GSM-R系統SGSN設備冗余組網方式研究

■ 楊銳

GSM-R系統SGSN設備冗余組網方式研究

■ 楊銳

1 概述

隨著鐵路GSM-R數字移動通信網絡的快速發展，通用分組無線業務（GPRS）所承載的業務種類逐漸增多，數據業務量不斷增加，對GPRS核心網設備的可靠性要求也越來越高。目前鐵路GPRS網絡中網關GPRS支持節點（GGSN）、域名系統（DNS）、遠程用戶接入認證服務（RADIUS）設備均實現了冗余，但業務GPRS支持節點（SGSN）設備在網內仍是單節點運行，一套SGSN設備承載著多條鐵路線路的GPRS業務，列車不停止運行就不能對SGSN設備停機進行施工作業。目前鐵路SGSN設備的應急方案為：提前準備本局基站控制器/分組控制單元（BSC/PCU）至鄰局SGSN設備Gb接口（PCU與SGSN之間的接口）的備用電路，當本局SGSN故障后，利用備用電路將本局BSC/PCU設備接入鄰局SGSN設備。此方案需要多個單位配合完成，操作復雜，且業務恢復時間較長。3GPP規范R5版本引入了SGSN池的概念，實現了一個BSC/PCU連接多個SGSN的功能，對SGSN設備冗余組網方式及標準進行了規范，實現SGSN池組網需要調整Gb接口為IP組網方式。在此對SGSN池技術和Gb接口IP組網技術在鐵路GRPS網絡中的應用進行研究。

2 SGSN池

所謂SGSN池就是由多個SGSN共同構建一個大的服務區，這些SGSN以池組方式協同工作。SGSN池組所管理的每個BSC/PCU與池內每個SGSN之間以IP形式保持全連接。

2.1 基本原理

3GPP規范定義了SGSN池的工作機制，改變了BSC/ PCU與SGSN之間一對一的控制關系，實現了BSC/PCU節點到多個SGSN節點的域內連接路由功能，允許BSC/PCU節點把業務信息在分組交換網絡中路由到不同的SGSN節點，業務由多個SGSN進行分擔，提高了SGSN的冗余性（見圖1）。

圖1所示的SGSN資源池集中了一個或多個SGSN服務區，用戶終端可在資源池服務區內使用業務而無需改變服務SGSN節點。一個資源池可以服務于幾個并行的SGSN節點。從BSC/PCU的角度看，資源池包括一組并行SGSN節點所服務的一個或多個BSC/PCU所有的位置區/路由區（LA/RA），這組SGSN節點可能還服務于該區域池之外的LA/RA。一個資源池中多個SGSN節點可以實現負荷均衡，且它們所提供的服務范圍與單個SGSN節點提供的服務區相比擴大了許多，這樣可減少SGSN間節點更新、切換和重定位，降低了至歸屬位置寄存器（HLR）路由區更新的業務量。

2.2 工作機制

（1）服務SGSN的建立：當終端進行GPRS附著時，BSC/PCU會選擇SGSN池中的任一SGSN進行業務。SGSN把其標識——網絡資源標識（NRI）編碼到用戶的分組臨時移動用戶標識（P-TMSI）中，使終端、BSC/ PCU、服務SGSN可根據P-TMSI識別用戶國際移動用戶標識號（IMSI）與NRI的映射關系。BSC/PCU、SGSN根據映射關系路由用戶的業務數據包。

圖1 SGSN池

（2）記錄服務SGSN：當終端在PMM-connected（連接）模式時，BSC/PCU保持IMSI與NRI映射。當終端進入PMM-idle（空閑）模式時，由于沒有來自于或發送到終端的分組數據包需要路由，則BSC/PCU刪除IMSI與NRI映射。當終端重新進入PMM-connected模式時，BSC/PCU會再次記錄終端IMSI與提供服務SGSN的NRI的映射。

2.3 技術優勢

（1）實現網絡級冗余備份：當池中某一節點出現故障或擁塞時，BSC/PCU可相應選擇池中的其他可用節點，此時池中的各SGSN節點共同分擔故障節點的業務，避免了N+1備份方式中容易出現的備份局點難以滿足2個局點業務負荷要求的情況，實現SGSN間的資源共享，增大了SGSN網絡的可靠性，實現了不中斷業務的網絡級冗余。

（2）維護作業、網絡擴容施工不影響既有業務：SGSN池實現了無線接入網絡和核心網絡的互不影響。該技術使池中的單個SGSN節點施工不會影響業務，也無需為了保障業務而將BSC/PCU割接至其他SGSN設備。

（3）減少核心網絡信令開銷負荷：池的概念提供了公共SGSN服務區，與單節點服務區相比，原有SGSN間的路由更新全部優化為SGSN內路由更新。因此，SGSN池可大幅降低局間的路由更新次數，減少SGSN和HLR的系統信令開銷。

（4）核心網設備負載均衡：傳統網絡中不同節點由于覆蓋范圍不同，話務峰值出現在不同時間不同地點，網絡規劃都按各自最大可能出現的話務來配置。SGSN池的引入，使話務量在SGSN池中的所有節點平均分配，使原先話務較少的SGSN分擔繁忙SGSN的話務，提高了SGSN資源利用效率。

（5）便于集中化管理：池組內所有SGSN節點具有完全一致的局數據，包括位置區數據、小區數據、BSC/PCU數據等。數據制作和后期維護都比較簡單，網管人員可以統一管理池區內的網元。

2.4 SGSN池技術對Gb接口組網的要求

3GPP（R5）TS23.236定義了核心網節點移動交換中心（MSC）、SGSN以池的方式組網的工作機制，這打破了BSC/PCU與SGSN間一對一的關系，提出了多向連接（multi-Gb）技術，實現了BSC/PCU到SGSN之間的多歸屬。實現multi-Gb的前提是BSC/PCU與多個SGSN有連接關系，目前Gb接口幀中繼（FR）組網的情況下，Gb接口傳輸采用時分復用（TDM）方式，BSC/PCU僅能連接至一個SGSN，以TDM方式實現BSC/PCU與多個SGSN連接的代價巨大，是不現實的。如果BSC/PCU與SGSN之間采用IP組網，實現BSC/PCU與多個SGSN連接就變得非常方便。因此，Gb接口IP化組網是實現SGSN池的前提。

3 Gb接口IP組網

3.1 Gb接口協議棧的變化

Gb接口是BSC/PCU與SGSN之間的接口，用于交換信令和用戶數據。3GPP在R4版本中已規定Gb接口的底層承載可以采用FR或IP方式，2種承載方式的區別在網絡服務（NS）層，而上層協議和應用都沒有發生任何變化。在網絡實際應用中，Gb over FR和Gb over IP可同時使用，可以平滑演進。2種承載方式協議棧對比見圖2。

3.2 Gb接口鏈路標識的變化

在GPRS網絡中，Gb接口的路由通過網絡服務實體標識（NSEI）和網絡服務虛連接標識（NSVCI）來標識和選擇。Gb接口幀中繼承載方式下，BSC/PCU與SGSN之間的鏈路通過NSEI、NSVCI、數據鏈路連接標識（DLCI）、FR物理接口（PORT）這組協商參數進行匹配。對于SGSN而言，一個NSE就代表一個BSS/ PCU，每一個NSE將一組NSVC作為一個集合進行管理，一個NSVC唯一從屬于一個NSE，同一個NSEI內的多條NSVC可配置為負荷分擔或主備工作方式（見圖3）。

Gb接口IP化后，BSS/PCU與SGSN之間每條NSVC鏈路標識變為：SGSN設備IP地址、SGSN UDP端口號、BSC/PCU設備IP地址、BSC/PCU UDP端口號。BSS/PCU與SGSN之間的NSEI中的多條NSVC可使用相同或不同的IP地址，配置方式靈活。IP承載方式下Gb接口的鏈路標識見圖4。

3.3 Gb接口IP化后尋址方式的變化

圖2 Gb over FR/IP接口協議棧對比

圖3 Gb基于FR鏈路標識

圖4 Gb基于IP鏈路標識

隨著鏈路標識的變換，在2種承載方式下Gb接口的尋址方式也發生了變化。幀中繼承載方式下，每一幀的幀頭中包含地址信息，即DLCI值，端到端的虛電路連接實際上是一條由多段DLCI連接而成的端到端邏輯連接，DLCI只具有本地意義，而不是指向目的地址。在IP承載方式下，數據包的包頭中包含有目的節點IP地址，網絡中的節點根據包頭中的目的地址查找路由表計算出到達的最佳路由，IP地址具有全局意義，且尋址方式靈活。

3.4 Gb接口IP化后帶寬的變化

Gb接口IP化后，協議棧發生了變化，Gb接口數據封裝開銷也相應發生了變化，直接影響到Gb接口的帶寬。假設用戶IP數據包平均大小為500 Byte，計算數據封裝帶寬變化：FR開銷（FR封裝+NS封裝+BSSGP層封裝+上層封裝）為69 Byte；IP開銷（以太網幀封裝開銷十IP封裝開銷十UDP封裝開銷+NS封裝開銷+BSSGP層封裝開銷+上層封裝開銷）為117 Byte。因此Gb接口IP承載與FR承載的帶寬比：（500+117）/（500+69）=1.08。所以Gb接口IP化后帶寬會增加，具體增加的數量應根據用戶實際的IP數據包大小進行計算。

4 SGSN池技術實現GPRS網絡SGSN設備冗余組網

根據我國GSM-R分組域核心網設備的現狀，結合上述SGSN池和Gb接口IP化的技術分析，SGSN冗余可以考慮局內和局間2種組網方式。

4.1 局內SGSN池組網

各局核心節點新設1套SGSN與既有設備組成SGSN池（見圖5）。可以在鐵路局管內新設1臺SGSN設備，與既有SGSN組成SGSN池。需要新設接入路由器（CE）設備為Gb接口組成IP網，SGSN池設置為負荷分擔方式。這種方式的優點：SGSN池由本局設備組成，便于維護和管理；缺點是需要新設SGSN設備，造價較高。

4.2 局間SGSN池組網

利用2個（或多個）鐵路局既有SGSN設備組成SGSN池（見圖6）。需要新設接入路由器設備組成局內Gb接口IP網，局間的Gb接口可以利用既有數據網，并在數據網上設置Gb接口的虛擬專用網（VPN）。

圖5 局內SGSN池組網

圖6 局間SGSN池組網

對于SGSN池的工作方式，如果采用負荷分擔方式，在具備冗余功能的基礎上可充分發揮SGSN池的技術特點：負荷分擔各SGSN的業務量、提高SGSN設備的利用率、減少跨SGSN的路由更新頻率。但對于維護管理方面，由于SGSN池管理多個鐵路局的BSC/PCU設備，超出了鐵路局的管轄范圍，需要將組成池的各SGSN設備進行集中管理。如果采用主備工作方式，雖然不能充分發揮SGSN池的所有特點，但是便于鐵路局的維護管理，正常情況下鐵路局管內的所有BSC/PCU仍以本局的SGSN設備為主用，當本局SGSN設備出現異常或有施工作業時，才工作在其他局的SGSN設備上。

4.3 SGSN池組網后的業務流程

實現SGSN池冗余組網后，改變了目前BSC/PCU與SGSN一對一的關系，BSC/PCU可根據預先設定的路由原則選擇SGSN池中任一SGSN進行業務，對于與Gn接口的業務流程沒有發生任何改變，變化主要體現在Gb接口：

（1）當用戶進入SGSN池服務區域時，BSC/PCU根據負載均衡的原則，將用戶的路由更新請求隨機地分配給池內的某個SGSN，由其為該用戶提供服務；

（2）SGSN與該用戶的歸屬HLR完成更新路由區過程后，會分配給用戶一個P-TMSI，其中包含的字段NRI是網絡資源標識，該NRI在SGSN池內唯一標識該用戶登記的SGSN；

（3）用戶在SGSN池內完成路由更新后，將一直由它所注冊的那個SGSN提供服務，直到該用戶離開這個SGSN池的服務區域。

4.4 既有設備對SGSN池和Gb接口IP組網支持情況

目前我國GSM-R網絡采用了諾西、華為、凱普施、中興4個廠家的SGSN、BSC/PCU設備，大部分設備通過增加IP接口板都可支持SGSN池和Gb接口IP組網的要求，詳細情況見表1。

5 結束語

對SGSN池和Gb接口基于IP的組網技術進行分析，SGSN池技術有著諸多的優勢，最重要的是實現了不中斷業務的網絡冗余，是較合理的SGSN設備冗余組網方案。如果利用SGSN池進行冗余組網需對既有網絡和設備進行一定調整，由于Gb接口幀中繼和IP兩種組網方式可以在網絡中共存，網絡調整可逐步進行。

表1 既有設備對SGSN池和Gb 接口IP組網支持情況

[1] 3GPP（R5）TS23.236[S].

[2] YD/T 1106—2001. 900/1 800 MHz TDMA數字蜂窩移動通信網通用分組無線業務（GPRS）基站子系統與服務GPRS支持節點（SGSN）間接口（Gb接口）技術規范[S].

楊銳：北京鐵路通信技術中心，工程師，北京，100038

責任編輯 盧敏