SGSN+MME融合池組策略研究

苗 杰，高功應，穆 佳

（中訊郵電咨詢設計院有限公司 北京 100048）

1 引言

隨著信息通信技術的飛速發展，各種高速移動通信和寬帶無線接入技術不斷涌現，3GPP提出了系統架構演進項目（SAE）以滿足更高用戶數據速率、更大系統容量、無縫覆蓋和降低運營商成本的要求。其中，移動核心網朝著承載IP化、寬帶化、結構扁平化、能力開放化方向演進。

目前長期演進（LTE）時代加速到來，移動核心網面臨著多種無線接入技術2G/3G/4G長期共存、相互補充的局面。因此，對于運營商來講，不僅需要解決承載和控制分離及系統間互操作問題，還要考慮分組核心演進（EPC）池組化（pooling）融合問題。

池組化技術除了降低網絡投資和運營成本，提供實現核心網絡控制節點池內的負載均衡，提高系統容量和網絡效率以外，同時易于擴容升級、簡化網絡設計與規劃、提高系統內/間切換成功率，還能提供有效靈活的設備級容災功能。為了實現移動核心網的高效融合，有必要對2G/3G/4G的核心網控制設備SGSN（serving GPRS support node）和MME（mobility management entity，移動性管理實體）融合池組，充分發揮融合池組化技術的優勢。

2 池組化技術概述

3GPP在R5版本以前并沒有考慮網絡資源的共享需求。每個無線接入網絡節點必定由1個特定的核心網節點所服務。然而，為了應對由于時間和地理引起的網絡負載不均衡而造成的網絡資源無法得到有效利用的挑戰，核心網的池組化技術應運而生。目前，池組化技術根據3GPP核心網應用可以劃分為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（CN）節點池組化的概念，它允許1個無線接入網（RAN）節點連接到多個CN節點，如圖1所示。同時它也提供了一種新的路由機制，該機制允許RAN節點從池內多個CN節點中選擇其中1個節點為用戶服務。SGSN pool技術支持1個或者多個SGSN組成1個池，共同控制1個或者多個路由區（RA）。用戶按照負載均衡的原則，注冊到池中任意1個SGSN上，池內的SGSN間進行負載均衡。用戶在池區中切換時不需要改變其服務的SGSN，這就減少了CN節點間更新、切換以及遷移的信令開銷。同時，當一個SGSN發生故障時，RAN節點可以將用戶終端的消息轉交給池內其他的SGSN進行處理，實現CN節點的容災功能。

在 SGSN pool中，網絡資源標識（NRI）用于唯一標識SGSN pool內的一個CN節點SGSN。RAN節點通過NRI方式完成對CN節點的尋址。NRI是分組—臨時移動用戶識別碼（P-TMSI）的一部分，是由為該用戶服務的SGSN臨時分配給用戶的。NRI可靈活取0～10 bit不等的長度。其中0 bit標識沒有啟用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個池內所有SGSN的NRI長度必須相同。SGSN pool架構如圖1所示。

圖1 SGSN pool架構

另外，非接入層節點選擇功能（NNSF）則是用于RAN節點根據負載均衡原則給進入SGSN pool內的用戶分配相應的CN節點SGSN。

2.2 MME pool

根據3GPP TS23.304，EPC中的CN控制實體MME是天然池組的。與SGSN pool類似，MME pool網絡結構也是1個RAN節點與多個CN節點相連的架構，即池內的eNode B與MME是多對多的全互聯結構。多個MME組成1個池，共同控制若干個跟蹤區（TA）。用戶在初始接入時，按照負載均衡的原則注冊到池中的某一MME上。與SGSN pool類似，用戶在MME pool內移動時不需要改變服務的MME，從而減少了CN節點間更新、切換以及遷移的信令開銷。當池內的1個MME發生故障時，eNode B節點可以將用戶交由池內的其他MME進行處理，實現了CN節點的容災備份功能。MME pool架構如圖2所示。

圖2 MME pool架構

GUMMEI可以全網唯一標識一個MME。GUMMEI作為MME分配給UE臨時標識的GUTI的一部分。GUMMEI結構如圖3所示。GUMMEI由MCC、MNC和MMEI構成；而MMEI則由MMEGI和MMEC構成。其中MMEGI的長度為 16 bit，MMEC 的長度為 8 bit。在 MME pool內部，可以使用MMEC唯一標識MME；在MME pool覆蓋的重疊區域內，MMEC也必須能夠唯一標識MME。

此外，MME pool中的NNSF用于RAN節點根據負載均衡原則給進入MME pool內的用戶分配相應的CN節點MME。

3 技術挑戰

圖3 GUTI與RAI/P-TMSI之間的映射規則

3GPP分組域演進的目標是2G/3G/4G/非3GPP網絡共核心網，解決現有網絡平滑升級和效率問題。為了使用戶獲得最佳的業務體驗，現有2G/3G融合分組網絡首先需要升級支持與LTE網絡的互操作。此外，為了實現提高網絡資源利用效率和降低系統間切換時延而引入MME和SGSN融合池組技術，即對現網2G/3G的SGSN pool內CN部分節點通過軟件或者硬件升級的方式實現SGSN和MME的設備融合，更為重要的是需要唯一的CN節點映射策略。

MME與SGSN pool融合池組技術中的池內CN節點選擇機制與原MME pool和SGSN pool相同。然而，如何實現在系統間選擇同一融合CN節點以提高切換效率，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題。因此，在SGSN pool與MME pool內CN節點之間建立唯一的映射關系可以滿足系統間切換而融合CN節點的不變。

4 網間標識映射策略

用戶在融合池間切換時，RAN節點可以利用網絡標識通過NNSF完成選擇同一CN節點的功能。GUTI是用戶在LTE網絡中全局唯一標識，路由區標識（RAI）與P-TMSI是用戶在2G/3G網絡的全局唯一標識。因此，在跨系統切換時需要對上述標識進行一一映射。

MME和SGSN融合節點應該支持如圖3所示的GUTI和RAI/P-TMSI映射關系。MME節點GUMMEI標識映射成1個 RAI標 識 ，MMEC映 射 成 SGSN的 NRI：LAC與MMEGI相互映射，NRI與MMEC相互映射。在池內部，RAI和NRI唯一標識1個SGSN節點，MMEGI和 MMEC唯一標識1個MME節點。

由于 MMEGI與 LAC同為 8 bit，則 MMEGI與 LAC一一映射。根據3GPP TS 23.003，由于NRI與MMEC之間的相互映射和MMEC的長度為8 bit，SGSN融合池組的NRI不同于2G/3G的要求，其長度將被限制為不超過8 bit。因此，NRI的長度直接影響NRI和MMEC之間的映射關系，如表1所示。其中，若NRI長度小于 MMEC長度（8 bit）時，需要引入轉換機制實現NRI與MMEC之間的映射，以滿足對于融合設備來說相互之間映射的唯一性。

表1 網絡標識映射規則

由于NNSF功能由eNode B實現，在eNode B上完成CN節點映射選擇功能。因此，對于NRI長度小于MMEC長度的情況下，eNode B支持的映射關系中的GUMMEI數量將決定網絡標識之間的映射方案。因此，下面將就NRI長度小于8 bit的映射解決方案進行詳細討論。

4.1 eNode B支持多組GUMMEI與NRI之間映射

MME向eNode B下發的配置信息中攜帶LTE GUMMEI和多組的mapped GUMMEI信息。其中，由于NRI長度 LNRI（LNRI<8）小于 MMEC 長度（=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。即1個 NRI與個 MMEC相互映射。融合池組要求相互映射時CN節點唯一，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長度（LNRI<8）小于 MMEC 長度（=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隨機填充，則可能的 mapped GUMMEI有個。融合池組要求相互映射時CN節點唯一，則需要在MME上配置支持多個MME的標識MMEC。不難看出，其中任意一個 MME將需要配置個MMEC。MME向eNode B下發的配置信息中攜帶LTE GUMMEI和相應唯一的mapped GUMMEI信息，這樣就能夠滿足融合池組要求相互映射時CN節點唯一的要求。

另外，為了降低MME上MMEC配置的數量，也可以選擇剩余的-LNRI）bit，則指定0或1任一數字填充至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CN節點唯一的要求。

綜上，對于上述方案，其中NRI長度為8 bit，NRI與MMEC可以直接映射；對于NRI長度小于8 bit，需要引入特殊配置或者映射規則完成映射。根據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映射規則；②在MMEC上配置多個MMEC；③在MMEC上配置非連續的MMEC。方案對BSC/RNC不做任何要求。

其中，方案③最為簡單，不需要在eNode B和MME上做任何改動，但是會造成標識資源浪費，MMEC的碼號資源至少會浪費一半；方案①最為復雜，需要在MME上配置并通過S1接口向eNode B下發多組GUMMEI與NRI的映射規則，對MME設備本身影響不大，但需要開啟或者升級eNode B的部分功能；方案②的復雜度居中。

運營商可以根據SGSN pool和MME pool部署進度靈活地對網絡進行演進，采取“面向融合，升級網絡，分步實施，有序演進”的網絡融合部署策略逐步引入SGSN和MME融合池組技術以滿足網絡升級和融合的需求。此外，由于S4 SGSN與Gn/Gp SGSN相比，S4 SGSN具有更優的網絡結構、需支持較少的接口及協議、更優的互操作功能及性能等優點，在設備成熟時應進一步演進至MME/S4 SGSN融合。因此，建議網絡總體演進策略可以按照如下4個階段進行分步實施。

（1）融合建設準備階段。對現網的Gn/Gp SGSN進行改造，通過增加投資部署SGSN設備（可后續升級到MME/S4 SGSN融合設備）組成SGSN pool，并啟用R8的直傳隧道功能。為了滿足SGSN后續演進至融合CN設備與融合池組的需求，其中規劃SGSN pool的NRI長度不超過8 bit，并且池組的2G/3G網絡RA重疊。

（2）融合建設初期階段。投資新建LTE/EPC網絡，采用與G/U網絡重疊（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設備必須支持后續軟件升級MME/S4 SGSN融合功能，便于后續融合池組，并規劃G/U/L網絡的1個RA與1個TA或者幾個TA覆蓋區域重疊。

（3）融合建設中期階段。升級 MME pool內 MME至MME/S4 SGSN融合節點，啟用ISR功能，逐漸接管SGSN和MME重疊覆蓋區域的2G/3G網絡。如果池內長期存在非融合節點，可能會導致融合節點的吸附現象，即切換到融合節點后，不會再回到原節點。因此，需要調高池內非融合節點的容量因子以吸附更多的用戶，保證池內融合設備和非融合設備節點之間的容量均衡。

（4）融合建設后期階段。池內剩余的非融合設備SGSN全部升級為MME/S4 SGSN融合設備，并啟用ISR功能以降低網絡的信令負荷。其中，不符合融合節點要求的Gn/Gp SGSN設備被替換為MME/S4 SGSN融合設備。

5 結束語

SGSN+MME融合池組技術是面向網絡融合演進的技術方案。該方案能有效實現負載均衡、網元容災，降低系統間切換信令以及提高切換成功率等，因此，現網有必要引入SGSN+MME融合池組降低網絡投資和運營成本。從技術角度來看，目前該技術已接近成熟。運營商在升級SGSN pool和部署MME的背景下，加速部署MME/SGSN融合設備，逐步實現2G/3G/4G的網絡融合。SGSN+MME融合池組在異廠商設備融合組網和網管等方面仍然值得進一步研究。

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．核心網絡演進趨勢探討．郵電設計技術，2012（5）：1～5

5 刑向暉，馮榮耀，劉海．SGSN pool規劃部署研究．郵電設計技術，2011（7）

6 黃嘉．SGSN pool相關技術探討及組網規劃．現代電信科技,2009（1）:61～66