許盛宏 劉智德 林俐

PGW作為LTE網(wǎng)絡(luò)核心控制設(shè)備，其安全可靠運行將影響LTE業(yè)務(wù)的穩(wěn)定提供。針對目前PGW容災(zāi)問題進行了分析，通過對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)方案的具體實現(xiàn)，力求為運營商部署安全可靠的LTE網(wǎng)絡(luò)提供有益的參考。

PGW 實時恢復(fù) 容災(zāi)

1 引言

目前運營商加緊推進部署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)的計費；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，移動管理實體）設(shè)備是負(fù)責(zé)移動性管理、會話管理、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，其安全可靠運行相當(dāng)重要。

當(dāng)主用PGW設(shè)備故障時，接管PGW無法實時恢復(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，將會導(dǎo)致大面積業(yè)務(wù)長時間癱瘓，對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)將會導(dǎo)致可用資源的額外消耗、同步數(shù)據(jù)的不完整等問題，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)方案實現(xiàn)流程如圖1所示：

對于主叫容災(zāi)恢復(fù)，當(dāng)前服務(wù)的PGW設(shè)備癱瘓時，用戶發(fā)起主叫業(yè)務(wù)請求將會發(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，用戶將無法找到可用承載通道，就會向用戶發(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)。對于被叫容災(zāi)恢復(fù)，當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時，AF（Application Function，應(yīng)用服務(wù)器）檢測到PGW故障后，AF將下行數(shù)據(jù)請求發(fā)送至接管PGW，由于接管PGW沒有用戶相關(guān)信息而無法處理下行數(shù)據(jù)請求，被叫業(yè)務(wù)無法正常建立，用戶將一直無法得知被叫業(yè)務(wù)無法接入，待網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的TAU（Tracking Area Update，跟蹤區(qū)更新）更新周期到達后，用戶就會發(fā)起TAU更新，此時才會發(fā)現(xiàn)當(dāng)前服務(wù)PGW故障而無法處理，然后用戶主動發(fā)起重新附著請求，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，那么此時被叫業(yè)務(wù)將會中斷大約1小時。因此，目前PGW容災(zāi)方案無法實時恢復(fù)業(yè)務(wù)，也就無法保證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

方案一采用基于PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計費規(guī)則功能）存儲容災(zāi)數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法。在用戶進行初始附著時，PCRF存儲主用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，對于主叫業(yè)務(wù)的恢復(fù)，MME在成功建立SGW、PGW承載后而實時接管用戶主叫業(yè)務(wù)，不會中斷當(dāng)前主叫業(yè)務(wù)請求；對于被叫業(yè)務(wù)的恢復(fù)，PCRF將之前保存的容災(zāi)數(shù)據(jù)通過信令傳送到備份PGW，應(yīng)用服務(wù)器（P-CSCF/SBC）通過承載備份路由選擇接管PGW，實現(xiàn)實時恢復(fù)。

此方案需PGW增加容災(zāi)用戶IP管理功能以及擴展相應(yīng)信令流程參數(shù)。此方案可實現(xiàn)首次呼叫不會中斷，實時恢復(fù)業(yè)務(wù)，不需要主備PGW設(shè)備之間相互同步，減少設(shè)備額外開銷，但需已有信令的擴展參數(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)實現(xiàn)容災(zāi)的方法。當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時，對于主叫容災(zāi)恢復(fù)，通過SGW主動探測用戶面報文，在用戶報文中斷時，觸發(fā)重新附著、業(yè)務(wù)承載重新建立；對于被叫容災(zāi)恢復(fù)，通過HSS互通獲取PGW為故障狀態(tài)，HSS下發(fā)請求給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需要升級支持被叫域選擇功能，MME需將PGW故障時的相關(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，但首次呼叫會中斷，需要IMS和EPC之間的HSS增加互通接口，同時用戶作為被叫都需MMTelAs設(shè)備查詢用戶歸屬的HSS，必然導(dǎo)致信令開銷和處理時延較大。

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)實現(xiàn)容災(zāi)的方法。利用MME對PGW的狀態(tài)感知，通過融合HSS對用戶呼叫請求的識別與控制以及MME對承載建立的控制，實現(xiàn)容災(zāi)業(yè)務(wù)實時接管。當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時，MME通過檢測機制感知SGW、PGW故障狀態(tài)，并將故障狀態(tài)通知融合HSS，當(dāng)用戶有被叫請求時，通過I-CSCF、融合HSS觸發(fā)用戶重新建立承載以及重注冊后響應(yīng)呼叫請求，確保被叫業(yè)務(wù)實時接管；當(dāng)發(fā)起主叫請求時，通過成功重新建立PGW承載后終端自動重注冊以及重發(fā)業(yè)務(wù)請求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將正常處理業(yè)務(wù)請求，不會中斷當(dāng)前主叫業(yè)務(wù)請求。

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)存在較大時延，實時恢復(fù)需要終端支持觸發(fā)重注冊消息。

3.4 方案對比分析

如表1所示，通過對組網(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，并可實時恢復(fù)主叫、被叫業(yè)務(wù)，接管風(fēng)險較小。因此，在IMS HSS和EPC HSS分開部署時，PGW容災(zāi)方案考慮使用方案一；在IMS HSS和EPC HSS合設(shè)時，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)運行的穩(wěn)定性。

4 方案一的具體實現(xiàn)

4.1 容災(zāi)數(shù)據(jù)存儲

此方案需增加一個容災(zāi)數(shù)據(jù)存儲流程以實時恢復(fù)容災(zāi)業(yè)務(wù)。在正常發(fā)起附著請求，PGW和PCRF之間建立會話時，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，可以通過擴展CCR消息的參數(shù)實現(xiàn)，PCRF保存此時的SGW信息，此時數(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)存儲流程如圖2所示。

具體步驟說明如下：

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

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

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

（4）PCRF發(fā)送會話建立響應(yīng)消息給PGW1；

（5）PGW1發(fā)送創(chuàng)建會話請求消息給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，用戶發(fā)起主叫業(yè)務(wù)請求將會發(fā)送到當(dāng)前服務(wù)的MME上，MME通過SGW檢測到當(dāng)前服務(wù)PGW故障后，發(fā)起重新建立承載請求，在成功建立SGW、PGW承載后，繼續(xù)處理本次呼叫，此時MME就不會中斷當(dāng)前主叫業(yè)務(wù)。PGW主叫容災(zāi)恢復(fù)實現(xiàn)流程如圖3所示：

具體步驟說明如下：

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

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

（3）MME通過在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)

對于被叫容災(zāi)恢復(fù)，當(dāng)用戶服務(wù)的PGW故障時，AF將業(yè)務(wù)認(rèn)證觸發(fā)到PCRF，PCRF通過業(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通過承載備份路由將下行數(shù)據(jù)請求送至一個可用的接管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，實現(xiàn)實時業(yè)務(wù)恢復(fù)，不再需要等待1小時才能恢復(fù)業(yè)務(wù)了。PGW被叫容災(zāi)恢復(fù)實現(xiàn)流程如圖4所示。

具體步驟說明如下：

（1）PCRF檢測到PGW1故障；

（2）當(dāng)AF收到用戶作為被叫的請求時，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沒有用戶相關(guān)數(shù)據(jù)，但根據(jù)PCRF送過來的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)承載的請求，包括默認(rèn)承載和專用承載；

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

（8）PGW2待業(yè)務(wù)承載建立完成后就會進行數(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

本文針對目前PGW容災(zāi)存在的問題，提出了三種可行的解決方案，并最終建議采用基于PCRF存儲容災(zāi)數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法（方案一）。此方案改動較小且容易實現(xiàn)，并可高效、實時接管恢復(fù)容災(zāi)業(yè)務(wù)，將有力推動LTE業(yè)務(wù)的規(guī)模化可靠應(yīng)用。在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用時，建議根據(jù)實際情況進一步優(yōu)化解決首次呼叫恢復(fù)時長較大的問題。

參考文獻：

[1] 許盛宏，時新建，李力卡. LTE網(wǎng)絡(luò)SGW高效可靠容災(zāi)方案研究[J]. 電信技術(shù)， 2015（7）： 46-48.

[2] 程鴻雁. LTE核心網(wǎng)EPC融合演進解決方案[J]. 電信技術(shù)， 2013（4）： 30-33.

[3] 許盛宏，李力卡，陳慶年. LTE網(wǎng)絡(luò)MME的安全容災(zāi)方案研究[J]. 移動通信， 2015（22）： 9-13.

[4] 謝紀(jì)鵬，黃艷，廖振松. 基于容災(zāi)架構(gòu)的LTE高可靠網(wǎng)管體系研究[J]. 信息通信， 2014（10）： 196-197.

[5] 李旭姣. LTE核心網(wǎng)技術(shù)研究與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[D]. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2014.

[6] 楊紅梅. LTE核心網(wǎng)演進及部署[J]. 現(xiàn)代電信科技， 2013（11）： 12-16.

[7] 許盛宏，李力卡，劉智德. IMS核心網(wǎng)元準(zhǔn)POOL容災(zāi)方案研究[J]. 移動通信， 2011（13）： 19-23.

[8] 段鵬程，喻成霞. LTE核心網(wǎng)EPC語音解決方案研究[J]. 中國新通信， 2015（9）： 56.

[9] 劉婷婷，劉永毓. LTE核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 中國新通信， 2015（22）： 64-65.

[10] 王少波，何麗華，李明晏. LTE核心網(wǎng)質(zhì)量提升方案分析[J]. 數(shù)據(jù)通信， 2015（3）： 10-12.

[11] 霍龍社，甘震，馬澤芳，等. 面向LTE的移動核心網(wǎng)部署策略探討[J]. 信息通信技術(shù)， 2013（2）： 43-48.