VoLTE业务中EPC网络容灾方案优化研究

张乐，马洪源，卜忠贵

(1 中国移动通信集团河南有限公司，郑州 450008；2 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

随着VoLTE商用的开展，移动通信即将迎来下一代融合通信时代。作为以全IP化网络架构为基础的VoLTE业务，业务质量和稳定性是良好的商用体验面临的最大挑战。VoLTE语音业务规模化商用后，业务的容灾实施将提上日程。

VoLTE语音业务是一项复杂的系统工程，端到端呼叫流程涉及到电路域、分组域、IMS域众多网元节点，图1为VoLTE业务涉及的主要网络节点。

2 EPC网络故障对VoLTE业务的影响及现有容灾方案

图1 VoLTE业务涉及的主要网络节点

EPC网络包括MME、SAE-GW、PCRF 3个主要网络节点，VoLTE业务中潜在故障点有14个，如图2所示。

EPC网络中MME、SAE-GW和PCRF主要通过组Pool方式实现网络容灾。

VoLTE业务承载建立完成后，长时间（10～20 s）不使用业务，则eNode B请求EPC核心网释放S1接口连接，核心网MME仅保存用户的TA信息，并维持核心网侧的承载连接；同时，UE无法获得核心网MME、SAE-GW的工作状态。

图2 EPC网络潜在故障点

在用户APN承载建立过程中，即选定了为用户服务的MME、SAE-GW和PCRF。

VoLTE用户会周期性地发起IMS重注册，在用户进行IMS重注册过程中， 若MME、SAE-GW、PCRF故障，则eNode B会将用户接入MME Pool内正常工作的MME设备，MME会选择正常工作的SAE-GW，LDRA会在PCRF Pool中为用户选择新的可用PCRF为用户重新建立APN承载，从而实现MME、SAEGW和PCRF的容灾。

若在IMS重注册之前，用户接入的MME、SAEGW故障，则对于：

（1） 主叫业务：eNode B会将用户接入MME Pool内正常工作的MME设备，MME会选择正常工作的SAE-GW，为用户重新建立IMS APN承载，从而实现主叫业务恢复。

（2） 被叫业务：若SAE-GW故障，则PCRF通过Gx接口为被叫用户建立IMS APN专用承载失败，无法为用户建立呼叫，直至被叫用户进行IMS重注册，或发起数据业务，或移动出S-GW覆盖区域进行IMS APN承载重建；若SAE-GW未故障而MME故障，则S-GW通过S11接口通知MME为被叫用户建立IMS APN专用承载失败，无法为用户建立呼叫，直至被叫用户进行IMS重注册或TAU更新。

若PCRF故障，则EPC网络无法为用户建立用于主被叫音视频语音业务的专用承载，呼叫失败。

综上，现有的MME和SAE-GW设备Pool容灾能够实现VoLTE主叫业务的容灾，而对于VoLTE被叫业务的容灾，存在一定的呼损，被叫业务恢复时长取决于VoLTE进行IMS重注册的时间和发起VoLTE主叫业务、TAU的时间。

3 EPC网络容灾优化方案

3.1 MME容灾优化方案

目前VoLTE业务中，当MME故障时，VoLTE主叫、被叫业务均受影响，其中主叫第一次失败第二次接通，被叫无法接通；通话过程中掉话。

链式备份方案中，MME Pool内仅备份UE的IMSI和TA信息。当MME故障时，备份MME只能用IMSI寻呼UE并重建PDN，无线网和核心网负荷大，时延大，同时第一次VoLTE主被叫也是失败的。

优化的方案中，MME会话信息备份到Pool内多个MME上，且备份信息为UE全量信息。MME的信息被动态hash备份到池组内MME上，任一MME都可以作为备份MME，当一台MME故障时，业务被动态均匀地分配到池组内所有MME上，不存在备份链中断的风险；而且eNode B和S-GW上不需静态维护MME备份链列表。优化方案中，当MME故障时，PDN只需修改不需要重建，对无线网和核心网影响小，时延低，且主被叫均不受影响。

基于S1-MME链路故障、S11链路故障、MME节点故障和SGW节点故障4种场景下24个测试项，通过eNode B拔线、中断链路等方法对MME、S-GW，S1-MME接口、S11接口等节点进行故障恢复验证，MME优化容灾方案能够实现VoLTE通话过程中发生故障时VoLTE不掉话，用户无感知。

3.2 PCRF容灾优化方案

现网VoLTE和LTE数据业务共用PCRF，当PCRF发生故障，主叫/被叫时网络侧会通知HSS，再由HSS通知MME让用户重新激活PDN会话信息，选择Pool内另外一个正常的PCRF来处理业务。该方案会触发大量的PDN会话重建、寻呼等动作，对无线网和核心网的信令冲击较大，严重时可能导致周边网元节点负荷过载。

优化方案中VoLTE业务使用专用PCRF，采用1+1地理容灾。主用PCRF与备用PCRF实时同步会话信息，并监测对方状态，如果主用PCRF发生故障，备用PCRF来接管工作处理会话。两台PCRF部署在异局址，但采用相同的主机名，对外呈现一个逻辑节点；切换时周边节点（P-CSCF、P-GW）不感知，充分保障业务的连续性。

优化方案可以保护VoLTE主被叫不受影响，Gx链路故障、Rx链路故障和PCRF单节点故障不会对用户信令有任何影响。需多购买一套PCRF硬件和一个软件功能，由于VoLTE专用PCRF采用通用默认策略，不需要SPR，相应减少SPR软硬件需求。

采用命令关闭端口、拔线、断链路等方法模拟测试如下6种场景：

（1） 主用和备用PCRF间双向手动切换：验证主用和备用PCRF能够成功通过手动触发进行来/回切换，在切换中前后均能正常承载VoLTE业务。

（2） 主用PCRF重启触发自动切换：该测试验证主用PCRF异常时能够成功自动将业务切换至备用PCRF。

（3） 备用PCRF重启触发自动切换：该测试验证备用PCRF异常时，主用PCRF业务处理情况。

（4） 主用PCRF侧链路全阻情况下的异常处理（PCRF宕机）：模拟主用PCRF宕机，把主用PCRF到DRA的链路全部闭塞，该测试验证主用PCRF到DRA链路全阻断时，PCRF触发自动切换。

（5） 单台DRA宕机情况下的异常处理：模仿单台DRA宕机，阻断相关测试链路，测试业务通过另外一台DRA进行信令传送。

（6） PCRF单条链路阻断情况下的异常处理：PCRF设置单条Gx链路阻断，PCRF通过其他链路进行信令传送。

通过对PCRF备份状态、切换前后测试用户的VoLTE业务是否受到影响，以及切换后是否能够进行新的主叫/被叫形式的语音/视频业务等内容检查；试验表明该方案达到预期效果，VoLTE业务未受影响。

3.3 其它优化方案

优化方案中MME、SAE-GW和PCRF网元中业务板卡N+1实时同步备份会话信息，所有板卡都是工作状态，板卡间完全负荷分担。以MME信令处理板为例，UE终端建立会话信息，当一个板卡处理该会话，会同时在另外一个板卡备份全量信息；当MME板卡故障，MME会将主叫或者被叫的信令路由到实时备份该用户会话的板卡上，会话信息不丢失，主被叫成功。

通过阻塞、重启板卡针对主叫振铃终，被叫振铃中和通话过程等不同场景验证MME/PGW/SGW/PCRF板卡冗余保护效果，多次测试结果符合预期，业务正常呼叫流程不受影响。

SAE-GW也采用1+1地理容灾，两台SAE-GW部署在异局址，采用相同的主机名，对外呈现一个逻辑节点。主用SAE-GW与备用SAE-GW实时同步用户会话信息，并监测对方状态，如果主用SAE-GW发生故障，备用SAE-GW自动切换接管。由于该方案实施成本较高，没有进行网络测试验证；同时该方案对机房/电源/传输等资源消耗较多，现网部署建议慎重考虑。

表1 容灾优化方案投资效益分析

4 投资效益分析

MME容灾优化和EPC板卡实时备份无额外投资。但PCRF地理容灾需新增一套硬件，无须新增后端SPR。按照PCRF 硬件满配，软件容量200万PDP/300万PDP两种模型，基于2017年某采购模型测算：

模型1：单套PCRF支持200万PDP，折合200/1.05=190.5万VoLTE用户。

合计增加的投资为275-170=105万元，考虑到配套及其他费（取10%），约115.5万元。折合每个VoLTE用户需要增加投资115.5/190.5=0.61元。

模型2：单套PCRF支持300万PDP，折合300/1.05=285.7万VoLTE用户。

合计增加的投资为275-208=67万元，考虑到配套及其他费（取10%），约73.7万元。折合每个VoLTE用户需要增加投资73.7/285.7=0.26元。

如表1所示，实现该优化方案，每个VoLTE用户在两种模型下分别需增加投资0.61元或0.26元。

5 结束语

EPC网络在VoLTE业务中的优化容灾方案在容灾原理和业务保障方面均实现了EPC容灾的新突破，验证了对除SAE-GW外的EPC网络中13个故障节点的实时保护，能够保证VoLTE业务中第一次主被叫均不受影响，通话过程中出现故障不掉话，用户无感知。

优化的容灾方案能够通过较小的成本代价实现更为完善的容灾效果，带来更好的用户体验，有助于提升用户粘性，产生源源不断的间接效益。