應(yīng)對EPC大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署的挑戰(zhàn)

摘要：在LTE/EPC大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署時，我們需要注意哪些問題和風(fēng)險，以及相關(guān)的解決方案。

目前中國運營商正處于LTE/EPC規(guī)模部署的前夜， 基于中國龐大的用戶基數(shù)，在今后的兩三年內(nèi)，LTE/EPC的使用用戶數(shù)，數(shù)據(jù)流量會變得十分巨大，因此中國的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者需要在網(wǎng)絡(luò)部署初期，研究國外大型運營商的前車之鑒，未雨綢繆，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開銷，提升網(wǎng)絡(luò)安全性。

在Pool的基礎(chǔ)上進一步提高核心網(wǎng)安全性

目前組pool技術(shù)已經(jīng)用在了MSC和SGSN上，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性，在LTE的核心網(wǎng)EPC上，也有類似的MME-pool和SGW-pool技術(shù)，同樣可以起到負荷分擔(dān)，網(wǎng)元之間冗余備份的作用。但是在國外大規(guī)模的LTE商業(yè)部署過程中，我們發(fā)現(xiàn)對于系統(tǒng)安全性，依然有提高的空間。

1.在MME pool的基礎(chǔ)上提高安全性

當(dāng)一個MME宕機時，根據(jù)國際規(guī)范的規(guī)定，該MME上附著的用戶會到pool中的另一個MME上重新進行強制附著。

而附著流程本身包含十分復(fù)雜的信令交互，當(dāng)一個MME宕機時，數(shù)以萬計的用戶在pool內(nèi)的另一個MME上做附著操作，對MME甚至HSS的信令壓力會很大，甚至?xí)�把pool內(nèi)其他原本正常工作的MME擊垮，引發(fā)的雪崩效益導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模癱瘓。

為了應(yīng)對這一問題，上海貝爾創(chuàng)新性地增加一臺小型備份服務(wù)器（SRS），它平時只需收取pool內(nèi)各個MME中附著用戶的動態(tài)數(shù)據(jù)（UE context），即可保留pool內(nèi)所有用戶的信息。

　　有了備份服務(wù)器之后，當(dāng)一個MME宕機時，終端用戶根據(jù)規(guī)范要求，到pool內(nèi)的其他MME上做附著操作，而MME則可以從備份服務(wù)器中（SRS）讀取用戶的動態(tài)信息（UE context），只需要一次消息來回就可以代替很復(fù)雜的附著信令流程，從而大大降低了MME和HSS的瞬時信令壓力，提高網(wǎng)絡(luò)的總體安全性。如下圖所示。

2． 在SGW pool的基礎(chǔ)上提高安全性

對于SAE-GW，除了使用SGW-Pool技術(shù)提高系統(tǒng)的安全性，還可以更進一步，使用SAE-GW的地理冗余技術(shù)。具體解決方案如下圖所示。

　　SAE-GW冗余方案使用了兩種技術(shù)：

VRRP技術(shù)

使用了VRRP技術(shù)，當(dāng)主用的SAE-GW退出服務(wù)時，備用的SAE-GW依舊可以使用主用的IP地址對外通信，繼續(xù)工作，那么周邊的網(wǎng)元（MME，eNodeB）就感知不到SAE-GW網(wǎng)元實體進行了倒換，于是SAE-GW的倒換對周邊網(wǎng)元沒有影響。

Multi-Chassis Synchronization (MCS)技術(shù)

這是上海貝爾獨有的技術(shù)，可以在兩個SAE-GW之間同步LTE用戶的動態(tài)數(shù)據(jù)，備用SAE-GW不停地獲取當(dāng)前的用戶信息，當(dāng)主用設(shè)備退出服務(wù)時，備用設(shè)備已經(jīng)有了相關(guān)的用戶信息，可以很平滑地繼續(xù)提供服務(wù)，于是SAE-GW的倒換對在線用戶也沒有影響。

應(yīng)對信令風(fēng)暴的沖擊

國外運營商在大規(guī)模部署LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)時，都碰到了信令風(fēng)暴的問題，即信令流量的激增，消耗了大量的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源，極端的情況下，過大的信令量會引起系統(tǒng)設(shè)備的癱瘓。

信令的激增主要由以下幾個方面引起：

推送業(yè)務(wù)，VoIP業(yè)務(wù)導(dǎo)致大量尋呼消息。

b.長在線業(yè)務(wù)，小包業(yè)務(wù),M2M業(yè)務(wù)導(dǎo)致大量的無線/核心網(wǎng)鏈路資源的刪創(chuàng)，引發(fā)鏈路控制消息數(shù)目的激增。

c.LTE/EPC的扁平化架構(gòu)，沒有RNC做收斂，MME、GW直接面對成千上萬個eNodeB，它們之間的信令消息幾何級數(shù)地增加。

應(yīng)對信令風(fēng)暴的沖擊，核心網(wǎng)側(cè)可以從以下幾個方面來應(yīng)對。

1. 核心網(wǎng)設(shè)備本身提高健壯性

對于信令處理的主設(shè)備MME，板卡要做到1:1冗余備份，每對板卡之間再做負荷分擔(dān)，這樣才能盡量避免單點故障，整個的系統(tǒng)安全性比N+1板卡備份要高很多。

2. 智能的尋呼策略

尋呼消息是MME發(fā)給eNodeB的，由eNodeB在其覆蓋范圍內(nèi)搜尋相關(guān)的終端，因此會占用eNodeB的無線資源。如果MME發(fā)出的尋呼消息越多，范圍越大，肯定會消耗更多的無線資源，但是尋呼成功率就會高，終端用戶的業(yè)務(wù)體驗就比較好。MME上應(yīng)該提供靈活的尋呼策略，讓運營商在終端用戶的尋呼體驗和網(wǎng)絡(luò)資源的消耗上取得良好的平衡，防止尋呼消息產(chǎn)生的信令風(fēng)暴。

首先對于尋呼的范圍，可以有如下的選擇：

Last Seen eNodeB

Last Seen TA

Last Seen TA + Neighboring TAs (TA List)

Last Seen eNB + (N) eNBs

運營商可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的忙閑狀態(tài)，選擇不同的尋呼范圍：網(wǎng)絡(luò)空閑時可以選擇比較大的范圍，反之則選擇比較小的范圍，防止無線和EPC的過載。

其次對于尋呼的次數(shù)，對第一次尋呼，第二次尋呼，第n次尋呼的范圍，都是可以動態(tài)配置，于是運營商可以根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)的情況進行尋呼參數(shù)的修正，從而在終端用戶的尋呼體驗和網(wǎng)絡(luò)資源的消耗上找到適合的平衡點。

對于不同服務(wù)等級的用戶(比如金銀銅牌用戶)，通常是網(wǎng)絡(luò)側(cè)分配不同的接入帶寬和QoS參數(shù)，但是尋呼的范圍也會直接影響到相關(guān)業(yè)務(wù)體驗，因此尋呼的范圍大小的確定還可以參考EPC承載的QCI參數(shù)（此QCI參數(shù)表明了用戶使用業(yè)務(wù)的相關(guān)QoS特性參數(shù)），于是用戶在業(yè)務(wù)體驗的各個方面都和其服務(wù)等級相匹配，同時也確保網(wǎng)絡(luò)資源向高等級業(yè)務(wù)的傾斜，在網(wǎng)絡(luò)忙時降低對低等級業(yè)務(wù)的資源消耗，從而降低忙時的設(shè)備負荷。

3. 減少位置更新的信令消息

LTE中位置信息可以用Tracking Area來表示，它的概念類似于電路域中的Location Area，但它的覆蓋范圍比較小。如果按照23G的思路，當(dāng)終端進入到新的位置區(qū)域時就發(fā)起位置更新消息，那么在LTE中相應(yīng)的位置更新消息就太多了。因此，3GPP國際標準組織引入了TA list的功能，MME發(fā)送一個Tracking Area的列表給終端，終端記錄下列表中所有的Tracking area，只要它位于列表中任何一個Tracking Area，都不會發(fā)送位置更新消息，只有終端到了列表外的的Tracking area時，才會發(fā)起位置更新（Tracking area update）流程。

如果給用戶分配一個含有很多TA的列表，當(dāng)然可以大大地減少位置更新的次數(shù)，但是也會大致大量的尋呼消息。因此TA list里的Tracking Area要精確地表示終端可能位于的區(qū)域，用戶始終沒有到過的Tracking area盡量不要放在列表中，以防止對這些Tracking area進行無意義的尋呼。因此根據(jù)用戶的歷史運動軌跡推導(dǎo)出一個TA列表，既可以減少位置更新消息，從而減少終端和MME之間的信令消息，減少終端電池的消耗，又不會增加今后尋呼的資源開銷。

對于歷史軌跡，我們舉個簡單的例子，有些用戶由于自身需要會做來回的乒乓運動甚至環(huán)形運動。我們需要探測出這種運動規(guī)律，把環(huán)形運動中所經(jīng)過的TA,即TA(n)，TA(n-1)，TA(n-2)都列入TA list中，這樣的TA list就能真實地反映出終端運動軌跡，更好地減少終端的位置更新的消息次數(shù)。

　　上海貝爾的MME，SAE-GW設(shè)備在國外的大型LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)中有廣泛的應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗。

對于MME設(shè)備，采用板卡間1:1冗余備份，每對板卡之間再做負荷分擔(dān)，盡可能地提高系統(tǒng)安全性。此外還設(shè)計了特有的備份服務(wù)器，在單局出現(xiàn)故障的情況下，保障了業(yè)務(wù)平穩(wěn)地遷移到其他MME上。同時智能尋呼策略，動態(tài)TA list生成策略可以減少信令消息，降低信令風(fēng)暴的沖擊。

對于SAE-GW設(shè)備，采用十分穩(wěn)定的7750路由平臺，板卡間也是采用1:1冗余備份，每對板卡之間做負荷分擔(dān)，系統(tǒng)安全性比N+1備份高出很多。在北美成功商用的SAE-GW地理冗余方案，讓整體系統(tǒng)更加地安全可靠，從容應(yīng)對大網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。

作者：柳晶 上海貝爾股份有限公司