SGSN Pool组网设计及演进趋势分析

【摘 要】针对传统的sgsn组网方式存在容灾能力差、分地域分时段负载不均衡等问题，以四川移动SGSN pool规划建设为背景，对SGSN Pool技术原理及特点进行了分析和阐述，并结合现网实际情况，总结了SGSN Pool规划应遵循的基本原则，提出了详细网络规划方案、创新的参数设计方法，就规划建设中需注意的问题进行了说明。此外，还对SGSN Pool与EPC的关系、技术演进趋势进行了分析。

【关键词】SGSN Pool Iu-Flux NRI

1 背景概述

传统的GPRS组网连接中，由于1个RNC/BSC只能连接到1个SGSN，这种固定的控制关系存在以下诸多问题，不利于网络运维、优化和规划建设。

（1）容灾能力差

在组建SGSN Pool之前，不同的SGSN独立负责自己所管辖区域用户附着及PDP激活请求。一旦某SGSN因故障或其他原因不能提供服务，则其覆盖区域用户将无法使用GPRS业务，即使其他SGSN拥有足够的空闲容量也无法接管故障SGSN。

（2）大城市“潮汐效应”凸显

随着中国城市化进程迅猛发展，形成了多个1 000万人口以上的超级城市，在城市功能分区规划的背景下，办公区域和居住区域分离，在用户使用GPRS业务时形成“潮汐效应”。即上班时间用户集中于办公区域，对办公区域GPRS网络形成集中压力，而居住区网络资源闲置；下班后则产生相反的业务集中情况。

（3）大规模劳务输出引起“春节效应”

除了大城市城域内朝夕人口流动对GPRS网络形成不均衡的网络压力外，部分地域还存在因为春节人口流动导致GPRS网络负载大幅波动。

以四川省为例，该省部分地市由于经济发展水平不高，而人口众多，平时大量富余劳动力外出沿海务工，GPRS网络利用率最低时不及20%，而春节时集中返乡，附着请求逼近容量极限，甚至出现了附着请求超过SGSN容量的情况。

（4）运营商迫切希望提高投资回报率

在全业务运营背景下，各运营商的竞争更趋白热化，导致各运营商主要收入来源“语音业务”资费持续下降，加之用户数量在经过前几年的快速发展后已逐渐稳定，语音业务收入增长趋缓甚至停滞倒逼运营商严控网络建设成本，而更关注“投资回报率”。

为了解决前面提到的“潮汐效应”、“春节效应”，如果简单采用扩容的方法，必然导致大量网络资源闲置，从而降低“投资回报率”，这显然是运营商不愿看到的。

综上所述，由于传统的SGSN组网方式存在容灾能力差、分地域分时段负载不均衡等问题，而运营商为了节省设备投资，希望通过性价比更高的方案来解决以上问题，SGSN Pool就在此背景下应运而生。

2 SGSN Pool技术原理

2.1 基本概念

（1）SGSN Pool的定义

如图1所示，SGSN Pool是指由多个SGSN构成的一个SGSN池，SGSN Pool所覆盖的所有RNC/BSC与池内各SGSN分别连接（即Iu-Flux），由SGSN Pool内所有SGSN共同为其所覆盖的RNC/BSC服务。SGSN与RNC/BSC的对应关系是动态可调的，而非传统的固定控制关系。

图1 SGSN Pool示意图

（2）技术优势

从RNC/BSC侧来看，SGSN Pool是透明的，RNC/BSC只需要整个Pool能够分配1个可用SGSN为其服务即可，不再关心Pool内某个具体SGSN是否可用。这种组网与传统组网相比具有如下优势：

1）实现SGSN网络级的容灾备份，提高网络可靠性；

2）Pool内SGSN实现负荷分担，提升了网络抗冲击能力，提高网络资源利用率，节省投资；

3）减少路由区更新，降低与HLR之间的信令流；

4）减少SGSN间切换，改善用户体验；

5）简化网络规划建设。

2.2 实现原理

（1）负荷分担原理

如图1所示，当MS/UE以IMSI发起业务时，RNC/BSC采用NNSF功能负荷分担算法，根据容量因子（例如SGSN Pool内各有效的SGSN的用户容量的比例）来选择一个有效的SGSN作为MS/UE的服务SGSN。假设SGSN1的有效用户容量为N，SGSN2的有效用户容量为M，则RNC/BSC可以按按N：M的比例，让MS/UE附着到SGSN A和SGSN B上。被选择的SGSN将分配含有本局NRI的P-TMSI给MS/UE。

当然，这里的N：M并不一定是用户容量比，也可以人为设置，这为优化网络资源利用率提供了灵活选择。

（2）路由区更新原理

由于SGSN Pool内的任意一个RNC/BSC均被SGSN Pool内所有的SGSN所服务，所以MS/UE业务过程中在SGSN Pool内移动时，只进行INTRA RAU，不进行INTER RAU。与传统组网相比，这可以减少INTER RAU，从而减少Gn接口消息，减少丢包，从而提高服务质量，改善了用户体验。

（3）容灾原理

举例说明，如图2所示，组Pool前如果BSC 1归属的SGSN A故障，导致BSC 1与SGSN A之间链路中断，BSC 1下的MS在进行路由更新时会失败，无法附着网络。

组Pool后，当SGSN Pool中某SGSN发生故障时，BSC 1识别该SGSN故障后，可以将业务发给SGSN B，由SGSN B提供业务：

1）如果仅仅是BSC 1和SGSN A之间链路中断，SGSN B会执行inter-SGSN RAU；

2）如果是SGSN A因为故障直接退网，则RAU流程因SGSN A环节无法完成而失败，MS将重新向BSC 2发起附着请求，BSC 2将附着请求发给SGSN B，由SGSN B为其服务。

（4）用户迁移原理

用户迁移可以按多种维度进行，包括按用户数量、用户比例，或指定用户（指定RNC/BSC或IMSI）。迁移的过程主要分两种情况：

1）迁移非连接态用户

非连接MS在进行Attach/RAU流程时，SGSN根据SGSN配置迁移数据，判断该MS是否需要进行迁移操作，若要迁移MS，则SGSN在Attach/RAU Accep消息中携带Null-NRI（未指定目的SGSN）或对应SGSN的NRI（指定目的SGSN）的P-TMSI、Non-broadcast RAI和周期路由定时器时长等，实现用户的迁移。

当MS进行周期路由更新时，RNC将根据P-TMSI中的NRI值将MS接入到本Pool区内其它可用SGSN（未指定目的SGSN）或特定的SGSN（指定目的SGSN）。

2）连接态用户

SGSN根据配置迁移数据，判断该MS是否需要进行迁移操作；若要转移MS，SGSN则向MS发送Detach Request消息，Detach类型为re-attach required要求MS重新附着。当MS再次附着时，则采用和第一种情况相同的策略实现对MS的迁移操作。

3 组网设计

3.1 规划原则

在规划过程中，应主要考虑以下原则：

（1）设备功能支持

1）RAN：Gb接口和Iu-PS接口必须IP化，如果在Gb-FR条件下组SGSN Pool，传输资源需求极大，现网实际情况难以满足需求；

2）RNC/BSC：支持Iu-Flex，能提供NNSF（节点选择功能），能按照负载平衡的原则选择SGSN节点；

3）SGSN：组Pool的每个SGSN都应能够提供负荷迁移的功能，能够提供default SGSN的功能。

（2）无线覆盖区域

1）尽量选择覆盖连续的无线区域组Pool，以减少网络切换，充分发挥SGSN Pool在降低接口信令负荷的优势；

2）尽量把覆盖区相同的BSC和RNC放入一个Pool内，充分考虑2G/3G网络组成混合SGSN Pool，以提升2G/3G网络互操作性能，有效缩短2G/3G重选时延，提升系统间切换成功率；

3）SGSN Pool区均覆盖不同的地区或城市，特别是将人口流动规模较大的地市与其他地市混合组网，有效降低“春节效应”。

（3）组网规模

受NRI规划的限制，SGSN Pool内SGSN节点的数量理论最值大为1 024，但Pool内SGSN数量节点过多不利于管理维护，而过少节点的SGSN Pool将降低容灾效果。因此SGSN Pool内SGSN的数量不能过少，也不宜过多。

SGSN Pool组网按照“一步规划分布实施”的原则，在初期规划时，建议组成SGSN Pool的SGSN节点数量不小于3台，SGSN Pool内规划SGSN节点数量以4～8台为宜。目前全国最大规模的SGSN Pool有8个SGSN节点。

（4）容量配置

为节省投资，在进行SGSN Pool的容量配置时一般不考虑单独预留冗余备份容量，而是通过合理规划SGSN Pool的容量（保留适当冗余容量）。当SGSN Pool内任意一台SGSN退服后，SGSN Pool内其余SGSN能够接管该SGSN所承载的业务。

当组Pool的SGSN数量不少于4台时，按照设备平均忙时利用率70%计算，当满足“SGSN Pool内任意（N-1）个SGSN的规划容量和×30%>SGSN Pool内任意SGSN的规划容量×70%”，可以保障Pool内单局点故障时业务可被Pool内其他SGSN网元100%接管。

（5）NRI分配

网络资源标识NRI（Network Resource Identifier）位于P-TMSI的23bit位到14bit位，从23bit位开始使用。其长度（0～10）可选，最大为10bit；长度为0时表示不启用SGSN Pool功能，中国移动建议取定为7bit。

NRI分配具体原则如下：

1）对于SGSN Pool内同一SGSN用户容量过大时，可配置多个NRI；

2）同一SGSN Pool内不同SGSN的NRI值不能相同；相邻的SGSN Pool内SGSN的NRI应避免冲突；

3）省内SGSN Pool的NRI分配：对于未覆盖省际边缘区域的SGSN Pool的NRI省内自行分配，保证省内相邻Pool的NRI不重复；

4）省际边缘SGSN Pool的NRI分配：对于覆盖省际边缘区域的SGSN Pool的NRI前两位（即P-TMSI的23和22bit位）用于区分相邻SGSN Pool的标识，全国按四色原理统一分配，其余bit位省内自行分配，保证省际边缘相邻SGSN Pool的NRI不重复，其中四川P-TMSI的23到22bit位为“00”。

3.2 Pool划分

根据上述原则，建议将四川全省分划分为8个Pool（甘孜、阿坝因未完成Gb口IP化且通管局要求单独管理，故不纳入Pool规划），如表1所示：

表1 Pool规划表Pool

编号 覆盖区域 是否

省边界 Pool内SGSN数 SGSN

厂家

Pool 1 成都市区 否 4 华为

Pool 2 成都市区 否 5 华为

Pool 3 成都郊县 否 6 华为

Pool 4 川东：达州、广安 是 4 爱立信

Pool 5 川东：南充、巴中、

遂宁 是 4 爱立信

Pool 6 川北：德阳、绵阳、

广元 是 6 爱立信

Pool 7 川西：凉山、攀枝花、西昌、乐山、眉山 是 5 爱立信

Pool 8 川南：内江、宜宾、泸州、资阳、自贡 是 5 华为

3.3 参数规划

SGSN Pool规划的核心网侧参数包括NRI、Null NRI、CN ID和容量因子等，无线侧参数包括Non-broadcast RAI、NSE等，本文就核心网侧参数规划方法进行分析和介绍。

（1）NRI

由于单Pool内SGSN节点不超过8个，仅需3bit即可标识，因此在NRI分规划时可将其划分为两部分：4bit的Pool位+3bit的SGSN位。其中SGSN位用于标识Pool内SGSN节点，Pool位用于区分不同SGSN Pool。将NRI分为两段独立规划，可以提高规划的灵活性和便利性。根据这样的思路，Pool位规划步骤如下：

1）省边界Pool NRI

确定省边界Pool（Pool 4～Pool 8）NRI的23和22bit位，取定为00，21和20bit位从小到大依次排列，可排列4个Pool，但是共有5个省际Pool需要排列，必然有2个Pool位重复。因此将Pool 4和Pool 6两个地理位置、无线覆盖不连续的Pool排列重复的Pool位；

2）省内Pool NRI

由于省边界Pool前两位取定为00，省内Pool（Pool 1～Pool 3）只要这2位与之不同，即可保证各NRI与相邻任意省际Pool内的SGSN NRI不会重复，建议取为01，然后将21和20bit位从小到大排列。具体规划如表2所示：

表2 NRI的23到20bit位规划

Pool编号 是否省

边界 23bit 22bit 21bit 20bit

Pool 1 否 0 1 0 0

Pool 2 否 0 1 0 1

Pool 3 否 0 1 1 0

Pool 4 是 0 0 0 0

Pool 5 是 0 0 0 1

Pool 6 是 0 0 0 0

Pool 7 是 0 0 1 0

Pool 8 是 0 0 1 1

NRI前4bit的Pool位规划好后，后3bit的SGSN位只需在000 ～111间按序连续排列即可。

（2）Null NRI

Null NRI与普通的NRI统一编码，在用户迁移过程中用于指示RNC/BSC为MS/UE重新选择一个服务的SGSN。Null NRI不用于Pool中的任何SGSN分配P-TMSI，仅在SGSN Pool内进行负荷迁移的处理中，用于指示NNSF模块为用户重新选择一个新的SGSN。

Null-NRI只要全网唯一即可，建议取值为1111111。

（3）Global CN ID

SGSN的Global CN ID组成为PLMN+CN ID。在Iu Flex模式下，是RNC用于识别核心网节点的关键参数，在网络规划时需要全网统一规划，必须保证PLMN内部的CN ID全局唯一。1个SGSN配置1个Global CN ID即可。Global CN ID采用本地配置的方式。

Global CN ID的结构：MCC+MNC+CN-Id（XXX）

例：460 00 123，其中X为0～15的BCD码。

运营商目前还没有规范Global CN ID的取值原则，现网一般要求CS域与PS域CN ID不同，规划时需统一考虑。现网各省各运营商CS或PS域节点均不超过200个，可以按以下方案规划：

CS域：460 00 000～460 00 500

PS域：460 00 500～460 00 999

（4）容量因子

在前节中已经提到，SGSN组Pool后，为保证各SGSN容量利用的均衡，可通过RNC/BSC的NNSF功能设置容量因子来均衡各SGSN的负载，这里存在两种方案。

方案一：对同一SGSN Pool内各SGSN以及SGSN对应的GGSN进行容量均衡，使各SGSN、GGSN容量基本相同，Pool内各SGSN容量因子按1：1设置，即轮询方式。这种方式可以保证各节点设备容量相同、负载相同、利用率一致；

方案二：根据Pool内各SGSN容量大小设定容量因子，例如Pool内有2套SGSN，容量分别为N和M，则在Pool覆盖的各RNC/BSC上设置容量因子为N：M。该方案保证容量大的SGSN承担更多业务，容量小的SGSN承担更少的业务，达到各节点利用率均衡的效果。

方案一容灾、负载均衡效果最佳，但对现网调整多，实施难度较大；方案二实施容易，对现网影响较小，但诺西的无线侧设备不支持该方案。

4 结束语

EPC（Evolved Packet Core）作为LTE网络的核心网，是在2G/3G分组域核心网基础上演进而来，运营商在部署EPC的初期，一般会独立建网，以减少对现网2G/3G业务的影响。2012年底四川移动在成都部署了EPC实验网，就采用了独立建网的模式。但由于独立的EPC网络无法支持UE在2G/3G和LTE之间的迁移，一般只用于友好用户试验。因此，现有GPRS核心网与EPC融合组网是运营商的现实之选，目前中国移动也倾向在LTE扩大规模建设的过程中采用融合组网。GPRS核心网与EPC融合组网示意图如图3所示。

GPRS核心网与EPC融合组网的最终趋势是SGSN/MME、GGSN/SGW/PGW全融合，SGSN Pool也将逐步演变成SGSN/MME、GGSN/SGW/PGW分别组成Pool，实现Pool内资源的负荷分担和容灾备份。

这样的融合过程将是漫长的，因为现网部分老平台的SGSN/GGSN可能不具备升级支持EPC的能力，或功能虽然支持，但性能无法满足。不过，为了保护现有2G/3G分组域核心网设备投资，运营商大多会通过网改、换代等手段使现网SGSN/GGSN逐步具备与MME、SGW/PGW共平台、共接入的能力。

参考文献：

[1] 3GPP TS 23.236. Intra-domain Connection of Radio Access Network（RAN） Nodes to Multiple Core Network（CN） Nodes[S]. 2004.

[2] 林敏. SGSN Pool技术及其在移动通信网总的应用探讨[J]. 广东通信技术， 2010（7）.

[3] 冯征，吕红卫. EPC与2G/TD分组域融合组网探讨[J]. 移动通信， 2011（19）： 11-16.

[4] 中国移动通信集团公司. 中国移动SGSN Pool总体技术要求[Z].

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