張樂，馬洪源，卜忠貴

(1 中國移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司，鄭州 450008；2 中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 引言

隨著VoLTE商用的開展，移動(dòng)通信即將迎來下一代融合通信時(shí)代。作為以全I(xiàn)P化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)的VoLTE業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)質(zhì)量和穩(wěn)定性是良好的商用體驗(yàn)面臨的最大挑戰(zhàn)。VoLTE語音業(yè)務(wù)規(guī)模化商用后，業(yè)務(wù)的容災(zāi)實(shí)施將提上日程。

VoLTE語音業(yè)務(wù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，端到端呼叫流程涉及到電路域、分組域、IMS域眾多網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)，圖1為VoLTE業(yè)務(wù)涉及的主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2 EPC網(wǎng)絡(luò)故障對(duì)VoLTE業(yè)務(wù)的影響及現(xiàn)有容災(zāi)方案

圖1 VoLTE業(yè)務(wù)涉及的主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

EPC網(wǎng)絡(luò)包括MME、SAE-GW、PCRF 3個(gè)主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，VoLTE業(yè)務(wù)中潛在故障點(diǎn)有14個(gè)，如圖2所示。

EPC網(wǎng)絡(luò)中MME、SAE-GW和PCRF主要通過組Pool方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)。

VoLTE業(yè)務(wù)承載建立完成后，長時(shí)間（10～20 s）不使用業(yè)務(wù)，則eNode B請(qǐng)求EPC核心網(wǎng)釋放S1接口連接，核心網(wǎng)MME僅保存用戶的TA信息，并維持核心網(wǎng)側(cè)的承載連接；同時(shí)，UE無法獲得核心網(wǎng)MME、SAE-GW的工作狀態(tài)。

圖2 EPC網(wǎng)絡(luò)潛在故障點(diǎn)

在用戶APN承載建立過程中，即選定了為用戶服務(wù)的MME、SAE-GW和PCRF。

VoLTE用戶會(huì)周期性地發(fā)起IMS重注冊(cè)，在用戶進(jìn)行IMS重注冊(cè)過程中， 若MME、SAE-GW、PCRF故障，則eNode B會(huì)將用戶接入MME Pool內(nèi)正常工作的MME設(shè)備，MME會(huì)選擇正常工作的SAE-GW，LDRA會(huì)在PCRF Pool中為用戶選擇新的可用PCRF為用戶重新建立APN承載，從而實(shí)現(xiàn)MME、SAEGW和PCRF的容災(zāi)。

若在IMS重注冊(cè)之前，用戶接入的MME、SAEGW故障，則對(duì)于：

（1） 主叫業(yè)務(wù)：eNode B會(huì)將用戶接入MME Pool內(nèi)正常工作的MME設(shè)備，MME會(huì)選擇正常工作的SAE-GW，為用戶重新建立IMS APN承載，從而實(shí)現(xiàn)主叫業(yè)務(wù)恢復(fù)。

（2） 被叫業(yè)務(wù)：若SAE-GW故障，則PCRF通過Gx接口為被叫用戶建立IMS APN專用承載失敗，無法為用戶建立呼叫，直至被叫用戶進(jìn)行IMS重注冊(cè)，或發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，或移動(dòng)出S-GW覆蓋區(qū)域進(jìn)行IMS APN承載重建；若SAE-GW未故障而MME故障，則S-GW通過S11接口通知MME為被叫用戶建立IMS APN專用承載失敗，無法為用戶建立呼叫，直至被叫用戶進(jìn)行IMS重注冊(cè)或TAU更新。

若PCRF故障，則EPC網(wǎng)絡(luò)無法為用戶建立用于主被叫音視頻語音業(yè)務(wù)的專用承載，呼叫失敗。

綜上，現(xiàn)有的MME和SAE-GW設(shè)備Pool容災(zāi)能夠?qū)崿F(xiàn)VoLTE主叫業(yè)務(wù)的容災(zāi)，而對(duì)于VoLTE被叫業(yè)務(wù)的容災(zāi)，存在一定的呼損，被叫業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)長取決于VoLTE進(jìn)行IMS重注冊(cè)的時(shí)間和發(fā)起VoLTE主叫業(yè)務(wù)、TAU的時(shí)間。

3 EPC網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)優(yōu)化方案

3.1 MME容災(zāi)優(yōu)化方案

目前VoLTE業(yè)務(wù)中，當(dāng)MME故障時(shí)，VoLTE主叫、被叫業(yè)務(wù)均受影響，其中主叫第一次失敗第二次接通，被叫無法接通；通話過程中掉話。

鏈?zhǔn)絺浞莘桨钢校琈ME Pool內(nèi)僅備份UE的IMSI和TA信息。當(dāng)MME故障時(shí)，備份MME只能用IMSI尋呼UE并重建PDN，無線網(wǎng)和核心網(wǎng)負(fù)荷大，時(shí)延大，同時(shí)第一次VoLTE主被叫也是失敗的。

優(yōu)化的方案中，MME會(huì)話信息備份到Pool內(nèi)多個(gè)MME上，且備份信息為UE全量信息。MME的信息被動(dòng)態(tài)hash備份到池組內(nèi)MME上，任一MME都可以作為備份MME，當(dāng)一臺(tái)MME故障時(shí)，業(yè)務(wù)被動(dòng)態(tài)均勻地分配到池組內(nèi)所有MME上，不存在備份鏈中斷的風(fēng)險(xiǎn)；而且eNode B和S-GW上不需靜態(tài)維護(hù)MME備份鏈列表。優(yōu)化方案中，當(dāng)MME故障時(shí)，PDN只需修改不需要重建，對(duì)無線網(wǎng)和核心網(wǎng)影響小，時(shí)延低，且主被叫均不受影響。

基于S1-MME鏈路故障、S11鏈路故障、MME節(jié)點(diǎn)故障和SGW節(jié)點(diǎn)故障4種場(chǎng)景下24個(gè)測(cè)試項(xiàng)，通過eNode B拔線、中斷鏈路等方法對(duì)MME、S-GW，S1-MME接口、S11接口等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障恢復(fù)驗(yàn)證，MME優(yōu)化容災(zāi)方案能夠?qū)崿F(xiàn)VoLTE通話過程中發(fā)生故障時(shí)VoLTE不掉話，用戶無感知。

3.2 PCRF容災(zāi)優(yōu)化方案

現(xiàn)網(wǎng)VoLTE和LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共用PCRF，當(dāng)PCRF發(fā)生故障，主叫/被叫時(shí)網(wǎng)絡(luò)側(cè)會(huì)通知HSS，再由HSS通知MME讓用戶重新激活PDN會(huì)話信息，選擇Pool內(nèi)另外一個(gè)正常的PCRF來處理業(yè)務(wù)。該方案會(huì)觸發(fā)大量的PDN會(huì)話重建、尋呼等動(dòng)作，對(duì)無線網(wǎng)和核心網(wǎng)的信令沖擊較大，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致周邊網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)負(fù)荷過載。

優(yōu)化方案中VoLTE業(yè)務(wù)使用專用PCRF，采用1+1地理容災(zāi)。主用PCRF與備用PCRF實(shí)時(shí)同步會(huì)話信息，并監(jiān)測(cè)對(duì)方狀態(tài)，如果主用PCRF發(fā)生故障，備用PCRF來接管工作處理會(huì)話。兩臺(tái)PCRF部署在異局址，但采用相同的主機(jī)名，對(duì)外呈現(xiàn)一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)；切換時(shí)周邊節(jié)點(diǎn)（P-CSCF、P-GW）不感知，充分保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

優(yōu)化方案可以保護(hù)VoLTE主被叫不受影響，Gx鏈路故障、Rx鏈路故障和PCRF單節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)對(duì)用戶信令有任何影響。需多購買一套PCRF硬件和一個(gè)軟件功能，由于VoLTE專用PCRF采用通用默認(rèn)策略，不需要SPR，相應(yīng)減少SPR軟硬件需求。

采用命令關(guān)閉端口、拔線、斷鏈路等方法模擬測(cè)試如下6種場(chǎng)景：

（1） 主用和備用PCRF間雙向手動(dòng)切換：驗(yàn)證主用和備用PCRF能夠成功通過手動(dòng)觸發(fā)進(jìn)行來/回切換，在切換中前后均能正常承載VoLTE業(yè)務(wù)。

（2） 主用PCRF重啟觸發(fā)自動(dòng)切換：該測(cè)試驗(yàn)證主用PCRF異常時(shí)能夠成功自動(dòng)將業(yè)務(wù)切換至備用PCRF。

（3） 備用PCRF重啟觸發(fā)自動(dòng)切換：該測(cè)試驗(yàn)證備用PCRF異常時(shí)，主用PCRF業(yè)務(wù)處理情況。

（4） 主用PCRF側(cè)鏈路全阻情況下的異常處理（PCRF宕機(jī)）：模擬主用PCRF宕機(jī)，把主用PCRF到DRA的鏈路全部閉塞，該測(cè)試驗(yàn)證主用PCRF到DRA鏈路全阻斷時(shí)，PCRF觸發(fā)自動(dòng)切換。

（5） 單臺(tái)DRA宕機(jī)情況下的異常處理：模仿單臺(tái)DRA宕機(jī)，阻斷相關(guān)測(cè)試鏈路，測(cè)試業(yè)務(wù)通過另外一臺(tái)DRA進(jìn)行信令傳送。

（6） PCRF單條鏈路阻斷情況下的異常處理：PCRF設(shè)置單條Gx鏈路阻斷，PCRF通過其他鏈路進(jìn)行信令傳送。

通過對(duì)PCRF備份狀態(tài)、切換前后測(cè)試用戶的VoLTE業(yè)務(wù)是否受到影響，以及切換后是否能夠進(jìn)行新的主叫/被叫形式的語音/視頻業(yè)務(wù)等內(nèi)容檢查；試驗(yàn)表明該方案達(dá)到預(yù)期效果，VoLTE業(yè)務(wù)未受影響。

3.3 其它優(yōu)化方案

優(yōu)化方案中MME、SAE-GW和PCRF網(wǎng)元中業(yè)務(wù)板卡N+1實(shí)時(shí)同步備份會(huì)話信息，所有板卡都是工作狀態(tài)，板卡間完全負(fù)荷分擔(dān)。以MME信令處理板為例，UE終端建立會(huì)話信息，當(dāng)一個(gè)板卡處理該會(huì)話，會(huì)同時(shí)在另外一個(gè)板卡備份全量信息；當(dāng)MME板卡故障，MME會(huì)將主叫或者被叫的信令路由到實(shí)時(shí)備份該用戶會(huì)話的板卡上，會(huì)話信息不丟失，主被叫成功。

通過阻塞、重啟板卡針對(duì)主叫振鈴終，被叫振鈴中和通話過程等不同場(chǎng)景驗(yàn)證MME/PGW/SGW/PCRF板卡冗余保護(hù)效果，多次測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期，業(yè)務(wù)正常呼叫流程不受影響。

SAE-GW也采用1+1地理容災(zāi)，兩臺(tái)SAE-GW部署在異局址，采用相同的主機(jī)名，對(duì)外呈現(xiàn)一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。主用SAE-GW與備用SAE-GW實(shí)時(shí)同步用戶會(huì)話信息，并監(jiān)測(cè)對(duì)方狀態(tài)，如果主用SAE-GW發(fā)生故障，備用SAE-GW自動(dòng)切換接管。由于該方案實(shí)施成本較高，沒有進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試驗(yàn)證；同時(shí)該方案對(duì)機(jī)房/電源/傳輸?shù)荣Y源消耗較多，現(xiàn)網(wǎng)部署建議慎重考慮。

表1 容災(zāi)優(yōu)化方案投資效益分析

4 投資效益分析

MME容災(zāi)優(yōu)化和EPC板卡實(shí)時(shí)備份無額外投資。但PCRF地理容災(zāi)需新增一套硬件，無須新增后端SPR。按照PCRF 硬件滿配，軟件容量200萬PDP/300萬PDP兩種模型，基于2017年某采購模型測(cè)算：

模型1：?jiǎn)翁譖CRF支持200萬PDP，折合200/1.05=190.5萬VoLTE用戶。

合計(jì)增加的投資為275-170=105萬元，考慮到配套及其他費(fèi)（取10%），約115.5萬元。折合每個(gè)VoLTE用戶需要增加投資115.5/190.5=0.61元。

模型2：?jiǎn)翁譖CRF支持300萬PDP，折合300/1.05=285.7萬VoLTE用戶。

合計(jì)增加的投資為275-208=67萬元，考慮到配套及其他費(fèi)（取10%），約73.7萬元。折合每個(gè)VoLTE用戶需要增加投資73.7/285.7=0.26元。

如表1所示，實(shí)現(xiàn)該優(yōu)化方案，每個(gè)VoLTE用戶在兩種模型下分別需增加投資0.61元或0.26元。

5 結(jié)束語

EPC網(wǎng)絡(luò)在VoLTE業(yè)務(wù)中的優(yōu)化容災(zāi)方案在容災(zāi)原理和業(yè)務(wù)保障方面均實(shí)現(xiàn)了EPC容災(zāi)的新突破，驗(yàn)證了對(duì)除SAE-GW外的EPC網(wǎng)絡(luò)中13個(gè)故障節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)保護(hù)，能夠保證VoLTE業(yè)務(wù)中第一次主被叫均不受影響，通話過程中出現(xiàn)故障不掉話，用戶無感知。

優(yōu)化的容災(zāi)方案能夠通過較小的成本代價(jià)實(shí)現(xiàn)更為完善的容災(zāi)效果，帶來更好的用戶體驗(yàn)，有助于提升用戶粘性，產(chǎn)生源源不斷的間接效益。