LTE网络PGW容灾实现方案探讨

许盛宏 刘智德 林俐

PGW作为LTE网络核心控制设备，其安全可靠运行将影响LTE业务的稳定提供。针对目前PGW容灾问题进行了分析，通过对三种可行方案的研究而提出了可靠容灾解决方案，并阐述可靠容灾方案的具体实现，力求为运营商部署安全可靠的LTE网络提供有益的参考。

PGW 实时恢复 容灾

1 引言

目前运营商加紧推进部署VoLTE业务，LTE网络是VoLTE业务核心，因此很有必要提升LTE网络组网的安全可靠性。在LTE网络中，PGW（PDN Gateway，分组数据网网关）设备是作为用户数据业务和VoLTE业务的承载通道，负责用户的IP地址分配、数据包的路由及前转和用户相关业务的计费；SGW（Serving Gateway，服务网关）设备是负责基站和PGW之间的数据包的路由和前转；MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）设备是负责移动性管理、会话管理、用户鉴权、漫游控制以及PGW、SGW的选择等方面功能。因此，PGW是LTE网络核心控制设备，其安全可靠运行相当重要。

当主用PGW设备故障时，接管PGW无法实时恢复主叫和被叫业务，特别是当前的PGW设备都采用集中部署方式，将会导致大面积业务长时间瘫痪，对VoLTE业务影响尤为严重。为了提升LTE业务质量服务水平，很有必要研究一种PGW可靠容灾解决方案。

2 目前PGW容灾存在的问题

由于主用和备用PGW设备同步相关容灾数据将会导致可用资源的额外消耗、同步数据的不完整等问题，所以目前主备PGW之间不采用相互同步。目前PGW设备容灾方案实现流程如图1所示：

对于主叫容灾恢复，当前服务的PGW设备瘫痪时，用户发起主叫业务请求将会发送到当前服务的MME上，由于MME发现用户当前服务的PGW已经故障，用户将无法找到可用承载通道，就会向用户发送业务拒绝，指示终端发起重新附着，将会中断本次呼叫，待用户重新附着成功后，用户再次发起主叫才能恢复主叫业务。对于被叫容灾恢复，当用户服务的PGW故障时，AF（Application Function，应用服务器）检测到PGW故障后，AF将下行数据请求发送至接管PGW，由于接管PGW没有用户相关信息而无法处理下行数据请求，被叫业务无法正常建立，用户将一直无法得知被叫业务无法接入，待网络设定的TAU（Tracking Area Update，跟踪区更新）更新周期到达后，用户就会发起TAU更新，此时才会发现当前服务PGW故障而无法处理，然后用户主动发起重新附着请求，成功附着后业务才可恢复。目前现网配置TAU周期更新为1小时，那么此时被叫业务将会中断大约1小时。因此，目前PGW容灾方案无法实时恢复业务，也就无法保证LTE业务的稳定提供。

3 可行解决方案分析

3.1 方案一：基于PCRF存储

方案一采用基于PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能）存储容灾数据的实现方法。在用户进行初始附着时，PCRF存储主用PGW传送的当前服务SGW信息。当用户服务的PGW故障时，对于主叫业务的恢复，MME在成功建立SGW、PGW承载后而实时接管用户主叫业务，不会中断当前主叫业务请求；对于被叫业务的恢复，PCRF将之前保存的容灾数据通过信令传送到备份PGW，应用服务器（P-CSCF/SBC）通过承载备份路由选择接管PGW，实现实时恢复。

此方案需PGW增加容灾用户IP管理功能以及扩展相应信令流程参数。此方案可实现首次呼叫不会中断，实时恢复业务，不需要主备PGW设备之间相互同步，减少设备额外开销，但需已有信令的扩展参数，PGW改造较大。

3.2 方案二：基于HSS+AS

方案二采用基于MMTelAS查询融合HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）（IMS-HSS和EPC-HSS合设）获得相关设备状态实现容灾的方法。当用户服务的PGW故障时，对于主叫容灾恢复，通过SGW主动探测用户面报文，在用户报文中断时，触发重新附着、业务承载重新建立；对于被叫容灾恢复，通过HSS互通获取PGW为故障状态，HSS下发请求给MME，MME发送基于IMSI的寻呼消息触发重新附着、业务承载重新建立恢复。

此方案需要IMS和EPC的HSS之间增加接口或者新建融合HSS，IMS的MMTelAS需要升级支持被叫域选择功能，MME需将PGW故障时的相关信息送至HSS。此方案不需要SGW之间同步，业务恢复较快，但首次呼叫会中断，需要IMS和EPC之间的HSS增加互通接口，同时用户作为被叫都需MMTelAs设备查询用户归属的HSS，必然导致信令开销和处理时延较大。

3.3 方案三：基于HSS+I-CSCF

方案三采用基于I-CSCF（Interrogating-CSCF，查询CSCF）查询融合HSS获取相关设备状态实现容灾的方法。利用MME对PGW的状态感知，通过融合HSS对用户呼叫请求的识别与控制以及MME对承载建立的控制，实现容灾业务实时接管。当用户服务的PGW故障时，MME通过检测机制感知SGW、PGW故障状态，并将故障状态通知融合HSS，当用户有被叫请求时，通过I-CSCF、融合HSS触发用户重新建立承载以及重注册后响应呼叫请求，确保被叫业务实时接管；当发起主叫请求时，通过成功重新建立PGW承载后终端自动重注册以及重发业务请求，网络设备将正常处理业务请求，不会中断当前主叫业务请求。

此方案需要IMS-HSS和EPC-HSS之间增加接口或者新建融合HSS，同时MME增加PGW容灾接管相关功能。此方案恢复主叫、被叫业务较快，不需要PGW之间同步，无需额外增加信令流程，但MME需支持容灾接管功能，I-CSCF处理容灾用户业务存在较大时延，实时恢复需要终端支持触发重注册消息。

3.4 方案对比分析

如表1所示，通过对组网方式、数据同步、接管话务、网络改造等方面分析可知，方案一不需要融合HSS支持，并可实时恢复主叫、被叫业务，接管风险较小。因此，在IMS HSS和EPC HSS分开部署时，PGW容灾方案考虑使用方案一；在IMS HSS和EPC HSS合设时，可以考虑使用方案三。由于目前现网的IMS HSS和EPC HSS主要是分开部署的，所以PGW可靠容灾方案推荐使用方案一，以提升LTE业务运行的稳定性。

4 方案一的具体实现

4.1 容灾数据存储

此方案需增加一个容灾数据存储流程以实时恢复容灾业务。在正常发起附着请求，PGW和PCRF之间建立会话时，当前服务PGW将用户当前服务SGW信息传送给PCRF，包括SGW的IP和用户的TEID等信息，可以通过扩展CCR消息的参数实现，PCRF保存此时的SGW信息，此时数据备份不需要主用PGW和接管PGW之间的直接同步。PGW容灾数据存储流程如图2所示。

具体步骤说明如下：

（1）在用户发送附着请求时，MME将会根据数据配置选择一个可用的SGW、PGW设备；

（2）MME向已选定可用的SGW、PGW1发送创建会话请求消息，请求创建业务承载通道；

（3）PGW1将会根据数据配置选择PCRF发送会话建立请求消息，携带SGW信息；

（4）PCRF发送会话建立响应消息给PGW1；

（5）PGW1发送创建会话请求消息给MME；

（6）MME设备向用户发送用户附着接受消息。

4.2 主叫容灾恢复

当用户服务的PGW故障时，用户发起主叫业务请求将会发送到当前服务的MME上，MME通过SGW检测到当前服务PGW故障后，发起重新建立承载请求，在成功建立SGW、PGW承载后，继续处理本次呼叫，此时MME就不会中断当前主叫业务。PGW主叫容灾恢复实现流程如图3所示：

具体步骤说明如下：

（1）用户向当前服务的MME设备发起业务请求消息；

（2）MME通过SGW检测到当前服务的PGW1故障后，根据数据配置选择一个接管的PGW2；

（3）MME通过在SGW、PGW2之间重新建立承载，恢复用户业务的承载通道；

（4）MME向用户发送业务接受消息；

（5）UE（User Equipment，用户终端）的主叫业务恢复正常处理。

4.3 被叫容灾恢复

对于被叫容灾恢复，当用户服务的PGW故障时，AF将业务认证触发到PCRF，PCRF通过业务授权将之前保存的SGW信息传送至接管PGW，接管PGW找到当前服务的SGW，AF通过承载备份路由将下行数据请求送至一个可用的接管PGW，接管PGW具备管理容灾用户IP能力，确保了用户被叫业务正常有效处理，实现实时业务恢复，不再需要等待1小时才能恢复业务了。PGW被叫容灾恢复实现流程如图4所示。

具体步骤说明如下：

（1）PCRF检测到PGW1故障；

（2）当AF收到用户作为被叫的请求时，向PCRF发送业务认证消息；

（3）PCRF向根据数据配置选择可用的PGW2发送业务授权消息，携带SGW信息，为用户预先分配资源；

（4）接管PGW2没有用户相关数据，但根据PCRF送过来的SGW信息，向当前服务的SGW发起下行触发承载建立消息，指示建立承载通道，此时服务的SGW向当前MME转发此消息；

（5）MME收到此下行触发承载建立消息，向SGW和PGW2重新建立默认和专用承载；

（6）MME向UE发起建立业务承载的请求，包括默认承载和专用承载；

（7）AF通过承载备份路由（到同一个目的地采用主备用路由配置，主用路由故障时选择备用路由）将下行数据请求送至一个可用的接管PGW2；

（8）PGW2待业务承载建立完成后就会进行数据转发，从而被叫业务恢复正常处理。

5 结束语

本文针对目前PGW容灾存在的问题，提出了三种可行的解决方案，并最终建议采用基于PCRF存储容灾数据的实现方法（方案一）。此方案改动较小且容易实现，并可高效、实时接管恢复容灾业务，将有力推动LTE业务的规模化可靠应用。在现网应用时，建议根据实际情况进一步优化解决首次呼叫恢复时长较大的问题。

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