MSC Pool负载均衡问题研究

朱 斌，赫 罡，马瑞涛，郝晓锋（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

0 前言

3GPP TS23.236在R5版本中正式提出了核心网（CN）池（Pool）组化的概念，它允许 1 个 RAN（RNC 或BSC）节点连接到多个CN（MSC或SGSN）节点。同时它也提供了一种新的路由机制，该机制允许RAN节点从Pool内多个CN节点中选择1个节点为用户服务。而这种路由机制实际就是由NNSF实现的，为了保证Pool内CN节点的负载均衡，NNSF节点可根据负载均衡算法把进入MSC Pool服务区内的用户分配给不同MSC来服务用户。

NNSF的路由选择保证了用户在MSC Pool服务区内一直由分配的MSC为该用户提供服务，而负载均衡算法保证了MSC Pool内的各MSC之间的负载均衡。本文主要对MSC Pool中的关键技术NNSF和负载均衡算法进行研究。

1 基本原理

当用户首次在Pool内开机或者漫游进入MSC Pool的服务区域，NNSF节点依据负载均衡算法选择Pool内的一个有效的MSC为用户提供服务，被选择的有效MSC将分配含有本局NRI的TMSI给用户。此后用户在MSC Pool内登记、切换、呼叫、开关机等会始终由NNSF节点通过NRI选择到对应的MSC为其服务，负责其业务的处理。

1.1 触发条件

触发负载均衡算法的场景有以下3种。

a）NNSF节点收到仅携带IMSI或IMEI的消息，即终端之前未分配CN节点，消息中没有携带NRI字段。

b）NNSF节点根据终端携带的路由参数无法从配置的NRI与CN节点的映射关系表中找到服务的CN节点，即TMSI携带的NRI没有对应CN节点。

c）NNSF节点根据终端携带的路由参数可以从配置的NRI与CN节点的映射关系表中找到服务的CN节点，但是对应的CN节点信令不可达，即TMSI携带的NRI有对应的CN节点，但是到该CN节点的信令不可达。

具体的判断执行流程如图1所示。

图1 消息执行流程

1.2 处理流程

依据实际中的触发条件，表1中有3类具体的场景需要执行负载均衡算法。

表1 负载均衡算法触发情况分类

当用户终端携带不同的用户标识发起业务时，处理流程不同。

a）当用户以IMSI或IMEI发起业务时，NNSF节点（RNC/BSC/MGW）使用负载均衡算法选择1个有效的MSC作为MS的服务MSC，被选择的MSC将分配含有本局NRI的TMSI给用户。

b）当用户以TMSI发起业务时，NNSF节点（RNC/BSC/MGW）使用NNSF路由选择功能 （根据配置的NRI与CN节点的对应关系表）为用户选择服务的MSC。当被选择的MSC无NRI与MSC的对应关系时，NNSF节点使用负载均衡算法，选择Pool区内1个有效的MSC作为服务的MSC，被选择的MSC将分配含有本局NRI的TMSI给用户。

c）当用户以TMSI发起业务时，NNSF节点（RNC/BSC/MGW）使用NNSF路由选择功能 （根据配置的NRI与CN节点的对应关系表）为用户选择服务的MSC。当被选择的MSC有NRI与MSC的对应关系但MSC无效时（链路不通、处于禁用或卸载状态），NNSF节点使用负载均衡算法，选择Pool区内一个有效的MSC作为服务的MSC，被选择的MSC将分配含有本局NRI的TMSI给用户。

2 算法介绍

目前，负载均衡算法从具体的功能实现上可分为静态算法和动态算法2种。静态负载均衡算法采用的是预先决策的分配机制，不需要NNSF节点与相关系统周期性进行负荷情况的信息交互；而动态负载均衡算法相比静态负载均衡算法具有更多的灵活性，需要根据系统或接口的负载情况周期性地调整分配权重，它采用的是实时交互的决策机制。动态负载均衡算法虽然比静态负载均衡算法更具优势，但是会给系统带来更多的额外开销，影响系统的处理性能。

2.1 静态负载均衡算法

静态负载均衡算法的具体实现方式有很多种，目前主要有2类，一类是加权随机数算法，另一类是加权轮询算法。

2.1.1 加权随机数算法

该算法依据各个MSC的权重值来进行用户的选择分配，分配方式利用随机数概率的方式。具体的步骤如下。

a）获取各CN节点对应的容量权重值C（i）

式中：

CAPi——第i个MSC的容量因子

b）获取权重的取值W（i）

式中：

W（0）=0

c）随机生成一个范围在［0，1］之间平均分布的随机数V，如果V大于W（i-1）且小于等于W（i），则选择第i个CN节点。

举例：假如MSC Pool内有3个MSC，容量分别为10 万、10 万、20 万，容量因子分别取值为 1、1、2，则可以计算得到 W（0）=0，W（1）=0.25，W（2）=0.5，W（3）=1。如图2所示，当产生的随机数在0～0.25之间时选择MSC1服务，在 0.25～0.5 之间时选择 MSC2，在 0.5～1 之间时选择MSC3为其服务。这样就可以使用户按照容量1∶1∶2的比例均衡分布在不同的MSC上。

图2 加权随机数算法示例图

2.1.2 加权轮询算法

加权轮询算法也依据CN节点的权重来进行MSC的分配，与加权随机算法不同的是，它采用的是依次轮询的机制，而不是随机的方式，该算法严格按照比例依次为新用户分配可服务的MSC。

举例：同样假如MSC Pool内有3个MSC，权重因子分别取值为1、1、2，那么对于新登录的用户，NNSF节点会依次将第1个用户分配给MSC1，第2个用户分配给MSC2，第3个用户和第4个用户分配给MSC3，第5个用户分配给MSC1，依次类推。最终用户按照比例分配在不同的MSC上。

2.2 动态负载均衡算法

动态负载均衡算法目前也主要有2类：一类主要依据A接口的电路负荷，另一类主要依据VLR的用户实际容量。

2.2.1 A接口的电路负荷

BSC会周期性地计算到每个CN节点的A接口电路负荷，也就是占用电路/所有电路的值，根据负荷值的比重分配新用户到不同的CN节点上，例如A接口负荷低的分配的用户相对多一些。

2.2.2 MSC可用用户容量

a）MSC Pool内各个MSC统计本局剩余用户容量（总容量减去登记用户数），然后Pool区内各个MSC分别将本局可用用户容量等信息传递给各个NNSF节点。

b）NNSF根据负荷因子进行负荷分担，而负荷因子决定Pool区内某个MSC被选中的概率，其中MSCi负荷因子=MSCi的可用用户容量/MSC各节点当前可用容量总和（见图3）。

图3 动态负荷均衡示意图

3 部署建议

MSC Pool网络建设前期需要对整个Pool组内的设备容量、接口配置、NNSF开启等进行统筹考虑，特别需要考虑以下几个方面的情况。

3.1 负载均衡算法

由于负载均衡算法为厂家特有的实现方式，在3GPP的标准中没有明确定义。因此，MSC Pool部署建设初期不建议部署NNSF的设备节点进行异厂家混合组网；此外，由于目前MSC Server和MGW之间还存在设备交互机制和部分信令协议内容私有化的现状，不建议Pool内CN设备异厂家组合。

对负载均衡算法的支持建议如下。

a）静态负载均衡算法必须支持并能保证异厂家（CN和RAN节点为不同厂家）的互通。

b）动态负载均衡算法建议为可选，现阶段实现的动态负载均衡算法都是私有协议，不能保证互通，在CN和RAN节点为同厂家情况时可以采用。

3.2 NNSF部署节点

依据3GPP TS23.236的规定：NNSF在RAN节点实现，也可以在CN节点（一般指MGW）实现。目前NNSF功能可以在RNC或BSC部署，也可以选择在MGW上部署。依据不同节点的部署情况，有3种方案可考虑（见表2）。

现有主流设备商基本都能支持RNC/BSC实现NNSF以及MGW代理A Flex，部分厂家不支持MGW代理Iu Flex。由于现网存在不少BSC不支持A Flex的情况，结合厂家MGW的支持情况，方案2和方案3是目前优选的2个方案。

表2 NNSF功能部署节点情况比较

对于负载均衡算法和NNSF部署有如下建议。

a）RNC必须支持Iu Flex功能。

b）如果BSC不支持A Flex功能，MGW必须能够代理A Flex功能。

c）MGW应支持A Flex功能，可以支持Iu Flex功能。

4 结束语

MSC Pool的引入会带来很多的优势，其中负载均衡是MSC Pool的一个关键技术，它能够均衡Pool区内的话务，起到削峰抑谷的作用，并能减少跨局切换和更新信令、降低信令负荷、提升用户通话质量。本文结合3GPP标准规范的要求和设备的实际支持情况，详细说明了MSC Pool负载均衡算法的触发条件和基本处理流程，分析了几种典型的负载均衡算法，结合设备的支持情况，探讨了MSC Pool组化部署的一些考虑，为部署MSC Pool提供了建议。

［1］3GPP TS23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network（RAN）nodes to multiple Core Network （CN）nodes［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/23.236.htm.

［2］3GPP TS 25.413 UTRAN Iu interface RANAP signalling ［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25.413.htm.

［3］3GPP TS 24.008 Mobile radio interface Layer 3 specification;Core network protocols［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/24.008.htm.

［4］ITU-T Recommendation H.248 Gateway control protocol ［S/OL］.［2009-12-19］.http://www.javvin.com/protocolMegaco.html.

［5］肖飒，伍建萍.2G/3G共核心网的MSC Pool组网策略 ［J］.电信科学，2008（11）.