MME POOL组网方案的研究

2015-12-19黄伟航

移动通信 2015年14期

关键词：高负荷信令核心网

黄伟航

（中国移动通信集团广东有限公司广州分公司，广东广州 510630）

MME POOL组网方案的研究

黄伟航

（中国移动通信集团广东有限公司广州分公司，广东广州 510630）

从负荷均衡、负荷重分配和过载保护这3个方面详细说明MME POOL的实现原理，并分析SGSN/MME融合组POOL的优势及分步实施步骤，提出了在不同阶段SGSN/MME融合组POOL方案，明确网络建设路线。

LTE核心网 MME POOL SGSN/MME融合组POOL 负荷均衡

1 MME在LTE核心网所处位置及功能

LTE核心网采用3GPP R8版本架构，如图1所示。R8版本的核心网分组域采用控制与承载相分离的架构，主要由MME（Mobility Management Entity，移动管理设备）、S-GW（Serving Gateway，服务网关）、P-GW（Packet Data Network Gateway，分组数据网网关）、CG（Charging Gateway，计费网关）、PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和计费控制单元）、HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器）、DNS（Domain Name Service，域名服务器）等功能单元组成。

MME主要负责信令处理及移动性管理，功能包括：NAS信令及其安全；TA（Tracking Area，跟踪区域）列表的管理；P-GW和S-GW的选择；跨MME切换时对于MME的选择；在向2G/3G接入系统切换过程中SGSN的选择；鉴权、漫游控制以及承载管理；3GPP不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理（终结于S3节点）；信令面的合法监听等。

2 MME POOL的概念和实现机制

2.1 MME POOL的概念

MME POOL由一个或多个MME组成，是一个完整的TA区集合。当UE新进入POOL区域时，由eNodeB依据负荷均衡机制为其选择POOL内某个MME进行附着；当UE在POOL内漫游时，均由该MME为其服务。

图1 3GPP R8核心网架构

2.2 MME POOL的实现机制

MME POOL首先是实现了TA集合区内的多个MME的负荷均衡，然后结合负荷重分配、过载保护等机制实现了S1-MME接口的容灾，其具体的实现机制如下：

（1）负荷均衡

在一个MME POOL内，MME由GUMMEI标识，UE由GUTI标识。其关系如下：

〈GUTI〉 = 〈GUMMEI〉〈M-TMSI〉,

其中〈GUMMEI〉 = 〈MCC〉〈MNC〉〈MME Identifier〉

〈MME Identifier〉 = 〈MME Group ID〉〈MME Code〉

为实现负荷均衡，eNodeB通过获取MME POOL内各MME的权重信息（Relative MME Capacity），并根据该信息将新进入POOL内的UE分配到不同的MME上。MME通过S1 Setup Request和MME Configuration Update将Relative MME Capacity传递给eNodeB，如图2所示：

图2 负荷均衡信令过程

◆eNodeB发送S1 Setup Request消息给MME，携带eNodeB的应用层数据，包括eNB Name、Global eNB ID和Supported TAs，请求建立设备级连接。

◆MME响应S1 Setup Response消息，携带MME的应用层数据，包括MME Name、Served PLMNs、Served GUMMEIs和Relative MME Capacity。

◆eNodeB与POOL内各MME完成S1接口的建立，获取所有MME的权重信息。MME的权重可设置范围为0～255的整数，可根据MME的处理能力按比例设置。如1个POOL的MME个数是3个，各MME的权重分别为30、30、40，则UE附着分配比例为3:3:4。

◆UE在附着到MME过程中，将被分配1个GUTI在POOL内唯一标识给UE，后续eNB将根据GUTI中的GUMMEI将UE的消息发送到对应的MME。

◆负载均衡也可以实现容灾保护，当1个MME因故障退服，其相关的S1接口失效，新进入POOL内的UE则根据剩余的MME权重分配到POOL内仍正常工作的MME。如3个MME组成的POOL的权重为30、30、40，其中权重为40的MME退服，则剩余MME的分配比例为3:3。对于原附着在退服MME上的用户，则通过UE的TAU重新分配到剩余的2个MME上。

（2）负荷重分配

MME的负荷重分配是将某个MME上的注册用户部分或全部迁移到POOL内其它MME上，一般是因维护需求，如MME的版本升级或退出原有的POOL等不能带业务的操作，需要预先卸载MME的用户。

在卸载用户前，MME可以通过将自身的权重降为0，并通过MME Configuration Update消息通知eNodeB该MME停止服务，新入POOL的UE将不会分配到该MME。对于已注册在该MME的UE，则通过以下步骤迁移：

◆ECM-CONNECTED：MME触发原因值为“load balancing TAU required”的S1 Release流程，UE将发起TAU并附着到POOL内其它MME。

◆ECM-IDLE且正在执行TAU：TAU完成后，MME触发原因值为“load balancing TAU required”的S1 Release流程，UE将发起TAU并附着到POOL内其它MME。

◆ECM-IDLE：MME对用户发paging将其变为CONNECTED状态，并通过S1 Release对其进行卸载。

（3）过载保护

当MME出现过载时，通过随机选择部分或全部与之有S1链接的eNodeB下发Overload Start消息，通过该消息，MME要求eNodeB：

◆拒绝非紧急、非高优先级MO业务的RRC连接请求。

◆拒绝新的EMM信令的RRC连接请求。

◆拒绝新的低优先级UE接入网络的RRC连接请求。

eNodeB告诉UE拒绝接入的原因为Overload，并指定UE在一定时间内不再次发起RRC连接请求。

当MME恢复后，向之前下发过Overload Start消息的eNodeB发送Overload Stop消息。

3 MME POOL组网方案

3.1 MME POOL规划原则

（1）容量配置

（2）连续覆盖

POOL的覆盖区域要求连片覆盖，以减少跨POOL的切换和位置更新。

（3）解决潮汐效应

POOL的覆盖区域应有效解决潮汐效应、忙闲结合。由于行政区域的划分、经济发展程度不一、商业和住宅区域分散集中都可以引起覆盖不同区域的MME忙时时间段不相同、高负荷程度不相同的差异，如经济较发达区域比次发达区域用户量较大、高负荷程度较高；商业集中区域高负荷时间在白天、住宅集中区域高负荷时间在晚上等差异。

POOL的覆盖区域规划时，在满足连片覆盖的要求基础上，应尽可能将具有潮汐效应的商业、住宅区或忙、闲程度不一的区域划分到一个POOL的范围，可以有效地提高POOL内MME的利用率，利用POOL的负荷均衡机制解决热点地区高负荷的问题。

3.2 SGSN/MME融合组POOL

（1）SGSN/MME融合组POOL的必要性

1）减少局间信令，提升互操作性能

2G/3G的PS域核心网和4G核心网逻辑上是3个独立的网络。目前各厂家均提供了SGSN/MME融合的节点，但逻辑上仍然是3张网络，对应着3个不同制式的无线接入网络。与此同时，3个无线网络因建设时间的不同，互相形成了覆盖上的互补，必然引起RAT间的切换、重选，如果一个节点可以解决覆盖区域内RAT间的互操作，则可减少节点间的信令交互，降低时延，提高成功率。因此，SGSN/MME的融合设置以及SGSN/MME的融合组POOL有利于简化网络结构，是网络演进的主要方向。

为了达到这一目的，需满足以下2个条件：

◆MME POOL的机制可实现同一覆盖区域的RAT间互操作由同一融合节点处理。

3GPP规范定义了GUTI与RAI/P-TMSI的映射关系，如图3所示。通过MMEC和NRI、MMEGI和LAC的统一规划，使融合节点在2G/3G和4G网络的码号标识可相互对应，并指向同一融合节点，确保在同一覆盖区域产生的RAT互操作由同一个融合节点处理。

◆SGSN、MME的覆盖区域尽可能保持一致，即2G/3G/4G的覆盖区域一致。

逻辑上融合节点中的SGSN和MME仍然是独立的，并且是分属SGSN POOL和MME POOL的。因此，SGSN/MME融合组POOL不仅是针对物理节点的融合，而且是覆盖范围的融合，融合节点中的SGSN和MME应分别归属相同覆盖区域的POOL，覆盖相同的区域。

2）有效提升核心网容量综合利用率

移动用户总量的增长已趋于平缓，2G/3G和4G用户之间则存在此消彼长的关系，在网络规划上有必要统一考虑2G/3G/4G的PS业务发展需求，统一进行2G/3G/4G融合网络的建设。在4G网络起步阶段，为4G业务预留的容量可以被仍在继续发展的2G/3G业务利用；在2G/3G用户逐步向4G用户转移时，统一规划的融合核心网又可为4G业务发展提供充足的容量，从而使网络规划、网络建设更为有效，提升网络容量利用率。

（2）SGSN/MME融合组POOL的分步实施

1）LTE发展初期

在LTE发展初期，2G/3G的PS业务仍处于增长阶段，用户转网需要一定的时间，在这过渡期优先考虑用新建融合SGSN/MME解决4G及2G/3G的共同发展。

在这一阶段，在覆盖相同区域的POOL中新建SGSN/MME融合节点，并且满足各POOL内不少于2个MME的要求。但会存在以下问题：

◆由于POOL内并非全为融合节点，4G向2G/3G的互操作可控制在同一节点，但2G/3G向4G的互操作有可能需要POOL内2个节点进行交互。

◆由于4G用户集中在较少的融合节点上，为避免融合节点高负荷，应适当降低融合节点在SGSN POOL中的容量权重。

LTE发展初期融合组POOL示意图如图4所示：

图3 GUTI与RAI/P-TMSI的映射关系

图4 LTE发展初期融合组POOL示意图

2）LTE快速发展期

在这一阶段，2G/3G用户迅速迁移到4G，2G/3G PS业务出现向下发展的拐点，可选择以下2种方式演进：

◆按需求选择POOL内SGSN节点升级改造为融合节点。

◆新建融合节点，逐步替换POOL内原有SGSN。

由于SGSN设备一般已经投产一段时间，为后续更好地满足软件升级、硬件更新换代的要求，建议可采用第2种方式。在这个阶段最终实现SGSN/MME完全融合，融合组网的优点得到完全体现。

LTE快速发展期融合组POOL示意图如图5所示：

图5 LTE快速发展期融合组POOL示意图

（3）SGSN/MME融合组POOL的实际案例

以某市核心网为例，2G/3G SGSN POOL有3个，在此基础上为每个SGSN POOL按业务需求规划建设相应的融合节点，并组成相应的3个MME POOL。在这3个SGSN/MME POOL中，SGSN只负责处理2G/3G业务，MME则负责处理2G/3G/4G业务，兼顾了4G建设初期2G/3G业务增长的需求。目前移动网络处于4G发展初期向4G快速发展期过渡阶段，将采用新建融合节点替代SGSN的方式来满足2G/3G/4G总体业务发展需求，具体情况如表1所示。

表1 不同阶段业务发展需求情况

4 结束语

随着LTE网络建设的快速开展，延续SGSN POOL在2G/3G PS域核心网在有效提高节点容量利用率、节点容灾保护方面的优势，无论是在保障用户体验或提高网络质量方面，MME POOL都需尽快得到应用。同时，SGSN/MME融合组POOL将有效降低跨系统切换时延、提高切换成功率，是LTE兼顾2G/3G PS域发展的有利组网方案。

[1] 3GPP TS 23.002. Network Architecture[S]. 2013.

[2] 3GPP TS 36.410. S1 General Aspects and Principles[S]. 2013.

[3] 3GPP TS 24.301. Non-Access-Stratum (NAS) Protocol for Evolved Packet System (EPS)[S]. 2009.

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[5] 3GPP TS 36.413. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)[S]. 2014.

[6] 3GPP TS 23.003. Numbering, Addressing and Identifi cation[S]. 2014.

[7] 黄韬,刘韵洁,张智江,等. LTE/SAE移动通信网络技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2009.

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[10] 庞韶敏,李亚波. 3G UMTS与4G LTE核心网——CS，PS，EPC，IMS[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011.★

Research on Networking Scheme of MME POOL

HUANG Wei-hang
(China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou Branch, Guangzhou 510630, China)

Implementation principle of MME POOL was elaborated from three aspects of load balancing, load redistribution and overload protection. The advantages and implementation steps of integrated SGSN/MME POOL were analyzed. Finally, the schemes on integrated SGSN/MME POOL at different stages were presented to define network construction route.

LTE core network MME POOL integrated SGSN/MME POOL load balancing