(yùn)營(yíng)商成本的要求。其中，移動(dòng)核心網(wǎng)朝著承載IP化、寬帶化、結(jié)構(gòu)扁平化、能力開(kāi)放化方向演進(jìn)。

目前長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）時(shí)代加速到來(lái)，移動(dòng)核心網(wǎng)面臨著多種無(wú)線接入技術(shù)2G/3G/4G長(zhǎng)期共存、相互補(bǔ)充的局面。因此，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，不僅需要解決承載和控制分離及系統(tǒng)間互操作問(wèn)題，還要考慮分組核心演進(jìn)（EPC）池組化（pooling）融合問(wèn)題。

池組化技術(shù)除了降低網(wǎng)絡(luò)投資和運(yùn)營(yíng)成本，提供實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)池內(nèi)的負(fù)載均衡，提高系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)效率以外，同時(shí)易于擴(kuò)容升級(jí)、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃、提高系統(tǒng)內(nèi)/間切換成功率，還能提供有效靈活的設(shè)備級(jí)容災(zāi)功能。為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)核心網(wǎng)的高效融合，有必要對(duì)2G/3G/4G的核心網(wǎng)控制設(shè)備SGSN（serving GPRS support node）和MME（mobility management entity，移動(dòng)性管理實(shí)體）融合池組，充分發(fā)揮融合池組化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2 池組化技術(shù)概述

3GPP在R5版本以前并沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)資源的共享需求。每個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必定由1個(gè)特定的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所服務(wù)。然而，為了應(yīng)對(duì)由于時(shí)間和地理引起的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡而造成的網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法得到有效利用的挑戰(zhàn)，核心網(wǎng)的池組化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，池組化技術(shù)根據(jù)3GPP核心網(wǎng)應(yīng)用可以劃分為SGSN pool和MME pool兩種。

2.1 SGSN pool

3GPP TS23.236在R5版本中正式提出了核心網(wǎng)（CN）節(jié)點(diǎn)池組化的概念，它允許1個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）節(jié)點(diǎn)連接到多個(gè)CN節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。同時(shí)它也提供了一種新的路由機(jī)制，該機(jī)制允許RAN節(jié)點(diǎn)從池內(nèi)多個(gè)CN節(jié)點(diǎn)中選擇其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)為用戶服務(wù)。SGSN pool技術(shù)支持1個(gè)或者多個(gè)SGSN組成1個(gè)池，共同控制1個(gè)或者多個(gè)路由區(qū)（RA）。用戶按照負(fù)載均衡的原則，注冊(cè)到池中任意1個(gè)SGSN上，池內(nèi)的SGSN間進(jìn)行負(fù)載均衡。用戶在池區(qū)中切換時(shí)不需要改變其服務(wù)的SGSN，這就減少了CN節(jié)點(diǎn)間更新、切換以及遷移的信令開(kāi)銷。同時(shí)，當(dāng)一個(gè)SGSN發(fā)生故障時(shí)，RAN節(jié)點(diǎn)可以將用戶終端的消息轉(zhuǎn)交給池內(nèi)其他的SGSN進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)CN節(jié)點(diǎn)的容災(zāi)功能。

在 SGSN pool中，網(wǎng)絡(luò)資源標(biāo)識(shí)（NRI）用于唯一標(biāo)識(shí)SGSN pool內(nèi)的一個(gè)CN節(jié)點(diǎn)SGSN。RAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)NRI方式完成對(duì)CN節(jié)點(diǎn)的尋址。NRI是分組—臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別碼（P-TMSI）的一部分，是由為該用戶服務(wù)的SGSN臨時(shí)分配給用戶的。NRI可靈活取0～10 bit不等的長(zhǎng)度。其中0 bit標(biāo)識(shí)沒(méi)有啟用NRI，即不支持SGSN pool。NRI通常在P-TMSI的第23到第14比特位，第23位是NRI的高比特位。在1個(gè)池內(nèi)所有SGSN的NRI長(zhǎng)度必須相同。SGSN pool架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SGSN pool架構(gòu)

另外，非接入層節(jié)點(diǎn)選擇功能（NNSF）則是用于RAN節(jié)點(diǎn)根據(jù)負(fù)載均衡原則給進(jìn)入SGSN pool內(nèi)的用戶分配相應(yīng)的CN節(jié)點(diǎn)SGSN。

2.2 MME pool

根據(jù)3GPP TS23.304，EPC中的CN控制實(shí)體MME是天然池組的。與SGSN pool類似，MME pool網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是1個(gè)RAN節(jié)點(diǎn)與多個(gè)CN節(jié)點(diǎn)相連的架構(gòu)，即池內(nèi)的eNode B與MME是多對(duì)多的全互聯(lián)結(jié)構(gòu)。多個(gè)MME組成1個(gè)池，共同控制若干個(gè)跟蹤區(qū)（TA）。用戶在初始接入時(shí)，按照負(fù)載均衡的原則注冊(cè)到池中的某一MME上。與SGSN pool類似，用戶在MME pool內(nèi)移動(dòng)時(shí)不需要改變服務(wù)的MME，從而減少了CN節(jié)點(diǎn)間更新、切換以及遷移的信令開(kāi)銷。當(dāng)池內(nèi)的1個(gè)MME發(fā)生故障時(shí)，eNode B節(jié)點(diǎn)可以將用戶交由池內(nèi)的其他MME進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了CN節(jié)點(diǎn)的容災(zāi)備份功能。MME pool架構(gòu)如圖2所示。

圖2 MME pool架構(gòu)

GUMMEI可以全網(wǎng)唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)MME。GUMMEI作為MME分配給UE臨時(shí)標(biāo)識(shí)的GUTI的一部分。GUMMEI結(jié)構(gòu)如圖3所示。GUMMEI由MCC、MNC和MMEI構(gòu)成；而MMEI則由MMEGI和MMEC構(gòu)成。其中MMEGI的長(zhǎng)度為 16 bit，MMEC 的長(zhǎng)度為 8 bit。在 MME pool內(nèi)部，可以使用MMEC唯一標(biāo)識(shí)MME；在MME pool覆蓋的重疊區(qū)域內(nèi)，MMEC也必須能夠唯一標(biāo)識(shí)MME。

此外，MME pool中的NNSF用于RAN節(jié)點(diǎn)根據(jù)負(fù)載均衡原則給進(jìn)入MME pool內(nèi)的用戶分配相應(yīng)的CN節(jié)點(diǎn)MME。

3 技術(shù)挑戰(zhàn)

圖3 GUTI與RAI/P-TMSI之間的映射規(guī)則

3GPP分組域演進(jìn)的目標(biāo)是2G/3G/4G/非3GPP網(wǎng)絡(luò)共核心網(wǎng)，解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)和效率問(wèn)題。為了使用戶獲得最佳的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，現(xiàn)有2G/3G融合分組網(wǎng)絡(luò)首先需要升級(jí)支持與LTE網(wǎng)絡(luò)的互操作。此外，為了實(shí)現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)資源利用效率和降低系統(tǒng)間切換時(shí)延而引入MME和SGSN融合池組技術(shù)，即對(duì)現(xiàn)網(wǎng)2G/3G的SGSN pool內(nèi)CN部分節(jié)點(diǎn)通過(guò)軟件或者硬件升級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)SGSN和MME的設(shè)備融合，更為重要的是需要唯一的CN節(jié)點(diǎn)映射策略。

MME與SGSN pool融合池組技術(shù)中的池內(nèi)CN節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制與原MME pool和SGSN pool相同。然而，如何實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)間選擇同一融合CN節(jié)點(diǎn)以提高切換效率，降低切換失敗可能性是MME和SGSN融合池組需要解決的首要問(wèn)題。因此，在SGSN pool與MME pool內(nèi)CN節(jié)點(diǎn)之間建立唯一的映射關(guān)系可以滿足系統(tǒng)間切換而融合CN節(jié)點(diǎn)的不變。

4 網(wǎng)間標(biāo)識(shí)映射策略

用戶在融合池間切換時(shí)，RAN節(jié)點(diǎn)可以利用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)通過(guò)NNSF完成選擇同一CN節(jié)點(diǎn)的功能。GUTI是用戶在LTE網(wǎng)絡(luò)中全局唯一標(biāo)識(shí)，路由區(qū)標(biāo)識(shí)（RAI）與P-TMSI是用戶在2G/3G網(wǎng)絡(luò)的全局唯一標(biāo)識(shí)。因此，在跨系統(tǒng)切換時(shí)需要對(duì)上述標(biāo)識(shí)進(jìn)行一一映射。

MME和SGSN融合節(jié)點(diǎn)應(yīng)該支持如圖3所示的GUTI和RAI/P-TMSI映射關(guān)系。MME節(jié)點(diǎn)GUMMEI標(biāo)識(shí)映射成1個(gè) RAI標(biāo) 識(shí) ，MMEC映 射 成 SGSN的 NRI：LAC與MMEGI相互映射，NRI與MMEC相互映射。在池內(nèi)部，RAI和NRI唯一標(biāo)識(shí)1個(gè)SGSN節(jié)點(diǎn)，MMEGI和 MMEC唯一標(biāo)識(shí)1個(gè)MME節(jié)點(diǎn)。

由于 MMEGI與 LAC同為 8 bit，則 MMEGI與 LAC一一映射。根據(jù)3GPP TS 23.003，由于NRI與MMEC之間的相互映射和MMEC的長(zhǎng)度為8 bit，SGSN融合池組的NRI不同于2G/3G的要求，其長(zhǎng)度將被限制為不超過(guò)8 bit。因此，NRI的長(zhǎng)度直接影響NRI和MMEC之間的映射關(guān)系，如表1所示。其中，若NRI長(zhǎng)度小于 MMEC長(zhǎng)度（8 bit）時(shí)，需要引入轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)NRI與MMEC之間的映射，以滿足對(duì)于融合設(shè)備來(lái)說(shuō)相互之間映射的唯一性。

表1 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)映射規(guī)則

由于NNSF功能由eNode B實(shí)現(xiàn)，在eNode B上完成CN節(jié)點(diǎn)映射選擇功能。因此，對(duì)于NRI長(zhǎng)度小于MMEC長(zhǎng)度的情況下，eNode B支持的映射關(guān)系中的GUMMEI數(shù)量將決定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)之間的映射方案。因此，下面將就NRI長(zhǎng)度小于8 bit的映射解決方案進(jìn)行詳細(xì)討論。

4.1 eNode B支持多組GUMMEI與NRI之間映射

MME向eNode B下發(fā)的配置信息中攜帶LTE GUMMEI和多組的mapped GUMMEI信息。其中，由于NRI長(zhǎng)度 LNRI（LNRI<8）小于 MMEC 長(zhǎng)度（=8），因此，NRI的前LNRIbit映射為MMEC的前LNRIbit，剩余的（-LNRI）bit則由 0 或 1 填充，則 mapped GUMMEI總共有個(gè)。即1個(gè) NRI與個(gè) MMEC相互映射。融合池組要求相互映射時(shí)CN節(jié)點(diǎn)唯一，則需要在eNode B上配置支持多組GUMMEI與1組NRI之間的完全映射關(guān)系。

4.2 eNode B支持僅一組GUMMEI與NRI之間映射

與eNode B支持多組GUMMEI的情況類似，由于NRI長(zhǎng)度（LNRI<8）小于 MMEC 長(zhǎng)度（=8），因此，NRI的前 LNRIbit映射為 MMEC的前 LNRIbit，剩余的（-LNRI）bit則選取 0或1隨機(jī)填充，則可能的 mapped GUMMEI有個(gè)。融合池組要求相互映射時(shí)CN節(jié)點(diǎn)唯一，則需要在MME上配置支持多個(gè)MME的標(biāo)識(shí)MMEC。不難看出，其中任意一個(gè) MME將需要配置個(gè)MMEC。MME向eNode B下發(fā)的配置信息中攜帶LTE GUMMEI和相應(yīng)唯一的mapped GUMMEI信息，這樣就能夠滿足融合池組要求相互映射時(shí)CN節(jié)點(diǎn)唯一的要求。

另外，為了降低MME上MMEC配置的數(shù)量，也可以選擇剩余的-LNRI）bit，則指定0或1任一數(shù)字填充至8 bit，則可以生成唯一的mapped GUMMEI。因此，這樣也能夠滿足融合池組要求相互映射時(shí)CN節(jié)點(diǎn)唯一的要求。

綜上，對(duì)于上述方案，其中NRI長(zhǎng)度為8 bit，NRI與MMEC可以直接映射；對(duì)于NRI長(zhǎng)度小于8 bit，需要引入特殊配置或者映射規(guī)則完成映射。根據(jù)eNode B是否支持多組GUMMEI與NRI的映射，可以采取如下3種方案：①在eNode B配置多組GUMMEI與NRI映射規(guī)則；②在MMEC上配置多個(gè)MMEC；③在MMEC上配置非連續(xù)的MMEC。方案對(duì)BSC/RNC不做任何要求。

其中，方案③最為簡(jiǎn)單，不需要在eNode B和MME上做任何改動(dòng)，但是會(huì)造成標(biāo)識(shí)資源浪費(fèi)，MMEC的碼號(hào)資源至少會(huì)浪費(fèi)一半；方案①最為復(fù)雜，需要在MME上配置并通過(guò)S1接口向eNode B下發(fā)多組GUMMEI與NRI的映射規(guī)則，對(duì)MME設(shè)備本身影響不大，但需要開(kāi)啟或者升級(jí)eNode B的部分功能；方案②的復(fù)雜度居中。

運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)SGSN pool和MME pool部署進(jìn)度靈活地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行演進(jìn)，采取“面向融合，升級(jí)網(wǎng)絡(luò)，分步實(shí)施，有序演進(jìn)”的網(wǎng)絡(luò)融合部署策略逐步引入SGSN和MME融合池組技術(shù)以滿足網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和融合的需求。此外，由于S4 SGSN與Gn/Gp SGSN相比，S4 SGSN具有更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、需支持較少的接口及協(xié)議、更優(yōu)的互操作功能及性能等優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)備成熟時(shí)應(yīng)進(jìn)一步演進(jìn)至MME/S4 SGSN融合。因此，建議網(wǎng)絡(luò)總體演進(jìn)策略可以按照如下4個(gè)階段進(jìn)行分步實(shí)施。

（1）融合建設(shè)準(zhǔn)備階段。對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的Gn/Gp SGSN進(jìn)行改造，通過(guò)增加投資部署SGSN設(shè)備（可后續(xù)升級(jí)到MME/S4 SGSN融合設(shè)備）組成SGSN pool，并啟用R8的直傳隧道功能。為了滿足SGSN后續(xù)演進(jìn)至融合CN設(shè)備與融合池組的需求，其中規(guī)劃SGSN pool的NRI長(zhǎng)度不超過(guò)8 bit，并且池組的2G/3G網(wǎng)絡(luò)RA重疊。

（2）融合建設(shè)初期階段。投資新建LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)，采用與G/U網(wǎng)絡(luò)重疊（overlay）的方式部署MME pool，將MMEC配置成與SGSN pool的NRI相同的值。其中MME設(shè)備必須支持后續(xù)軟件升級(jí)MME/S4 SGSN融合功能，便于后續(xù)融合池組，并規(guī)劃G/U/L網(wǎng)絡(luò)的1個(gè)RA與1個(gè)TA或者幾個(gè)TA覆蓋區(qū)域重疊。

（3）融合建設(shè)中期階段。升級(jí) MME pool內(nèi) MME至MME/S4 SGSN融合節(jié)點(diǎn)，啟用ISR功能，逐漸接管SGSN和MME重疊覆蓋區(qū)域的2G/3G網(wǎng)絡(luò)。如果池內(nèi)長(zhǎng)期存在非融合節(jié)點(diǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致融合節(jié)點(diǎn)的吸附現(xiàn)象，即切換到融合節(jié)點(diǎn)后，不會(huì)再回到原節(jié)點(diǎn)。因此，需要調(diào)高池內(nèi)非融合節(jié)點(diǎn)的容量因子以吸附更多的用戶，保證池內(nèi)融合設(shè)備和非融合設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的容量均衡。

（4）融合建設(shè)后期階段。池內(nèi)剩余的非融合設(shè)備SGSN全部升級(jí)為MME/S4 SGSN融合設(shè)備，并啟用ISR功能以降低網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷。其中，不符合融合節(jié)點(diǎn)要求的Gn/Gp SGSN設(shè)備被替換為MME/S4 SGSN融合設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

SGSN+MME融合池組技術(shù)是面向網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)的技術(shù)方案。該方案能有效實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、網(wǎng)元容災(zāi)，降低系統(tǒng)間切換信令以及提高切換成功率等，因此，現(xiàn)網(wǎng)有必要引入SGSN+MME融合池組降低網(wǎng)絡(luò)投資和運(yùn)營(yíng)成本。從技術(shù)角度來(lái)看，目前該技術(shù)已接近成熟。運(yùn)營(yíng)商在升級(jí)SGSN pool和部署MME的背景下，加速部署MME/SGSN融合設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)2G/3G/4G的網(wǎng)絡(luò)融合。SGSN+MME融合池組在異廠商設(shè)備融合組網(wǎng)和網(wǎng)管等方面仍然值得進(jìn)一步研究。

1 3GPP TS 23.003.Numbering,Addressing and Identification,2013

2 3GPP TS 23.236.Intra-Domain Connection of Radio Access Network(RAN)Nodes to Multiple Core Network (CN)Nodes,2013

3 3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service (GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)Access,2013

4 赫罡，滕佳欣，朱斌．核心網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)探討．郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2012（5）：1～5

5 刑向暉，馮榮耀，劉海．SGSN pool規(guī)劃部署研究．郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2011（7）

6 黃嘉．SGSN pool相關(guān)技術(shù)探討及組網(wǎng)規(guī)劃．現(xiàn)代電信科技,2009（1）:61～66