面向VoLTE的HLR/HSS融合改造方案研究

馬洪源 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)絡(luò)所項目經(jīng)理,工程師

卜忠貴 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)絡(luò)所項目經(jīng)理,高級工程師

孫遜 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)絡(luò)所項目經(jīng)理,工程師

張虎 中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室工程師

面向VoLTE的HLR/HSS融合改造方案研究

馬洪源 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)絡(luò)所項目經(jīng)理,工程師

卜忠貴 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)絡(luò)所項目經(jīng)理,高級工程師

孫遜 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)絡(luò)所項目經(jīng)理,工程師

張虎 中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室工程師

VoLTE已經(jīng)被明確作為中國移動LTE語音目標(biāo)方案，技術(shù)白皮書也對HLR/HSS設(shè)備提出了明確要求。本文首先分析了HLR/HSS融合改造的必要性；其次，歸納總結(jié)了面向VoLTE三融合HLR/ HSS設(shè)備應(yīng)支持的功能；最后，基于中國移動網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，重點針對替換新建設(shè)備，從設(shè)備組網(wǎng)、接口配置、信令需求、容災(zāi)安全等角度對HLR/HSS融合改造提供了方案和思路。

VoLTE HLR/HSS 融合 分布式

1 前言

VoLTE即VoiceoverLTE，它是一種IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，無需2G/3G網(wǎng)絡(luò)，全部業(yè)務(wù)承載于4G網(wǎng)絡(luò)上，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的統(tǒng)一。VoLTE基于IMS網(wǎng)絡(luò)，可以整合現(xiàn)有多個固定移動網(wǎng)絡(luò)，具有語音傳輸時延小、傳輸帶寬高、融合視頻多媒體業(yè)務(wù)等特點。

目前，亞洲及北美幾大運營商均計劃或已推出VoLTE業(yè)務(wù)，且多數(shù)采用HLR/EPS-HLR/IMS-HSS全融合的用戶數(shù)據(jù)中心。

中國移動已經(jīng)明確將VoLTE作為LTE語音目標(biāo)方案并提出了計劃商用時間表，同時在2013年發(fā)布的VoLTE技術(shù)白皮書中指出“VoLTE要求HSS融合設(shè)備支持以下功能”：

（1）HSS應(yīng)具備HLR/EPS-HLR/IMS-HSS融合功能，支持VoLTE相關(guān)用戶數(shù)據(jù)管理與查詢。

（2）應(yīng)支持域選擇相關(guān)功能，包括支持電路域側(cè)域選擇功能，以及支持IMS域的SCCAS通過Sh接口查詢用戶注冊狀態(tài)等信息以實現(xiàn)IMS側(cè)域選擇。

（3）應(yīng)采用分層架構(gòu)平臺。

（4）業(yè)務(wù)開通接口應(yīng)滿足開通忙時的高性能要求。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)及功能要求，現(xiàn)網(wǎng)必須盡快開展HLR/HSS設(shè)備融合改造。

2 現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS融合改造分析

2.1 三融合改造必要性分析

目前，中國移動已完成2G/3GHLR與EPS-HLR的融合改造，但I(xiàn)MS-HSS尚未實現(xiàn)與現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備融合部署，其網(wǎng)絡(luò)示意如圖1所示。

在引入VoLTE后，為支持VoLTE用戶數(shù)據(jù)管理與查詢，分離部署將會出現(xiàn)諸多問題：

首先，引入VoLTE之后，同一個用戶鑒權(quán)參數(shù)將分布在多個網(wǎng)元中，用戶在2G/3G/EPSHLR和IMS-HSS分別注冊之后，會產(chǎn)生因終端對網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)失敗而導(dǎo)致的SQN參數(shù)鑒權(quán)重同步。

其次，對于獨立設(shè)置的HLR/HSS，BOSS對于同一用戶需要分別向多套設(shè)備開通業(yè)務(wù)及開、銷戶。開戶數(shù)據(jù)分布于多個網(wǎng)元，數(shù)據(jù)本身存在冗余，對于同一用戶多點開通業(yè)務(wù)也增加了數(shù)據(jù)不一致的風(fēng)險。

再次，引入VoLTE后，CS與IMS大部分業(yè)務(wù)重合，在CS和IMS中的業(yè)務(wù)簽約數(shù)據(jù)需要保持一致，并且在VoLTE呼叫中被叫域選擇若采用單錨定方案也需要HLR與IMS-HSS之間同步“補充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)”，但I(xiàn)MS-HSS與2G/3G/EPSHLR之間的接口為非標(biāo)準(zhǔn)接口，一直缺乏明確協(xié)議和規(guī)范，不便于異廠家設(shè)備融合互通。

基于上述分析，從網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及建設(shè)角度考慮，中國移動VoLTE建設(shè)方案中明確提出采用HLR/EPSHLR/ IMS-HSS三融合的用戶數(shù)據(jù)中心。

圖1 HLR/EPS-HLR與IMS-HSS獨立設(shè)置網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 三融合HLR/HSS與CM-IMS HSS的關(guān)系

CM-IMS目前用于中國移動固網(wǎng)IMS網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)固網(wǎng)IMS用戶業(yè)務(wù)，CM-IMSHSS設(shè)備平臺較為老舊，固網(wǎng)IMS與移動IMS用戶號碼、鑒權(quán)方式、用戶業(yè)務(wù)類型及業(yè)務(wù)開通數(shù)據(jù)均不相同，同時固網(wǎng)CM-IMSHSS不支持（e）SRVCC、被叫域選擇以及Sh接口透明用戶數(shù)據(jù)等功能，不具備利舊改造條件。VoLTE方案中新建三融合HLR/HSS設(shè)備與原有CM-IMS暫不融合，對于部分有業(yè)務(wù)重疊的用戶，將原有CM-IMS中用戶移動號碼數(shù)據(jù)搬遷至三融合HLR/HSS。

2.3 三融合HLR/HSS改造功能

為滿足VoLTE的業(yè)務(wù)需要以及技術(shù)白皮書的具體要求，三融合HLR/HSS需要改造以支持以下功能：

（1）支持VoLTE功能要求

●HLR/EPCHSS應(yīng)支持IMS移動用戶數(shù)據(jù)存儲。

●為支持eSRVCC，HSS需向MME轉(zhuǎn)發(fā)STN-SR號碼。

●為支持域選，HSS需向SCC AS發(fā)送用戶MSRN/IMRN號碼。

●為支持LTE用戶漫游到2/3G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)體驗保持一致，HSS需支持與AS間補充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步。

●為了支持VoLTE終端的IPover SMS短消息，HLR/HSS需支持IP-SM-GW的注冊請求。

●為支持終端VoLTE業(yè)務(wù)自動開通，HLR/HSS需支持向BOSS發(fā)送終端能力報告。

（2）支持VoLTE的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求

●三融合HLR/HSS與S-CSCF、SCC AS等通過Diameter信令網(wǎng)轉(zhuǎn)接信令。

●三融合HLR/HSS與IP-SM-GW通過七號信令網(wǎng)互通。

●三融合HLR/HSS與BOSS直接業(yè)務(wù)開通接口支持SOAP協(xié)議。

3 三融合HLR/HSS組網(wǎng)方案研究

根據(jù)核心網(wǎng)主要設(shè)備廠商的調(diào)研情況，目前在網(wǎng)HLR設(shè)備對三融合改造的支持情況如表1所示。網(wǎng)絡(luò)方案中對于滿足升級改造的設(shè)備平臺優(yōu)先采用升級改造方式支持三融合。對于不支持直接升級的部分設(shè)備平臺，采用硬件替換新建方式進(jìn)行改造。所有替換新建三融合HLR/HSS設(shè)備均采用分布式架構(gòu)。

從圖2可知，采用分布式架構(gòu)的三融合HLR/HSS設(shè)備，F(xiàn)E和BE分離，可按需獨立擴(kuò)容；BE負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)的存儲及處理，F(xiàn)E主要負(fù)責(zé)與用戶相關(guān)的信令及業(yè)務(wù)邏輯的處理，F(xiàn)E與BE之間的Ud接口，BE與BE之間的Rs接口通過IP承載網(wǎng)承載。BE一般采用1+1主備或互備方式，異地容災(zāi)；FE初期可以采用按“號碼段”N+1備份方式，將來隨著STP以及網(wǎng)元功能的增強，可以考慮FEPOOL組網(wǎng)。

對于替換新建三融合HLR/HSS設(shè)備，應(yīng)優(yōu)先考慮以省為單位集中建設(shè)，主用FE、BE建議同局址設(shè)置，以減少IP承載網(wǎng)對信令網(wǎng)絡(luò)的影響；容災(zāi)的BE、FE應(yīng)與主用BE、FE設(shè)備異局址設(shè)置，以增加容災(zāi)安全保障。

同時，從信令網(wǎng)維護(hù)角度考慮，替換新建三融合HLR/HSS的FE盡量不跨本地網(wǎng)設(shè)置，本地網(wǎng)內(nèi)FE不跨信令區(qū)組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式一方面顯得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，另一方面也便于故障定位及單個本地網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表1 核心網(wǎng)主要設(shè)備廠家三融合HLR/HSS支持情況

圖2 分布式HLR/HSS網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.1 設(shè)備配置

參考分布式HLR/HSS設(shè)備集采，新建設(shè)備容量配置3G容量占比為25%，4G容量占比40%。目前，主要有以下兩種業(yè)務(wù)配置參考模型：

模型1：1個BE（400萬用戶）+2個FE（200萬用戶）；另1個備份BE（400萬用戶），1個備份FE（200萬用戶）。

模型2：2套HLR設(shè)備。單套HLR：1個BE（600萬用戶）+2個FE（300萬用戶），1個備份FE（300萬用戶）；2套HLR之間熱互備。

對于已經(jīng)有分布式HLR/HSS設(shè)備運維經(jīng)驗的本地網(wǎng)，可以考慮采用模型2，能夠更好地發(fā)揮大容量分布式HLR/HSS設(shè)備的優(yōu)點；對于初次建設(shè)分布式HLR/ HSS設(shè)備的本地網(wǎng)，從安全角度出發(fā)，優(yōu)先考慮模型1；當(dāng)前大部分地區(qū)在實際部署時單套設(shè)備容量也集中在400～600萬動態(tài)用戶之間。

由于用戶IMS信息參數(shù)與現(xiàn)有HLR信息參數(shù)相關(guān)性較低，在滿足集采模型的基礎(chǔ)上，也應(yīng)考慮為后續(xù)VoLTE用戶擴(kuò)容而帶來的硬件補償預(yù)留空間及電源。

3.2 接口配置

三融合HLR/HSS與CS、PS、EPS、IMS相關(guān)網(wǎng)元之間的接口如圖3所示。三融合HLR/HSS在原有設(shè)備接口基礎(chǔ)上主要引入了Cx、Sh、Zh以及Slh接口。其中，Cx接口是HLR/HSS與CSCF之間的接口，用于IMS用戶的位置管理、用戶數(shù)據(jù)處理及用戶鑒權(quán)；Sh接口是HLR/HSS與AS之間的接口，主要用于用戶數(shù)據(jù)的查詢、更新同步以及更新通知等；Zh接口是HLR/ HSS與業(yè)務(wù)配置代理網(wǎng)關(guān)之間的接口，支持補充業(yè)務(wù)配置的認(rèn)證鑒權(quán)；Slh接口是HLR/HSS與定位平臺LSP之間的接口，LSP通過S1h接口、經(jīng)DRA向HSS查詢到用戶所在MME。上述新增接口均通過DRA轉(zhuǎn)接，使用Diameter協(xié)議。三融合HLR/HSS接口信息如表2所示。

圖3 三融合HLR/HSS業(yè)務(wù)接口圖

3.3 信令需求

三融合HLR/HSS的信令需求主要體現(xiàn)在設(shè)備配置的等效2M信令鏈路數(shù)量，本文主要考慮MAP信令以及Diameter信令需求。通常有以下3種計算信令鏈路需求的思路：

（1）基于用戶業(yè)務(wù)模型及消息字段

HLR主要有位置更新、鑒權(quán)、獲取路由信息、獲取漫游號碼、插入/刪除用戶數(shù)據(jù)等信令消息。首先查詢協(xié)議計算出每種消息字段所需字節(jié)數(shù)量，然后根據(jù)用戶模型計算出每用戶忙時該消息字節(jié)數(shù)量，最后便可依據(jù)下面公式簡單估算出該消息所需鏈路資源：

消息所需等效2M鏈路數(shù)量=用戶數(shù)×單用戶忙時消息字節(jié)數(shù)×8/(2×1024×1024×3600)

該方法偏于理論計算，實際用戶業(yè)務(wù)模型在各個本地網(wǎng)存在不同程度偏差。

（2）基于成熟的采購模型及廠商配置

無論是C/D接口還是S6a接口在現(xiàn)網(wǎng)都有較為成熟的應(yīng)用，基于現(xiàn)有成熟的配置模型能夠快速完成信令鏈路資源配置。例如，分布式HLR/HSS采購模型中單個容量為200萬用戶的FE需配置12條等效2M信令鏈路，單個容量為300萬用戶的FE需配置24條等效2M信令鏈路；再例如，某廠商設(shè)備配置器中給出的30萬激活用戶/等效2M的配置原則。該方法雖然方便快捷，但僅考慮了三融合HLR/HSS全部局向的信令鏈路總需求，未考慮直連情況下不同局向的分配。

（3）基于本地網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)

表2 三融合HLR/HSS接口信息列表

各本地網(wǎng)都有自己的信令連接方式，而用戶習(xí)慣及業(yè)務(wù)模型也各不相同。

通過統(tǒng)計調(diào)研本地網(wǎng)內(nèi)HLR各局向信令連接及峰值利用率能夠快速而準(zhǔn)確地估算出三融合HLR/ HSS部分局向信令鏈路需求。

綜合考慮上述3種方法能夠得出三融合HLR/HSS設(shè)備的信令鏈路需求。由于目前4G用戶規(guī)模較小，所有基于Diameter協(xié)議的信令都接入IP承載網(wǎng)，通過DRA設(shè)備轉(zhuǎn)接。由于歷史原因，S6a接口目前仍然連接在H-DRA設(shè)備上。對于傳統(tǒng)的No.7，則需要考慮連接方式問題，下面以D接口為例來說明（見圖4）。

圖4 D接口信令連接圖

對于STP資源有限或原有D接口本地信令采用直連的，替換新建HLR/HSS本地信令仍然采用直連方式疏通，而漫游用戶信令則通過STP轉(zhuǎn)接，尋址方式與現(xiàn)有信令網(wǎng)保持一致；MSC與STP連接鏈路維持不變，對具備條件的MSC，MSC與HLR/HSS之間可以采用IP方式直連，HLR/HSS與STP之間優(yōu)選IP方式。

若STP資源比較充分，也可以全部采用準(zhǔn)直連方式，通過STP疏通信令，采用GT尋址。這樣既方便局?jǐn)?shù)據(jù)制作，也利于后續(xù)FE組POOL改造。

3.4 容災(zāi)及安全考慮

替換新建的分布式三融合HLR/HSS設(shè)備集中度及容量的增加對容災(zāi)安全提出了更高的要求，在方案階段需要關(guān)注數(shù)據(jù)容災(zāi)和業(yè)務(wù)容災(zāi)。

針對數(shù)據(jù)容災(zāi)，大部分設(shè)備廠家都從應(yīng)用系統(tǒng)級、操作系統(tǒng)級、物理級容災(zāi)3個層面對數(shù)據(jù)及操作安全提供了保障。在設(shè)備配置中除了考慮主備用設(shè)備異局址設(shè)置外，還考慮了數(shù)據(jù)緩存、問題自檢、數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制等功能對數(shù)據(jù)存儲及信令板卡資源的配置要求。

業(yè)務(wù)容災(zāi)需要對接入承載網(wǎng)的雙平面實行QoS監(jiān)控、故障自動監(jiān)測并明確廠商設(shè)備備份鏈路切換機(jī)制及門限要求。為保障故障時備用鏈路快速啟用，建議所有備用FE信令鏈路全部通過STP和DRA轉(zhuǎn)接，同時設(shè)計采用雙歸屬、雙路由、SCTP偶聯(lián)。替換新建的分布式三融合HLR/HSS設(shè)備可以同時配置TDM資源作為IP接口板以及IP鏈路故障備用鏈路。對于個別廠商FE采用負(fù)荷分擔(dān)方式工作的，應(yīng)確保對應(yīng)信令區(qū)內(nèi)的STP支持基于SLC的信令均衡分發(fā)。

3.5 其他

替換新建三融合HLR/HSS設(shè)備可能會涉及不同廠家，用戶原有數(shù)據(jù)格式、全業(yè)務(wù)信息以及OPC、KI等鑒權(quán)信息需要提供給新建設(shè)備廠商，新舊設(shè)備之間用戶數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出以及異廠家與業(yè)務(wù)支撐部門之間的配合流程都要予以明確，建議工程啟動階段先開展小規(guī)模割接試點，積累工程經(jīng)驗并提前發(fā)現(xiàn)問題。

新建設(shè)備規(guī)模及業(yè)務(wù)范圍確定后需提前規(guī)劃申請HLRID、信令點編碼、站點接入IP地址、傳輸資源及信令資源。

4 結(jié)束語

融合數(shù)據(jù)中心已成為業(yè)界網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的共識和方向，三融合HLR/HSS改造明確成為中國移動VoLTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。面向VoLTE的三融合HLR/HSS改造工作繁瑣而重要，尤其是對于大規(guī)模替換新建的地區(qū)，需要統(tǒng)籌規(guī)劃，提前準(zhǔn)備，合理安排。

1 中國移動通信集團(tuán)有限公司.中國移動VoLTE白皮書2013（中文版）.2013,6

2 中國移動通信集團(tuán)有限公司.中國移動VoLTE試點測試規(guī)范.2014,4

3 中國移動通信集團(tuán)有限公司.中國移動VoLTE試點總體技術(shù)方案.2013,3