池组（Pool）化技术在EPC核心网中的应用探讨

李军

（中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司，西安 710077）

1 引言

作为4G标准的LTE网络采用了相对简化、扁平的结构，其核心网是基于全IP网络的全新架构。相对于传统2G/3G核心网，LTE核心网具有更高性能、更大系统容量、提供更高的用户数据速率等特点，因此安全性亦面临更高的要求和挑战。而池组（Pool）化技术具有负载均衡和容灾备份的功能，有利于最大限度的利用设备能力，同时实现网络级的容灾保护，大幅提高核心网的安全性和可靠性，是解决LTE核心网安全、高效运行的重要手段。

2 基于全IP的EPC核心网架构

LTE的核心网也被称之为EPC（Evolved Packet Core）核心网。EPC核心网由移动管理实体（MME）、服务网关（S-GW）、PDN网关（P-GW）、用于存储用户签约信息的HSS（归属用户服务器）以及策略和计费控制单元（PCRF）等组成。MME是EPC核心网的控制核心，对3GPP用户在2G/3G/LTE网络中的移动性进行管理，具体包括用户接入控制，鉴权，数据加密，业务承载控制，寻呼、切换控制等控制信令的处理功能。

EPC核心网架构如图1所示。

图1 EPC核心网架构示意图

3 池组化在EPC核心网的应用

从EPC核心网的架构中，我们可以看到移动性管理网元（MME）是EPC核心网的控制核心。因此，在组网过程中对网络性能和网络安全性方面均提出了更高的要求。针对MME网元，借鉴2G/3G核心网SGSN Pool技术的基础上，在EPC核心网中应用池组化技术（MME Pool），就显得尤为必要。

3.1 MME Pool负载均衡

在LTE网络中，MME Pool是指由多套MME组成池组(Pool)，MME之间通过S10接口互连，实现资源共享，业务负荷分担。

MME Pool由一组MME共同服务，由一个或多个跟踪区（TA）所覆盖的范围构成了MME Pool区。MME Pool区即可简单类似于单个MME的服务区，MME Pool组网如图2所示。

图2 MME Pool组网示意图

从MME Pool组网图中可看出，eNode B同时连接到Pool内的每一套MME设备，MME通过S1-MME接口将自身负荷权重参数发送给eNode B，并根据各MME设备的容量按比例的分配业务。

假设MME Pool内总负荷权重为10，三套MME设备负荷权重分别为3/3/4。那么在eNode B中，通过加权平均算法计算分配至Pool内各MME的比例为：

分配至MME1的负荷比例=MME1负荷权重/Pool区内MME负荷权重总和=3/(3+3+4)=30%。同理计算，分配至MME2的负荷比例=3/（3+3+4）=30%；分配至MME3的负荷比例=4/（3+3+4）=40%。

MME Pool负荷均衡示意如图3所示。

图3 MME Pool负荷均衡示意图

当移动终端处于Pool区的无线资源覆盖下时，根据该Pool中各MME的负荷权重，它只被一个选定的MME设备所服务，而且移动终端在Pool区内漫游时，无需改变其服务的MME，能够通过权重算法实现MME Pool内负荷均衡的目的，很好的平衡“潮汐效应”，在减轻业务高负荷区域MME设备负荷的同时利用业务低负荷区域MME设备的处理能力，解决现网中不同区域或是不同时段业务量不均衡的现状，特别对突发的业务量（节假日、大型活动等）有良好的应对能力，充分利用了MME设备的处理能力，在提升了设备利用率的基础上，大大增强了核心网络的安全性。

3.2 MME Pool容灾备份

在核心网设备部署时，组网安全性和可靠性是需要重点考虑的因素。负荷分担处理已经使MME Pool组网具备了网元级的容灾备份能力。当eNode B检测到某套MME设备不可用后，会将新发起的用户业务转移到MME Pool中其他有效的MME上，从而实现MME Pool内的容灾。

仍以上述MME Pool组网为例，MME Pool中的三套MME设备，负荷权重分别是3、3、4；当MME3出现故障或者MME3至eNode B的连接中断，eNode B检测到MME3故障或链接中断，将不会将业务分配至MME3，同时eNode B重新进行加权平均计算，更新eNode B至各MME的负荷比例。通过计算可知：MME1的负荷比例=3+4×3/(3+3)=5；MME2的负荷比例=3+4×3/(3+3)=5；MME3的负荷比例=0+0×4/(3+3+4)=0。即MME3上的负荷权重4平均分配至MME1/2，故MME1/2负荷权重均由3升至5，MME1/2分别承载整个MME Pool业务负荷的50%。MME Pool容灾备份方案示意如图4所示。

图4 MME Pool容灾示意图

在EPC核心网中，如果MME设备未部署容灾机制，一旦出现MME设备故障，其服务区域下的所有用户将无法使用分组域相关业务，业务恢复时需要将挂接在这套MME设备上的无线接入eNode B设备的S1链路割接调整到正常工作的MME设备上，过程复杂，业务恢复时间长。在MME Pool技术引入并应用后，当Pool内的MME设备出现故障后，eNode B设备会将用户重新分配到正常工作的MME，实现了MME设备的容灾备份功能，极大的提高了核心网络的安全性，进而提高整体网络服务质量。

4 MME Pool的组网规划原则

通过上面论述与分析，可以看出MME Pool组网技术在均衡业务量负载的基础上，克服了网络级存在的单点故障，并且能够满足电信级安全组网的要求，其优势是不言而喻的。根据MME Pool的技术特点，我们总结出在EPC核心网建设过程中MME Pool的组网规划原则：

（1）应选择一组形成一个无线连续覆盖区域组成MME Pool区，或按照行政区域来划分MME Pool区域，以减少无线数据配置复杂度。

（2）应选择话务模型具有互补性或潮汐特征的多个话务高峰相互交错的地区组MME Pool，充分发挥MME Pool能够“消峰抑谷”的特性，提高资源利用率。

（3）MME Pool边界应选择切换较少的区域边缘作为Pool区边缘，可以有效减少网络中的Pool间切换，提高整体网络质量。

（4）Pool区总容量应考虑不同厂家设备的容量门限值，设置不宜过大，从而增加维护等方面的工作量。MME数量建议2～8个，以3～6个为最佳选择。

（5）在规划同一MME Pool内各MME设备容量时，应考虑尽量保持一致，便于数据规划。同时在容灾备份方面，也便于正常MME负担故障MME的负荷。

（6）池组内MME容量配置仅需要按照平均用户容量来进行核算；扩容时，只需在MME Pool内添加新的MME设备即可，不需要改变已有的核心网架构。

（7）在规划MME Pool的容灾功能时，应考虑在每个MME设备上为Pool中其他MME设备预留一部分资源。当Pool中MME的数量为N时，每套MME需要预留1/N的能力用于容灾。

5 结束语

随着4G移动通信网络的建设，MME Pool技术作为LTE核心网络安全保障的一个重要手段，能够有效的帮助移动运营商解决LTE核心网络中存在的负载均衡和容灾备份问题。在MME Pool组网过程中，应当根据整体组网的规划原则进行总体规划、有针对性地分步实施、逐步应用，以达到最大化网络资源价值、为客户提供更好的服务质量的最终目标。

[1] 姜怡华等. 3GPP系统架构演进（SAE）原理与设计[M]. 北京：人民邮电出版社.

[2] 辛伟等. 演进分组系统（EPS）业务应用技术[M]. 北京：人民邮电出版社.