WCDMA核心网容灾方案浅析

陈 韬

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065)

1 概述

1.1 WCDMA核心网基本概念

随着3G牌照于中国在2009年的正式发放，中国联通获得了全球应用最广泛、产业链最成熟的WCDMA牌照，在WCDMA演进过程中，R99阶段继承了2G网络的GSM和GRPS业务与功能，分别发展为WCDMA网络中的CS电路域和PS分组域;R4阶段继承R99业务与功能，重点在于引入的控制与承载相分离的软交换构架，将传统2G网络中的MSC分离为MSC Server和MGW媒体网关，由于两者之间只是IP上承载的信令，故两者之间可以经济地拉远放置。MSC Server一般集中设置在省会中心城市，而WMG可分列地市，一个MSC Server控制多个WMG，组成大本地网。因此，建网时考虑各个层面的整机容灾备份方案，打造安全、可靠、稳定的移动网络，为顾客提供更优的服务，是中国联通3G网络建设的重大问题。

1.2 容灾保护方案分类

由软交换机和媒体网关组成的移动NGN网络，由于地理分布较广，软交换业务覆盖范围较大，媒体网关分布灵活等特点，需要结合组网方式考虑网络容灾备份能力，提供多层次的容灾机制。

包括对控制层面WSS(无线软交换)，承载层面WMG(无线媒体网关)的分层次考虑和多种实现方案。控制层面的WSS(无线软交换)可以采用地理级冗余来实现网络容灾。具体实现方案包括主备用方式(Active－Standby)、互为备份方式(Load Sharing)、N+1(N Active+1 Standby)备份方式以及MSC POOL备份方式。针对不同的组网需求，应综合考虑网络结构，网络功能，倒换需求及可靠性等因素选用最适合的实现方案。目标是提高网络容灾能力，但不给组网带来更多的复杂度和过多的成本投入。承载层面的WMG(无线媒体网关)可以采用WMG保护群(WMG Cluster)的机制实现承载层保护。多个WMG可以放置在一起，也可以在地理上分离，取决于承载网的配置。另外，整个WMG保护群方案的实施，完全是在Call Server上路由算法的改进，对WMG没有影响，对于周边网元(BSC、RNC、其它MSC等)透明。

2 WSS的地理冗余方案介绍

移动软交换地理冗余实现方案包括主备用方式、互为备份方式、N+1备份方式。

2.1 WSS互备容灾方案

在互为备份的网络结构中，同时激活的两台WSS均处于运行状态，组网时将业务分为两个平面，A平面和B平面，各区域内的业务在两平面上负荷分担，A/B平面分别受控于WSS A和WSS B。WSS A和WSS B具有相同的配置，配置容量应能承担A和B平面的所有业务，以满足倒换后的业务处理。正常情况下，WSS A、WSS B负责各个平面的业务处理，当某一WSS出现故障或判定与平面内WMG的Mc接口失去通信时，另一个WSS接管对方的所有业务，接管相应平面内的WMG。

2.2 WSS的N+1容灾方案

由于上述方案要求软交换成对设置，均提供两倍的网络实际容量，特别是网络规模扩大时，将造成建网成本的大量增加，这时采用N+1的网络容灾备份方案将更具优势［1］。其网络结构清晰，建网和运营成本少，“N”为同时处于运行状态下的激活的 MSC Server，“1”为备份的 MSC Server，在正常操作状态下，备份的MSC Server在网络上是不可见的，但同时对N个激活的MSC Server进行配置数据的同步，当有某一个MSC Server出现故障或判定与平面内WMG的Mc接口失去通信时，则由备份的MSC Server进行业务接管。其网络结构如图1:

图1 网络结构

2.3 MSC POOL 容灾方案

MSC POOL技术是基于 3GPP TS 23.236“Intradomain connection of Radio Access Network(RAN)nodes to multiple Core Network(CN)nodes”，MSC POOL在3G中的应用称为Iu－Flex，在2G中的应用称为A－Flex。其基本工作原理如下［2］:当用户进入到某个MSC POOL的覆盖区域时，RAN节点会按照负载均衡的原则将用户的位置更新请求随机地分配给池组中的某一个MSC，这个MSC完成位置更新过程并给用户分配一个TMSI，这个TMSI里面携带了“网络资源标志(NRI)”字段，用来标识为这个用户服务的MSC编号。该用户在MSC POOL的服务区域内移动时，将一直由这个MSC为其服务，直到离开MSC POOL的服务区域为止。在这期间，如果用户有业务请求，那么RAN节点将根据请求消息中所带的TMSI中的NRI信息，将话务直接分配到对应的MSC进行处理。MSC POOL定义了核心网控制节点以池组的方式工作的机制，打破了以往RNC与MSC Server之间一对一的控制关系。实质是多个MSC Server共同服务于相同的服务区，每个RNC都与池组中的每个MSC Server建立连接，按一定的负荷均衡原则将用户按比例分配在池组中的每个MSC Server中。移动用户只要在此MSC POOL的池区内移动，就不需要进行跨MSC的切换，且一直注册在同一MSC Server。当MSC池中的某一个或某几个节点发生故障时，无线侧的接入请求(位置更新/呼叫等)被负荷均分给池组中其他仍在正常工作的节点，增强了网络的服务性能和可靠性。MSC POOL组网图如图2:

图2 MSC POOL组网图

2.4 容灾方案对比

(1)局数据配置和管理复杂度

主备方案(包含N+1):仅需备用软交换维护与主用软交换相同的配置数据，数据配置和管理简单。

互备方案:由于一对互备的软交换中的每台软交换需要维护对方软交换的配置数据，数据配置和管理复杂。

采用MSC POOL容灾方式:MGW支持VMGW功能，同时要实现核心网中承载网的IP化，每个MGW都要配置在每个MSC之下，数据配置和管理相对复杂。

(2)倒换时的业务丢失

主备方案(包含 N+1):主用软交换控制所有端局MGW，备用软交换采用与主用软交换完全相同的容量配置，倒换时业务全部接管。

互备方案:端局包含端局之间的业务量，到TMSC和GMSC的业务量，难以将业务平均分为两个平面，由一对互备的软交换接管，难以准确配置软交换容量。由于互备方案时，正常状态时应维持每台软交换工作在一半的平均负荷，但由于网络无法准确配置，而且在实际中很可能在超出50%负荷的状态下运行。

MSC POOL:由于池组中的每个MGW都受每个MSC的控制，切倒换过程只有10s左右，基本不会存在业务丢失。

(3)投资成本及设备利用率

“1+1”互助容灾模式考虑容灾，网络容量两倍配置。例如，100万BHCA的网络容量需求，需要配置100万+100万的两台软交换，正常工作时各处理50万的容量。

“N+1”主备容灾模式考虑容灾，网络容量仅需增加一个软交换的配置。例如，100万BHCA的网络容量需求，可以配置50万+50万+50万的三台软交换，更具成本优势。

MSC POOL容灾方式设备由于采用负荷分担，每个MSC都在工作，利用率100%。

3 WMG的媒体网关保护群方案介绍

为提供承载层的保护，这里介绍WMG保护群方案。WMG保护群(WMG cluster)指在相邻的或远离的地理位置上放置多个WMG，话务在这些WMG间进行负荷分担，从而起到承载层保护的作用。多个WMG的设置方式取决于承载网的配置。

图3 WMG Cluster示意图

图3是WMG Cluster的示意图，其中CS为电路集Circuit Set，它是中继群TKG的一部分。WMG Cluster的技术特点如下:

来自各个局向的TKG均匀地分成多个CS连接到多个WMG上;如图3所示，TKGA、B、C是分别来自GMSC和两个BSS的不同局向，而每个TKG都均匀地分为4个CS，分别连接到 WMG1、2、3、4上。比如，TKG －A 均匀分为 CS－A1、CS－A2、CS － A3、CS － A4，分别连往 WMG1、WMG2、WMG3、WMG4;对于TKG－B和TKG－C也是同样均匀分为4个CS，分别连接4个WMG。

创新的区分路由算法确保尽可能使出局CS和入局CS位于同一个WMG。比如当前有一个呼叫，从局向TKG－A呼往局向TKG－B。那么优选路径为CS－A1、WMG1、CSB1或 CS－A2、WMG2、CS－B2 或 CS－A3、WMG3、CS－B3或CS－A4、WMG4、CS－B4。在这些优选路径中，入局 CS(比如CS－B1)和出局CS(比如CS－A1)是位于同一WMG(比如WMG1)。这样呼叫所占用的话路最少，速度最快。而且所有呼叫可以在这4个WMG之间进行负荷分担。

由于WMG可以尽量靠近业务区进行设置，即WMG可以尽量靠近BSS设置，无需A接口链路的大规模迂回，对现有网元无任何影响。假如所有的优选路由都满了，还有迂回路由来保证话务的接通。例如当来话由GMSC出发，经CS－A1到达WMG1时，CS－B1没有空闲话路;WMG1会选择interconnect连接，将来话接续往WMG2(或者 WMG3、或者WMG4)，再从CS－B2(如果连往WMG3，则从CS－B3;如果连往WMG4，则从CS－B4)继续到TKG－B。这样可以最大限度地保证话务的接通。

从上述的论述可以看出，WMG cluster技术可以保证同一业务区内各个WMG之间的话务均匀分担;而且如果某一WMG宕机，其他的WMG将会分担该宕机WMG的业务，从而保证相关局向的话务依然有效。从而实现承载层的冗余备份。

4 总结

本文对通过MSC层面和MGW层面的容灾方案分析，并对“1+1”互助容灾，“N+1”主备容灾，基于MSC POOL技术容灾等技术进行了分析和比较，每种方案都各有优劣。在实际应用中，根据当地用户需求和其它地理环境等来确定选择哪种方案来组网。这两层面的容灾并不是孤立的，MGW的负荷分担和MSC Server容灾技术任意一种结合就可以实现核心网容灾方案的建立，在组网规划时需要综合考虑各种因素采用合理的容灾方式。

［1］谭旺生.本地网MSC N+1容灾备份方案［D］.北京:北京邮电大学，2010:17－18.

［2］刘蓉，李旭.MSC POOL技术及其发展现状［J］.现代电子技术，2011(21):35－36.