SGSN POOL相关技术探讨

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摘要：简要介绍了SGSN Pool的技术原理，对目前SGSN Pool实现的前提条件、关键技术、重点难点分别进行了分析和阐述。讨论了SGSN Pool 组网的要点和原则，并给出了SGSN Pool 组网规划的相关建议。

关键词：SGSN Pool，P-TMSI，NRI，SPP
Abstract: This article introduces the technology principle of SGSN Pool, and analyzes the precondition, key technologies and difficulties in implementing SGSN Pool. Then, it discusses the key points and principle of SGSN Pool networking and put forward relevant suggestions for its planning.

Key Words: SGSN Pool, P-TMSI, NRI, SPP
  服务GPRS 支持节点（SGSN）是GPRS 网络核心网元之一，主要完成用户的移动性管理和用户数据的封装传送，其业务中断将直接对数据业务质量和用户感知产生巨大的影响，因此对核心网SGSN进行容灾备份十分必要。SGSN 网元的容灾备份是指以BSC/PCU（RNC）为服务对象的容灾备份，即针对Gb/IU- PS 链路的容灾备份能力的建立。当发生火灾、地震等自然灾害或SGSN设备单机发生业务受阻且无法在短时间内恢复正常运行的情况下，可以在规定时间内采用另一个SGSN代替故障SGSN为用户提供服务，以保证移动网络的服务质量及网络安全。
  本文重点介绍SGSN Pool容灾方式的特点、组网方式以及对现网的影响，可为今后2G GPRS以及3G网络建设提供参考。

1 SGSN Pool的特点
1.1 SGSN Pool组网特点
  3GPP R5版本的TS23.236引入了Iu- Flex 功能，即RNC支持一个RAN节点到多个CN节点的域内连接路由功能，允许RAN 节点把信息在相应的电路交换(CS)域或分组交换(PS)域路由到不同的CN节点。多个CN节点组成一个“池”，共同控制几个位置区，池内的节点采用负荷分担方式工作。
  对于PS域，一个区域池（Pool Area）集中多个SGSN节点，UE 可以在此区域中漫游而不需改变服务CN节点。RNC/BSC 可以连接多个SGSN 网元，可被多个网元同时管理，RNC的终端用户按照负载均衡的原则注册到区域池中的任意一个SGSN节点。
  从RAN的角度看，区域池中的节点所服务的一个或多个RNC 所有的路由区(RA)，这组CN节点可能还服务于该区域池之外的RA，也可能服务于其他的区域池。具体组网如图1 所示。

                                             图一 SGSN Pool组网示意图
  如图1所示，Iu/Gb-Flex技术可已让一个RNC/BSC同时接入到一个SGSN Pool提供服务，一个路由区可以由该SGSN Pool统一管理。当Pool中某SGSN出现故障，该路由区中的用户还可以通过其它SGSN提供业务接入，避免的SGSN单点故障的影响。

1.2 SGSN Pool的优点
SGSN Pool有如下优点：
·减少用户在核心网节点间的局间位置更新次数，减少了SGSN到HLR的位置更新流量，提高容量利用。
·减少切换和重定位的次数，从而减少了到HLR的位置更新流量和切换信令流量，提高容量利用。
·当池域中某个SGSN宕机后，其它SGSN将实时自动分担这个宕机节点的业务，不需要人工干预且业务恢复时间为秒级，提高了网络的高可靠性，增强用户体验。
·SGSN资源池可均衡流量负荷，充分利用现有网络资源，提高设备容量利用率。
·提供业务不中断的维护，可优化网络的操作维护与管理，降低维护成本。3GPP标准，具备良好可持续发展能力。

2 SGSN Pool相关技术
2.1 SGSN Pool关键技术
  3GPP技术规范TS-23.236中为Iu-Flex技术定义了一个关键参数网络资源标识（NRI），即网络资源标识，用于独一无二的表示Pool中所有的核心网节点，这些核心网节点在同一个池域中并行提供业务.
  在核心网分组域，NRI 是分组临时移动用户标识(P-TMSI)的一部分，取自P-TMSI的一部分比特。NRI具有灵活的长度分配，从0个比特到10个比特，0比特表示不使用NRI，即不应用Iu-Flex技术。由于NRI一旦应用之后，很难进行调整改变，同时为了避免相邻Pool之间的用户漫游时出现NRI取值相同而出现负荷失衡的现象，建议对NRI进行全网统一规划，全网NRI使用相同的长度和比特位。在同一个SGSN Pool中，所有节点的NRI比特长度必须相同，且独一无二；不同池域重叠区域的节点在所有的Pool中使用相同的NRI，这些重叠池域内所有节点的NRI也应该配置相同的值；同一个池域内一个核心网节点可以分配多个NRI，但同一个NRI只能唯一归属于一个核心节点。
  P-TMSI通常有32个比特位，其分配如下：
  P-TMSI高两位，即30、31位比特保留，用于区分域类型，即不能用于区分用户。26～29 位比特用于VLR重启，这段长度各厂家可以灵活分配，这里假设固定长度4位比特。这样，P-TMSI的有效长度只剩下26比特，其中NRI可以占用14～23位比特（NRI长度可变）。NRI长度的选择和SGSN的容量将相互制约（原理同MSC Pool）。
  当SGSN不支持Iu-Flex技术时，单局用户分配的P-TMSI空间为32-2-4=26位，单局理论最大可以容纳6 000万用户。
  当SGSN支持Iu-Flex技术时，理论上如果14～23 为全部用户分配NRI，则单局用户分配的P-TMSI空间为32-2-4-10=16位，最大容纳6万多用户；同理，NRI如果为6位，则单局最大支持用户数对应为100万；NRI如果为5位，则单局最大支持用户数对应为200万，以此类推。
  实际组网时，重叠或者相邻池域的NRI不能相同。为了避免相邻Pool的NRI相同，采用“四色定理”（原理同MSC Pool），即将所有NRI分成四组色集，每个色集的NRI不允许重复。
  根据四色原理，当NRI长度为6 bit时，一个SGSN Pool里的SGSN的个数最大应为2的6次方/4=16个，对应的每个SGSN的最大容量约100万。当NRI长度为5 bit时，SGSN Pool里的SGSN个数最大为2的5次方/4=8个，对应的每个SGSN 的最大容量约200万。依此类推。
  从上面的计算可以看出，由于GPRS业务量相对CS的语音业务小很多，因此在2G的SGSNPool中，核心节点的个数与单个容量之间的制约没有在MSC Pool中这么突出，NRI很容易就能满足SGSNPool规划的需求。但在3G中，由于PS的业务将得到大力发展，因此需要提前统筹考虑NRI的规划问题。

2.2 SGSN Pool的工作模式
  在SGSN Pool工作模式中，每个RAN节点都保存了池中每一个SGSN的能力参数表，这个参数根据每个SGSN的处理能力确定，并可以由网管人员修改(表1)。

  这个参数表表明SGSN1/2/3的处理能力是SGSN 4的两倍。
  当新用户进入到SGSN Pool的覆盖区域时，RAN节点就会按照负载均衡的原则将用户的位置更新请求随机分配给池组中的某一个SGSN，保持池中每个SGSN的负荷比大致相当。同时这个SGSN完成位置更新过程并给用户分配一个P-TMSI，这个P-TMSI里面携带了“网络资源标志”（NRI）字段，用来标识为这个用户服务的SGSN节点编号，表明用户注册到池中的哪个SGSN上了。具体如图2 所示。

                                           图二 SGSN Pool原理示意图

  这个用户在SGSN的服务区域内移动时，将一直由这个SGSN 为其服务，直到离开SGSN Pool的服务区域为止。在这期间，用户如果有业务请求，RAN节点将根据请求消息中所带的P-TMSI中的NRI信息，将其分配到对应的SGSN进行处理。
  在这种工作模式下，一个区域池中多SGSN节点可以看做是一个大容量的SGSN，减少了SGSN间的更新、切换和重定位，降低HLR更新流量，因此它所提供的服务范围与单个核心网节点提供的服务区相比扩大了许多。

3 SGSN Pool 对网络的要求
3.1 Iu/Gb over IP 的必要性
  引入Iu-Flex/Gb-Flex技术后，RNC/BSC需要与Pool内所有的SGSN建立连接，同时由于RNC/BSC的Iu/Gb接口中继资源分属不同的SGSN管理，统计复用的效率较低，将造成Iu/Gb接口中继的大量浪费，必然增加Iu/Gb接口的建设成本。随着用户业务量的增加，SGSN Pool内SGSN数量或者容量将产生频繁变化，所有的RNC/BSC都必须进行相应调整，工程量巨大；RNC/BSC与所有SGSN连接，势必造成维护工作量的成倍增加。
  因而，Iu/Gb接口的承载方式对该技术的实现效果来说至关重要，组网灵活性成为关键因素。由于SGSN Pool组网会引起Gb接口组网复杂度增加，因此建议在Gb over IP后再实现SGSN Pool。具体如图3所示。

  

图三 SGSN Pool承载方式示意

3.2 对核心网的要求
  P-TMSI分配：每个SGSN在后台配置了一个或多个NRI。NRI属于P-TMSI的一部分，占用了特定的比特位，而P-TMSI是由SGSN分配给手机的。NRI包含灵活的长度，从0～10 比特（0 比特表示没有使用NRI，即没有应用此特性）。没有用于编码NRI的比特位是独立实现的（例如扩展TMSI空间）。
  PS切换、重定位及跨SGSN路由更新：对于两个都支持Iu Flex特性的SGSN 间GTP信令，新的SGSN通过NRI（旧的P-TMSI推导出）与旧的RAI一起定位旧的SGSN 地址。每个RAI和NRI与对应的SGSN地址关联配置在SGSN或DNS上。

3.3 对无线接入网的要求
  BSC/RNC需要提供NAS网元选择功能，必须支持Gb/Iu Flex技术。手机在初始NAS信令消息中提供了ID（P-TMSI或IMSI)，由BSC/RNC从ID中取出相应字段，取出字段长度是在BSC/RNC 配置的。NRI与核心网网元地址之间的关联在网管系统进行配置，配置表中需要区分不同的“域指示”，即需要区分CS域和PS域。

4 SGSN Pool组网规划
  SGSN Pool的组网规划是一项复杂的系统工程，需要考虑很多因素，这里列出几个需重点考虑的方面。

4.1 NRI全网统一规划
  NRI确定之后再进行调整是很困难的，因此规划初期就应该立足于全网的角度进行规划。NRI的规划不统一，会导致池域内的负荷不均衡。例如当相邻Pool的NRI相同，或者相邻Pool的NRI长度不一致时，用户在两个Pool之间漫游，都可能导致RAN节点将用户分配到某个NRI相同的SGSN,导致这个SGSN负荷过大。同时，NRI的规划不统一也将为以后Pool的维护管理带来很大的困难。

4.2 SGSN Pool组网的地域选择
  SGSN Pool组网，规划的Pool在无线管辖区域应该连续，同时为了运维的便利，不建议跨省组网。为了解决特大城市的潮汐效应和移动性信令问题，以及发达地区与欠发达地区的人口流动和业务量不平衡问题，SGSN Pool区域的选择应考虑区域性的话务互补。例如大城市与卫星城市共同组Pool，发达地区和不发达地区共同组Pool，以提高设备的利用率，充分发挥SGSN Pool的组网优势。

4.3 SGSN Pool的扩容、分裂以及重组
  根据前面所述的SGSN Pool 的容量规划原则，当SGSN的容量低于规划容量时，扩容SGSN容量；当SGSN达到规划容量，而低于Pool的规划容量时，增加SGSN 的数量；当超过Pool的规划容量时，则应当进行Pool的分裂；而当需要进行Pool的调整、网元的搬迁时，则需要进行Pool的重组。SGSN Pool的扩容、分裂以及重组，应保证Pool的地域连续性，尽量减小对现网的影响，尽量不增加运维的复杂度，并充分发挥SGSN Pool的优越性。

5 结语
  SGSN Pool的引入优势明显：除了具备强大的容灾能力，同时还带来了诸如负荷分担、减少局间位置更新次数、提高容量利用等优点。
  SGSN Pool组网，NRI的规划是关键，在规划初期就应立足于全网的角度进行考虑NRI的设置问题，建议采用统一规划的方式。
  综上所述，SGSN Pool的组网规划是个复杂的系统工程，需要从投资、运维、实施等多方面综合考虑，尽量减少对现网的影响和对将来网络的调整，需要长期的探索实践来进行丰富和优化。

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