MSC Pool負(fù)載均衡問題研究

朱 斌，赫 罡，馬瑞濤，郝曉鋒（中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048）

0 前言

3GPP TS23.236在R5版本中正式提出了核心網(wǎng)（CN）池（Pool）組化的概念，它允許 1 個(gè) RAN（RNC 或BSC）節(jié)點(diǎn)連接到多個(gè)CN（MSC或SGSN）節(jié)點(diǎn)。同時(shí)它也提供了一種新的路由機(jī)制，該機(jī)制允許RAN節(jié)點(diǎn)從Pool內(nèi)多個(gè)CN節(jié)點(diǎn)中選擇1個(gè)節(jié)點(diǎn)為用戶服務(wù)。而這種路由機(jī)制實(shí)際就是由NNSF實(shí)現(xiàn)的，為了保證Pool內(nèi)CN節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，NNSF節(jié)點(diǎn)可根據(jù)負(fù)載均衡算法把進(jìn)入MSC Pool服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶分配給不同MSC來服務(wù)用戶。

NNSF的路由選擇保證了用戶在MSC Pool服務(wù)區(qū)內(nèi)一直由分配的MSC為該用戶提供服務(wù)，而負(fù)載均衡算法保證了MSC Pool內(nèi)的各MSC之間的負(fù)載均衡。本文主要對MSC Pool中的關(guān)鍵技術(shù)NNSF和負(fù)載均衡算法進(jìn)行研究。

1 基本原理

當(dāng)用戶首次在Pool內(nèi)開機(jī)或者漫游進(jìn)入MSC Pool的服務(wù)區(qū)域，NNSF節(jié)點(diǎn)依據(jù)負(fù)載均衡算法選擇Pool內(nèi)的一個(gè)有效的MSC為用戶提供服務(wù)，被選擇的有效MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。此后用戶在MSC Pool內(nèi)登記、切換、呼叫、開關(guān)機(jī)等會始終由NNSF節(jié)點(diǎn)通過NRI選擇到對應(yīng)的MSC為其服務(wù)，負(fù)責(zé)其業(yè)務(wù)的處理。

1.1 觸發(fā)條件

觸發(fā)負(fù)載均衡算法的場景有以下3種。

a）NNSF節(jié)點(diǎn)收到僅攜帶IMSI或IMEI的消息，即終端之前未分配CN節(jié)點(diǎn)，消息中沒有攜帶NRI字段。

b）NNSF節(jié)點(diǎn)根據(jù)終端攜帶的路由參數(shù)無法從配置的NRI與CN節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系表中找到服務(wù)的CN節(jié)點(diǎn)，即TMSI攜帶的NRI沒有對應(yīng)CN節(jié)點(diǎn)。

c）NNSF節(jié)點(diǎn)根據(jù)終端攜帶的路由參數(shù)可以從配置的NRI與CN節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系表中找到服務(wù)的CN節(jié)點(diǎn)，但是對應(yīng)的CN節(jié)點(diǎn)信令不可達(dá)，即TMSI攜帶的NRI有對應(yīng)的CN節(jié)點(diǎn)，但是到該CN節(jié)點(diǎn)的信令不可達(dá)。

具體的判斷執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 消息執(zhí)行流程

1.2 處理流程

依據(jù)實(shí)際中的觸發(fā)條件，表1中有3類具體的場景需要執(zhí)行負(fù)載均衡算法。

表1 負(fù)載均衡算法觸發(fā)情況分類

當(dāng)用戶終端攜帶不同的用戶標(biāo)識發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)，處理流程不同。

a）當(dāng)用戶以IMSI或IMEI發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)，NNSF節(jié)點(diǎn)（RNC/BSC/MGW）使用負(fù)載均衡算法選擇1個(gè)有效的MSC作為MS的服務(wù)MSC，被選擇的MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。

b）當(dāng)用戶以TMSI發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)，NNSF節(jié)點(diǎn)（RNC/BSC/MGW）使用NNSF路由選擇功能 （根據(jù)配置的NRI與CN節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系表）為用戶選擇服務(wù)的MSC。當(dāng)被選擇的MSC無NRI與MSC的對應(yīng)關(guān)系時(shí)，NNSF節(jié)點(diǎn)使用負(fù)載均衡算法，選擇Pool區(qū)內(nèi)1個(gè)有效的MSC作為服務(wù)的MSC，被選擇的MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。

c）當(dāng)用戶以TMSI發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)，NNSF節(jié)點(diǎn)（RNC/BSC/MGW）使用NNSF路由選擇功能 （根據(jù)配置的NRI與CN節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系表）為用戶選擇服務(wù)的MSC。當(dāng)被選擇的MSC有NRI與MSC的對應(yīng)關(guān)系但MSC無效時(shí)（鏈路不通、處于禁用或卸載狀態(tài)），NNSF節(jié)點(diǎn)使用負(fù)載均衡算法，選擇Pool區(qū)內(nèi)一個(gè)有效的MSC作為服務(wù)的MSC，被選擇的MSC將分配含有本局NRI的TMSI給用戶。

2 算法介紹

目前，負(fù)載均衡算法從具體的功能實(shí)現(xiàn)上可分為靜態(tài)算法和動態(tài)算法2種。靜態(tài)負(fù)載均衡算法采用的是預(yù)先決策的分配機(jī)制，不需要NNSF節(jié)點(diǎn)與相關(guān)系統(tǒng)周期性進(jìn)行負(fù)荷情況的信息交互；而動態(tài)負(fù)載均衡算法相比靜態(tài)負(fù)載均衡算法具有更多的靈活性，需要根據(jù)系統(tǒng)或接口的負(fù)載情況周期性地調(diào)整分配權(quán)重，它采用的是實(shí)時(shí)交互的決策機(jī)制。動態(tài)負(fù)載均衡算法雖然比靜態(tài)負(fù)載均衡算法更具優(yōu)勢，但是會給系統(tǒng)帶來更多的額外開銷，影響系統(tǒng)的處理性能。

2.1 靜態(tài)負(fù)載均衡算法

靜態(tài)負(fù)載均衡算法的具體實(shí)現(xiàn)方式有很多種，目前主要有2類，一類是加權(quán)隨機(jī)數(shù)算法，另一類是加權(quán)輪詢算法。

2.1.1 加權(quán)隨機(jī)數(shù)算法

該算法依據(jù)各個(gè)MSC的權(quán)重值來進(jìn)行用戶的選擇分配，分配方式利用隨機(jī)數(shù)概率的方式。具體的步驟如下。

a）獲取各CN節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的容量權(quán)重值C（i）

式中：

CAPi——第i個(gè)MSC的容量因子

b）獲取權(quán)重的取值W（i）

式中：

W（0）=0

c）隨機(jī)生成一個(gè)范圍在［0，1］之間平均分布的隨機(jī)數(shù)V，如果V大于W（i-1）且小于等于W（i），則選擇第i個(gè)CN節(jié)點(diǎn)。

舉例：假如MSC Pool內(nèi)有3個(gè)MSC，容量分別為10 萬、10 萬、20 萬，容量因子分別取值為 1、1、2，則可以計(jì)算得到 W（0）=0，W（1）=0.25，W（2）=0.5，W（3）=1。如圖2所示，當(dāng)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)在0～0.25之間時(shí)選擇MSC1服務(wù)，在 0.25～0.5 之間時(shí)選擇 MSC2，在 0.5～1 之間時(shí)選擇MSC3為其服務(wù)。這樣就可以使用戶按照容量1∶1∶2的比例均衡分布在不同的MSC上。

圖2 加權(quán)隨機(jī)數(shù)算法示例圖

2.1.2 加權(quán)輪詢算法

加權(quán)輪詢算法也依據(jù)CN節(jié)點(diǎn)的權(quán)重來進(jìn)行MSC的分配，與加權(quán)隨機(jī)算法不同的是，它采用的是依次輪詢的機(jī)制，而不是隨機(jī)的方式，該算法嚴(yán)格按照比例依次為新用戶分配可服務(wù)的MSC。

舉例：同樣假如MSC Pool內(nèi)有3個(gè)MSC，權(quán)重因子分別取值為1、1、2，那么對于新登錄的用戶，NNSF節(jié)點(diǎn)會依次將第1個(gè)用戶分配給MSC1，第2個(gè)用戶分配給MSC2，第3個(gè)用戶和第4個(gè)用戶分配給MSC3，第5個(gè)用戶分配給MSC1，依次類推。最終用戶按照比例分配在不同的MSC上。

2.2 動態(tài)負(fù)載均衡算法

動態(tài)負(fù)載均衡算法目前也主要有2類：一類主要依據(jù)A接口的電路負(fù)荷，另一類主要依據(jù)VLR的用戶實(shí)際容量。

2.2.1 A接口的電路負(fù)荷

BSC會周期性地計(jì)算到每個(gè)CN節(jié)點(diǎn)的A接口電路負(fù)荷，也就是占用電路/所有電路的值，根據(jù)負(fù)荷值的比重分配新用戶到不同的CN節(jié)點(diǎn)上，例如A接口負(fù)荷低的分配的用戶相對多一些。

2.2.2 MSC可用用戶容量

a）MSC Pool內(nèi)各個(gè)MSC統(tǒng)計(jì)本局剩余用戶容量（總?cè)萘繙p去登記用戶數(shù)），然后Pool區(qū)內(nèi)各個(gè)MSC分別將本局可用用戶容量等信息傳遞給各個(gè)NNSF節(jié)點(diǎn)。

b）NNSF根據(jù)負(fù)荷因子進(jìn)行負(fù)荷分擔(dān)，而負(fù)荷因子決定Pool區(qū)內(nèi)某個(gè)MSC被選中的概率，其中MSCi負(fù)荷因子=MSCi的可用用戶容量/MSC各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用容量總和（見圖3）。

圖3 動態(tài)負(fù)荷均衡示意圖

3 部署建議

MSC Pool網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前期需要對整個(gè)Pool組內(nèi)的設(shè)備容量、接口配置、NNSF開啟等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，特別需要考慮以下幾個(gè)方面的情況。

3.1 負(fù)載均衡算法

由于負(fù)載均衡算法為廠家特有的實(shí)現(xiàn)方式，在3GPP的標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確定義。因此，MSC Pool部署建設(shè)初期不建議部署NNSF的設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行異廠家混合組網(wǎng)；此外，由于目前MSC Server和MGW之間還存在設(shè)備交互機(jī)制和部分信令協(xié)議內(nèi)容私有化的現(xiàn)狀，不建議Pool內(nèi)CN設(shè)備異廠家組合。

對負(fù)載均衡算法的支持建議如下。

a）靜態(tài)負(fù)載均衡算法必須支持并能保證異廠家（CN和RAN節(jié)點(diǎn)為不同廠家）的互通。

b）動態(tài)負(fù)載均衡算法建議為可選，現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)的動態(tài)負(fù)載均衡算法都是私有協(xié)議，不能保證互通，在CN和RAN節(jié)點(diǎn)為同廠家情況時(shí)可以采用。

3.2 NNSF部署節(jié)點(diǎn)

依據(jù)3GPP TS23.236的規(guī)定：NNSF在RAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，也可以在CN節(jié)點(diǎn)（一般指MGW）實(shí)現(xiàn)。目前NNSF功能可以在RNC或BSC部署，也可以選擇在MGW上部署。依據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的部署情況，有3種方案可考慮（見表2）。

現(xiàn)有主流設(shè)備商基本都能支持RNC/BSC實(shí)現(xiàn)NNSF以及MGW代理A Flex，部分廠家不支持MGW代理Iu Flex。由于現(xiàn)網(wǎng)存在不少BSC不支持A Flex的情況，結(jié)合廠家MGW的支持情況，方案2和方案3是目前優(yōu)選的2個(gè)方案。

表2 NNSF功能部署節(jié)點(diǎn)情況比較

對于負(fù)載均衡算法和NNSF部署有如下建議。

a）RNC必須支持Iu Flex功能。

b）如果BSC不支持A Flex功能，MGW必須能夠代理A Flex功能。

c）MGW應(yīng)支持A Flex功能，可以支持Iu Flex功能。

4 結(jié)束語

MSC Pool的引入會帶來很多的優(yōu)勢，其中負(fù)載均衡是MSC Pool的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它能夠均衡Pool區(qū)內(nèi)的話務(wù)，起到削峰抑谷的作用，并能減少跨局切換和更新信令、降低信令負(fù)荷、提升用戶通話質(zhì)量。本文結(jié)合3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求和設(shè)備的實(shí)際支持情況，詳細(xì)說明了MSC Pool負(fù)載均衡算法的觸發(fā)條件和基本處理流程，分析了幾種典型的負(fù)載均衡算法，結(jié)合設(shè)備的支持情況，探討了MSC Pool組化部署的一些考慮，為部署MSC Pool提供了建議。

［1］3GPP TS23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network（RAN）nodes to multiple Core Network （CN）nodes［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/23.236.htm.

［2］3GPP TS 25.413 UTRAN Iu interface RANAP signalling ［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25.413.htm.

［3］3GPP TS 24.008 Mobile radio interface Layer 3 specification;Core network protocols［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/24.008.htm.

［4］ITU-T Recommendation H.248 Gateway control protocol ［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.javvin.com/protocolMegaco.html.

［5］肖颯，伍建萍.2G/3G共核心網(wǎng)的MSC Pool組網(wǎng)策略 ［J］.電信科學(xué)，2008（11）.