面向VoLTE的HLR/HSS融合改造方案研究

2015-04-15马洪源中国移动通信集团设计院有限公司网络所项目经理工程师

信息通信技术与政策 2015年3期

关键词：信令链路分布式

马洪源中国移动通信集团设计院有限公司网络所项目经理,工程师

卜忠贵中国移动通信集团设计院有限公司网络所项目经理,高级工程师

孙逊中国移动通信集团设计院有限公司网络所项目经理,工程师

张虎中国信息通信研究院泰尔系统实验室工程师

面向VoLTE的HLR/HSS融合改造方案研究

马洪源中国移动通信集团设计院有限公司网络所项目经理,工程师

卜忠贵中国移动通信集团设计院有限公司网络所项目经理,高级工程师

孙逊中国移动通信集团设计院有限公司网络所项目经理,工程师

张虎中国信息通信研究院泰尔系统实验室工程师

VoLTE已经被明确作为中国移动LTE语音目标方案，技术白皮书也对HLR/HSS设备提出了明确要求。本文首先分析了HLR/HSS融合改造的必要性；其次，归纳总结了面向VoLTE三融合HLR/ HSS设备应支持的功能；最后，基于中国移动网络现状，重点针对替换新建设备，从设备组网、接口配置、信令需求、容灾安全等角度对HLR/HSS融合改造提供了方案和思路。

VoLTE HLR/HSS 融合分布式

1 前言

VoLTE即VoiceoverLTE，它是一种IP数据传输技术，无需2G/3G网络，全部业务承载于4G网络上，可实现数据与语音业务在同一网络下的统一。VoLTE基于IMS网络，可以整合现有多个固定移动网络，具有语音传输时延小、传输带宽高、融合视频多媒体业务等特点。

目前，亚洲及北美几大运营商均计划或已推出VoLTE业务，且多数采用HLR/EPS-HLR/IMS-HSS全融合的用户数据中心。

中国移动已经明确将VoLTE作为LTE语音目标方案并提出了计划商用时间表，同时在2013年发布的VoLTE技术白皮书中指出“VoLTE要求HSS融合设备支持以下功能”：

（1）HSS应具备HLR/EPS-HLR/IMS-HSS融合功能，支持VoLTE相关用户数据管理与查询。

（2）应支持域选择相关功能，包括支持电路域侧域选择功能，以及支持IMS域的SCCAS通过Sh接口查询用户注册状态等信息以实现IMS侧域选择。

（3）应采用分层架构平台。

（4）业务开通接口应满足开通忙时的高性能要求。

为实现上述目标及功能要求，现网必须尽快开展HLR/HSS设备融合改造。

2 现网HLR/HSS融合改造分析

2.1 三融合改造必要性分析

目前，中国移动已完成2G/3GHLR与EPS-HLR的融合改造，但IMS-HSS尚未实现与现网设备融合部署，其网络示意如图1所示。

在引入VoLTE后，为支持VoLTE用户数据管理与查询，分离部署将会出现诸多问题：

首先，引入VoLTE之后，同一个用户鉴权参数将分布在多个网元中，用户在2G/3G/EPSHLR和IMS-HSS分别注册之后，会产生因终端对网络鉴权失败而导致的SQN参数鉴权重同步。

其次，对于独立设置的HLR/HSS，BOSS对于同一用户需要分别向多套设备开通业务及开、销户。开户数据分布于多个网元，数据本身存在冗余，对于同一用户多点开通业务也增加了数据不一致的风险。

再次，引入VoLTE后，CS与IMS大部分业务重合，在CS和IMS中的业务签约数据需要保持一致，并且在VoLTE呼叫中被叫域选择若采用单锚定方案也需要HLR与IMS-HSS之间同步“补充业务数据”，但IMS-HSS与2G/3G/EPSHLR之间的接口为非标准接口，一直缺乏明确协议和规范，不便于异厂家设备融合互通。

基于上述分析，从网络发展及建设角度考虑，中国移动VoLTE建设方案中明确提出采用HLR/EPSHLR/ IMS-HSS三融合的用户数据中心。

图1 HLR/EPS-HLR与IMS-HSS独立设置网络示意图

2.2 三融合HLR/HSS与CM-IMS HSS的关系

CM-IMS目前用于中国移动固网IMS网络，负责固网IMS用户业务，CM-IMSHSS设备平台较为老旧，固网IMS与移动IMS用户号码、鉴权方式、用户业务类型及业务开通数据均不相同，同时固网CM-IMSHSS不支持（e）SRVCC、被叫域选择以及Sh接口透明用户数据等功能，不具备利旧改造条件。VoLTE方案中新建三融合HLR/HSS设备与原有CM-IMS暂不融合，对于部分有业务重叠的用户，将原有CM-IMS中用户移动号码数据搬迁至三融合HLR/HSS。

2.3 三融合HLR/HSS改造功能

为满足VoLTE的业务需要以及技术白皮书的具体要求，三融合HLR/HSS需要改造以支持以下功能：

（1）支持VoLTE功能要求

●HLR/EPCHSS应支持IMS移动用户数据存储。

●为支持eSRVCC，HSS需向MME转发STN-SR号码。

●为支持域选，HSS需向SCC AS发送用户MSRN/IMRN号码。

●为支持LTE用户漫游到2/3G网络业务体验保持一致，HSS需支持与AS间补充业务数据同步。

●为了支持VoLTE终端的IPover SMS短消息，HLR/HSS需支持IP-SM-GW的注册请求。

●为支持终端VoLTE业务自动开通，HLR/HSS需支持向BOSS发送终端能力报告。

（2）支持VoLTE的网络建设需求

●三融合HLR/HSS与S-CSCF、SCC AS等通过Diameter信令网转接信令。

●三融合HLR/HSS与IP-SM-GW通过七号信令网互通。

●三融合HLR/HSS与BOSS直接业务开通接口支持SOAP协议。

3 三融合HLR/HSS组网方案研究

根据核心网主要设备厂商的调研情况，目前在网HLR设备对三融合改造的支持情况如表1所示。网络方案中对于满足升级改造的设备平台优先采用升级改造方式支持三融合。对于不支持直接升级的部分设备平台，采用硬件替换新建方式进行改造。所有替换新建三融合HLR/HSS设备均采用分布式架构。

从图2可知，采用分布式架构的三融合HLR/HSS设备，FE和BE分离，可按需独立扩容；BE负责用户数据的存储及处理，FE主要负责与用户相关的信令及业务逻辑的处理，FE与BE之间的Ud接口，BE与BE之间的Rs接口通过IP承载网承载。BE一般采用1+1主备或互备方式，异地容灾；FE初期可以采用按“号码段”N+1备份方式，将来随着STP以及网元功能的增强，可以考虑FEPOOL组网。

对于替换新建三融合HLR/HSS设备，应优先考虑以省为单位集中建设，主用FE、BE建议同局址设置，以减少IP承载网对信令网络的影响；容灾的BE、FE应与主用BE、FE设备异局址设置，以增加容灾安全保障。

同时，从信令网维护角度考虑，替换新建三融合HLR/HSS的FE尽量不跨本地网设置，本地网内FE不跨信令区组网。这种组网方式一方面显得网络结构清晰，另一方面也便于故障定位及单个本地网内业务数据统计。

表1 核心网主要设备厂家三融合HLR/HSS支持情况

图2 分布式HLR/HSS网络示意图

3.1 设备配置

参考分布式HLR/HSS设备集采，新建设备容量配置3G容量占比为25%，4G容量占比40%。目前，主要有以下两种业务配置参考模型：

模型1：1个BE（400万用户）+2个FE（200万用户）；另1个备份BE（400万用户），1个备份FE（200万用户）。

模型2：2套HLR设备。单套HLR：1个BE（600万用户）+2个FE（300万用户），1个备份FE（300万用户）；2套HLR之间热互备。

对于已经有分布式HLR/HSS设备运维经验的本地网，可以考虑采用模型2，能够更好地发挥大容量分布式HLR/HSS设备的优点；对于初次建设分布式HLR/ HSS设备的本地网，从安全角度出发，优先考虑模型1；当前大部分地区在实际部署时单套设备容量也集中在400～600万动态用户之间。

由于用户IMS信息参数与现有HLR信息参数相关性较低，在满足集采模型的基础上，也应考虑为后续VoLTE用户扩容而带来的硬件补偿预留空间及电源。

3.2 接口配置

三融合HLR/HSS与CS、PS、EPS、IMS相关网元之间的接口如图3所示。三融合HLR/HSS在原有设备接口基础上主要引入了Cx、Sh、Zh以及Slh接口。其中，Cx接口是HLR/HSS与CSCF之间的接口，用于IMS用户的位置管理、用户数据处理及用户鉴权；Sh接口是HLR/HSS与AS之间的接口，主要用于用户数据的查询、更新同步以及更新通知等；Zh接口是HLR/ HSS与业务配置代理网关之间的接口，支持补充业务配置的认证鉴权；Slh接口是HLR/HSS与定位平台LSP之间的接口，LSP通过S1h接口、经DRA向HSS查询到用户所在MME。上述新增接口均通过DRA转接，使用Diameter协议。三融合HLR/HSS接口信息如表2所示。

图3 三融合HLR/HSS业务接口图

3.3 信令需求

三融合HLR/HSS的信令需求主要体现在设备配置的等效2M信令链路数量，本文主要考虑MAP信令以及Diameter信令需求。通常有以下3种计算信令链路需求的思路：

（1）基于用户业务模型及消息字段

HLR主要有位置更新、鉴权、获取路由信息、获取漫游号码、插入/删除用户数据等信令消息。首先查询协议计算出每种消息字段所需字节数量，然后根据用户模型计算出每用户忙时该消息字节数量，最后便可依据下面公式简单估算出该消息所需链路资源：

消息所需等效2M链路数量=用户数×单用户忙时消息字节数×8/(2×1024×1024×3600)

该方法偏于理论计算，实际用户业务模型在各个本地网存在不同程度偏差。

（2）基于成熟的采购模型及厂商配置

无论是C/D接口还是S6a接口在现网都有较为成熟的应用，基于现有成熟的配置模型能够快速完成信令链路资源配置。例如，分布式HLR/HSS采购模型中单个容量为200万用户的FE需配置12条等效2M信令链路，单个容量为300万用户的FE需配置24条等效2M信令链路；再例如，某厂商设备配置器中给出的30万激活用户/等效2M的配置原则。该方法虽然方便快捷，但仅考虑了三融合HLR/HSS全部局向的信令链路总需求，未考虑直连情况下不同局向的分配。

（3）基于本地网历史数据

表2 三融合HLR/HSS接口信息列表

各本地网都有自己的信令连接方式，而用户习惯及业务模型也各不相同。

通过统计调研本地网内HLR各局向信令连接及峰值利用率能够快速而准确地估算出三融合HLR/ HSS部分局向信令链路需求。

综合考虑上述3种方法能够得出三融合HLR/HSS设备的信令链路需求。由于目前4G用户规模较小，所有基于Diameter协议的信令都接入IP承载网，通过DRA设备转接。由于历史原因，S6a接口目前仍然连接在H-DRA设备上。对于传统的No.7，则需要考虑连接方式问题，下面以D接口为例来说明（见图4）。

图4 D接口信令连接图

对于STP资源有限或原有D接口本地信令采用直连的，替换新建HLR/HSS本地信令仍然采用直连方式疏通，而漫游用户信令则通过STP转接，寻址方式与现有信令网保持一致；MSC与STP连接链路维持不变，对具备条件的MSC，MSC与HLR/HSS之间可以采用IP方式直连，HLR/HSS与STP之间优选IP方式。

若STP资源比较充分，也可以全部采用准直连方式，通过STP疏通信令，采用GT寻址。这样既方便局数据制作，也利于后续FE组POOL改造。

3.4 容灾及安全考虑

替换新建的分布式三融合HLR/HSS设备集中度及容量的增加对容灾安全提出了更高的要求，在方案阶段需要关注数据容灾和业务容灾。

针对数据容灾，大部分设备厂家都从应用系统级、操作系统级、物理级容灾3个层面对数据及操作安全提供了保障。在设备配置中除了考虑主备用设备异局址设置外，还考虑了数据缓存、问题自检、数据重发机制等功能对数据存储及信令板卡资源的配置要求。

业务容灾需要对接入承载网的双平面实行QoS监控、故障自动监测并明确厂商设备备份链路切换机制及门限要求。为保障故障时备用链路快速启用，建议所有备用FE信令链路全部通过STP和DRA转接，同时设计采用双归属、双路由、SCTP偶联。替换新建的分布式三融合HLR/HSS设备可以同时配置TDM资源作为IP接口板以及IP链路故障备用链路。对于个别厂商FE采用负荷分担方式工作的，应确保对应信令区内的STP支持基于SLC的信令均衡分发。

3.5 其他

替换新建三融合HLR/HSS设备可能会涉及不同厂家，用户原有数据格式、全业务信息以及OPC、KI等鉴权信息需要提供给新建设备厂商，新旧设备之间用户数据导入导出以及异厂家与业务支撑部门之间的配合流程都要予以明确，建议工程启动阶段先开展小规模割接试点，积累工程经验并提前发现问题。

新建设备规模及业务范围确定后需提前规划申请HLRID、信令点编码、站点接入IP地址、传输资源及信令资源。