SGSN+MME融合池组策略研究

苗 杰，高功应，穆 佳

（中讯邮电咨询设计院有限公司 北京 100048）

1 引言

随着信息通信技术的飞速发展，各种高速移动通信和宽带无线接入技术不断涌现，3GPP提出了系统架构演进项目（SAE）以满足更高用户数据速率、更大系统容量、无缝覆盖和降低运营商成本的要求。其中，移动核心网朝着承载IP化、宽带化、结构扁平化、能力开放化方向演进。

目前长期演进（LTE）时代加速到来，移动核心网面临着多种无线接入技术2G/3G/4G长期共存、相互补充的局面。因此，对于运营商来讲，不仅需要解决承载和控制分离及系统间互操作问题，还要考虑分组核心演进（EPC）池组化（pooling）融合问题。

池组化技术除了降低网络投资和运营成本，提供实现核心网络控制节点池内的负载均衡，提高系统容量和网络效率以外，同时易于扩容升级、简化网络设计与规划、提高系统内/间切换成功率，还能提供有效灵活的设备级容灾功能。为了实现移动核心网的高效融合，有必要对2G/3G/4G的核心网控制设备SGSN（serving GPRS support node）和MME（mobility management entity，移动性管理实体）融合池组，充分发挥融合池组化技术的优势。

2 池组化技术概述

3GPP在R5版本以前并没有考虑网络资源的共享需求。每个无线接入网络节点必定由1个特定的核心网节点所服务。然而，为了应对由于时间和地理引起的网络负载不均衡而造成的网络资源无法得到有效利用的挑战，核心网的池组化技术应运而生。目前，池组化技术根据3GPP核心网应用可以划分为SGSN pool和MME pool两种。

2.1 SGSN pool

3GPP TS23.236在R5版本中正式提出了核心网（CN）节点池组化的概念，它允许1个无线接入网（RAN）节点连接到多个CN节点，如图1所示。同时它也提供了一种新的路由机制，该机制允许RAN节点从池内多个CN节点中选择其中1个节点为用户服务。SGSN pool技术支持1个或者多个SGSN组成1个池，共同控制1个或者多个路由区（RA）。用户按照负载均衡的原则，注册到池中任意1个SGSN上，池内的SGSN间进行负载均衡。用户在池区中切换时不需要改变其服务的SGSN，这就减少了CN节点间更新、切换以及迁移的信令开销。同时，当一个SGSN发生故障时，RAN节点可以将用户终端的消息转交给池内其他的SGSN进行处理，实现CN节点的容灾功能。

在 SGSN pool中，网络资源标识（NRI）用于唯一标识SGSN pool内的一个CN节点SGSN。RAN节点通过NRI方式完成对CN节点的寻址。NRI是分组—临时移动用户识别码（P-TMSI）的一部分，是由为该用户服务的SGSN临时分配给用户的。NRI可灵活取0～10 bit不等的长度。其中0 bit标识没有启用NRI，即不支持SGSN pool。NRI通常在P-TMSI的第23到第14比特位，第23位是NRI的高比特位。在1个池内所有SGSN的NRI长度必须相同。SGSN pool架构如图1所示。

图1 SGSN pool架构

另外，非接入层节点选择功能（NNSF）则是用于RAN节点根据负载均衡原则给进入SGSN pool内的用户分配相应的CN节点SGSN。

2.2 MME pool

根据3GPP TS23.304，EPC中的CN控制实体MME是天然池组的。与SGSN pool类似，MME pool网络结构也是1个RAN节点与多个CN节点相连的架构，即池内的eNode B与MME是多对多的全互联结构。多个MME组成1个池，共同控制若干个跟踪区（TA）。用户在初始接入时，按照负载均衡的原则注册到池中的某一MME上。与SGSN pool类似，用户在MME pool内移动时不需要改变服务的MME，从而减少了CN节点间更新、切换以及迁移的信令开销。当池内的1个MME发生故障时，eNode B节点可以将用户交由池内的其他MME进行处理，实现了CN节点的容灾备份功能。MME pool架构如图2所示。

图2 MME pool架构

GUMMEI可以全网唯一标识一个MME。GUMMEI作为MME分配给UE临时标识的GUTI的一部分。GUMMEI结构如图3所示。GUMMEI由MCC、MNC和MMEI构成；而MMEI则由MMEGI和MMEC构成。其中MMEGI的长度为 16 bit，MMEC 的长度为 8 bit。在 MME pool内部，可以使用MMEC唯一标识MME；在MME pool覆盖的重叠区域内，MMEC也必须能够唯一标识MME。

此外，MME pool中的NNSF用于RAN节点根据负载均衡原则给进入MME pool内的用户分配相应的CN节点MME。

3 技术挑战

图3 GUTI与RAI/P-TMSI之间的映射规则

3GPP分组域演进的目标是2G/3G/4G/非3GPP网络共核心网，解决现有网络平滑升级和效率问题。为了使用户获得最佳的业务体验，现有2G/3G融合分组网络首先需要升级支持与LTE网络的互操作。此外，为了实现提高网络资源利用效率和降低系统间切换时延而引入MME和SGSN融合池组技术，即对现网2G/3G的SGSN pool内CN部分节点通过软件或者硬件升级的方式实现SGSN和MME的设备融合，更为重要的是需要唯一的CN节点映射策略。

MME与SGSN pool融合池组技术中的池内CN节点选择机制与原MME pool和SGSN pool相同。然而，如何实现在系统间选择同一融合CN节点以提高切换效率，降低切换失败可能性是MME和SGSN融合池组需要解决的首要问题。因此，在SGSN pool与MME pool内CN节点之间建立唯一的映射关系可以满足系统间切换而融合CN节点的不变。

4 网间标识映射策略

用户在融合池间切换时，RAN节点可以利用网络标识通过NNSF完成选择同一CN节点的功能。GUTI是用户在LTE网络中全局唯一标识，路由区标识（RAI）与P-TMSI是用户在2G/3G网络的全局唯一标识。因此，在跨系统切换时需要对上述标识进行一一映射。

MME和SGSN融合节点应该支持如图3所示的GUTI和RAI/P-TMSI映射关系。MME节点GUMMEI标识映射成1个 RAI标 识 ，MMEC映 射 成 SGSN的 NRI：LAC与MMEGI相互映射，NRI与MMEC相互映射。在池内部，RAI和NRI唯一标识1个SGSN节点，MMEGI和 MMEC唯一标识1个MME节点。

由于 MMEGI与 LAC同为 8 bit，则 MMEGI与 LAC一一映射。根据3GPP TS 23.003，由于NRI与MMEC之间的相互映射和MMEC的长度为8 bit，SGSN融合池组的NRI不同于2G/3G的要求，其长度将被限制为不超过8 bit。因此，NRI的长度直接影响NRI和MMEC之间的映射关系，如表1所示。其中，若NRI长度小于 MMEC长度（8 bit）时，需要引入转换机制实现NRI与MMEC之间的映射，以满足对于融合设备来说相互之间映射的唯一性。

表1 网络标识映射规则

由于NNSF功能由eNode B实现，在eNode B上完成CN节点映射选择功能。因此，对于NRI长度小于MMEC长度的情况下，eNode B支持的映射关系中的GUMMEI数量将决定网络标识之间的映射方案。因此，下面将就NRI长度小于8 bit的映射解决方案进行详细讨论。

4.1 eNode B支持多组GUMMEI与NRI之间映射

MME向eNode B下发的配置信息中携带LTE GUMMEI和多组的mapped GUMMEI信息。其中，由于NRI长度 LNRI（LNRI<8）小于 MMEC 长度（=8），因此，NRI的前LNRIbit映射为MMEC的前LNRIbit，剩余的（-LNRI）bit则由 0 或 1 填充，则 mapped GUMMEI总共有个。即1个 NRI与个 MMEC相互映射。融合池组要求相互映射时CN节点唯一，则需要在eNode B上配置支持多组GUMMEI与1组NRI之间的完全映射关系。

4.2 eNode B支持仅一组GUMMEI与NRI之间映射

与eNode B支持多组GUMMEI的情况类似，由于NRI长度（LNRI<8）小于 MMEC 长度（=8），因此，NRI的前 LNRIbit映射为 MMEC的前 LNRIbit，剩余的（-LNRI）bit则选取 0或1随机填充，则可能的 mapped GUMMEI有个。融合池组要求相互映射时CN节点唯一，则需要在MME上配置支持多个MME的标识MMEC。不难看出，其中任意一个 MME将需要配置个MMEC。MME向eNode B下发的配置信息中携带LTE GUMMEI和相应唯一的mapped GUMMEI信息，这样就能够满足融合池组要求相互映射时CN节点唯一的要求。

另外，为了降低MME上MMEC配置的数量，也可以选择剩余的-LNRI）bit，则指定0或1任一数字填充至8 bit，则可以生成唯一的mapped GUMMEI。因此，这样也能够满足融合池组要求相互映射时CN节点唯一的要求。

综上，对于上述方案，其中NRI长度为8 bit，NRI与MMEC可以直接映射；对于NRI长度小于8 bit，需要引入特殊配置或者映射规则完成映射。根据eNode B是否支持多组GUMMEI与NRI的映射，可以采取如下3种方案：①在eNode B配置多组GUMMEI与NRI映射规则；②在MMEC上配置多个MMEC；③在MMEC上配置非连续的MMEC。方案对BSC/RNC不做任何要求。

其中，方案③最为简单，不需要在eNode B和MME上做任何改动，但是会造成标识资源浪费，MMEC的码号资源至少会浪费一半；方案①最为复杂，需要在MME上配置并通过S1接口向eNode B下发多组GUMMEI与NRI的映射规则，对MME设备本身影响不大，但需要开启或者升级eNode B的部分功能；方案②的复杂度居中。

运营商可以根据SGSN pool和MME pool部署进度灵活地对网络进行演进，采取“面向融合，升级网络，分步实施，有序演进”的网络融合部署策略逐步引入SGSN和MME融合池组技术以满足网络升级和融合的需求。此外，由于S4 SGSN与Gn/Gp SGSN相比，S4 SGSN具有更优的网络结构、需支持较少的接口及协议、更优的互操作功能及性能等优点，在设备成熟时应进一步演进至MME/S4 SGSN融合。因此，建议网络总体演进策略可以按照如下4个阶段进行分步实施。

（1）融合建设准备阶段。对现网的Gn/Gp SGSN进行改造，通过增加投资部署SGSN设备（可后续升级到MME/S4 SGSN融合设备）组成SGSN pool，并启用R8的直传隧道功能。为了满足SGSN后续演进至融合CN设备与融合池组的需求，其中规划SGSN pool的NRI长度不超过8 bit，并且池组的2G/3G网络RA重叠。

（2）融合建设初期阶段。投资新建LTE/EPC网络，采用与G/U网络重叠（overlay）的方式部署MME pool，将MMEC配置成与SGSN pool的NRI相同的值。其中MME设备必须支持后续软件升级MME/S4 SGSN融合功能，便于后续融合池组，并规划G/U/L网络的1个RA与1个TA或者几个TA覆盖区域重叠。

（3）融合建设中期阶段。升级 MME pool内 MME至MME/S4 SGSN融合节点，启用ISR功能，逐渐接管SGSN和MME重叠覆盖区域的2G/3G网络。如果池内长期存在非融合节点，可能会导致融合节点的吸附现象，即切换到融合节点后，不会再回到原节点。因此，需要调高池内非融合节点的容量因子以吸附更多的用户，保证池内融合设备和非融合设备节点之间的容量均衡。

（4）融合建设后期阶段。池内剩余的非融合设备SGSN全部升级为MME/S4 SGSN融合设备，并启用ISR功能以降低网络的信令负荷。其中，不符合融合节点要求的Gn/Gp SGSN设备被替换为MME/S4 SGSN融合设备。

5 结束语

SGSN+MME融合池组技术是面向网络融合演进的技术方案。该方案能有效实现负载均衡、网元容灾，降低系统间切换信令以及提高切换成功率等，因此，现网有必要引入SGSN+MME融合池组降低网络投资和运营成本。从技术角度来看，目前该技术已接近成熟。运营商在升级SGSN pool和部署MME的背景下，加速部署MME/SGSN融合设备，逐步实现2G/3G/4G的网络融合。SGSN+MME融合池组在异厂商设备融合组网和网管等方面仍然值得进一步研究。

1 3GPP TS 23.003.Numbering,Addressing and Identification,2013

2 3GPP TS 23.236.Intra-Domain Connection of Radio Access Network(RAN)Nodes to Multiple Core Network (CN)Nodes,2013

3 3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service (GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)Access,2013

4 赫罡，滕佳欣，朱斌．核心网络演进趋势探讨．邮电设计技术，2012（5）：1～5

5 刑向晖，冯荣耀，刘海．SGSN pool规划部署研究．邮电设计技术，2011（7）

6 黄嘉．SGSN pool相关技术探讨及组网规划．现代电信科技,2009（1）:61～66