MME POOL組網(wǎng)方案的研究

黃偉航

（中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510630）

MME POOL組網(wǎng)方案的研究

黃偉航

（中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510630）

從負荷均衡、負荷重分配和過載保護這3個方面詳細說明MME POOL的實現(xiàn)原理，并分析SGSN/MME融合組POOL的優(yōu)勢及分步實施步驟，提出了在不同階段SGSN/MME融合組POOL方案，明確網(wǎng)絡(luò)建設(shè)路線。

LTE核心網(wǎng) MME POOL SGSN/MME融合組POOL 負荷均衡

1 MME在LTE核心網(wǎng)所處位置及功能

LTE核心網(wǎng)采用3GPP R8版本架構(gòu)，如圖1所示。R8版本的核心網(wǎng)分組域采用控制與承載相分離的架構(gòu)，主要由MME（Mobility Management Entity，移動管理設(shè)備）、S-GW（Serving Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、P-GW（Packet Data Network Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）、CG（Charging Gateway，計費網(wǎng)關(guān)）、PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和計費控制單元）、HSS（Home Subscriber Server，歸屬簽約用戶服務(wù)器）、DNS（Domain Name Service，域名服務(wù)器）等功能單元組成。

MME主要負責信令處理及移動性管理，功能包括：NAS信令及其安全；TA（Tracking Area，跟蹤區(qū)域）列表的管理；P-GW和S-GW的選擇；跨MME切換時對于MME的選擇；在向2G/3G接入系統(tǒng)切換過程中SGSN的選擇；鑒權(quán)、漫游控制以及承載管理；3GPP不同接入網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的移動性管理（終結(jié)于S3節(jié)點）；信令面的合法監(jiān)聽等。

2 MME POOL的概念和實現(xiàn)機制

2.1 MME POOL的概念

MME POOL由一個或多個MME組成，是一個完整的TA區(qū)集合。當UE新進入POOL區(qū)域時，由eNodeB依據(jù)負荷均衡機制為其選擇POOL內(nèi)某個MME進行附著；當UE在POOL內(nèi)漫游時，均由該MME為其服務(wù)。

圖1 3GPP R8核心網(wǎng)架構(gòu)

2.2 MME POOL的實現(xiàn)機制

MME POOL首先是實現(xiàn)了TA集合區(qū)內(nèi)的多個MME的負荷均衡，然后結(jié)合負荷重分配、過載保護等機制實現(xiàn)了S1-MME接口的容災(zāi)，其具體的實現(xiàn)機制如下：

（1）負荷均衡

在一個MME POOL內(nèi)，MME由GUMMEI標識，UE由GUTI標識。其關(guān)系如下：

〈GUTI〉 = 〈GUMMEI〉〈M-TMSI〉,

其中〈GUMMEI〉 = 〈MCC〉〈MNC〉〈MME Identifier〉

〈MME Identifier〉 = 〈MME Group ID〉〈MME Code〉

為實現(xiàn)負荷均衡，eNodeB通過獲取MME POOL內(nèi)各MME的權(quán)重信息（Relative MME Capacity），并根據(jù)該信息將新進入POOL內(nèi)的UE分配到不同的MME上。MME通過S1 Setup Request和MME Configuration Update將Relative MME Capacity傳遞給eNodeB，如圖2所示：

圖2 負荷均衡信令過程

◆eNodeB發(fā)送S1 Setup Request消息給MME，攜帶eNodeB的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，包括eNB Name、Global eNB ID和Supported TAs，請求建立設(shè)備級連接。

◆MME響應(yīng)S1 Setup Response消息，攜帶MME的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，包括MME Name、Served PLMNs、Served GUMMEIs和Relative MME Capacity。

◆eNodeB與POOL內(nèi)各MME完成S1接口的建立，獲取所有MME的權(quán)重信息。MME的權(quán)重可設(shè)置范圍為0～255的整數(shù)，可根據(jù)MME的處理能力按比例設(shè)置。如1個POOL的MME個數(shù)是3個，各MME的權(quán)重分別為30、30、40，則UE附著分配比例為3:3:4。

◆UE在附著到MME過程中，將被分配1個GUTI在POOL內(nèi)唯一標識給UE，后續(xù)eNB將根據(jù)GUTI中的GUMMEI將UE的消息發(fā)送到對應(yīng)的MME。

◆負載均衡也可以實現(xiàn)容災(zāi)保護，當1個MME因故障退服，其相關(guān)的S1接口失效，新進入POOL內(nèi)的UE則根據(jù)剩余的MME權(quán)重分配到POOL內(nèi)仍正常工作的MME。如3個MME組成的POOL的權(quán)重為30、30、40，其中權(quán)重為40的MME退服，則剩余MME的分配比例為3:3。對于原附著在退服MME上的用戶，則通過UE的TAU重新分配到剩余的2個MME上。

（2）負荷重分配

MME的負荷重分配是將某個MME上的注冊用戶部分或全部遷移到POOL內(nèi)其它MME上，一般是因維護需求，如MME的版本升級或退出原有的POOL等不能帶業(yè)務(wù)的操作，需要預(yù)先卸載MME的用戶。

在卸載用戶前，MME可以通過將自身的權(quán)重降為0，并通過MME Configuration Update消息通知eNodeB該MME停止服務(wù)，新入POOL的UE將不會分配到該MME。對于已注冊在該MME的UE，則通過以下步驟遷移：

◆ECM-CONNECTED：MME觸發(fā)原因值為“l(fā)oad balancing TAU required”的S1 Release流程，UE將發(fā)起TAU并附著到POOL內(nèi)其它MME。

◆ECM-IDLE且正在執(zhí)行TAU：TAU完成后，MME觸發(fā)原因值為“l(fā)oad balancing TAU required”的S1 Release流程，UE將發(fā)起TAU并附著到POOL內(nèi)其它MME。

◆ECM-IDLE：MME對用戶發(fā)paging將其變?yōu)镃ONNECTED狀態(tài)，并通過S1 Release對其進行卸載。

（3）過載保護

當MME出現(xiàn)過載時，通過隨機選擇部分或全部與之有S1鏈接的eNodeB下發(fā)Overload Start消息，通過該消息，MME要求eNodeB：

◆拒絕非緊急、非高優(yōu)先級MO業(yè)務(wù)的RRC連接請求。

◆拒絕新的EMM信令的RRC連接請求。

◆拒絕新的低優(yōu)先級UE接入網(wǎng)絡(luò)的RRC連接請求。

eNodeB告訴UE拒絕接入的原因為Overload，并指定UE在一定時間內(nèi)不再次發(fā)起RRC連接請求。

當MME恢復(fù)后，向之前下發(fā)過Overload Start消息的eNodeB發(fā)送Overload Stop消息。

3 MME POOL組網(wǎng)方案

3.1 MME POOL規(guī)劃原則

（1）容量配置

（2）連續(xù)覆蓋

POOL的覆蓋區(qū)域要求連片覆蓋，以減少跨POOL的切換和位置更新。

（3）解決潮汐效應(yīng)

POOL的覆蓋區(qū)域應(yīng)有效解決潮汐效應(yīng)、忙閑結(jié)合。由于行政區(qū)域的劃分、經(jīng)濟發(fā)展程度不一、商業(yè)和住宅區(qū)域分散集中都可以引起覆蓋不同區(qū)域的MME忙時時間段不相同、高負荷程度不相同的差異，如經(jīng)濟較發(fā)達區(qū)域比次發(fā)達區(qū)域用戶量較大、高負荷程度較高；商業(yè)集中區(qū)域高負荷時間在白天、住宅集中區(qū)域高負荷時間在晚上等差異。

POOL的覆蓋區(qū)域規(guī)劃時，在滿足連片覆蓋的要求基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能將具有潮汐效應(yīng)的商業(yè)、住宅區(qū)或忙、閑程度不一的區(qū)域劃分到一個POOL的范圍，可以有效地提高POOL內(nèi)MME的利用率，利用POOL的負荷均衡機制解決熱點地區(qū)高負荷的問題。

3.2 SGSN/MME融合組POOL

（1）SGSN/MME融合組POOL的必要性

1）減少局間信令，提升互操作性能

2G/3G的PS域核心網(wǎng)和4G核心網(wǎng)邏輯上是3個獨立的網(wǎng)絡(luò)。目前各廠家均提供了SGSN/MME融合的節(jié)點，但邏輯上仍然是3張網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)著3個不同制式的無線接入網(wǎng)絡(luò)。與此同時，3個無線網(wǎng)絡(luò)因建設(shè)時間的不同，互相形成了覆蓋上的互補，必然引起RAT間的切換、重選，如果一個節(jié)點可以解決覆蓋區(qū)域內(nèi)RAT間的互操作，則可減少節(jié)點間的信令交互，降低時延，提高成功率。因此，SGSN/MME的融合設(shè)置以及SGSN/MME的融合組POOL有利于簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)演進的主要方向。

為了達到這一目的，需滿足以下2個條件：

◆MME POOL的機制可實現(xiàn)同一覆蓋區(qū)域的RAT間互操作由同一融合節(jié)點處理。

3GPP規(guī)范定義了GUTI與RAI/P-TMSI的映射關(guān)系，如圖3所示。通過MMEC和NRI、MMEGI和LAC的統(tǒng)一規(guī)劃，使融合節(jié)點在2G/3G和4G網(wǎng)絡(luò)的碼號標識可相互對應(yīng)，并指向同一融合節(jié)點，確保在同一覆蓋區(qū)域產(chǎn)生的RAT互操作由同一個融合節(jié)點處理。

◆SGSN、MME的覆蓋區(qū)域盡可能保持一致，即2G/3G/4G的覆蓋區(qū)域一致。

邏輯上融合節(jié)點中的SGSN和MME仍然是獨立的，并且是分屬SGSN POOL和MME POOL的。因此，SGSN/MME融合組POOL不僅是針對物理節(jié)點的融合，而且是覆蓋范圍的融合，融合節(jié)點中的SGSN和MME應(yīng)分別歸屬相同覆蓋區(qū)域的POOL，覆蓋相同的區(qū)域。

2）有效提升核心網(wǎng)容量綜合利用率

移動用戶總量的增長已趨于平緩，2G/3G和4G用戶之間則存在此消彼長的關(guān)系，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上有必要統(tǒng)一考慮2G/3G/4G的PS業(yè)務(wù)發(fā)展需求，統(tǒng)一進行2G/3G/4G融合網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。在4G網(wǎng)絡(luò)起步階段，為4G業(yè)務(wù)預(yù)留的容量可以被仍在繼續(xù)發(fā)展的2G/3G業(yè)務(wù)利用；在2G/3G用戶逐步向4G用戶轉(zhuǎn)移時，統(tǒng)一規(guī)劃的融合核心網(wǎng)又可為4G業(yè)務(wù)發(fā)展提供充足的容量，從而使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更為有效，提升網(wǎng)絡(luò)容量利用率。

（2）SGSN/MME融合組POOL的分步實施

1）LTE發(fā)展初期

在LTE發(fā)展初期，2G/3G的PS業(yè)務(wù)仍處于增長階段，用戶轉(zhuǎn)網(wǎng)需要一定的時間，在這過渡期優(yōu)先考慮用新建融合SGSN/MME解決4G及2G/3G的共同發(fā)展。

在這一階段，在覆蓋相同區(qū)域的POOL中新建SGSN/MME融合節(jié)點，并且滿足各POOL內(nèi)不少于2個MME的要求。但會存在以下問題：

◆由于POOL內(nèi)并非全為融合節(jié)點，4G向2G/3G的互操作可控制在同一節(jié)點，但2G/3G向4G的互操作有可能需要POOL內(nèi)2個節(jié)點進行交互。

◆由于4G用戶集中在較少的融合節(jié)點上，為避免融合節(jié)點高負荷，應(yīng)適當降低融合節(jié)點在SGSN POOL中的容量權(quán)重。

LTE發(fā)展初期融合組POOL示意圖如圖4所示：

圖3 GUTI與RAI/P-TMSI的映射關(guān)系

圖4 LTE發(fā)展初期融合組POOL示意圖

2）LTE快速發(fā)展期

在這一階段，2G/3G用戶迅速遷移到4G，2G/3G PS業(yè)務(wù)出現(xiàn)向下發(fā)展的拐點，可選擇以下2種方式演進：

◆按需求選擇POOL內(nèi)SGSN節(jié)點升級改造為融合節(jié)點。

◆新建融合節(jié)點，逐步替換POOL內(nèi)原有SGSN。

由于SGSN設(shè)備一般已經(jīng)投產(chǎn)一段時間，為后續(xù)更好地滿足軟件升級、硬件更新?lián)Q代的要求，建議可采用第2種方式。在這個階段最終實現(xiàn)SGSN/MME完全融合，融合組網(wǎng)的優(yōu)點得到完全體現(xiàn)。

LTE快速發(fā)展期融合組POOL示意圖如圖5所示：

圖5 LTE快速發(fā)展期融合組POOL示意圖

（3）SGSN/MME融合組POOL的實際案例

以某市核心網(wǎng)為例，2G/3G SGSN POOL有3個，在此基礎(chǔ)上為每個SGSN POOL按業(yè)務(wù)需求規(guī)劃建設(shè)相應(yīng)的融合節(jié)點，并組成相應(yīng)的3個MME POOL。在這3個SGSN/MME POOL中，SGSN只負責處理2G/3G業(yè)務(wù)，MME則負責處理2G/3G/4G業(yè)務(wù)，兼顧了4G建設(shè)初期2G/3G業(yè)務(wù)增長的需求。目前移動網(wǎng)絡(luò)處于4G發(fā)展初期向4G快速發(fā)展期過渡階段，將采用新建融合節(jié)點替代SGSN的方式來滿足2G/3G/4G總體業(yè)務(wù)發(fā)展需求，具體情況如表1所示。

表1 不同階段業(yè)務(wù)發(fā)展需求情況

4 結(jié)束語

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速開展，延續(xù)SGSN POOL在2G/3G PS域核心網(wǎng)在有效提高節(jié)點容量利用率、節(jié)點容災(zāi)保護方面的優(yōu)勢，無論是在保障用戶體驗或提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量方面，MME POOL都需盡快得到應(yīng)用。同時，SGSN/MME融合組POOL將有效降低跨系統(tǒng)切換時延、提高切換成功率，是LTE兼顧2G/3G PS域發(fā)展的有利組網(wǎng)方案。

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Research on Networking Scheme of MME POOL

HUANG Wei-hang
(China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou Branch, Guangzhou 510630, China)

Implementation principle of MME POOL was elaborated from three aspects of load balancing, load redistribution and overload protection. The advantages and implementation steps of integrated SGSN/MME POOL were analyzed. Finally, the schemes on integrated SGSN/MME POOL at different stages were presented to define network construction route.

LTE core network MME POOL integrated SGSN/MME POOL load balancing

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.002

TN915.02

A

1006-1010(2015)14-0009-05

黃偉航. MME POOL組網(wǎng)方案的研究[J]. 移動通信, 2015,39(14): 9-13.

2015-03-28

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

黃偉航：工程師，畢業(yè)于暨南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，長期從事核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作。