浅析移动核心网MSC容灾技术发展

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广州杰赛科技股份有限公司 朱雪平 毕永刚 中国联合网络通信有限公司内蒙古分公司 袁景

摘要：针对移动核心网MSC，介绍了从最初的设备级容灾到MSC POOL等不同时期的容灾技术。同时分析了各种容灾技术的优缺点，可以帮助在实际工程中选取最佳的容灾技术，提升网络的安全性。

关键词：设备级容灾，双归属，MSC POOL

1  引言

MSC(Mobile Switching Center，移动交换中心)是完成呼叫连接、过区切换控制、无线信道管理等功能的设备，同时也是移动网与公用电话交换网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)等固定网的接口设备。负责转换所有的移动电话和PSTN、移动电话之间的呼叫。

随着移动通信技术的发展，移动通信网络中核心网设备的安全性越来越受到关注。为防止由于人为操作失误、设备故障、自然灾害等原因而导致的宕机，需要核心网设备提供全方位、立体化备份机制。为进一步保证网络安全性运行、提升网络的可用性，打造安全、稳定、可靠的移动网络，对MSC进行容灾备份是非常必要的。

2  设备级容灾

MSC硬件系统采用单板的备份、负荷分担、冗余配置等可靠性设计方法，并通过优化单板和系统的故障检测/隔离技术来提高系统可维护性。软件系统采用模块化设计，通过专业的容错能力、对故障的监视系统及对故障的合理处理来保证设备的可靠性。

目前多数厂家在交换平台设计和规划时充分考虑了设备基于单板级的容灾，为所有的关键单板设计了冗余备份以此来确保设备的安全稳定运行。

常见的设备单板的冗余备份情况包括：

(1)主要业务接口板采用1+1负荷分担方式实现对单板的热备份。

(2)系统业务处理板采用1+1主备方式实现对单板的实时备份。

(3)业务处理板采用N+1主备方式实现对单板的实时备份。

以上三种冗余备份方式让系统内所有关键单板具备了强大的容灾能力，保证了系统设备的在网安全稳定运行。

3  双归属

3.1  “1+1”备份方案

“1+1”备份方案中，两套MSC Server以主备的方式工作，在正常情况下主用的MSC Server是激活的，完成所有的业务功能，备用MSC Server是主用MSC Server的镜像。当主用MSC Server出现故障时，所有的MGW重新注册到备用MSC Server上，备用MSC Server激活业务数据接管后续业务。待主用MSC Server恢复正常后，业务从备用MSC Server倒回，如图1所示：

图1  “1+1”备份方案

3.2  “1+1”互助方案

“1+1”互助方案中，两套MSC Server没有主用与备用之分，每台MSC Server既是主用也是另外一台主用MSC Server的容灾MSC Server。在正常情况下两台MSC Server都承担各自的话务，当其中一方发生故障后，另一方会激活对方在本MSC Server上配置的业务数据，接管故障MSC Server上的业务。当都正常时可以利用冗余部分的处理能力应对节日话务尖峰的冲击，如图2所示：

图2  “1+1”互助方案

3.3  “N+1”备份方案

“N+1”备份方案中，其中1个备份MSC Server作为其他N个MSC Server的冗余备份系统。N个MSC Server是激活的，另一个MSC Server完全处于备份状态。在正常情况下备份MSC Server不处理话务，当某一主用MSC Server故障后，相应的业务数据会在备份MSC Server上激活，备用MSC Server接管其后续的话务，如图3所示：

图3  “N+1”备份方案

3.4  “N+1”互助方案

“N+1”互助方案中，其中1个互助MSC Server作为其他N个MSC Server冗余备份系统。正常情况下所有MSC Server各自处理所辖业务。当某一主用MSC Server故障后，相应的业务数据会在互助MSC Server上激活，互助MSC Server处理自己所辖业务的同时接管其故障MSC Server后续的话务，如图4所示：

图4  “N+1”互助方案

3.5  注意问题

在工程设计中，容灾方式确定之后要注意以下问题：

(1)备份/互助MSC Server只能接管1个主用MSC Server的业务。

(2)发生归属倒换，原主用MSC Server的呼叫将全部中断，原主用MSC Server上的没有及时吐出的话单将丢失。

(3)因VLR数据不备份，倒换后在原主用MSC Server用户的VLR数据，在新激活的MSC Server中为空。当这批用户第一次做主叫时MSC会回拒绝消息，强迫手机位置更新，第二次做主叫即可正常通话。

(4)1+1备份方案、1+1互助方案中每2台MSC Server互为实时热备份，发生故障时互备的MSC Server可以接管故障MSC Server下所有的MGW，容灾效果最好，但设备建设容量为实际需求容量的2倍，相应的投资也最大，且由于1+1互助方案并无统一的国际标准，互助设备必须为同厂商设备，同时扩容时需成对扩容，对后期网络发展会产生一定的制约。但这两种方案可以做到零时间接管网络和业务，实现真正的实时容灾。

(5)N+1备份/互助方案只能在1个MSC Server发生故障的情况下提供容灾服务，容灾效果逊于1+1备份方案和1+1互助方案。

4  MSC POOL

4.1  MSC POOL基本概念

“MSC POOL”在软交换分离架构网元组网时，是指将若干个和BSC/RNC相连的MSC Server放在一个池(POOL)内，组成一个大的服务区域。当新用户进入到MSC POOL的覆盖区域时，RNC/BSC就会按照负载均衡的原则将用户的位置更新，请求随机地分配给池组中的某一个MSC Server，保持池中每个MSC Server的负荷大致相当。POOL中所有的MSC Server之间都是互为备份的。如果其中任何一个发生了故障，马上会被MSC POOL中其它MSC Server接管，实现了真正意义上的自动、实时冗余安全保障机制。其结构如图5所示：

图5  MSC POOL网络结构

4.2  MSC POOL关键技术

(1)NRI

NRI是网络资源标识(Network Resource Identifier)，用于标识服务于一个特定MS/UE的MSC节点，一个NRI值在MSC POOL内唯一对应一个MSC。

(2)虚拟MGW

正常情况下，一个MGW只被一个MSC Server控制。但是可以把一个MGW划分为多个虚拟MGW，每个虚拟MGW可以被不同的MSC Server控制。通过虚拟MGW技术，可以实现一个物理的MGW多上联至不同的MSC Server。


(3)A/Iu-Flex

A/Iu-Flex指的是同一个域(CS/PS)内的一个BSC/RNC节点可以与多个CN节点进行连接。通过A/Iu-Flex技术，可以实现一个物理的BSC/RNC多上联至不同的CN节点。

(4)NNSF

由于一个BSC与MSC POOL内的多个MSC相连接，所以当该BSC下的MS发起业务时，需要BSC(或MGW)为该MS发起的业务选择一个服务的MSC；BSC(或MGW)为MS选择服务MSC的功能即为NNSF(非接入层节点选择功能)。

4.3  MSC POOL的优势

(1)MSC POOL内资源共享、负荷分担

避免网络资源的不均衡利用，提高了投资利用率，增强了对突发的话务高峰、节假日和大型活动等情况下网络的抗冲击能力。

(2)MSC POOL提供了网络级自动实时冗余备份机制

如果其中任何一个发生了故障，马上会被MSC POOL中其它MSC Server接管，实现了真正意义上的自动、实时冗余安全保障机制。

(3)MSC POOL内漫游不改变归属MSC

在POOL组内不会产生位置更新和局间切换，减少了MSC和HLR的系统信令开销，从而降低系统负荷，减轻了核心网信令的开销。

(4)简化网络设计

采用MSC POOL组网，网络规划按需要支持的总的用户话务需求来设计池的容量即可。核心网络的设计和容量需求不再受制于无线覆盖的具体情况，无需考虑某个特定MSC Server的容量匹配和端口限制。

(5)降低运维和扩容难度

MSC POOL技术是使基本不影响业务的网元离线扩容、测试和维护成为可能，大大降低了网络扩容、调整的实施难度。

4.4  MSC POOL的缺点

(1)MSC POOL跨本地网组网的计费

采用MSC POOL方式实现跨本地网组网时，要实现跨本地网计费，不能单纯用MSC-ID方式，需要利用MSC-ID+ LAC号或用虚拟MSC-ID的方式，需要对计费系统进行改造。

(2)全网IP化之前的Nb口电路迂回

如果MGW与关口局间仍采用TDM/汇接局电路，就会带来Nb口电路迂回问题(电路迂回问题：当关口局、T局有呼入的电话时，T局或关口局会根据电路分配的比例路由至N个MGW，因此选中正确MGW的比例是1/N，当选择到其他MGW时，对应的MSS会将话务路由再指向正确的MGW。因此，会产生一定比例的话务迂回)。如果不引入IP/TDM互通节点，将可能出现局话务迂回问题，只能采用扩容Nb的方式解决。

(3)传输资源的占用

要实现MSC POOL，就要做到每个池中MSC Server和覆盖区中的所有BSC/RNC都有逻辑连接。在未来实现全IP的网络环境下，MSC POOL优势可以得到充分发挥。但在TDM网络部署传统MSC POOL时，无线基站控制器(BSC)必须与POOL内所有交换机保持全互连，需要消耗大量的TDM传输资源。

(4)用户被叫丢失

MSC POOL内某MSC故障后，HLR将无法发送PRN消息到该MSC，此时注册在该故障MSC中的用户无法做被叫。只有等待注册在该故障MSC中的用户主动做了位置更新或做了主叫而注册到MSCPOOL内其他有效的MSC后，才能够做被叫。

目前解决被叫丢失问题有两种方案：一是采用链式备份组网；二是采用集中备份组网方式。

1)链式备份

无专用的备份MSC/VLR，MSC POOL内的每个MSC/VLR均是主用MSC/VLR同时也是其他MSC/VLR的备份MSC/VLR。如图6箭头所示，MSC/VLR1为MSC/VLR3的备份，MSC/VLR2为MSC/VLR1的备份，MSC/VLR3为MSC/VLR2的备份。这种链式备份不是必需的，可以根据网络情况设定。

图6  链式备份方案

2)集中备份

采用专用的集中备份MSC/VLR。集中备份MSC/VLR只承担被叫恢复业务处理，不承担其他的业务处理，如图7所示：

图7  集中备份方案

(5)MSC POOL的运维管理

MSC POOL网络的数据配置需要接入网和核心网两者能够统一操作、协同配合。依据现有网元分布式的管理方式进行POOL级管理，如果仍然以网元为单位进行配置、统计和告警操作，不但在配合上工作量巨大，而且数据量大，易出错，给网络安全带来隐患。

图8  混合组POOL的3种场景 4.5  2G/3G混合组POOL场景介绍 如图8所示，2G/3G混合组POOL分为三种场景： 场景1： 2G BSC和3G RNC都不支持A/Iu-Flex：全部由MGW代理A/Iu-Flex，提供NNSF功能。 场景2： 2G BSC不支持A-Flex，3G RNC支持Iu-Flex：由MGW代理A-Flex提供NNSF功能；RNC因支持Iu-Flex，由RNC提供NNSF功能。 场景3： 2G BSC和3G RNC都支持A/Iu-Flex：由BSC/RNC提供NNSF功能。 5  结束语 MSC设备的容灾，其重要性已经不言而喻，目前设备级容灾厂家已经考虑在设备侧实现。在做网络建设方案规划时，运营商应充分结合各省的实际情况，考虑自身的网络发展规模和厂家实现技术的成熟度和设备技术要求，规划出合理、可实施的核心网容灾组网方案。 作者简介 朱雪平：学士毕业于江西师范大学物理与通信电子工程学院，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，主要从事移动核心网网络规划、设计相关工作。 袁景：学士毕业于华北电力大学，硕士研究生毕业于上海复旦大学，现任职于中国联合网络通信有限公司内蒙古分公司，主要从事网络工程建设工作。 毕永刚：学士毕业于西安邮电学院通信与信息工程学院，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，主要从事移动核心网网络规划、设计相关工作。 参考文献： [1]田辉，康桂霞，李亦农，等.3GPP核心网技术[M].北京：人民邮电出版社，2007. [2]邱巍.MSC POOL组网相关问题分析[J].电信技术，2009(7)：56-59. [3]尼松涛.WCDMA核心网三大容灾技术[J].现代通信，2006(8)：5-9.

《移动通信》2013年第06期