淺議MME Pool可靠性組網(wǎng)

彭華東

摘要： 隨著用戶容量增加、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度提高、核心網(wǎng)元容量提高、潮汐現(xiàn)象使MME間負(fù)載不均衡、用戶無法容忍服務(wù)中斷等等都對MME網(wǎng)元可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)，單個(gè)MME網(wǎng)元組網(wǎng)無法適應(yīng)這些新的要求，由此引入MME POOL。MME POOL可靠性組網(wǎng)能使MME之間達(dá)到負(fù)荷分擔(dān)、提升資源利用率、實(shí)現(xiàn)MME設(shè)備級的異地容災(zāi)備份減少局間位置更新。

關(guān)鍵詞： MME；EPC；SAE；MME POOL；負(fù)荷分擔(dān)；冗災(zāi)；潮汐效應(yīng)；OPEX

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）16-3746-04

MME（Mobile management Entity），是EPC（Evolved Packet Core）系統(tǒng)SAE（System Architecture Evolution）控制面上的主要網(wǎng)元，與eNodeB之間存在信令面的接口S1-MME.與S-GW之間存在S11接口，與HSS之間的接口是S6a（Diameter類型協(xié)議） 。與S4-SGSN之間存在S3接口。與MSC之間存在SGs接口。與其他的MME之間通過S10接口相連。隨著用戶容量增加，需要更多的核心網(wǎng)元，網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜， OPEX 也隨之增加； 大容量的核心網(wǎng)元對網(wǎng)絡(luò)可靠提出了更高的要求； 人口流動帶來潮汐現(xiàn)象，使MME間負(fù)載不均衡； 用戶對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求越來越高，無法容忍服務(wù)中斷。

1 MME Pool組網(wǎng)

1.1 MM E POOL 介紹

MME Pool特性是多個(gè)MME同時(shí)為相同的無線區(qū)域服務(wù)（MME Pool區(qū)），Pool內(nèi)MME與Pool區(qū)內(nèi)所有eNodeB互聯(lián)，Pool內(nèi)MME之間實(shí)現(xiàn)資源共享，業(yè)務(wù)負(fù)荷分擔(dān)。UE接入哪個(gè)MME與eNodeB的負(fù)荷均衡策略有關(guān)，因此eNodeB需感知MME的設(shè)備狀態(tài)。如果探測到MME不可用，需要及時(shí)調(diào)整負(fù)荷均衡策略，將新接入業(yè)務(wù)請求消息分配給其它正常狀態(tài)的MME。另外，eNodeB需獲取MME的負(fù)荷權(quán)重，結(jié)合負(fù)荷權(quán)重來為UE選擇接入的MME。

如圖1所示，一組MME可以構(gòu)成一個(gè)MME Pool，MME Pool服務(wù)的區(qū)域就稱為MME Pool Area。從TA的角度看，如果一個(gè)或多個(gè)TA從屬于某一個(gè)MME Pool，那么這些TA的所有的業(yè)務(wù)區(qū)即構(gòu)成MME Pool Area，MME Pool Area內(nèi)的用戶由MME Pool中的MME共同服務(wù)。在LTE-EPC標(biāo)準(zhǔn)制定過程中已經(jīng)考慮到了MME Pool的功能，所以MME的網(wǎng)元標(biāo)識最初就包含了Pool所需的信息。MME Pool與非Pool的組網(wǎng)從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娑圆]有太大的區(qū)別。但在路由的策略上，MME Pool要求Pool區(qū)內(nèi)的所有MME和eNodeB間路由均可達(dá)。圖1中連線表示邏輯互連關(guān)系，并非物理連接。

1.2 MME Pool與SGSN Pool中的差別

新增標(biāo)識：

1）GUTI（Globally Unique Temporary UE Identity ）：MME分配，全局唯一，包含兩個(gè)部分。

· GUMMEI：GUMMEI由MCC、MNC、MME標(biāo)識組成（為便于互操作時(shí)區(qū)分接入制式，將MMEGI的高比特位規(guī)劃為1）。

· M-TMSI：M-TMSI長度為32個(gè)bit，在一個(gè)MME內(nèi)唯一標(biāo)識一個(gè)UE。

GUTI可以在附著或跟蹤區(qū)更新過程中隱式分配，也可以通過GUTI重分配過程顯式分配。GUTI重分配過程可以為UE分配一個(gè)GUTI，新的GUTI在隱式分配時(shí)在MME處于EMM-REGISTED狀態(tài)通過附著或TAU流程的接受消息下發(fā)，顯式分配時(shí)在ECM-CONNECTED狀態(tài)下通過顯式的PTMSI重分配流程下發(fā)。

2）TAI（Tracking Area Identity）：=MCC（Mobile Country Code）+MNC（Mobile Network Code）+TAC（Tracking Area Code）。

3）TA List：如圖2所示，將若干跟蹤區(qū)TA組合為一個(gè)TA List。

①將若干跟蹤區(qū)TA組合為一個(gè)TA List，移動終端在此TA List包含的所有TA區(qū)中移動時(shí)候時(shí)，不再需要發(fā)起TA更新。

②網(wǎng)絡(luò)尋呼用戶時(shí)，在整個(gè)TA List包含的所有TA區(qū)中尋呼用戶。

③MME在Attach Accept，TAU Accept或者GUTI Reallocation Command消息中會將TA List下發(fā)給UE。

1.3 負(fù)載均衡原理

在MME Pool的組網(wǎng)中，由于一個(gè)eNodeB與MME Pool內(nèi)的多個(gè)MME連接，所以當(dāng)TA業(yè)務(wù)區(qū)中的UE發(fā)起新的業(yè)務(wù)時(shí)，為了使eNodeB可以根據(jù)負(fù)載均衡等原則為UE從Pool中選擇一個(gè)服務(wù)的MME，MME需要將負(fù)荷權(quán)重下發(fā)給eNodeB。

如圖3所示，假設(shè)MME1的有效用戶容量為4，MME2的有效用戶容量為3，則eNodeB會按4∶3的比例，將UE接入到MME1和MME2上，具體分發(fā)效果取決于eNodeB的實(shí)現(xiàn)方式。

1.3.1 MME通知eNodeB自身的負(fù)荷權(quán)重（S1AP連接建立時(shí)）

在MME Pool中，一個(gè)eNodeB與MME Pool中的多個(gè)MME連接，所以當(dāng)建立專用S1連接時(shí)，需要為UE選擇一個(gè)服務(wù)的MME，這里的選擇功能被稱為“節(jié)點(diǎn)選擇功能”。eNodeB是根據(jù)各MME對應(yīng)的“負(fù)荷權(quán)重”比例進(jìn)行選擇，MME的負(fù)荷權(quán)重值是通過S1AP消息發(fā)送給池區(qū)中的eNodeB的。MME的負(fù)荷權(quán)重值是根據(jù)Pool中其它MME節(jié)點(diǎn)的可用容量加以設(shè)置的。負(fù)荷權(quán)重值可以通過S1 Setup Response消息（圖4）或者M(jìn)ME Configuration Update消息攜帶給eNodeB（圖5）。endprint

1）用戶根據(jù)MME Pool中各MME的可用容量的比例關(guān)系分別配置各MME的負(fù)荷權(quán)重，取值范圍為：0～255。

2）MME保存各自的負(fù)荷權(quán)重。

3）eNodeB向MME發(fā)起SCTP偶聯(lián)建立請求并建立成功。

4）eNodeB向MME發(fā)送S1 Setup Req以建立S1接口設(shè)備連接。

5）MME向eNodeB發(fā)送S1 Setup Rsp消息將MME的負(fù)荷權(quán)重（Relative MME Capacity）帶給eNodeB。

6）eNodeB保存MME的負(fù)荷權(quán)重信息。

1.3.2 MME通知eNodeB自身的負(fù)荷權(quán)重（S1AP連接建立后用戶修改配置）

MME的負(fù)荷權(quán)重值可以進(jìn)行修改，但不會頻繁更新。對于一個(gè)相對成熟的網(wǎng)絡(luò)，建議一個(gè)月更新一次即可，如在新增了RAN側(cè)或CN側(cè)網(wǎng)元時(shí)進(jìn)行更新。

同時(shí)，當(dāng)MME容量變更的情況下，也可能需要負(fù)荷權(quán)重值的變更。如對于一個(gè)Pool中新增的網(wǎng)元，可以設(shè)置一個(gè)相對較高的負(fù)荷權(quán)重值，以便該新增網(wǎng)元盡快承接業(yè)務(wù)，達(dá)到與Pool內(nèi)其它網(wǎng)元的負(fù)荷均衡。

1）用戶修改MME的負(fù)荷權(quán)重，取值范圍為：0～255。

2）MME保存修改后的負(fù)荷權(quán)重。

3）MME主動向所有連接的eNodeB發(fā)送MME Configuration Update，其中攜帶標(biāo)識該MME負(fù)荷權(quán)重的Relative MME Capacity信元。

4）eNodeB更新MME的負(fù)荷權(quán)重，作為后續(xù)UE接入時(shí)選擇MME的依據(jù)。

5）eNodeB若成功更新數(shù)據(jù)配置，則回復(fù)MME Configuration Update Ack消息給MME。

1.3 Pool區(qū)內(nèi)TAU原理

由于MME Pool Area內(nèi)的任意一個(gè)TA均被MME Pool內(nèi)所有的MME所服務(wù)，所以UE業(yè)務(wù)過程中在MME Pool Area內(nèi)移動時(shí)，只進(jìn)行INTRA TAU，不進(jìn)行INTER TAU（與傳統(tǒng)組網(wǎng)相比，這可以減少INTER TAU，從而減少S6a和S10接口消息，減少丟包，從而提高服務(wù)質(zhì)量）。

1.4 容災(zāi)原理

實(shí)際上，負(fù)荷分擔(dān)處理已經(jīng)使MME Pool組網(wǎng)具備了一定的MME級的容災(zāi)能力。當(dāng)MME Pool中某MME發(fā)生故障時(shí)，eNodeB識別該MME故障后，eNodeB會將本來由該MME提供服務(wù)的用戶發(fā)起的新業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到Pool中其他有效的MME上；同時(shí)對新接入的用戶進(jìn)行MME選擇時(shí)不會再考慮該MME，從而實(shí)現(xiàn)MME Pool內(nèi)MME間的容災(zāi)。

如圖6所示，在非Pool組網(wǎng)情況下，某UE通過eNodeB2接到MME1上，如果MME1故障將導(dǎo)致eNodeB2到MME1的鏈路斷開，此時(shí)UE的TAU流程失敗。

如圖7所示，在Pool組網(wǎng)情況下，我們規(guī)劃圖中的eNodeB分別連接到兩個(gè)MME上，UE通過eNodeB2連接到MME1上，在MME1故障以致eNodeB2到MME1的鏈路斷開的情況下，UE在進(jìn)行TAU的時(shí)候流程可以繼續(xù)；eNodeB2可以將消息發(fā)到MME2上，由MME2提供業(yè)務(wù)。（如果只是eNodeB2到MME1的鏈路斷開，MME1設(shè)備可用，那么MME2收到TAU消息后，可以進(jìn)行INTER TAU流程；如果MME1設(shè)備徹底故障，TAU消息直接被拒絕，UE會通過MME2重新發(fā)起附著流程，這個(gè)時(shí)候eNodeB2會將附著消息發(fā)到MME2上，即相當(dāng)于UE通過eNodeB2附著到MME2，由MME2提供業(yè)務(wù)。）

2 結(jié)論

MME POOL可靠性組網(wǎng)能使MME之間達(dá)到負(fù)荷分擔(dān)、提升資源利用率、實(shí)現(xiàn)MME設(shè)備級的異地容災(zāi)備份減少局間位置更新。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 23.401 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Services and System Aspects ；General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access.

[2] 3GPP TS 36.413 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 Application Protocol （S1AP） （Release 8）.

[3] 3GPP TS 23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network （RAN） nodes to multiple Core Network （CN） nodes.endprint

1）用戶根據(jù)MME Pool中各MME的可用容量的比例關(guān)系分別配置各MME的負(fù)荷權(quán)重，取值范圍為：0～255。

2）MME保存各自的負(fù)荷權(quán)重。

3）eNodeB向MME發(fā)起SCTP偶聯(lián)建立請求并建立成功。

4）eNodeB向MME發(fā)送S1 Setup Req以建立S1接口設(shè)備連接。

5）MME向eNodeB發(fā)送S1 Setup Rsp消息將MME的負(fù)荷權(quán)重（Relative MME Capacity）帶給eNodeB。

6）eNodeB保存MME的負(fù)荷權(quán)重信息。

1.3.2 MME通知eNodeB自身的負(fù)荷權(quán)重（S1AP連接建立后用戶修改配置）

MME的負(fù)荷權(quán)重值可以進(jìn)行修改，但不會頻繁更新。對于一個(gè)相對成熟的網(wǎng)絡(luò)，建議一個(gè)月更新一次即可，如在新增了RAN側(cè)或CN側(cè)網(wǎng)元時(shí)進(jìn)行更新。

同時(shí)，當(dāng)MME容量變更的情況下，也可能需要負(fù)荷權(quán)重值的變更。如對于一個(gè)Pool中新增的網(wǎng)元，可以設(shè)置一個(gè)相對較高的負(fù)荷權(quán)重值，以便該新增網(wǎng)元盡快承接業(yè)務(wù)，達(dá)到與Pool內(nèi)其它網(wǎng)元的負(fù)荷均衡。

1）用戶修改MME的負(fù)荷權(quán)重，取值范圍為：0～255。

2）MME保存修改后的負(fù)荷權(quán)重。

3）MME主動向所有連接的eNodeB發(fā)送MME Configuration Update，其中攜帶標(biāo)識該MME負(fù)荷權(quán)重的Relative MME Capacity信元。

4）eNodeB更新MME的負(fù)荷權(quán)重，作為后續(xù)UE接入時(shí)選擇MME的依據(jù)。

5）eNodeB若成功更新數(shù)據(jù)配置，則回復(fù)MME Configuration Update Ack消息給MME。

1.3 Pool區(qū)內(nèi)TAU原理

由于MME Pool Area內(nèi)的任意一個(gè)TA均被MME Pool內(nèi)所有的MME所服務(wù)，所以UE業(yè)務(wù)過程中在MME Pool Area內(nèi)移動時(shí)，只進(jìn)行INTRA TAU，不進(jìn)行INTER TAU（與傳統(tǒng)組網(wǎng)相比，這可以減少INTER TAU，從而減少S6a和S10接口消息，減少丟包，從而提高服務(wù)質(zhì)量）。

1.4 容災(zāi)原理

實(shí)際上，負(fù)荷分擔(dān)處理已經(jīng)使MME Pool組網(wǎng)具備了一定的MME級的容災(zāi)能力。當(dāng)MME Pool中某MME發(fā)生故障時(shí)，eNodeB識別該MME故障后，eNodeB會將本來由該MME提供服務(wù)的用戶發(fā)起的新業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到Pool中其他有效的MME上；同時(shí)對新接入的用戶進(jìn)行MME選擇時(shí)不會再考慮該MME，從而實(shí)現(xiàn)MME Pool內(nèi)MME間的容災(zāi)。

如圖6所示，在非Pool組網(wǎng)情況下，某UE通過eNodeB2接到MME1上，如果MME1故障將導(dǎo)致eNodeB2到MME1的鏈路斷開，此時(shí)UE的TAU流程失敗。

如圖7所示，在Pool組網(wǎng)情況下，我們規(guī)劃圖中的eNodeB分別連接到兩個(gè)MME上，UE通過eNodeB2連接到MME1上，在MME1故障以致eNodeB2到MME1的鏈路斷開的情況下，UE在進(jìn)行TAU的時(shí)候流程可以繼續(xù)；eNodeB2可以將消息發(fā)到MME2上，由MME2提供業(yè)務(wù)。（如果只是eNodeB2到MME1的鏈路斷開，MME1設(shè)備可用，那么MME2收到TAU消息后，可以進(jìn)行INTER TAU流程；如果MME1設(shè)備徹底故障，TAU消息直接被拒絕，UE會通過MME2重新發(fā)起附著流程，這個(gè)時(shí)候eNodeB2會將附著消息發(fā)到MME2上，即相當(dāng)于UE通過eNodeB2附著到MME2，由MME2提供業(yè)務(wù)。）

2 結(jié)論

MME POOL可靠性組網(wǎng)能使MME之間達(dá)到負(fù)荷分擔(dān)、提升資源利用率、實(shí)現(xiàn)MME設(shè)備級的異地容災(zāi)備份減少局間位置更新。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 23.401 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Services and System Aspects ；General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access.

[2] 3GPP TS 36.413 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 Application Protocol （S1AP） （Release 8）.

[3] 3GPP TS 23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network （RAN） nodes to multiple Core Network （CN） nodes.endprint

1）用戶根據(jù)MME Pool中各MME的可用容量的比例關(guān)系分別配置各MME的負(fù)荷權(quán)重，取值范圍為：0～255。

2）MME保存各自的負(fù)荷權(quán)重。

3）eNodeB向MME發(fā)起SCTP偶聯(lián)建立請求并建立成功。

4）eNodeB向MME發(fā)送S1 Setup Req以建立S1接口設(shè)備連接。

5）MME向eNodeB發(fā)送S1 Setup Rsp消息將MME的負(fù)荷權(quán)重（Relative MME Capacity）帶給eNodeB。

6）eNodeB保存MME的負(fù)荷權(quán)重信息。

1.3.2 MME通知eNodeB自身的負(fù)荷權(quán)重（S1AP連接建立后用戶修改配置）

MME的負(fù)荷權(quán)重值可以進(jìn)行修改，但不會頻繁更新。對于一個(gè)相對成熟的網(wǎng)絡(luò)，建議一個(gè)月更新一次即可，如在新增了RAN側(cè)或CN側(cè)網(wǎng)元時(shí)進(jìn)行更新。

同時(shí)，當(dāng)MME容量變更的情況下，也可能需要負(fù)荷權(quán)重值的變更。如對于一個(gè)Pool中新增的網(wǎng)元，可以設(shè)置一個(gè)相對較高的負(fù)荷權(quán)重值，以便該新增網(wǎng)元盡快承接業(yè)務(wù)，達(dá)到與Pool內(nèi)其它網(wǎng)元的負(fù)荷均衡。

1）用戶修改MME的負(fù)荷權(quán)重，取值范圍為：0～255。

2）MME保存修改后的負(fù)荷權(quán)重。

3）MME主動向所有連接的eNodeB發(fā)送MME Configuration Update，其中攜帶標(biāo)識該MME負(fù)荷權(quán)重的Relative MME Capacity信元。

4）eNodeB更新MME的負(fù)荷權(quán)重，作為后續(xù)UE接入時(shí)選擇MME的依據(jù)。

5）eNodeB若成功更新數(shù)據(jù)配置，則回復(fù)MME Configuration Update Ack消息給MME。

1.3 Pool區(qū)內(nèi)TAU原理

由于MME Pool Area內(nèi)的任意一個(gè)TA均被MME Pool內(nèi)所有的MME所服務(wù)，所以UE業(yè)務(wù)過程中在MME Pool Area內(nèi)移動時(shí)，只進(jìn)行INTRA TAU，不進(jìn)行INTER TAU（與傳統(tǒng)組網(wǎng)相比，這可以減少INTER TAU，從而減少S6a和S10接口消息，減少丟包，從而提高服務(wù)質(zhì)量）。

1.4 容災(zāi)原理

實(shí)際上，負(fù)荷分擔(dān)處理已經(jīng)使MME Pool組網(wǎng)具備了一定的MME級的容災(zāi)能力。當(dāng)MME Pool中某MME發(fā)生故障時(shí)，eNodeB識別該MME故障后，eNodeB會將本來由該MME提供服務(wù)的用戶發(fā)起的新業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到Pool中其他有效的MME上；同時(shí)對新接入的用戶進(jìn)行MME選擇時(shí)不會再考慮該MME，從而實(shí)現(xiàn)MME Pool內(nèi)MME間的容災(zāi)。

如圖6所示，在非Pool組網(wǎng)情況下，某UE通過eNodeB2接到MME1上，如果MME1故障將導(dǎo)致eNodeB2到MME1的鏈路斷開，此時(shí)UE的TAU流程失敗。

如圖7所示，在Pool組網(wǎng)情況下，我們規(guī)劃圖中的eNodeB分別連接到兩個(gè)MME上，UE通過eNodeB2連接到MME1上，在MME1故障以致eNodeB2到MME1的鏈路斷開的情況下，UE在進(jìn)行TAU的時(shí)候流程可以繼續(xù)；eNodeB2可以將消息發(fā)到MME2上，由MME2提供業(yè)務(wù)。（如果只是eNodeB2到MME1的鏈路斷開，MME1設(shè)備可用，那么MME2收到TAU消息后，可以進(jìn)行INTER TAU流程；如果MME1設(shè)備徹底故障，TAU消息直接被拒絕，UE會通過MME2重新發(fā)起附著流程，這個(gè)時(shí)候eNodeB2會將附著消息發(fā)到MME2上，即相當(dāng)于UE通過eNodeB2附著到MME2，由MME2提供業(yè)務(wù)。）

2 結(jié)論

MME POOL可靠性組網(wǎng)能使MME之間達(dá)到負(fù)荷分擔(dān)、提升資源利用率、實(shí)現(xiàn)MME設(shè)備級的異地容災(zāi)備份減少局間位置更新。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 23.401 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Services and System Aspects ；General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access.

[2] 3GPP TS 36.413 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 Application Protocol （S1AP） （Release 8）.

[3] 3GPP TS 23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network （RAN） nodes to multiple Core Network （CN） nodes.endprint