池組（Pool）化技術(shù)在EPC核心網(wǎng)中的應(yīng)用探討

李軍

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司陜西分公司，西安 710077）

1 引言

作為4G標(biāo)準(zhǔn)的LTE網(wǎng)絡(luò)采用了相對(duì)簡(jiǎn)化、扁平的結(jié)構(gòu)，其核心網(wǎng)是基于全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的全新架構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)2G/3G核心網(wǎng)，LTE核心網(wǎng)具有更高性能、更大系統(tǒng)容量、提供更高的用戶數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)，因此安全性亦面臨更高的要求和挑戰(zhàn)。而池組（Pool）化技術(shù)具有負(fù)載均衡和容災(zāi)備份的功能，有利于最大限度的利用設(shè)備能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)的容災(zāi)保護(hù)，大幅提高核心網(wǎng)的安全性和可靠性，是解決LTE核心網(wǎng)安全、高效運(yùn)行的重要手段。

2 基于全I(xiàn)P的EPC核心網(wǎng)架構(gòu)

LTE的核心網(wǎng)也被稱之為EPC（Evolved Packet Core）核心網(wǎng)。EPC核心網(wǎng)由移動(dòng)管理實(shí)體（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、PDN網(wǎng)關(guān)（P-GW）、用于存儲(chǔ)用戶簽約信息的HSS（歸屬用戶服務(wù)器）以及策略和計(jì)費(fèi)控制單元（PCRF）等組成。MME是EPC核心網(wǎng)的控制核心，對(duì)3GPP用戶在2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性進(jìn)行管理，具體包括用戶接入控制，鑒權(quán)，數(shù)據(jù)加密，業(yè)務(wù)承載控制，尋呼、切換控制等控制信令的處理功能。

EPC核心網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPC核心網(wǎng)架構(gòu)示意圖

3 池組化在EPC核心網(wǎng)的應(yīng)用

從EPC核心網(wǎng)的架構(gòu)中，我們可以看到移動(dòng)性管理網(wǎng)元（MME）是EPC核心網(wǎng)的控制核心。因此，在組網(wǎng)過程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)安全性方面均提出了更高的要求。針對(duì)MME網(wǎng)元，借鑒2G/3G核心網(wǎng)SGSN Pool技術(shù)的基礎(chǔ)上，在EPC核心網(wǎng)中應(yīng)用池組化技術(shù)（MME Pool），就顯得尤為必要。

3.1 MME Pool負(fù)載均衡

在LTE網(wǎng)絡(luò)中，MME Pool是指由多套MME組成池組(Pool)，MME之間通過S10接口互連，實(shí)現(xiàn)資源共享，業(yè)務(wù)負(fù)荷分擔(dān)。

MME Pool由一組MME共同服務(wù)，由一個(gè)或多個(gè)跟蹤區(qū)（TA）所覆蓋的范圍構(gòu)成了MME Pool區(qū)。MME Pool區(qū)即可簡(jiǎn)單類似于單個(gè)MME的服務(wù)區(qū)，MME Pool組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 MME Pool組網(wǎng)示意圖

從MME Pool組網(wǎng)圖中可看出，eNode B同時(shí)連接到Pool內(nèi)的每一套MME設(shè)備，MME通過S1-MME接口將自身負(fù)荷權(quán)重參數(shù)發(fā)送給eNode B，并根據(jù)各MME設(shè)備的容量按比例的分配業(yè)務(wù)。

假設(shè)MME Pool內(nèi)總負(fù)荷權(quán)重為10，三套MME設(shè)備負(fù)荷權(quán)重分別為3/3/4。那么在eNode B中，通過加權(quán)平均算法計(jì)算分配至Pool內(nèi)各MME的比例為：

分配至MME1的負(fù)荷比例=MME1負(fù)荷權(quán)重/Pool區(qū)內(nèi)MME負(fù)荷權(quán)重總和=3/(3+3+4)=30%。同理計(jì)算，分配至MME2的負(fù)荷比例=3/（3+3+4）=30%；分配至MME3的負(fù)荷比例=4/（3+3+4）=40%。

MME Pool負(fù)荷均衡示意如圖3所示。

圖3 MME Pool負(fù)荷均衡示意圖

當(dāng)移動(dòng)終端處于Pool區(qū)的無線資源覆蓋下時(shí)，根據(jù)該P(yáng)ool中各MME的負(fù)荷權(quán)重，它只被一個(gè)選定的MME設(shè)備所服務(wù)，而且移動(dòng)終端在Pool區(qū)內(nèi)漫游時(shí)，無需改變其服務(wù)的MME，能夠通過權(quán)重算法實(shí)現(xiàn)MME Pool內(nèi)負(fù)荷均衡的目的，很好的平衡“潮汐效應(yīng)”，在減輕業(yè)務(wù)高負(fù)荷區(qū)域MME設(shè)備負(fù)荷的同時(shí)利用業(yè)務(wù)低負(fù)荷區(qū)域MME設(shè)備的處理能力，解決現(xiàn)網(wǎng)中不同區(qū)域或是不同時(shí)段業(yè)務(wù)量不均衡的現(xiàn)狀，特別對(duì)突發(fā)的業(yè)務(wù)量（節(jié)假日、大型活動(dòng)等）有良好的應(yīng)對(duì)能力，充分利用了MME設(shè)備的處理能力，在提升了設(shè)備利用率的基礎(chǔ)上，大大增強(qiáng)了核心網(wǎng)絡(luò)的安全性。

3.2 MME Pool容災(zāi)備份

在核心網(wǎng)設(shè)備部署時(shí)，組網(wǎng)安全性和可靠性是需要重點(diǎn)考慮的因素。負(fù)荷分擔(dān)處理已經(jīng)使MME Pool組網(wǎng)具備了網(wǎng)元級(jí)的容災(zāi)備份能力。當(dāng)eNode B檢測(cè)到某套MME設(shè)備不可用后，會(huì)將新發(fā)起的用戶業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到MME Pool中其他有效的MME上，從而實(shí)現(xiàn)MME Pool內(nèi)的容災(zāi)。

仍以上述MME Pool組網(wǎng)為例，MME Pool中的三套MME設(shè)備，負(fù)荷權(quán)重分別是3、3、4；當(dāng)MME3出現(xiàn)故障或者M(jìn)ME3至eNode B的連接中斷，eNode B檢測(cè)到MME3故障或鏈接中斷，將不會(huì)將業(yè)務(wù)分配至MME3，同時(shí)eNode B重新進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，更新eNode B至各MME的負(fù)荷比例。通過計(jì)算可知：MME1的負(fù)荷比例=3+4×3/(3+3)=5；MME2的負(fù)荷比例=3+4×3/(3+3)=5；MME3的負(fù)荷比例=0+0×4/(3+3+4)=0。即MME3上的負(fù)荷權(quán)重4平均分配至MME1/2，故MME1/2負(fù)荷權(quán)重均由3升至5，MME1/2分別承載整個(gè)MME Pool業(yè)務(wù)負(fù)荷的50%。MME Pool容災(zāi)備份方案示意如圖4所示。

圖4 MME Pool容災(zāi)示意圖

在EPC核心網(wǎng)中，如果MME設(shè)備未部署容災(zāi)機(jī)制，一旦出現(xiàn)MME設(shè)備故障，其服務(wù)區(qū)域下的所有用戶將無法使用分組域相關(guān)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)需要將掛接在這套MME設(shè)備上的無線接入eNode B設(shè)備的S1鏈路割接調(diào)整到正常工作的MME設(shè)備上，過程復(fù)雜，業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。在MME Pool技術(shù)引入并應(yīng)用后，當(dāng)Pool內(nèi)的MME設(shè)備出現(xiàn)故障后，eNode B設(shè)備會(huì)將用戶重新分配到正常工作的MME，實(shí)現(xiàn)了MME設(shè)備的容災(zāi)備份功能，極大的提高了核心網(wǎng)絡(luò)的安全性，進(jìn)而提高整體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

4 MME Pool的組網(wǎng)規(guī)劃原則

通過上面論述與分析，可以看出MME Pool組網(wǎng)技術(shù)在均衡業(yè)務(wù)量負(fù)載的基礎(chǔ)上，克服了網(wǎng)絡(luò)級(jí)存在的單點(diǎn)故障，并且能夠滿足電信級(jí)安全組網(wǎng)的要求，其優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。根據(jù)MME Pool的技術(shù)特點(diǎn)，我們總結(jié)出在EPC核心網(wǎng)建設(shè)過程中MME Pool的組網(wǎng)規(guī)劃原則：

（1）應(yīng)選擇一組形成一個(gè)無線連續(xù)覆蓋區(qū)域組成MME Pool區(qū)，或按照行政區(qū)域來劃分MME Pool區(qū)域，以減少無線數(shù)據(jù)配置復(fù)雜度。

（2）應(yīng)選擇話務(wù)模型具有互補(bǔ)性或潮汐特征的多個(gè)話務(wù)高峰相互交錯(cuò)的地區(qū)組MME Pool，充分發(fā)揮MME Pool能夠“消峰抑谷”的特性，提高資源利用率。

（3）MME Pool邊界應(yīng)選擇切換較少的區(qū)域邊緣作為Pool區(qū)邊緣，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中的Pool間切換，提高整體網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

（4）Pool區(qū)總?cè)萘繎?yīng)考慮不同廠家設(shè)備的容量門限值，設(shè)置不宜過大，從而增加維護(hù)等方面的工作量。MME數(shù)量建議2～8個(gè)，以3～6個(gè)為最佳選擇。

（5）在規(guī)劃同一MME Pool內(nèi)各MME設(shè)備容量時(shí)，應(yīng)考慮盡量保持一致，便于數(shù)據(jù)規(guī)劃。同時(shí)在容災(zāi)備份方面，也便于正常MME負(fù)擔(dān)故障MME的負(fù)荷。

（6）池組內(nèi)MME容量配置僅需要按照平均用戶容量來進(jìn)行核算；擴(kuò)容時(shí)，只需在MME Pool內(nèi)添加新的MME設(shè)備即可，不需要改變已有的核心網(wǎng)架構(gòu)。

（7）在規(guī)劃MME Pool的容災(zāi)功能時(shí)，應(yīng)考慮在每個(gè)MME設(shè)備上為Pool中其他MME設(shè)備預(yù)留一部分資源。當(dāng)Pool中MME的數(shù)量為N時(shí)，每套MME需要預(yù)留1/N的能力用于容災(zāi)。

5 結(jié)束語

隨著4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，MME Pool技術(shù)作為L(zhǎng)TE核心網(wǎng)絡(luò)安全保障的一個(gè)重要手段，能夠有效的幫助移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商解決LTE核心網(wǎng)絡(luò)中存在的負(fù)載均衡和容災(zāi)備份問題。在MME Pool組網(wǎng)過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)整體組網(wǎng)的規(guī)劃原則進(jìn)行總體規(guī)劃、有針對(duì)性地分步實(shí)施、逐步應(yīng)用，以達(dá)到最大化網(wǎng)絡(luò)資源價(jià)值、為客戶提供更好的服務(wù)質(zhì)量的最終目標(biāo)。

[1] 姜怡華等. 3GPP系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)（SAE）原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民郵電出版社.

[2] 辛偉等. 演進(jìn)分組系統(tǒng)（EPS）業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社.