LTE網(wǎng)絡(luò)PGW容災(zāi)實(shí)現(xiàn)方案探討

許盛宏 劉智德 林俐

PGW作為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)核心控制設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行將影響LTE業(yè)務(wù)的穩(wěn)定提供。針對(duì)目前PGW容災(zāi)問(wèn)題進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)三種可行方案的研究而提出了可靠容災(zāi)解決方案，并闡述可靠容災(zāi)方案的具體實(shí)現(xiàn)，力求為運(yùn)營(yíng)商部署安全可靠的LTE網(wǎng)絡(luò)提供有益的參考。

PGW 實(shí)時(shí)恢復(fù) 容災(zāi)

1 引言

目前運(yùn)營(yíng)商加緊推進(jìn)部署VoLTE業(yè)務(wù)，LTE網(wǎng)絡(luò)是VoLTE業(yè)務(wù)核心，因此很有必要提升LTE網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的安全可靠性。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，PGW（PDN Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）設(shè)備是作為用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和VoLTE業(yè)務(wù)的承載通道，負(fù)責(zé)用戶的IP地址分配、數(shù)據(jù)包的路由及前轉(zhuǎn)和用戶相關(guān)業(yè)務(wù)的計(jì)費(fèi)；SGW（Serving Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）設(shè)備是負(fù)責(zé)基站和PGW之間的數(shù)據(jù)包的路由和前轉(zhuǎn)；MME（Mobility Management Entity，移動(dòng)管理實(shí)體）設(shè)備是負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、用戶鑒權(quán)、漫游控制以及PGW、SGW的選擇等方面功能。因此，PGW是LTE網(wǎng)絡(luò)核心控制設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行相當(dāng)重要。

當(dāng)主用PGW設(shè)備故障時(shí)，接管PGW無(wú)法實(shí)時(shí)恢復(fù)主叫和被叫業(yè)務(wù)，特別是當(dāng)前的PGW設(shè)備都采用集中部署方式，將會(huì)導(dǎo)致大面積業(yè)務(wù)長(zhǎng)時(shí)間癱瘓，對(duì)VoLTE業(yè)務(wù)影響尤為嚴(yán)重。為了提升LTE業(yè)務(wù)質(zhì)量服務(wù)水平，很有必要研究一種PGW可靠容災(zāi)解決方案。

2 目前PGW容災(zāi)存在的問(wèn)題

由于主用和備用PGW設(shè)備同步相關(guān)容災(zāi)數(shù)據(jù)將會(huì)導(dǎo)致可用資源的額外消耗、同步數(shù)據(jù)的不完整等問(wèn)題，所以目前主備PGW之間不采用相互同步。目前PGW設(shè)備容災(zāi)方案實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示：

對(duì)于主叫容災(zāi)恢復(fù)，當(dāng)前服務(wù)的PGW設(shè)備癱瘓時(shí)，用戶發(fā)起主叫業(yè)務(wù)請(qǐng)求將會(huì)發(fā)送到當(dāng)前服務(wù)的MME上，由于MME發(fā)現(xiàn)用戶當(dāng)前服務(wù)的PGW已經(jīng)故障，用戶將無(wú)法找到可用承載通道，就會(huì)向用戶發(fā)送業(yè)務(wù)拒絕，指示終端發(fā)起重新附著，將會(huì)中斷本次呼叫，待用戶重新附著成功后，用戶再次發(fā)起主叫才能恢復(fù)主叫業(yè)務(wù)。對(duì)于被叫容災(zāi)恢復(fù)，當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時(shí)，AF（Application Function，應(yīng)用服務(wù)器）檢測(cè)到PGW故障后，AF將下行數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送至接管PGW，由于接管PGW沒(méi)有用戶相關(guān)信息而無(wú)法處理下行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，被叫業(yè)務(wù)無(wú)法正常建立，用戶將一直無(wú)法得知被叫業(yè)務(wù)無(wú)法接入，待網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的TAU（Tracking Area Update，跟蹤區(qū)更新）更新周期到達(dá)后，用戶就會(huì)發(fā)起TAU更新，此時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前服務(wù)PGW故障而無(wú)法處理，然后用戶主動(dòng)發(fā)起重新附著請(qǐng)求，成功附著后業(yè)務(wù)才可恢復(fù)。目前現(xiàn)網(wǎng)配置TAU周期更新為1小時(shí)，那么此時(shí)被叫業(yè)務(wù)將會(huì)中斷大約1小時(shí)。因此，目前PGW容災(zāi)方案無(wú)法實(shí)時(shí)恢復(fù)業(yè)務(wù)，也就無(wú)法保證LTE業(yè)務(wù)的穩(wěn)定提供。

3 可行解決方案分析

3.1 方案一：基于PCRF存儲(chǔ)

方案一采用基于PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）存儲(chǔ)容災(zāi)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法。在用戶進(jìn)行初始附著時(shí)，PCRF存儲(chǔ)主用PGW傳送的當(dāng)前服務(wù)SGW信息。當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時(shí)，對(duì)于主叫業(yè)務(wù)的恢復(fù)，MME在成功建立SGW、PGW承載后而實(shí)時(shí)接管用戶主叫業(yè)務(wù)，不會(huì)中斷當(dāng)前主叫業(yè)務(wù)請(qǐng)求；對(duì)于被叫業(yè)務(wù)的恢復(fù)，PCRF將之前保存的容災(zāi)數(shù)據(jù)通過(guò)信令傳送到備份PGW，應(yīng)用服務(wù)器（P-CSCF/SBC）通過(guò)承載備份路由選擇接管PGW，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)恢復(fù)。

此方案需PGW增加容災(zāi)用戶IP管理功能以及擴(kuò)展相應(yīng)信令流程參數(shù)。此方案可實(shí)現(xiàn)首次呼叫不會(huì)中斷，實(shí)時(shí)恢復(fù)業(yè)務(wù)，不需要主備PGW設(shè)備之間相互同步，減少設(shè)備額外開(kāi)銷，但需已有信令的擴(kuò)展參數(shù)，PGW改造較大。

3.2 方案二：基于HSS+AS

方案二采用基于MMTelAS查詢?nèi)诤螲SS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務(wù)器）（IMS-HSS和EPC-HSS合設(shè)）獲得相關(guān)設(shè)備狀態(tài)實(shí)現(xiàn)容災(zāi)的方法。當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時(shí)，對(duì)于主叫容災(zāi)恢復(fù)，通過(guò)SGW主動(dòng)探測(cè)用戶面報(bào)文，在用戶報(bào)文中斷時(shí)，觸發(fā)重新附著、業(yè)務(wù)承載重新建立；對(duì)于被叫容災(zāi)恢復(fù)，通過(guò)HSS互通獲取PGW為故障狀態(tài)，HSS下發(fā)請(qǐng)求給MME，MME發(fā)送基于IMSI的尋呼消息觸發(fā)重新附著、業(yè)務(wù)承載重新建立恢復(fù)。

此方案需要IMS和EPC的HSS之間增加接口或者新建融合HSS，IMS的MMTelAS需要升級(jí)支持被叫域選擇功能，MME需將PGW故障時(shí)的相關(guān)信息送至HSS。此方案不需要SGW之間同步，業(yè)務(wù)恢復(fù)較快，但首次呼叫會(huì)中斷，需要IMS和EPC之間的HSS增加互通接口，同時(shí)用戶作為被叫都需MMTelAs設(shè)備查詢用戶歸屬的HSS，必然導(dǎo)致信令開(kāi)銷和處理時(shí)延較大。

3.3 方案三：基于HSS+I-CSCF

方案三采用基于I-CSCF（Interrogating-CSCF，查詢CSCF）查詢?nèi)诤螲SS獲取相關(guān)設(shè)備狀態(tài)實(shí)現(xiàn)容災(zāi)的方法。利用MME對(duì)PGW的狀態(tài)感知，通過(guò)融合HSS對(duì)用戶呼叫請(qǐng)求的識(shí)別與控制以及MME對(duì)承載建立的控制，實(shí)現(xiàn)容災(zāi)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管。當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時(shí)，MME通過(guò)檢測(cè)機(jī)制感知SGW、PGW故障狀態(tài)，并將故障狀態(tài)通知融合HSS，當(dāng)用戶有被叫請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)I-CSCF、融合HSS觸發(fā)用戶重新建立承載以及重注冊(cè)后響應(yīng)呼叫請(qǐng)求，確保被叫業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管；當(dāng)發(fā)起主叫請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)成功重新建立PGW承載后終端自動(dòng)重注冊(cè)以及重發(fā)業(yè)務(wù)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將正常處理業(yè)務(wù)請(qǐng)求，不會(huì)中斷當(dāng)前主叫業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

此方案需要IMS-HSS和EPC-HSS之間增加接口或者新建融合HSS，同時(shí)MME增加PGW容災(zāi)接管相關(guān)功能。此方案恢復(fù)主叫、被叫業(yè)務(wù)較快，不需要PGW之間同步，無(wú)需額外增加信令流程，但MME需支持容災(zāi)接管功能，I-CSCF處理容災(zāi)用戶業(yè)務(wù)存在較大時(shí)延，實(shí)時(shí)恢復(fù)需要終端支持觸發(fā)重注冊(cè)消息。

3.4 方案對(duì)比分析

如表1所示，通過(guò)對(duì)組網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)同步、接管話務(wù)、網(wǎng)絡(luò)改造等方面分析可知，方案一不需要融合HSS支持，并可實(shí)時(shí)恢復(fù)主叫、被叫業(yè)務(wù)，接管風(fēng)險(xiǎn)較小。因此，在IMS HSS和EPC HSS分開(kāi)部署時(shí)，PGW容災(zāi)方案考慮使用方案一；在IMS HSS和EPC HSS合設(shè)時(shí)，可以考慮使用方案三。由于目前現(xiàn)網(wǎng)的IMS HSS和EPC HSS主要是分開(kāi)部署的，所以PGW可靠容災(zāi)方案推薦使用方案一，以提升LTE業(yè)務(wù)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 方案一的具體實(shí)現(xiàn)

4.1 容災(zāi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

此方案需增加一個(gè)容災(zāi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程以實(shí)時(shí)恢復(fù)容災(zāi)業(yè)務(wù)。在正常發(fā)起附著請(qǐng)求，PGW和PCRF之間建立會(huì)話時(shí)，當(dāng)前服務(wù)PGW將用戶當(dāng)前服務(wù)SGW信息傳送給PCRF，包括SGW的IP和用戶的TEID等信息，可以通過(guò)擴(kuò)展CCR消息的參數(shù)實(shí)現(xiàn)，PCRF保存此時(shí)的SGW信息，此時(shí)數(shù)據(jù)備份不需要主用PGW和接管PGW之間的直接同步。PGW容災(zāi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程如圖2所示。

具體步驟說(shuō)明如下：

（1）在用戶發(fā)送附著請(qǐng)求時(shí)，MME將會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)配置選擇一個(gè)可用的SGW、PGW設(shè)備；

（2）MME向已選定可用的SGW、PGW1發(fā)送創(chuàng)建會(huì)話請(qǐng)求消息，請(qǐng)求創(chuàng)建業(yè)務(wù)承載通道；

（3）PGW1將會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)配置選擇PCRF發(fā)送會(huì)話建立請(qǐng)求消息，攜帶SGW信息；

（4）PCRF發(fā)送會(huì)話建立響應(yīng)消息給PGW1；

（5）PGW1發(fā)送創(chuàng)建會(huì)話請(qǐng)求消息給MME；

（6）MME設(shè)備向用戶發(fā)送用戶附著接受消息。

4.2 主叫容災(zāi)恢復(fù)

當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時(shí)，用戶發(fā)起主叫業(yè)務(wù)請(qǐng)求將會(huì)發(fā)送到當(dāng)前服務(wù)的MME上，MME通過(guò)SGW檢測(cè)到當(dāng)前服務(wù)PGW故障后，發(fā)起重新建立承載請(qǐng)求，在成功建立SGW、PGW承載后，繼續(xù)處理本次呼叫，此時(shí)MME就不會(huì)中斷當(dāng)前主叫業(yè)務(wù)。PGW主叫容災(zāi)恢復(fù)實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示：

具體步驟說(shuō)明如下：

（1）用戶向當(dāng)前服務(wù)的MME設(shè)備發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求消息；

（2）MME通過(guò)SGW檢測(cè)到當(dāng)前服務(wù)的PGW1故障后，根據(jù)數(shù)據(jù)配置選擇一個(gè)接管的PGW2；

（3）MME通過(guò)在SGW、PGW2之間重新建立承載，恢復(fù)用戶業(yè)務(wù)的承載通道；

（4）MME向用戶發(fā)送業(yè)務(wù)接受消息；

（5）UE（User Equipment，用戶終端）的主叫業(yè)務(wù)恢復(fù)正常處理。

4.3 被叫容災(zāi)恢復(fù)

對(duì)于被叫容災(zāi)恢復(fù)，當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時(shí)，AF將業(yè)務(wù)認(rèn)證觸發(fā)到PCRF，PCRF通過(guò)業(yè)務(wù)授權(quán)將之前保存的SGW信息傳送至接管PGW，接管PGW找到當(dāng)前服務(wù)的SGW，AF通過(guò)承載備份路由將下行數(shù)據(jù)請(qǐng)求送至一個(gè)可用的接管PGW，接管PGW具備管理容災(zāi)用戶IP能力，確保了用戶被叫業(yè)務(wù)正常有效處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)恢復(fù)，不再需要等待1小時(shí)才能恢復(fù)業(yè)務(wù)了。PGW被叫容災(zāi)恢復(fù)實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

具體步驟說(shuō)明如下：

（1）PCRF檢測(cè)到PGW1故障；

（2）當(dāng)AF收到用戶作為被叫的請(qǐng)求時(shí)，向PCRF發(fā)送業(yè)務(wù)認(rèn)證消息；

（3）PCRF向根據(jù)數(shù)據(jù)配置選擇可用的PGW2發(fā)送業(yè)務(wù)授權(quán)消息，攜帶SGW信息，為用戶預(yù)先分配資源；

（4）接管PGW2沒(méi)有用戶相關(guān)數(shù)據(jù)，但根據(jù)PCRF送過(guò)來(lái)的SGW信息，向當(dāng)前服務(wù)的SGW發(fā)起下行觸發(fā)承載建立消息，指示建立承載通道，此時(shí)服務(wù)的SGW向當(dāng)前MME轉(zhuǎn)發(fā)此消息；

（5）MME收到此下行觸發(fā)承載建立消息，向SGW和PGW2重新建立默認(rèn)和專用承載；

（6）MME向UE發(fā)起建立業(yè)務(wù)承載的請(qǐng)求，包括默認(rèn)承載和專用承載；

（7）AF通過(guò)承載備份路由（到同一個(gè)目的地采用主備用路由配置，主用路由故障時(shí)選擇備用路由）將下行數(shù)據(jù)請(qǐng)求送至一個(gè)可用的接管PGW2；

（8）PGW2待業(yè)務(wù)承載建立完成后就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而被叫業(yè)務(wù)恢復(fù)正常處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前PGW容災(zāi)存在的問(wèn)題，提出了三種可行的解決方案，并最終建議采用基于PCRF存儲(chǔ)容災(zāi)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法（方案一）。此方案改動(dòng)較小且容易實(shí)現(xiàn)，并可高效、實(shí)時(shí)接管恢復(fù)容災(zāi)業(yè)務(wù)，將有力推動(dòng)LTE業(yè)務(wù)的規(guī)?；煽繎?yīng)用。在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，建議根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化解決首次呼叫恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)較大的問(wèn)題。

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