SGSN Pool技术及部署策略研究

何 阳，黄 乐，孙 洁

（中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司 西安 710077）

1 引言

在无线宽带化、业务融合化以及降低运营成本的驱动下，移动通信网络向All IP演进已经成为必然的发展趋势，目前中国移动已经完成了承载网、核心网的IP化建设，无线接入网的IP化建设也在有计划地部署之中。随着中国移动通信网络IP化程度的不断提高以及分组域业务地位的迅速提升，SGSN Pool技术作为一种能够充分利用核心网分组域网络资源、提升核心网络安全性、有效降低运营成本的重要技术，受到各移动运营商以及设备厂商的高度关注。

2 SGSN Pool技术关键概念

3GPP TS23.236技术规范中明确提出了池组的概念，即多个核心网络节点组成一个池区，针对核心网分组域网络而言就是SGSN Pool。在SGSN Pool内每个BSC/RNC与池组内所有的SGSN节点均存在连接关系（物理连接或是逻辑连接），每个SGSN设备都可以为池组内所有的BSC/RNC提供服务[1]。SGSN Pool技术的实现涉及一个重要参数和一个关键功能，重要参数指的是NRI（network resource identifier，网络资源标识），关键功能指 NNSF（NAS node selection function，非接入层网络节点选择功能）。

2.1 NRI标识

在SGSN Pool中，NRI是P-TMSI的一部分，其长度可以在0～10 bit灵活选择，若为0 bit，则表示不启用SGSN Pool功能。在实际组网中，各厂商对P-TMSI结构中的比特位会有不同的分配方式，一般是按照当前SGSN Pool的规模以及核心网络发展趋势分配NRI的长度，即 SGSN Pool的容量与NRI的长度选择是互相制约的关系[2]。P-TMSI的具体结构以及NRI的具体位置如图1所示。

从图1可以看出，P-TMSI由32 bit构成，具体分析如下。

·30～31 bit：PS/CS标识位，用于表明 TMSI是在电路域还是在分组域中使用，即用来表示是TMSI还是P-TMSI。

·24～29 bit、0～13 bit：P-TMSI预留位 （包含 SGSN 重启标识位），用来标识分组域用户。

·14～n（n≤23）bit：NRI标识位，NRI的长度可以灵活调整（0～10 bit），NRI从第23个比特位开始由高到低依次使用。

从上面的分析可以看出，NRI和P-TMSI中用于分组域用户标识的比特位长度是一种互为制约的关系。为了保证每套核心网SGSN设备有足够的P-TMSI资源可分配给用户，且有足够的NRI码号资源分配给SGSN Pool内的核心网元设备，同时考虑后续SGSN设备用户容量的扩容需求，NRI的长度规划十分重要。

图1 P-TMSI结构示意

2.2 NNSF功能

在SGSN Pool组网时，NNSF功能在BSC/RNC节点实现，但是3GPP TS23.236中并没有规定NNSF功能实现的具体算法，完全由设备厂商自行定义。在现阶段，经与相关厂商沟通，NNSF算法在实现时一般是参照SGSN Pool内的各套SGSN设备附着用户容量比例，在BSC/RNC节点对Pool内各套SGSN预先设置相应的负载均衡因子（根据网络发展需求，后续也可以有针对性地开发不同的算法满足特定的需求），这种静态配置的方式，只是将SGSN设备的附着用户容量作为计算容量因子的基础，没有考虑核心网分组域不同类型业务之间业务量的差异，可能会造成SGSN Pool内各套SGSN设备业务量的不均衡。

如果要实现SGSN Pool内相对精确的负载均衡效果，则需要采用动态的负载均衡算法。动态负载均衡算法能够根据SGSN Pool内各套SGSN设备的实时负荷参数（附着用户数、业务量、处理能力等）为分组域用户选择Pool内的SGSN设备，最大限度地保证SGSN Pool区域内各套SGSN设备的负载均衡。但是由于需要BSC/RNC节点不断获取SGSN设备的实时负荷信息，带来额外的信令开销，对BSC/RNC和SGSN的设备性能提出了比较高的要求，随着后续设备性能的提升和技术的发展，在SGSN Pool内引入动态负载均衡算法将会极大地提升池组内SGSN设备的利用率。

3 SGSN Pool业务流程

在SGSN Pool技术实现时，MS首次进入池组区域、在池组区域内移动、从池组区域中移动到非池组区域、完成用户迁移操作或是池组内SGSN设备出现故障，都会涉及不同的业务流程。

3.1 MS首次附着及SGSN Pool内路由更新

MS首次附着及池组内路由更新流程如图2所示，具体介绍如下。

·MS从BSC1/RNC1的路由区域中首次进入SGSN Pool时，BSC1/RNC1执行NNSF选择功能为MS选择SGSN，这里设定为SGSN2。

·MS接入SGSN2之后，由SGSN2为MS分配P-TMSI（包含 NRI值，SGSN2 对应的 NRI值为 2），SGSN2中保存MS的相关信息。

·当MS移动到BSC2/RNC2的路由区域中时，BSC2/RNC2根据相关信令消息 （对于RNC来说为IDNNS信令消息，对于BSC来说为TLLI信令消息）中携带的NRI信息，仍然为MS选择NRI=2对应的SGSN2为其提供相应服务。

从上述流程中可以看出，MS在SGSN Pool范围内移动时，始终由一个特定的SGSN设备为其提供服务，减少了由MS位置变化带来的SGSN之间的信令交互，降低了SGSN设备的信令负荷。

3.2 跨SGSN Pool的路由更新

跨池组路由更新流程如图3所示，具体介绍如下。

·当MS移动到SGSN Pool外的区域时，需要重新附着到非Pool区域中的SGSN4，SGSN4中并没有MS的相关信息（MS的相关消息仍保存在SGSN2中）。

·SGSN4向DNS发送NRI请求消息，该消息中包含MS的原始RAI，DNS通过原始RAI值，找出对应的SGSN Pool区域内已经设置的Default SGSN，这里假设为SGSN3。

图2 MS首次附着及池组内路由更新流程

图3 跨池组路由更新流程

·SGSN4将从MS获取的原始NRI信息发送给Default SGSN，Default SGSN通过 NRI找出此 NRI对应的原始SGSN，这里为SGSN2。

·SGSN4通过与SGSN2发起通信获取MS的相关信息。

在SGSN Pool中设置Default SGSN的目的是为了在MS从SGSN Pool区域切换到区域外时，提前设置池组内的SGSN作为中转，实现SGSN Pool内外SGSN的通信。Default SGSN可以设置一个，也可以设置多个，设置多个Default SGSN的目的在于Default SGSN出现单点故障时SGSN Pool内外SGSN的正常通信仍不会受到影响。

3.3 负载重分配流程

SGSN Pool的负载重分配是指将某个SGSN上的用户迁移到SGSN Pool内其他SGSN上，也称为用户迁移，可以实现SGSN Pool内SGSN的负载重新分配或对Pool内SGSN设备进行相应的维护操作，最大程度地减少对用户业务的影响，其具体的业务流程如图4所示。

·在SGSN Pool的网络管理平台中将需要负载重分配的SGSN设置为卸载状态（重分配状态），并通知RNC/BSC设备SGSN的相应状态，这里负载重分配的SGSN选择为SGSN2。

·通过SGSN Pool的网络管理平台，在SGSN2上启动相应的用户卸载流程，SGSN2通知BSC/RNC设备自己处于卸载状态。

·BSC/RNC下发相应信令消息指示MS进行相应的路由更新，MS发送相应的路由更新消息给SGSN Pool内的 SGSN2。

·SGSN2已经设置为卸载状态，故SGSN2分配Null-NRI和 Non-broadcast RAI给 MS。Null-NRI是一个不属于任何SGSN的特殊NRI，仅在SGSN Pool内的SGSN设备之间进行负荷迁移时使用。

图4 负载重分配流程

·当MS重新进行业务请求时，BSC/RNC从MS获得NRI信息，即 Null-NRI。根据 SGSN Pool内剩余SGSN的容量比例，RNC/BSC为MS重新选择一个SGSN为MS提供相应的服务，这里假设为SGSN3。

·SGSN3根据Non-broadcast RAI定位原先为MS提供服务的 SGSN，即 SGSN2，并通过与 SGSN2进行通信获得MS的相关信息。

经与相关厂商沟通，目前各个厂商均无法实现负载重分配时完全无损的用户迁移，正处于PDP激活状态并进行数据交互的用户，其相关的业务会发生中断。

3.4 池组内SGSN设备宕机

当SGSNPool内单套SGSN宕机时，对于BSC/RNC设备来说，宕机的SGSN已经处于不可用状态，会出现以下两种情况。

·对于在Pool内单套SGSN宕机期间内，新发起附着流程的MS来说，BSC/RNC根据NNSF功能算法，为其选择SGSN Pool内正常的SGSN为其服务，但是不包括宕机的SGSN，且在BSC/RNC侧负载均衡因子的配置不包括宕机SGSN的容量。

·对于原先由宕机的SGSN服务的MS来说，由于Pool内其他的SGSN并没有这部分MS的相应信息，需要MS在进行周期性路由更新、路由区切换或是发起新的业务请求时，由BSC/RNC重新按照NNSF算法为其选择Pool内正常的SGSN为其提供服务。

4 SGSN Pool组网方式

在3GPP TS23.236技术规范中规定，SGSN Pool内每个BSC/RNC与池组内所有的核心网SGSN设备均存在连接关系 （逻辑连接或是物理连接），即BSC/RNC设备与SGSN设备是一种全连接的组网方式。因为3GPP中并没有规定SGSN Pool内设备互联链路的实际承载方式，在现阶段实现SGSN Pool时，会存在以下3种组网方式。

4.1 Gb/Iu-PS接口未IP化时组网

在Gb/Iu-PS接口未实现IP化承载之前，如果要实现SGSN Pool组网，BSC/RNC设备（需支持Flex功能）需要通过直连链路与核心网SGSN设备实现全互联。若M个BSC/RNC设备与N个SGSN设备实现全连接，则需要配置M×N条互联链路。这种组网方式会占用较多的2 Mbit/s传输资源和BSC/SGSN设备端口，而占用的传输资源和设备端口的实际利用率却相对较低，对投资、网络资源均是一种浪费，且一旦有新网元加入池组，网络的调整相当复杂，不易于维护，增加了运维成本。Gb/Iu-PS接口未IP化时组网示意如图5所示。

4.2 Gb/Iu-PS接口IP化后组网

在Gb/Iu-PS接口实现IP化承载后，池组中的SGSN设备与BSC/RNC设备的全连接可以通过路由方式实现（通过IP承载网络互通），物理上并不需要有直接相连的链路，SGSN Pool技术的引入变得容易，且一旦有新网元加入池组，网络调整比较简单，只需要制作相应数据即可。Gb/Iu-PS接口IP化后组网示意如图6所示。

4.3 引入SPP后的组网

SGSN Pool组网时，需要BSC设备支持Gb-Flex功能。若BSC不支持Flex功能，可以通过引入SPP（SGSN Pool proxy，池组功能代理设备）完成组网部署。SPP能够提供以下两大类功能。

·协议转换功能，实现FR和IP协议之间的转换，使BSC设备的Gb接口从原来的帧中继承载方式转变为IP承载方式。

·Flex代理功能，使原来不具备Gb-Flex功能的BSC设备具备Flex功能。

在实际应用中，对于SPP在网络中的设置，可以采用集中设置方式和分散设置方式两种，其组网方式分别如图 7、图8所示。

图5 Gb/Iu-PS接口未IP化时组网示意

图6 Gb/Iu-PS接口IP化后组网示意

若SPP设置在核心网SGSN设备侧，BSC设备侧不需要作任何的改动，但是SGSN侧的Gb电路需要进行重新割接，因为集中设置的SPP数量少，一旦SPP出现故障，则会对核心网分组域网络产生较大的影响；若SPP设置在无线接入网BSC设备侧，BSC设备则需要进行电路割接，通过SPP接入IP承载网络，需要增加大量的SPP设备，且割接工作量较大，对网络的影响较大。

4.4 组网方式比较

Gb/Iu-PS接口在没有全部实现IP化承载之前，现网引入SGSN Pool技术的难度非常大，BSC/RNC设备需要通过实际的物理连接与SGSN进行全连接，组网十分复杂，不建议采用这种方式进行SGSN Pool组网；SPP代理设备应作为SGSN Pool技术引入的一种弥补策略，在少数BSC设备无法满足条件时使用，不建议大规模使用（引入SPP后网络结构复杂，故障点增多，且产品成熟度不高）；建议在现网BSC/RNC设备完成Gb/Iu-PS接口IP化承载并支持Flex功能后，再引入SGSN Pool技术，这样可以避免割接调整和网络结构变化对现网造成的影响，实现简单，符合网络IP化演进的趋势。

图7 SPP集中设置组网示意

图8 SPP分散设置组网示意

5 SGSN Pool技术优劣势

·在引入SGSN Pool技术后，无线接入网BSC/RNC设备可以共享核心网SGSN设备资源，池组内SGSN容量配置不需要按照单套SGSN附着用户容量的峰值进行考虑，只需要按照平均的附着用户容量进行核算即可，节省了投资，提高了SGSN设备整体利用率。

·SGSN Pool的服务区域变得更大，MS在池组的服务区域中移动时一直由固定的SGSN为其提供服务，减少了SGSN之间的切换流程，间接提升了核心网分组域网络的处理性能。

·SGSN Pool技术能够很好地平衡“潮汐效应”，在减轻业务高负荷区域SGSN设备负荷的同时，利用业务低负荷区域SGSN设备的处理能力，解决现网不同区域或不同时段业务量不均衡的现状，特别是对突发的业务量（节假日、大型活动等）有良好的应对能力，提升了池组中SGSN设备的利用率。

·在现网中，核心网分组域缺少容灾机制，一旦出现SGSN单点故障，其服务区域下的所有用户将无法使用分组域相关业务，业务恢复时需要将挂接在这套SGSN上的无线接入网BSC/MFS设备的Gb链路割接调整到正常工作的SGSN设备上，过程复杂，业务恢复时间长。在SGSN Pool技术引入后，当池组中的SGSN出现故障时，BSC/RNC设备会通过NNSF节点选择功能将用户重新分配到正常工作的SGSN上，实现了SGSN设备的容灾备份。

·SGSN Pool内每套SGSN均具有相同地位，维护人员在进行数据配置时需要对全池组进行考虑，统一规划相应参数，如NRI、Null-NRI、Non-Broadcast RAI、Default SGSN等，且单套SGSN设备需要配置的局数据量大幅度增加，如单套SGSN需要配置整个池组区域的所有RAI。与传统组网方式相比，SGSN Pool的维护难度虽有所下降 （避免了频繁的电路割接调整），但网络数据配置相对复杂，对维护人员的技术要求更高。

6 SGSN Pool部署策略

现网引入SGSN Pool技术时，在综合考虑设备支持程度、网络投资、不同区域的业务需求等因素的基础上，建议采用两步走的策略[3]，第一步先在局部范围内进行试点引入（降低新技术引入风险，保护现网投资），总结部署、建设和维护经验；第二步在试点引入取得良好效果后，再有计划、有步骤地向全网推广，应遵循的原则如下。

（1）NRI全网统一规划

NRI在网络中使用后再进行调整会相当复杂，在引入SGSN Pool技术之前，应立足于整个网络的角度，考虑后续网络发展，对NRI进行细致的规划（包括Null NRI）。NRI的规划不统一会对后续SGSN Pool的维护管理带来很大的困难，可能会导致池组区域内的负荷不均衡。

（2）SGSN Pool组网地域规划

在引入SGSN Pool组网时，无线接入网BSC/RNC管辖区域应尽量连续覆盖，且在选择SGSN Pool区域边界时，尽量避免切换频繁的区域，以减少MS在SGSN Pool区域和非池组区域之间的切换，提升用户使用感受和分组域网络质量；池组区域在规划时应尽量在本省范围内部署，不要进行跨省设置，以降低运维成本，减少对已有网络管理模式的影响；SGSN Pool覆盖区域的选择应考虑区域性的业务互补，这样能够降低“潮汐效应”的影响，发挥其“消峰抑谷”的特性，提高核心网设备利用率。在实际组网时，建议SGSN Pool内所有SGSN设备的配置容量均相同，并采用相同的计费策略；尽量不要进行重叠SGSN Pool区域的规划，降低数据配置复杂性和维护复杂度。

（3）Default SGSN 的规划

Default SGSN用于SGSN Pool内的用户漫游出池组区域，或者注册到池组外的SGSN时的移动性管理问题，或者用于用户切换到池组外SGSN时的切换请求。Default SGSN需要配置池组内所有的SGSN信息和NRI，用于向池组内目标SGSN转发池组外SGSN的切换请求，可以认为Default SGSN是池组内核心网SGSN与外界SGSN之间的消息转接点。在SGSN Pool技术中，池组中的的每套SGSN都可以配置成Default SGSN，可以同时在池组中设置多套SGSN作为Default SGSN，也可以将池组中所有的SGSN均设置为Default SGSN。

（4）池组内SGSN数量与容量配置规划

出于对SGSN Pool容灾备份的考虑，池组内的SGSN设备数量不宜太少，建议大于等于3套，一般选取4～5套SGSN设备进行组网较为合适；池组内SGSN设备容量建议采用等容量配置方式，单套SGSN设备的设备利用率建议选取为60%～70%，以保证池组内单套设备出现故障时，其余的SGSN设备能够接管业务。

（5）无线接入网设备改造

对于需要引入SGSN Pool技术的地市来说，首先需要完成其无线接入网BSC/MFS设备的Gb接口IP化工作并使其支持Gb-Flex功能，同时使相应RNC设备支持Iu-Flex功能，对于各地市设备型号较老的BSC/MFS设备，建议在合适的时间将其用能够支持Gb over IP和Gb-Flex功能的BSC/MFS设备进行替换。

7 结束语

虽然SGSN Pool技术具备很多优势，能够提升核心网分组域设备利用率，并引入了容灾机制，但是目前所有厂商均只支持同厂商SGSN设备组成池组，如何实现多厂商SGSN设备组Pool成为后续技术发展的主要方向；同时目前BSC/RNC设备所使用的NNSF静态算法仍然不能实现最优的负载均衡，可能会造成SGSN的实际业务量出现较大的差异，如何让SGSN设备的负载更加均衡也是后续需要重点关注的问题。

1 3GPP TS 23.236.Intra-domain connection of radio access network(RAN)nodes to multiple core network(CN)nodes,2008

2 蓝澜.MSC池技术及组网应用.电信交换,2010(3):56～60

3 中国移动通信集团公司.中国移动SGSN Pool网络试点测试方案V1.0.1,2010