GSM-R系统SGSN设备冗余组网方式研究

2014-01-18杨锐

铁路技术创新 2014年1期

■ 杨锐

■ 杨锐

1 概述

随着铁路GSM-R数字移动通信网络的快速发展，通用分组无线业务（GPRS）所承载的业务种类逐渐增多，数据业务量不断增加，对GPRS核心网设备的可靠性要求也越来越高。目前铁路GPRS网络中网关GPRS支持节点（GGSN）、域名系统（DNS）、远程用户接入认证服务（RADIUS）设备均实现了冗余，但业务GPRS支持节点（SGSN）设备在网内仍是单节点运行，一套SGSN设备承载着多条铁路线路的GPRS业务，列车不停止运行就不能对SGSN设备停机进行施工作业。目前铁路SGSN设备的应急方案为：提前准备本局基站控制器/分组控制单元（BSC/PCU）至邻局SGSN设备Gb接口（PCU与SGSN之间的接口）的备用电路，当本局SGSN故障后，利用备用电路将本局BSC/PCU设备接入邻局SGSN设备。此方案需要多个单位配合完成，操作复杂，且业务恢复时间较长。3GPP规范R5版本引入了SGSN池的概念，实现了一个BSC/PCU连接多个SGSN的功能，对SGSN设备冗余组网方式及标准进行了规范，实现SGSN池组网需要调整Gb接口为IP组网方式。在此对SGSN池技术和Gb接口IP组网技术在铁路GRPS网络中的应用进行研究。

2 SGSN池

所谓SGSN池就是由多个SGSN共同构建一个大的服务区，这些SGSN以池组方式协同工作。SGSN池组所管理的每个BSC/PCU与池内每个SGSN之间以IP形式保持全连接。

2.1 基本原理

3GPP规范定义了SGSN池的工作机制，改变了BSC/ PCU与SGSN之间一对一的控制关系，实现了BSC/PCU节点到多个SGSN节点的域内连接路由功能，允许BSC/PCU节点把业务信息在分组交换网络中路由到不同的SGSN节点，业务由多个SGSN进行分担，提高了SGSN的冗余性（见图1）。

图1所示的SGSN资源池集中了一个或多个SGSN服务区，用户终端可在资源池服务区内使用业务而无需改变服务SGSN节点。一个资源池可以服务于几个并行的SGSN节点。从BSC/PCU的角度看，资源池包括一组并行SGSN节点所服务的一个或多个BSC/PCU所有的位置区/路由区（LA/RA），这组SGSN节点可能还服务于该区域池之外的LA/RA。一个资源池中多个SGSN节点可以实现负荷均衡，且它们所提供的服务范围与单个SGSN节点提供的服务区相比扩大了许多，这样可减少SGSN间节点更新、切换和重定位，降低了至归属位置寄存器（HLR）路由区更新的业务量。

2.2 工作机制

（1）服务SGSN的建立：当终端进行GPRS附着时，BSC/PCU会选择SGSN池中的任一SGSN进行业务。SGSN把其标识——网络资源标识（NRI）编码到用户的分组临时移动用户标识（P-TMSI）中，使终端、BSC/ PCU、服务SGSN可根据P-TMSI识别用户国际移动用户标识号（IMSI）与NRI的映射关系。BSC/PCU、SGSN根据映射关系路由用户的业务数据包。

图1 SGSN池

（2）记录服务SGSN：当终端在PMM-connected（连接）模式时，BSC/PCU保持IMSI与NRI映射。当终端进入PMM-idle（空闲）模式时，由于没有来自于或发送到终端的分组数据包需要路由，则BSC/PCU删除IMSI与NRI映射。当终端重新进入PMM-connected模式时，BSC/PCU会再次记录终端IMSI与提供服务SGSN的NRI的映射。

2.3 技术优势

（1）实现网络级冗余备份：当池中某一节点出现故障或拥塞时，BSC/PCU可相应选择池中的其他可用节点，此时池中的各SGSN节点共同分担故障节点的业务，避免了N+1备份方式中容易出现的备份局点难以满足2个局点业务负荷要求的情况，实现SGSN间的资源共享，增大了SGSN网络的可靠性，实现了不中断业务的网络级冗余。

（2）维护作业、网络扩容施工不影响既有业务：SGSN池实现了无线接入网络和核心网络的互不影响。该技术使池中的单个SGSN节点施工不会影响业务，也无需为了保障业务而将BSC/PCU割接至其他SGSN设备。

（3）减少核心网络信令开销负荷：池的概念提供了公共SGSN服务区，与单节点服务区相比，原有SGSN间的路由更新全部优化为SGSN内路由更新。因此，SGSN池可大幅降低局间的路由更新次数，减少SGSN和HLR的系统信令开销。

（4）核心网设备负载均衡：传统网络中不同节点由于覆盖范围不同，话务峰值出现在不同时间不同地点，网络规划都按各自最大可能出现的话务来配置。SGSN池的引入，使话务量在SGSN池中的所有节点平均分配，使原先话务较少的SGSN分担繁忙SGSN的话务，提高了SGSN资源利用效率。

（5）便于集中化管理：池组内所有SGSN节点具有完全一致的局数据，包括位置区数据、小区数据、BSC/PCU数据等。数据制作和后期维护都比较简单，网管人员可以统一管理池区内的网元。

2.4 SGSN池技术对Gb接口组网的要求

3GPP（R5）TS23.236定义了核心网节点移动交换中心（MSC）、SGSN以池的方式组网的工作机制，这打破了BSC/PCU与SGSN间一对一的关系，提出了多向连接（multi-Gb）技术，实现了BSC/PCU到SGSN之间的多归属。实现multi-Gb的前提是BSC/PCU与多个SGSN有连接关系，目前Gb接口帧中继（FR）组网的情况下，Gb接口传输采用时分复用（TDM）方式，BSC/PCU仅能连接至一个SGSN，以TDM方式实现BSC/PCU与多个SGSN连接的代价巨大，是不现实的。如果BSC/PCU与SGSN之间采用IP组网，实现BSC/PCU与多个SGSN连接就变得非常方便。因此，Gb接口IP化组网是实现SGSN池的前提。

3 Gb接口IP组网

3.1 Gb接口协议栈的变化

Gb接口是BSC/PCU与SGSN之间的接口，用于交换信令和用户数据。3GPP在R4版本中已规定Gb接口的底层承载可以采用FR或IP方式，2种承载方式的区别在网络服务（NS）层，而上层协议和应用都没有发生任何变化。在网络实际应用中，Gb over FR和Gb over IP可同时使用，可以平滑演进。2种承载方式协议栈对比见图2。

3.2 Gb接口链路标识的变化

在GPRS网络中，Gb接口的路由通过网络服务实体标识（NSEI）和网络服务虚连接标识（NSVCI）来标识和选择。Gb接口帧中继承载方式下，BSC/PCU与SGSN之间的链路通过NSEI、NSVCI、数据链路连接标识（DLCI）、FR物理接口（PORT）这组协商参数进行匹配。对于SGSN而言，一个NSE就代表一个BSS/ PCU，每一个NSE将一组NSVC作为一个集合进行管理，一个NSVC唯一从属于一个NSE，同一个NSEI内的多条NSVC可配置为负荷分担或主备工作方式（见图3）。

Gb接口IP化后，BSS/PCU与SGSN之间每条NSVC链路标识变为：SGSN设备IP地址、SGSN UDP端口号、BSC/PCU设备IP地址、BSC/PCU UDP端口号。BSS/PCU与SGSN之间的NSEI中的多条NSVC可使用相同或不同的IP地址，配置方式灵活。IP承载方式下Gb接口的链路标识见图4。

3.3 Gb接口IP化后寻址方式的变化

图2 Gb over FR/IP接口协议栈对比

图3 Gb基于FR链路标识

图4 Gb基于IP链路标识

随着链路标识的变换，在2种承载方式下Gb接口的寻址方式也发生了变化。帧中继承载方式下，每一帧的帧头中包含地址信息，即DLCI值，端到端的虚电路连接实际上是一条由多段DLCI连接而成的端到端逻辑连接，DLCI只具有本地意义，而不是指向目的地址。在IP承载方式下，数据包的包头中包含有目的节点IP地址，网络中的节点根据包头中的目的地址查找路由表计算出到达的最佳路由，IP地址具有全局意义，且寻址方式灵活。

3.4 Gb接口IP化后带宽的变化

Gb接口IP化后，协议栈发生了变化，Gb接口数据封装开销也相应发生了变化，直接影响到Gb接口的带宽。假设用户IP数据包平均大小为500 Byte，计算数据封装带宽变化：FR开销（FR封装+NS封装+BSSGP层封装+上层封装）为69 Byte；IP开销（以太网帧封装开销十IP封装开销十UDP封装开销+NS封装开销+BSSGP层封装开销+上层封装开销）为117 Byte。因此Gb接口IP承载与FR承载的带宽比：（500+117）/（500+69）=1.08。所以Gb接口IP化后带宽会增加，具体增加的数量应根据用户实际的IP数据包大小进行计算。

4 SGSN池技术实现GPRS网络SGSN设备冗余组网

根据我国GSM-R分组域核心网设备的现状，结合上述SGSN池和Gb接口IP化的技术分析，SGSN冗余可以考虑局内和局间2种组网方式。

4.1 局内SGSN池组网

各局核心节点新设1套SGSN与既有设备组成SGSN池（见图5）。可以在铁路局管内新设1台SGSN设备，与既有SGSN组成SGSN池。需要新设接入路由器（CE）设备为Gb接口组成IP网，SGSN池设置为负荷分担方式。这种方式的优点：SGSN池由本局设备组成，便于维护和管理；缺点是需要新设SGSN设备，造价较高。

4.2 局间SGSN池组网

利用2个（或多个）铁路局既有SGSN设备组成SGSN池（见图6）。需要新设接入路由器设备组成局内Gb接口IP网，局间的Gb接口可以利用既有数据网，并在数据网上设置Gb接口的虚拟专用网（VPN）。

图5 局内SGSN池组网

图6 局间SGSN池组网

对于SGSN池的工作方式，如果采用负荷分担方式，在具备冗余功能的基础上可充分发挥SGSN池的技术特点：负荷分担各SGSN的业务量、提高SGSN设备的利用率、减少跨SGSN的路由更新频率。但对于维护管理方面，由于SGSN池管理多个铁路局的BSC/PCU设备，超出了铁路局的管辖范围，需要将组成池的各SGSN设备进行集中管理。如果采用主备工作方式，虽然不能充分发挥SGSN池的所有特点，但是便于铁路局的维护管理，正常情况下铁路局管内的所有BSC/PCU仍以本局的SGSN设备为主用，当本局SGSN设备出现异常或有施工作业时，才工作在其他局的SGSN设备上。

4.3 SGSN池组网后的业务流程

实现SGSN池冗余组网后，改变了目前BSC/PCU与SGSN一对一的关系，BSC/PCU可根据预先设定的路由原则选择SGSN池中任一SGSN进行业务，对于与Gn接口的业务流程没有发生任何改变，变化主要体现在Gb接口：

（1）当用户进入SGSN池服务区域时，BSC/PCU根据负载均衡的原则，将用户的路由更新请求随机地分配给池内的某个SGSN，由其为该用户提供服务；

（2）SGSN与该用户的归属HLR完成更新路由区过程后，会分配给用户一个P-TMSI，其中包含的字段NRI是网络资源标识，该NRI在SGSN池内唯一标识该用户登记的SGSN；

（3）用户在SGSN池内完成路由更新后，将一直由它所注册的那个SGSN提供服务，直到该用户离开这个SGSN池的服务区域。

4.4 既有设备对SGSN池和Gb接口IP组网支持情况

目前我国GSM-R网络采用了诺西、华为、凯普施、中兴4个厂家的SGSN、BSC/PCU设备，大部分设备通过增加IP接口板都可支持SGSN池和Gb接口IP组网的要求，详细情况见表1。