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MSC Pool技术在实际组网中的优势和问题

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摘要

在3GPP R5中（3GPP TS 23.236）规定了核心网控制节点（MSS，SGSN等）以池组方式工作的机制，打破了以往BSC/RNC与MSS之间一对一的控制关系。本文简要阐述了MSC Pool组网技术的原理、组网结构、实现方式、在实际组网中带来的优势，分析了网络实际应用效果以及存在的不足和待解决的问题。

1 MSC Pool原理

MSC Pool技术定义的初衷是为了引入虚拟运营商而制定的，MSC Pool技术既适用于分层网络结构WCDMA系统（MSC Server），也适用于非分层结构GSM系统（传统MSC）。MSC Pool技术在优化网络资源、合理分配话务、提高网络性能、保证网络安全、提高投资利用率等方面的许多优势使得这种组网方式成为未来电信网络发展的重要趋势之一。

在3GPP R99和R4版本中，核心网仍延续了传统的树形网络结构，一个RNC只能被一个核心网节点控制（如MSC-Server），如果核心网节点发生故障，其所管理的RNC就无法正常工作。MSC Pool技术引入了"池区"（Pool Area）的概念，多个核心网节点组成一个区域池。与以往RNC/BSC与MSC一对一的控制关系不同，在MSC Pool内的每个RNC/BSC都可以受控于池内所有的MSC节点，每个MSC节点都同等地服务池区内所有RNC/BSC覆盖的区域，连接到RNC/BSC的终端用户可以注册到池中的任意一个MSC节点。通过引入MSC Pool技术，提供了一种避免点到多点的连接限制，同时达到网络资源共享的手段。图1表示了MSC Pool的组网结构。

图1 MSC Pool原理示意图

2 MSC Pool实现机制

在MSC Pool工作模式中，每个RNC/BSC中都保存了池中每一个MSC Server的能力参数表，这个参数根据每个MSC Server的处理能力确定，并可以由网管人员修改。表1说明MSC-S1/MSC-S2/MSC-S3的处理能力是MSC-S4的2倍。

表1 MSC Server能力参数表

如图2所示，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。同时，这个MSC Server完成位置更新过程并给用户分配一个TMSI，这个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MSC Server节点编号，表明用户已经注册到池中的MSC-Server上。当用户在MSC Pool的服务区域内移动时，将一直由MSC Server为其服务，直到它离开MSC Pool的服务区域。在这期间，用户如果有业务请求，系统将根据请求消息中所带的TMSI中的NRI信息，将话务分配到对应的MSC Server进行处理。

图2 MSC Server选择原理示意图

在这种工作模式下，一个区域池中多个MSC Server节点可以看作是一个大容量的MSC，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，可以减少MSC间的更新、切换和重定位，降低归属位置寄存器(HLR)更新流量。

3 MSC Pool组网方案的优势

3.1 MSC Pool提供了网络级自动实时冗余备份机制

在软交换组网模式下，由于控制和承载分离，如果采用MSC Pool的方式组网，则在一个"池区"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，它所服务的用户一旦有业务请求，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。

3.2 避免网络资源的不均衡利用，提高投资利用率

在传统组网模式下，每个MSC由于服务区地理位置不同、服务的用户行为也不同，话务高峰通常出现在不同时间、不同地点。因此，经常会造成在话务高峰某些MSC因负荷过高而限呼，而某些MSC负荷却很低的情况。MSC Pool的引入，Pool的引入可以均衡不同地区、不同网络时段的话务高峰，如均衡工作区和住宅区在上班、下班后的不同话务峰值，使话务在池内所有节点中动态分配，这样就在很大程度上克服了不同时段、不同地域话务分布不均对网络的冲击。只要合理配置MSC Pool的总容量，单个MSC Server就不会有拥塞的危险。对于突发的话务高峰、节假日和大型活动等也可从容应对，增强了网络的抗冲击能力。

3.3 减轻核心网信令开销，提高核心网络容量

传统组网方式，对于拥有密集人口的发达城市，每个MSC Server的覆盖范围很小，MSC间的位置更新/切换非常频繁。MSC Pool的引入扩大了MSC Server的服务区域，原有的MSC间的位置更新/切换优化为MSC内的位置更新/切换。大大降低了局间切换的次数，减少了MSC和HLR的系统信令开销，相应的MSC，HLR的系统能力可用来处理用户话务，进一步提升了MSC/HLR的处理能力。

3.4 核心网和无线网设计规划相对独立

以往进行核心网网络设计时，要划分各自MSC的服务区，考虑覆盖的不同用户行为进行网络规划设计，按照各自覆盖区最大可能出现的话务来配置各MSC节点的容量。采用MSC Pool组网，网络规划会大大简化，直接按需要支持的总的用户话务需求来设计池的容量即可，用户会被均摊到池内每个MSC Server节点。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，无线网和核心网扩容相对独立，可以实现最优化的无线网络单独规划、分布扩容，无需考虑某个特定MSC Server的容量匹配和端口限制。

3.5 有助于集中化管理，降低运维成本

核心网元的集中化设置和管理是降低运营成本的一个方向。MSC Pool中所有节点具有完全一致的局数据，包括位置区数据、小区数据、RNC/BSC数据等。数据制作和后期维护都比较简单，网管人员可以统一管理池区内的网元，能够有效提高效率，降低运维成本。

4 MSC Pool技术在GSM网络的组网试验及应用效果

为了进一步提升GSM网络性能，提高网络安全可靠性，优化资源配置，提高资源利用率，辽宁移动公司在沈阳地区组织实施了爱立信软交换设备MSC Pool的组网试验。

4.1 组网方案

试验网选取了2个MSC-Server，2个MGW，3个BSC进行组网。GS54覆盖浑南开发区、奥体中心和大学城，GS53覆盖新城子区大学城等。区域选择主要考虑工作区与大学城在白天与晚上忙时的话务均衡以及对奥体中心区域的安全保障，组网示意如图3所示。

图3 沈阳MSC Pool试验网组网示意图

爱立信设备MSC Pool试验方案采用由BSC实现NNSF（非接入层节点选择功能）功能的方式，即由BSC完成为一个移动用户选择服务的MSC Server节点。Pool中所有BSC需要定义Pool内各MSC的容量因子，该因子对应各MSC处理能力的大小。BSC会根据容量因子，确定分配至各个MSC的用户比例，例如Pool内有3个MSC，各MSC的容量因子为4：2：2，则BSC分配到各个MSC的用户比例为50%：25%：25%。

4.2 主要测试内容

测试内容主要包括MSC Pool的特性测试以及与现网的一致性测试、兼容性测试、OSS测试，并观察MSC Pool实施前后网络性能指标的变化。整个测试均在现网实际环境中完成，主要测试项包括：MSC Pool创建，相同容量因子及不同容量因子下MSC的选择功能测试，MSC-SERVER的容灾功能测试，负载重分配功能测试，用户漫游出或漫游入MSC Pool的位置更新及切换测试，虚拟MGW功能测试，Pool内用户之间以及Pool内用户与Pool外用户之间的呼叫及短信业务验证，各种呼叫情况的计费验证。

4.3 主要测试结论

（1）MSC Pool能够起到平衡话务、抵御高峰话务对网络冲击的作用

从MSC Server的CP负荷的分析看，Pool内GS53和GS54 共同分担了BSCE1/BSCI1/BSCI2的话务，在Pool建立前，GS53的CP负荷较高，GS54的CP负荷较低，在Pool建立后两个Server的CP负荷达到了均衡。同时，在大话务量运行的考验下，Pool内CP负荷分布情况与预先设定的容量因子的分配情况完全一致，不会由于某些用户的不可预知的话务行为造成负荷的不均匀现象（见图4）。

图4 TMSI，NRI示意图

从VLR登记用户分析看，GS53和GS54共同分担了Pool内用户，且用户分布情况与预先设定的容量因子的分配情况完全一致（见图5）。

图5 NRI分配示意图

（2）MSC Pool能够实现网络级容灾

通过MSC-S的容灾测试，验证了MSC Pool的实时容灾功能。当触发GS53故障终止服务时，MSC53上登记的用户全部转移到GS54中，并能正常建立各类话务。当GS53恢复工作后，通过负载重分配功能将两个MSC-S中的用户重新均衡分配。

（3）提升网络性能，改善网络指标

通过对MSC Pool实施前后掉话率、位置更新、切换、信令负荷、中继负荷等网络指标的观测看，话务和中继负荷的分布是否与预先设定的容量因子的分配情况相一致，掉话指标无太大变化，由于两个MSC Server的覆盖区域不连续，位置更新、切换的指标改善不明显，但随着Pool无线区域连续扩大，对于以上网络性能的提升特性将会体现的更加明显。

5 现阶段采用MSC Pool组网存在的问题

5.1 传输资源的浪费和对虚拟媒体网关的要求

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网络环境下，MSC Pool优势可以得到充分地发挥。但在目前2G网络中，A接口采用TDM承载方式，如果MGW能够支持虚拟MGW功能，BSC只需和一个物理MGW相连即可，但是如果虚拟MGW的TDM端口不能被共享使用，那么在设置MGW和TDM网的连接时，就需要设置多个中继群（每个虚拟MGW都要设置一个中继群），局数据制作会非常复杂。若要实现容灾备份功能，A接口电路需要配置足够冗余才能保证话务不损失，因此传输资源的浪费在所难免。如果MGW不支持虚拟MGW功能，则需要BSC和Pool内所有MGW进行电路连接，传输资源的浪费会更多。

从原理上讲，虽然MSC Pool功能不需要依赖虚拟MGW功能，但是在R4组网条件下，从工程的角度看，如果能与虚拟MGW配合组网，可以显著降低组网成本，增加网络灵活性。由于多个虚拟MGW实际上是一个物理单元，因此这种方案比BSC与多个MGW相连的方案节省了TDM传输资源。

5.2 呼叫丢失

使用MSC Pool进行容灾时，当MSC-Server发生故障后，必须由用户主动发起位置更新或者主呼后，更新HLR中用户的MSC/VLR数据才能作被叫。在这期间的被叫业务会丢失，用户被叫无法接通。对这种问题有多种解决方案：

（1）对周期性位置更新时间进行合理设置，放弃部分被叫话务；
（2）对HLR进行改造，在HLR中设置备份MSC Server，当主用MSC Server不可达时，由HLR将呼叫转移到备用MSC Server上；
（3）在STP配置备份路由，当主用MSC Server不可达时，STP将被叫信令路由到备份MSC Server处理。

具体采用上述哪种方式处理被叫丢失问题，需要结合用户需求和现网设备能力来确定。

5.3 池组容量和NRI的分配

如图6所示，NRI标识和标识用户的TMSI共享25bit（其中NRI最多10位）。如果NRI的位数越多，则在同一个MSC-Server池中所能容纳的MSC-Server的数量就越多，但同时每个MSC-Server所能服务的用户数就会减少，因此NRI一般取4~5位比较合适，这时每个MSC-Server的最大用户数在100～200万左右。表2表示了NRI位数和单MSC-Server最大容量的关系。

图6 TMSI结构示意图

表2 NRI位数与单MSC-Server最大容量关系表

由于这一限制，每个MSC Pool的最大容量限制在3200万左右用户。在实际组网中，如果每个MSC Pool中节点个数过多，会对局数据制作，网元维护管理带来很大困难。因此，建议当一个MSC PooL中MSC Server的数量（含备份的MSC Server）超过10个时应考虑分裂。

此外，由于Iu-Flex采用NRI算法实施调度，因此相邻两个MSC-S池中的NRI号不能重复。这是因为当某用户从其中一个MSC-S池1漫游到另一个MSC-S池2的时候，本应重新启动调动算法，按照容量将用户重新分配到一个合理的MSC-Server中，但如果两个池的NRI有重复，则原有TMSI中的NRI代表的MSC-Server在新的池中已有存在，因此不会重新启动调动算法，该用户会被直接分配到NRI所标识的MSC-Server上，这样有可能造成池中用户分配不均。为了避免这一情况的发生，在进行网络规划时就应该充分考虑到未来的发展，在相邻MSC-S池中参照无线载频分配的方法合理分配NRI（见图7）。