SGSN Pool技術及部署策略研究

何 陽，黃 樂，孫 潔

（中國移動通信集團設計院有限公司陜西分公司 西安 710077）

1 引言

在無線寬帶化、業務融合化以及降低運營成本的驅動下，移動通信網絡向All IP演進已經成為必然的發展趨勢，目前中國移動已經完成了承載網、核心網的IP化建設，無線接入網的IP化建設也在有計劃地部署之中。隨著中國移動通信網絡IP化程度的不斷提高以及分組域業務地位的迅速提升，SGSN Pool技術作為一種能夠充分利用核心網分組域網絡資源、提升核心網絡安全性、有效降低運營成本的重要技術，受到各移動運營商以及設備廠商的高度關注。

2 SGSN Pool技術關鍵概念

3GPP TS23.236技術規范中明確提出了池組的概念，即多個核心網絡節點組成一個池區，針對核心網分組域網絡而言就是SGSN Pool。在SGSN Pool內每個BSC/RNC與池組內所有的SGSN節點均存在連接關系（物理連接或是邏輯連接），每個SGSN設備都可以為池組內所有的BSC/RNC提供服務[1]。SGSN Pool技術的實現涉及一個重要參數和一個關鍵功能，重要參數指的是NRI（network resource identifier，網絡資源標識），關鍵功能指 NNSF（NAS node selection function，非接入層網絡節點選擇功能）。

2.1 NRI標識

在SGSN Pool中，NRI是P-TMSI的一部分，其長度可以在0～10 bit靈活選擇，若為0 bit，則表示不啟用SGSN Pool功能。在實際組網中，各廠商對P-TMSI結構中的比特位會有不同的分配方式，一般是按照當前SGSN Pool的規模以及核心網絡發展趨勢分配NRI的長度，即 SGSN Pool的容量與NRI的長度選擇是互相制約的關系[2]。P-TMSI的具體結構以及NRI的具體位置如圖1所示。

從圖1可以看出，P-TMSI由32 bit構成，具體分析如下。

·30～31 bit：PS/CS標識位，用于表明 TMSI是在電路域還是在分組域中使用，即用來表示是TMSI還是P-TMSI。

·24～29 bit、0～13 bit：P-TMSI預留位 （包含 SGSN 重啟標識位），用來標識分組域用戶。

·14～n（n≤23）bit：NRI標識位，NRI的長度可以靈活調整（0～10 bit），NRI從第23個比特位開始由高到低依次使用。

從上面的分析可以看出，NRI和P-TMSI中用于分組域用戶標識的比特位長度是一種互為制約的關系。為了保證每套核心網SGSN設備有足夠的P-TMSI資源可分配給用戶，且有足夠的NRI碼號資源分配給SGSN Pool內的核心網元設備，同時考慮后續SGSN設備用戶容量的擴容需求，NRI的長度規劃十分重要。

圖1 P-TMSI結構示意

2.2 NNSF功能

在SGSN Pool組網時，NNSF功能在BSC/RNC節點實現，但是3GPP TS23.236中并沒有規定NNSF功能實現的具體算法，完全由設備廠商自行定義。在現階段，經與相關廠商溝通，NNSF算法在實現時一般是參照SGSN Pool內的各套SGSN設備附著用戶容量比例，在BSC/RNC節點對Pool內各套SGSN預先設置相應的負載均衡因子（根據網絡發展需求，后續也可以有針對性地開發不同的算法滿足特定的需求），這種靜態配置的方式，只是將SGSN設備的附著用戶容量作為計算容量因子的基礎，沒有考慮核心網分組域不同類型業務之間業務量的差異，可能會造成SGSN Pool內各套SGSN設備業務量的不均衡。

如果要實現SGSN Pool內相對精確的負載均衡效果，則需要采用動態的負載均衡算法。動態負載均衡算法能夠根據SGSN Pool內各套SGSN設備的實時負荷參數（附著用戶數、業務量、處理能力等）為分組域用戶選擇Pool內的SGSN設備，最大限度地保證SGSN Pool區域內各套SGSN設備的負載均衡。但是由于需要BSC/RNC節點不斷獲取SGSN設備的實時負荷信息，帶來額外的信令開銷，對BSC/RNC和SGSN的設備性能提出了比較高的要求，隨著后續設備性能的提升和技術的發展，在SGSN Pool內引入動態負載均衡算法將會極大地提升池組內SGSN設備的利用率。

3 SGSN Pool業務流程

在SGSN Pool技術實現時，MS首次進入池組區域、在池組區域內移動、從池組區域中移動到非池組區域、完成用戶遷移操作或是池組內SGSN設備出現故障，都會涉及不同的業務流程。

3.1 MS首次附著及SGSN Pool內路由更新

MS首次附著及池組內路由更新流程如圖2所示，具體介紹如下。

·MS從BSC1/RNC1的路由區域中首次進入SGSN Pool時，BSC1/RNC1執行NNSF選擇功能為MS選擇SGSN，這里設定為SGSN2。

·MS接入SGSN2之后，由SGSN2為MS分配P-TMSI（包含 NRI值，SGSN2 對應的 NRI值為 2），SGSN2中保存MS的相關信息。

·當MS移動到BSC2/RNC2的路由區域中時，BSC2/RNC2根據相關信令消息 （對于RNC來說為IDNNS信令消息，對于BSC來說為TLLI信令消息）中攜帶的NRI信息，仍然為MS選擇NRI=2對應的SGSN2為其提供相應服務。

從上述流程中可以看出，MS在SGSN Pool范圍內移動時，始終由一個特定的SGSN設備為其提供服務，減少了由MS位置變化帶來的SGSN之間的信令交互，降低了SGSN設備的信令負荷。

3.2 跨SGSN Pool的路由更新

跨池組路由更新流程如圖3所示，具體介紹如下。

·當MS移動到SGSN Pool外的區域時，需要重新附著到非Pool區域中的SGSN4，SGSN4中并沒有MS的相關信息（MS的相關消息仍保存在SGSN2中）。

·SGSN4向DNS發送NRI請求消息，該消息中包含MS的原始RAI，DNS通過原始RAI值，找出對應的SGSN Pool區域內已經設置的Default SGSN，這里假設為SGSN3。

圖2 MS首次附著及池組內路由更新流程

圖3 跨池組路由更新流程

·SGSN4將從MS獲取的原始NRI信息發送給Default SGSN，Default SGSN通過 NRI找出此 NRI對應的原始SGSN，這里為SGSN2。

·SGSN4通過與SGSN2發起通信獲取MS的相關信息。

在SGSN Pool中設置Default SGSN的目的是為了在MS從SGSN Pool區域切換到區域外時，提前設置池組內的SGSN作為中轉，實現SGSN Pool內外SGSN的通信。Default SGSN可以設置一個，也可以設置多個，設置多個Default SGSN的目的在于Default SGSN出現單點故障時SGSN Pool內外SGSN的正常通信仍不會受到影響。

3.3 負載重分配流程

SGSN Pool的負載重分配是指將某個SGSN上的用戶遷移到SGSN Pool內其他SGSN上，也稱為用戶遷移，可以實現SGSN Pool內SGSN的負載重新分配或對Pool內SGSN設備進行相應的維護操作，最大程度地減少對用戶業務的影響，其具體的業務流程如圖4所示。

·在SGSN Pool的網絡管理平臺中將需要負載重分配的SGSN設置為卸載狀態（重分配狀態），并通知RNC/BSC設備SGSN的相應狀態，這里負載重分配的SGSN選擇為SGSN2。

·通過SGSN Pool的網絡管理平臺，在SGSN2上啟動相應的用戶卸載流程，SGSN2通知BSC/RNC設備自己處于卸載狀態。

·BSC/RNC下發相應信令消息指示MS進行相應的路由更新，MS發送相應的路由更新消息給SGSN Pool內的 SGSN2。

·SGSN2已經設置為卸載狀態，故SGSN2分配Null-NRI和 Non-broadcast RAI給 MS。Null-NRI是一個不屬于任何SGSN的特殊NRI，僅在SGSN Pool內的SGSN設備之間進行負荷遷移時使用。

圖4 負載重分配流程

·當MS重新進行業務請求時，BSC/RNC從MS獲得NRI信息，即 Null-NRI。根據 SGSN Pool內剩余SGSN的容量比例，RNC/BSC為MS重新選擇一個SGSN為MS提供相應的服務，這里假設為SGSN3。

·SGSN3根據Non-broadcast RAI定位原先為MS提供服務的 SGSN，即 SGSN2，并通過與 SGSN2進行通信獲得MS的相關信息。

經與相關廠商溝通，目前各個廠商均無法實現負載重分配時完全無損的用戶遷移，正處于PDP激活狀態并進行數據交互的用戶，其相關的業務會發生中斷。

3.4 池組內SGSN設備宕機

當SGSNPool內單套SGSN宕機時，對于BSC/RNC設備來說，宕機的SGSN已經處于不可用狀態，會出現以下兩種情況。

·對于在Pool內單套SGSN宕機期間內，新發起附著流程的MS來說，BSC/RNC根據NNSF功能算法，為其選擇SGSN Pool內正常的SGSN為其服務，但是不包括宕機的SGSN，且在BSC/RNC側負載均衡因子的配置不包括宕機SGSN的容量。

·對于原先由宕機的SGSN服務的MS來說，由于Pool內其他的SGSN并沒有這部分MS的相應信息，需要MS在進行周期性路由更新、路由區切換或是發起新的業務請求時，由BSC/RNC重新按照NNSF算法為其選擇Pool內正常的SGSN為其提供服務。

4 SGSN Pool組網方式

在3GPP TS23.236技術規范中規定，SGSN Pool內每個BSC/RNC與池組內所有的核心網SGSN設備均存在連接關系 （邏輯連接或是物理連接），即BSC/RNC設備與SGSN設備是一種全連接的組網方式。因為3GPP中并沒有規定SGSN Pool內設備互聯鏈路的實際承載方式，在現階段實現SGSN Pool時，會存在以下3種組網方式。

4.1 Gb/Iu-PS接口未IP化時組網

在Gb/Iu-PS接口未實現IP化承載之前，如果要實現SGSN Pool組網，BSC/RNC設備（需支持Flex功能）需要通過直連鏈路與核心網SGSN設備實現全互聯。若M個BSC/RNC設備與N個SGSN設備實現全連接，則需要配置M×N條互聯鏈路。這種組網方式會占用較多的2 Mbit/s傳輸資源和BSC/SGSN設備端口，而占用的傳輸資源和設備端口的實際利用率卻相對較低，對投資、網絡資源均是一種浪費，且一旦有新網元加入池組，網絡的調整相當復雜，不易于維護，增加了運維成本。Gb/Iu-PS接口未IP化時組網示意如圖5所示。

4.2 Gb/Iu-PS接口IP化后組網

在Gb/Iu-PS接口實現IP化承載后，池組中的SGSN設備與BSC/RNC設備的全連接可以通過路由方式實現（通過IP承載網絡互通），物理上并不需要有直接相連的鏈路，SGSN Pool技術的引入變得容易，且一旦有新網元加入池組，網絡調整比較簡單，只需要制作相應數據即可。Gb/Iu-PS接口IP化后組網示意如圖6所示。

4.3 引入SPP后的組網

SGSN Pool組網時，需要BSC設備支持Gb-Flex功能。若BSC不支持Flex功能，可以通過引入SPP（SGSN Pool proxy，池組功能代理設備）完成組網部署。SPP能夠提供以下兩大類功能。

·協議轉換功能，實現FR和IP協議之間的轉換，使BSC設備的Gb接口從原來的幀中繼承載方式轉變為IP承載方式。

·Flex代理功能，使原來不具備Gb-Flex功能的BSC設備具備Flex功能。

在實際應用中，對于SPP在網絡中的設置，可以采用集中設置方式和分散設置方式兩種，其組網方式分別如圖 7、圖8所示。

圖5 Gb/Iu-PS接口未IP化時組網示意

圖6 Gb/Iu-PS接口IP化后組網示意

若SPP設置在核心網SGSN設備側，BSC設備側不需要作任何的改動，但是SGSN側的Gb電路需要進行重新割接，因為集中設置的SPP數量少，一旦SPP出現故障，則會對核心網分組域網絡產生較大的影響；若SPP設置在無線接入網BSC設備側，BSC設備則需要進行電路割接，通過SPP接入IP承載網絡，需要增加大量的SPP設備，且割接工作量較大，對網絡的影響較大。

4.4 組網方式比較

Gb/Iu-PS接口在沒有全部實現IP化承載之前，現網引入SGSN Pool技術的難度非常大，BSC/RNC設備需要通過實際的物理連接與SGSN進行全連接，組網十分復雜，不建議采用這種方式進行SGSN Pool組網；SPP代理設備應作為SGSN Pool技術引入的一種彌補策略，在少數BSC設備無法滿足條件時使用，不建議大規模使用（引入SPP后網絡結構復雜，故障點增多，且產品成熟度不高）；建議在現網BSC/RNC設備完成Gb/Iu-PS接口IP化承載并支持Flex功能后，再引入SGSN Pool技術，這樣可以避免割接調整和網絡結構變化對現網造成的影響，實現簡單，符合網絡IP化演進的趨勢。

圖7 SPP集中設置組網示意

圖8 SPP分散設置組網示意

5 SGSN Pool技術優劣勢

·在引入SGSN Pool技術后，無線接入網BSC/RNC設備可以共享核心網SGSN設備資源，池組內SGSN容量配置不需要按照單套SGSN附著用戶容量的峰值進行考慮，只需要按照平均的附著用戶容量進行核算即可，節省了投資，提高了SGSN設備整體利用率。

·SGSN Pool的服務區域變得更大，MS在池組的服務區域中移動時一直由固定的SGSN為其提供服務，減少了SGSN之間的切換流程，間接提升了核心網分組域網絡的處理性能。

·SGSN Pool技術能夠很好地平衡“潮汐效應”，在減輕業務高負荷區域SGSN設備負荷的同時，利用業務低負荷區域SGSN設備的處理能力，解決現網不同區域或不同時段業務量不均衡的現狀，特別是對突發的業務量（節假日、大型活動等）有良好的應對能力，提升了池組中SGSN設備的利用率。

·在現網中，核心網分組域缺少容災機制，一旦出現SGSN單點故障，其服務區域下的所有用戶將無法使用分組域相關業務，業務恢復時需要將掛接在這套SGSN上的無線接入網BSC/MFS設備的Gb鏈路割接調整到正常工作的SGSN設備上，過程復雜，業務恢復時間長。在SGSN Pool技術引入后，當池組中的SGSN出現故障時，BSC/RNC設備會通過NNSF節點選擇功能將用戶重新分配到正常工作的SGSN上，實現了SGSN設備的容災備份。

·SGSN Pool內每套SGSN均具有相同地位，維護人員在進行數據配置時需要對全池組進行考慮，統一規劃相應參數，如NRI、Null-NRI、Non-Broadcast RAI、Default SGSN等，且單套SGSN設備需要配置的局數據量大幅度增加，如單套SGSN需要配置整個池組區域的所有RAI。與傳統組網方式相比，SGSN Pool的維護難度雖有所下降 （避免了頻繁的電路割接調整），但網絡數據配置相對復雜，對維護人員的技術要求更高。

6 SGSN Pool部署策略

現網引入SGSN Pool技術時，在綜合考慮設備支持程度、網絡投資、不同區域的業務需求等因素的基礎上，建議采用兩步走的策略[3]，第一步先在局部范圍內進行試點引入（降低新技術引入風險，保護現網投資），總結部署、建設和維護經驗；第二步在試點引入取得良好效果后，再有計劃、有步驟地向全網推廣，應遵循的原則如下。

（1）NRI全網統一規劃

NRI在網絡中使用后再進行調整會相當復雜，在引入SGSN Pool技術之前，應立足于整個網絡的角度，考慮后續網絡發展，對NRI進行細致的規劃（包括Null NRI）。NRI的規劃不統一會對后續SGSN Pool的維護管理帶來很大的困難，可能會導致池組區域內的負荷不均衡。

（2）SGSN Pool組網地域規劃

在引入SGSN Pool組網時，無線接入網BSC/RNC管轄區域應盡量連續覆蓋，且在選擇SGSN Pool區域邊界時，盡量避免切換頻繁的區域，以減少MS在SGSN Pool區域和非池組區域之間的切換，提升用戶使用感受和分組域網絡質量；池組區域在規劃時應盡量在本省范圍內部署，不要進行跨省設置，以降低運維成本，減少對已有網絡管理模式的影響；SGSN Pool覆蓋區域的選擇應考慮區域性的業務互補，這樣能夠降低“潮汐效應”的影響，發揮其“消峰抑谷”的特性，提高核心網設備利用率。在實際組網時，建議SGSN Pool內所有SGSN設備的配置容量均相同，并采用相同的計費策略；盡量不要進行重疊SGSN Pool區域的規劃，降低數據配置復雜性和維護復雜度。

（3）Default SGSN 的規劃

Default SGSN用于SGSN Pool內的用戶漫游出池組區域，或者注冊到池組外的SGSN時的移動性管理問題，或者用于用戶切換到池組外SGSN時的切換請求。Default SGSN需要配置池組內所有的SGSN信息和NRI，用于向池組內目標SGSN轉發池組外SGSN的切換請求，可以認為Default SGSN是池組內核心網SGSN與外界SGSN之間的消息轉接點。在SGSN Pool技術中，池組中的的每套SGSN都可以配置成Default SGSN，可以同時在池組中設置多套SGSN作為Default SGSN，也可以將池組中所有的SGSN均設置為Default SGSN。

（4）池組內SGSN數量與容量配置規劃

出于對SGSN Pool容災備份的考慮，池組內的SGSN設備數量不宜太少，建議大于等于3套，一般選取4～5套SGSN設備進行組網較為合適；池組內SGSN設備容量建議采用等容量配置方式，單套SGSN設備的設備利用率建議選取為60%～70%，以保證池組內單套設備出現故障時，其余的SGSN設備能夠接管業務。

（5）無線接入網設備改造

對于需要引入SGSN Pool技術的地市來說，首先需要完成其無線接入網BSC/MFS設備的Gb接口IP化工作并使其支持Gb-Flex功能，同時使相應RNC設備支持Iu-Flex功能，對于各地市設備型號較老的BSC/MFS設備，建議在合適的時間將其用能夠支持Gb over IP和Gb-Flex功能的BSC/MFS設備進行替換。

7 結束語

雖然SGSN Pool技術具備很多優勢，能夠提升核心網分組域設備利用率，并引入了容災機制，但是目前所有廠商均只支持同廠商SGSN設備組成池組，如何實現多廠商SGSN設備組Pool成為后續技術發展的主要方向；同時目前BSC/RNC設備所使用的NNSF靜態算法仍然不能實現最優的負載均衡，可能會造成SGSN的實際業務量出現較大的差異，如何讓SGSN設備的負載更加均衡也是后續需要重點關注的問題。

1 3GPP TS 23.236.Intra-domain connection of radio access network(RAN)nodes to multiple core network(CN)nodes,2008

2 藍瀾.MSC池技術及組網應用.電信交換,2010(3):56～60

3 中國移動通信集團公司.中國移動SGSN Pool網絡試點測試方案V1.0.1,2010