GSM-R系統(tǒng)SGSN設(shè)備冗余組網(wǎng)方式研究

■ 楊銳

GSM-R系統(tǒng)SGSN設(shè)備冗余組網(wǎng)方式研究

■ 楊銳

1 概述

隨著鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）所承載的業(yè)務(wù)種類逐漸增多，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量不斷增加，對GPRS核心網(wǎng)設(shè)備的可靠性要求也越來越高。目前鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）、域名系統(tǒng)（DNS）、遠(yuǎn)程用戶接入認(rèn)證服務(wù)（RADIUS）設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了冗余，但業(yè)務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）設(shè)備在網(wǎng)內(nèi)仍是單節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，一套SGSN設(shè)備承載著多條鐵路線路的GPRS業(yè)務(wù)，列車不停止運(yùn)行就不能對SGSN設(shè)備停機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)。目前鐵路SGSN設(shè)備的應(yīng)急方案為：提前準(zhǔn)備本局基站控制器/分組控制單元（BSC/PCU）至鄰局SGSN設(shè)備Gb接口（PCU與SGSN之間的接口）的備用電路，當(dāng)本局SGSN故障后，利用備用電路將本局BSC/PCU設(shè)備接入鄰局SGSN設(shè)備。此方案需要多個(gè)單位配合完成，操作復(fù)雜，且業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間較長。3GPP規(guī)范R5版本引入了SGSN池的概念，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)BSC/PCU連接多個(gè)SGSN的功能，對SGSN設(shè)備冗余組網(wǎng)方式及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范，實(shí)現(xiàn)SGSN池組網(wǎng)需要調(diào)整Gb接口為IP組網(wǎng)方式。在此對SGSN池技術(shù)和Gb接口IP組網(wǎng)技術(shù)在鐵路GRPS網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 SGSN池

所謂SGSN池就是由多個(gè)SGSN共同構(gòu)建一個(gè)大的服務(wù)區(qū)，這些SGSN以池組方式協(xié)同工作。SGSN池組所管理的每個(gè)BSC/PCU與池內(nèi)每個(gè)SGSN之間以IP形式保持全連接。

2.1 基本原理

3GPP規(guī)范定義了SGSN池的工作機(jī)制，改變了BSC/ PCU與SGSN之間一對一的控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了BSC/PCU節(jié)點(diǎn)到多個(gè)SGSN節(jié)點(diǎn)的域內(nèi)連接路由功能，允許BSC/PCU節(jié)點(diǎn)把業(yè)務(wù)信息在分組交換網(wǎng)絡(luò)中路由到不同的SGSN節(jié)點(diǎn)，業(yè)務(wù)由多個(gè)SGSN進(jìn)行分擔(dān)，提高了SGSN的冗余性（見圖1）。

圖1所示的SGSN資源池集中了一個(gè)或多個(gè)SGSN服務(wù)區(qū)，用戶終端可在資源池服務(wù)區(qū)內(nèi)使用業(yè)務(wù)而無需改變服務(wù)SGSN節(jié)點(diǎn)。一個(gè)資源池可以服務(wù)于幾個(gè)并行的SGSN節(jié)點(diǎn)。從BSC/PCU的角度看，資源池包括一組并行SGSN節(jié)點(diǎn)所服務(wù)的一個(gè)或多個(gè)BSC/PCU所有的位置區(qū)/路由區(qū)（LA/RA），這組SGSN節(jié)點(diǎn)可能還服務(wù)于該區(qū)域池之外的LA/RA。一個(gè)資源池中多個(gè)SGSN節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡，且它們所提供的服務(wù)范圍與單個(gè)SGSN節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)區(qū)相比擴(kuò)大了許多，這樣可減少SGSN間節(jié)點(diǎn)更新、切換和重定位，降低了至歸屬位置寄存器（HLR）路由區(qū)更新的業(yè)務(wù)量。

2.2 工作機(jī)制

（1）服務(wù)SGSN的建立：當(dāng)終端進(jìn)行GPRS附著時(shí)，BSC/PCU會(huì)選擇SGSN池中的任一SGSN進(jìn)行業(yè)務(wù)。SGSN把其標(biāo)識(shí)——網(wǎng)絡(luò)資源標(biāo)識(shí)（NRI）編碼到用戶的分組臨時(shí)移動(dòng)用戶標(biāo)識(shí)（P-TMSI）中，使終端、BSC/ PCU、服務(wù)SGSN可根據(jù)P-TMSI識(shí)別用戶國際移動(dòng)用戶標(biāo)識(shí)號(hào)（IMSI）與NRI的映射關(guān)系。BSC/PCU、SGSN根據(jù)映射關(guān)系路由用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包。

圖1 SGSN池

（2）記錄服務(wù)SGSN：當(dāng)終端在PMM-connected（連接）模式時(shí)，BSC/PCU保持IMSI與NRI映射。當(dāng)終端進(jìn)入PMM-idle（空閑）模式時(shí)，由于沒有來自于或發(fā)送到終端的分組數(shù)據(jù)包需要路由，則BSC/PCU刪除IMSI與NRI映射。當(dāng)終端重新進(jìn)入PMM-connected模式時(shí)，BSC/PCU會(huì)再次記錄終端IMSI與提供服務(wù)SGSN的NRI的映射。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢

（1）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余備份：當(dāng)池中某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或擁塞時(shí)，BSC/PCU可相應(yīng)選擇池中的其他可用節(jié)點(diǎn)，此時(shí)池中的各SGSN節(jié)點(diǎn)共同分擔(dān)故障節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)，避免了N+1備份方式中容易出現(xiàn)的備份局點(diǎn)難以滿足2個(gè)局點(diǎn)業(yè)務(wù)負(fù)荷要求的情況，實(shí)現(xiàn)SGSN間的資源共享，增大了SGSN網(wǎng)絡(luò)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了不中斷業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余。

（2）維護(hù)作業(yè)、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容施工不影響既有業(yè)務(wù)：SGSN池實(shí)現(xiàn)了無線接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)的互不影響。該技術(shù)使池中的單個(gè)SGSN節(jié)點(diǎn)施工不會(huì)影響業(yè)務(wù)，也無需為了保障業(yè)務(wù)而將BSC/PCU割接至其他SGSN設(shè)備。

（3）減少核心網(wǎng)絡(luò)信令開銷負(fù)荷：池的概念提供了公共SGSN服務(wù)區(qū)，與單節(jié)點(diǎn)服務(wù)區(qū)相比，原有SGSN間的路由更新全部優(yōu)化為SGSN內(nèi)路由更新。因此，SGSN池可大幅降低局間的路由更新次數(shù)，減少SGSN和HLR的系統(tǒng)信令開銷。

（4）核心網(wǎng)設(shè)備負(fù)載均衡：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)由于覆蓋范圍不同，話務(wù)峰值出現(xiàn)在不同時(shí)間不同地點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃都按各自最大可能出現(xiàn)的話務(wù)來配置。SGSN池的引入，使話務(wù)量在SGSN池中的所有節(jié)點(diǎn)平均分配，使原先話務(wù)較少的SGSN分擔(dān)繁忙SGSN的話務(wù)，提高了SGSN資源利用效率。

（5）便于集中化管理：池組內(nèi)所有SGSN節(jié)點(diǎn)具有完全一致的局?jǐn)?shù)據(jù)，包括位置區(qū)數(shù)據(jù)、小區(qū)數(shù)據(jù)、BSC/PCU數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)制作和后期維護(hù)都比較簡單，網(wǎng)管人員可以統(tǒng)一管理池區(qū)內(nèi)的網(wǎng)元。

2.4 SGSN池技術(shù)對Gb接口組網(wǎng)的要求

3GPP（R5）TS23.236定義了核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)交換中心（MSC）、SGSN以池的方式組網(wǎng)的工作機(jī)制，這打破了BSC/PCU與SGSN間一對一的關(guān)系，提出了多向連接（multi-Gb）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BSC/PCU到SGSN之間的多歸屬。實(shí)現(xiàn)multi-Gb的前提是BSC/PCU與多個(gè)SGSN有連接關(guān)系，目前Gb接口幀中繼（FR）組網(wǎng)的情況下，Gb接口傳輸采用時(shí)分復(fù)用（TDM）方式，BSC/PCU僅能連接至一個(gè)SGSN，以TDM方式實(shí)現(xiàn)BSC/PCU與多個(gè)SGSN連接的代價(jià)巨大，是不現(xiàn)實(shí)的。如果BSC/PCU與SGSN之間采用IP組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)BSC/PCU與多個(gè)SGSN連接就變得非常方便。因此，Gb接口IP化組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)SGSN池的前提。

3 Gb接口IP組網(wǎng)

3.1 Gb接口協(xié)議棧的變化

Gb接口是BSC/PCU與SGSN之間的接口，用于交換信令和用戶數(shù)據(jù)。3GPP在R4版本中已規(guī)定Gb接口的底層承載可以采用FR或IP方式，2種承載方式的區(qū)別在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（NS）層，而上層協(xié)議和應(yīng)用都沒有發(fā)生任何變化。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中，Gb over FR和Gb over IP可同時(shí)使用，可以平滑演進(jìn)。2種承載方式協(xié)議棧對比見圖2。

3.2 Gb接口鏈路標(biāo)識(shí)的變化

在GPRS網(wǎng)絡(luò)中，Gb接口的路由通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)體標(biāo)識(shí)（NSEI）和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)虛連接標(biāo)識(shí)（NSVCI）來標(biāo)識(shí)和選擇。Gb接口幀中繼承載方式下，BSC/PCU與SGSN之間的鏈路通過NSEI、NSVCI、數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)（DLCI）、FR物理接口（PORT）這組協(xié)商參數(shù)進(jìn)行匹配。對于SGSN而言，一個(gè)NSE就代表一個(gè)BSS/ PCU，每一個(gè)NSE將一組NSVC作為一個(gè)集合進(jìn)行管理，一個(gè)NSVC唯一從屬于一個(gè)NSE，同一個(gè)NSEI內(nèi)的多條NSVC可配置為負(fù)荷分擔(dān)或主備工作方式（見圖3）。

Gb接口IP化后，BSS/PCU與SGSN之間每條NSVC鏈路標(biāo)識(shí)變?yōu)椋篠GSN設(shè)備IP地址、SGSN UDP端口號(hào)、BSC/PCU設(shè)備IP地址、BSC/PCU UDP端口號(hào)。BSS/PCU與SGSN之間的NSEI中的多條NSVC可使用相同或不同的IP地址，配置方式靈活。IP承載方式下Gb接口的鏈路標(biāo)識(shí)見圖4。

3.3 Gb接口IP化后尋址方式的變化

圖2 Gb over FR/IP接口協(xié)議棧對比

圖3 Gb基于FR鏈路標(biāo)識(shí)

圖4 Gb基于IP鏈路標(biāo)識(shí)

隨著鏈路標(biāo)識(shí)的變換，在2種承載方式下Gb接口的尋址方式也發(fā)生了變化。幀中繼承載方式下，每一幀的幀頭中包含地址信息，即DLCI值，端到端的虛電路連接實(shí)際上是一條由多段DLCI連接而成的端到端邏輯連接，DLCI只具有本地意義，而不是指向目的地址。在IP承載方式下，數(shù)據(jù)包的包頭中包含有目的節(jié)點(diǎn)IP地址，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)包頭中的目的地址查找路由表計(jì)算出到達(dá)的最佳路由，IP地址具有全局意義，且尋址方式靈活。

3.4 Gb接口IP化后帶寬的變化

Gb接口IP化后，協(xié)議棧發(fā)生了變化，Gb接口數(shù)據(jù)封裝開銷也相應(yīng)發(fā)生了變化，直接影響到Gb接口的帶寬。假設(shè)用戶IP數(shù)據(jù)包平均大小為500 Byte，計(jì)算數(shù)據(jù)封裝帶寬變化：FR開銷（FR封裝+NS封裝+BSSGP層封裝+上層封裝）為69 Byte；IP開銷（以太網(wǎng)幀封裝開銷十IP封裝開銷十UDP封裝開銷+NS封裝開銷+BSSGP層封裝開銷+上層封裝開銷）為117 Byte。因此Gb接口IP承載與FR承載的帶寬比：（500+117）/（500+69）=1.08。所以Gb接口IP化后帶寬會(huì)增加，具體增加的數(shù)量應(yīng)根據(jù)用戶實(shí)際的IP數(shù)據(jù)包大小進(jìn)行計(jì)算。

4 SGSN池技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)SGSN設(shè)備冗余組網(wǎng)

根據(jù)我國GSM-R分組域核心網(wǎng)設(shè)備的現(xiàn)狀，結(jié)合上述SGSN池和Gb接口IP化的技術(shù)分析，SGSN冗余可以考慮局內(nèi)和局間2種組網(wǎng)方式。

4.1 局內(nèi)SGSN池組網(wǎng)

各局核心節(jié)點(diǎn)新設(shè)1套SGSN與既有設(shè)備組成SGSN池（見圖5）?？梢栽阼F路局管內(nèi)新設(shè)1臺(tái)SGSN設(shè)備，與既有SGSN組成SGSN池。需要新設(shè)接入路由器（CE）設(shè)備為Gb接口組成IP網(wǎng)，SGSN池設(shè)置為負(fù)荷分擔(dān)方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)：SGSN池由本局設(shè)備組成，便于維護(hù)和管理；缺點(diǎn)是需要新設(shè)SGSN設(shè)備，造價(jià)較高。

4.2 局間SGSN池組網(wǎng)

利用2個(gè)（或多個(gè)）鐵路局既有SGSN設(shè)備組成SGSN池（見圖6）。需要新設(shè)接入路由器設(shè)備組成局內(nèi)Gb接口IP網(wǎng)，局間的Gb接口可以利用既有數(shù)據(jù)網(wǎng)，并在數(shù)據(jù)網(wǎng)上設(shè)置Gb接口的虛擬專用網(wǎng)（VPN）。

圖5 局內(nèi)SGSN池組網(wǎng)

圖6 局間SGSN池組網(wǎng)

對于SGSN池的工作方式，如果采用負(fù)荷分擔(dān)方式，在具備冗余功能的基礎(chǔ)上可充分發(fā)揮SGSN池的技術(shù)特點(diǎn)：負(fù)荷分擔(dān)各SGSN的業(yè)務(wù)量、提高SGSN設(shè)備的利用率、減少跨SGSN的路由更新頻率。但對于維護(hù)管理方面，由于SGSN池管理多個(gè)鐵路局的BSC/PCU設(shè)備，超出了鐵路局的管轄范圍，需要將組成池的各SGSN設(shè)備進(jìn)行集中管理。如果采用主備工作方式，雖然不能充分發(fā)揮SGSN池的所有特點(diǎn)，但是便于鐵路局的維護(hù)管理，正常情況下鐵路局管內(nèi)的所有BSC/PCU仍以本局的SGSN設(shè)備為主用，當(dāng)本局SGSN設(shè)備出現(xiàn)異常或有施工作業(yè)時(shí)，才工作在其他局的SGSN設(shè)備上。

4.3 SGSN池組網(wǎng)后的業(yè)務(wù)流程

實(shí)現(xiàn)SGSN池冗余組網(wǎng)后，改變了目前BSC/PCU與SGSN一對一的關(guān)系，BSC/PCU可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的路由原則選擇SGSN池中任一SGSN進(jìn)行業(yè)務(wù)，對于與Gn接口的業(yè)務(wù)流程沒有發(fā)生任何改變，變化主要體現(xiàn)在Gb接口：

（1）當(dāng)用戶進(jìn)入SGSN池服務(wù)區(qū)域時(shí)，BSC/PCU根據(jù)負(fù)載均衡的原則，將用戶的路由更新請求隨機(jī)地分配給池內(nèi)的某個(gè)SGSN，由其為該用戶提供服務(wù)；

（2）SGSN與該用戶的歸屬HLR完成更新路由區(qū)過程后，會(huì)分配給用戶一個(gè)P-TMSI，其中包含的字段NRI是網(wǎng)絡(luò)資源標(biāo)識(shí)，該NRI在SGSN池內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)該用戶登記的SGSN；

（3）用戶在SGSN池內(nèi)完成路由更新后，將一直由它所注冊的那個(gè)SGSN提供服務(wù)，直到該用戶離開這個(gè)SGSN池的服務(wù)區(qū)域。

4.4 既有設(shè)備對SGSN池和Gb接口IP組網(wǎng)支持情況

目前我國GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用了諾西、華為、凱普施、中興4個(gè)廠家的SGSN、BSC/PCU設(shè)備，大部分設(shè)備通過增加IP接口板都可支持SGSN池和Gb接口IP組網(wǎng)的要求，詳細(xì)情況見表1。

5 結(jié)束語

對SGSN池和Gb接口基于IP的組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行分析，SGSN池技術(shù)有著諸多的優(yōu)勢，最重要的是實(shí)現(xiàn)了不中斷業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)冗余，是較合理的SGSN設(shè)備冗余組網(wǎng)方案。如果利用SGSN池進(jìn)行冗余組網(wǎng)需對既有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進(jìn)行一定調(diào)整，由于Gb接口幀中繼和IP兩種組網(wǎng)方式可以在網(wǎng)絡(luò)中共存，網(wǎng)絡(luò)調(diào)整可逐步進(jìn)行。

表1 既有設(shè)備對SGSN池和Gb 接口IP組網(wǎng)支持情況

[1] 3GPP（R5）TS23.236[S].

[2] YD/T 1106—2001. 900/1 800 MHz TDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）基站子系統(tǒng)與服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）間接口（Gb接口）技術(shù)規(guī)范[S].

楊銳：北京鐵路通信技術(shù)中心，工程師，北京，100038

責(zé)任編輯 盧敏