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(fā)展，各種高速移動通信和寬帶無線接入技術不斷涌現(xiàn)，3GPP提出了系統(tǒng)架構演進項目（SAE）以滿足更高用戶數(shù)據(jù)速率、更大系統(tǒng)容量、無縫覆蓋和降低運營商成本的要求。其中，移動核心網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)絡投資和運營成本，提供實現(xiàn)核心網(wǎng)絡控制節(jié)點池內的負載均衡，提高系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡效率以外，同時易于擴容升級、簡化網(wǎng)絡設計與規(guī)劃、提高系統(tǒng)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(xiàn)移動核心網(wǎng)的高效融合，有必要對2G/3G/4G的核心網(wǎng)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(fā)揮融合池組化技術的優(yōu)勢。

2 池組化技術概述

3GPP在R5版本以前并沒有考慮網(wǎng)絡資源的共享需求。每個無線接入網(wǎng)絡節(jié)點必定由1個特定的核心網(wǎng)節(jié)點所服務。然而，為了應對由于時間和地理引起的網(wǎng)絡負載不均衡而造成的網(wǎng)絡資源無法得到有效利用的挑戰(zhàn)，核心網(wǎng)的池組化技術應運而生。目前，池組化技術根據(jù)3GPP核心網(wǎng)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(wǎng)（CN）節(jié)點池組化的概念，它允許1個無線接入網(wǎng)（RAN）節(jié)點連接到多個CN節(jié)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(jié)點從池內多個CN節(jié)點中選擇其中1個節(jié)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(qū)（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(qū)中切換時不需要改變其服務的SGSN，這就減少了CN節(jié)點間更新、切換以及遷移的信令開銷。同時，當一個SGSN發(fā)生故障時，RAN節(jié)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(xiàn)CN節(jié)點的容災功能。

在 SGSN pool中，網(wǎng)絡資源標識（NRI）用于唯一標識SGSN pool內的一個CN節(jié)點SGSN。RAN節(jié)點通過NRI方式完成對CN節(jié)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(jié)點選擇功能（NNSF）則是用于RAN節(jié)點根據(jù)負載均衡原則給進入SGSN pool內的用戶分配相應的CN節(jié)點SGSN。

2.2 MME pool

根據(jù)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(wǎng)絡結構也是1個RAN節(jié)點與多個CN節(jié)點相連的架構，即池內的eNode B與MME是多對多的全互聯(lián)結構。多個MME組成1個池，共同控制若干個跟蹤區(qū)（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(jié)點間更新、切換以及遷移的信令開銷。當池內的1個MME發(fā)生故障時，eNode B節(jié)點可以將用戶交由池內的其他MME進行處理，實現(xiàn)了CN節(jié)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(wǎng)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(qū)域內，MMEC也必須能夠唯一標識MME。

此外，MME pool中的NNSF用于RAN節(jié)點根據(jù)負載均衡原則給進入MME pool內的用戶分配相應的CN節(jié)點MME。

3 技術挑戰(zhàn)

圖3 GUTI與RAI/P-TMSI之間的映射規(guī)則

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

MME與SGSN pool融合池組技術中的池內CN節(jié)點選擇機制與原MME pool和SGSN pool相同。然而，如何實現(xiàn)在系統(tǒng)間選擇同一融合CN節(jié)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(jié)點之間建立唯一的映射關系可以滿足系統(tǒng)間切換而融合CN節(jié)點的不變。

4 網(wǎng)間標識映射策略

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

MME和SGSN融合節(jié)點應該支持如圖3所示的GUTI和RAI/P-TMSI映射關系。MME節(jié)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(jié)點，MMEGI和 MMEC唯一標識1個MME節(jié)點。

由于 MMEGI與 LAC同為 8 bit，則 MMEGI與 LAC一一映射。根據(jù)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(xiàn)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(wǎng)絡標識映射規(guī)則

由于NNSF功能由eNode B實現(xiàn)，在eNode B上完成CN節(jié)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(shù)量將決定網(wǎng)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(fā)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(jié)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(jié)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(fā)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(jié)點唯一的要求。

另外，為了降低MME上MMEC配置的數(shù)量，也可以選擇剩余的-LNRI）bit，則指定0或1任一數(shù)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(jié)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(guī)則完成映射。根據(jù)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(guī)則；②在MMEC上配置多個MMEC；③在MMEC上配置非連續(xù)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(fā)多組GUMMEI與NRI的映射規(guī)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(jù)SGSN pool和MME pool部署進度靈活地對網(wǎng)絡進行演進，采取“面向融合，升級網(wǎng)絡，分步實施，有序演進”的網(wǎng)絡融合部署策略逐步引入SGSN和MME融合池組技術以滿足網(wǎng)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(yōu)的網(wǎng)絡結構、需支持較少的接口及協(xié)議、更優(yōu)的互操作功能及性能等優(yōu)點，在設備成熟時應進一步演進至MME/S4 SGSN融合。因此，建議網(wǎng)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(xiàn)網(wǎng)的Gn/Gp SGSN進行改造，通過增加投資部署SGSN設備（可后續(xù)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(xù)演進至融合CN設備與融合池組的需求，其中規(guī)劃SGSN pool的NRI長度不超過8 bit，并且池組的2G/3G網(wǎng)絡RA重疊。

（2）融合建設初期階段。投資新建LTE/EPC網(wǎng)絡，采用與G/U網(wǎng)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(xù)軟件升級MME/S4 SGSN融合功能，便于后續(xù)融合池組，并規(guī)劃G/U/L網(wǎng)絡的1個RA與1個TA或者幾個TA覆蓋區(qū)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(jié)點，啟用ISR功能，逐漸接管SGSN和MME重疊覆蓋區(qū)域的2G/3G網(wǎng)絡。如果池內長期存在非融合節(jié)點，可能會導致融合節(jié)點的吸附現(xiàn)象，即切換到融合節(jié)點后，不會再回到原節(jié)點。因此，需要調高池內非融合節(jié)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(jié)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(wǎng)絡的信令負荷。其中，不符合融合節(jié)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(wǎng)絡融合演進的技術方案。該方案能有效實現(xiàn)負載均衡、網(wǎng)元容災，降低系統(tǒng)間切換信令以及提高切換成功率等，因此，現(xiàn)網(wǎng)有必要引入SGSN+MME融合池組降低網(wǎng)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(xiàn)2G/3G/4G的網(wǎng)絡融合。SGSN+MME融合池組在異廠商設備融合組網(wǎng)和網(wǎng)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(wǎng)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(guī)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(wǎng)規(guī)劃．現(xiàn)代電信科技,2009（1）:61～66