VoLTE网络MME容灾恢复方案解析

VoLTE网络MME容灾恢复方案解析

摘要：VoLTE网络中EPC核心网域信令节点MME设备故障时存在VoLTE业务无法自动恢复的问题，本文分析MME故障对网元和对业务的影响，从网络部署角度研究与分析MME故障的容灾恢复方案，从而保障MME故障时VoLTE业务实时快速恢复。关键词：MME，SGW，POOL，NTSR，容灾恢复一、引言第四代移动通信技术提供了高速率的数据业务，同时还提供了高质量的音频视频通话业务，后者是基于支持IMS语音业务的VoLTE网络来实现的。目前中国各大运营商的VoLTE业务进入了商用阶段，4G语音业务形成了双待、CSFB、VoLTE并行发展的格局，目标是最终向VoLTE迁移，因此VoLTE网络质量越发重要，VoLTE网络的容灾恢复能力将直接影响用户的业务体验。4G的VoLTE网络包括EPC、PCC和IMS三个核心网域，其中EPC核心网域的MME设备作为网络业务承载的关键信令节点，从最初的承载传统数据信令业务转变为承载数据加语音信令业务，MME设备故障会导致对数据和语音业务的影响，其中用户对于VoLTE业务影响感知会比数据业务明显，因此VoLTE网络对于MME设备的可用性、可靠性、安全性有了更进一步的要求，如何实现与部署MME设备的容灾恢复功能以保障用户的VoLTE业务体验至关重要。本文主要解析MME在Pool的组网场景下的VoLTE主被叫容灾恢复方案，在MME故障时Pool内其它的MME如何快速接替业务，确保VoLTE主被叫业务快速恢复，实现VoLTE网络MME容灾恢复功能。二、MME故障影响现状2.1MME故障网元影响MME作为信令节点，在VoLTE网络中主要涉及MME与ENB之间的S1接口、MME与SGW之间的S11接口的相关功能，这两个接口出现故障甚至是MME出现整机宕机或者重启故障时，涉及的相关网元都会启动故障检测与处理机制，为后续的业务恢复起到先决条件。MME故障对相关网元的影响主要如下：(1)ENB：当MMEPOOL内某一台MME出现故障时，ENB通过SCTP协议的HeartbeatRequest/HeartbeatAcknowledgement消息判断S1接口故障，ENB触发到故障MME的告警，然后逐个释放故障MME涉及用户的S1连接及RRC资源，用户转为空闲态。(2)SGW：当MMEPOOL内某一台MME出现故障时，SGW通过GTPV2协议的EchoRequest/EchoResponse消息或者通过GTPV2协议的Recovery字段来判断S11接口故障或者MME故障重启，SGW触发到故障MME的告警，然后逐个删除故障MME涉及用户的承载。2.2MME故障业务影响MME作为信令节点，在没有MME容灾恢复功能部署情况下，当MMEPOOL内的任意一台MME故障时，MMEPOOL内的其余MME无法主动接管该MME的VoLTE主被叫业务，从而导致大面积长时间的VoLTE业务阻断，极大的影响了用户的业务感知。MME故障对VoLTE业务的影响主要如下：(1)对于VoLTE主叫业务，当ENB检测到MME故障后，用户转为空闲态，ENB会将用户发起的VoLTE主叫业务的业务请求发送至MMEPOOL内任一可接管业务的MME，由于MMEPOOL内的MME之间不备份用户的数据，接管MME没有用户的数据会拒绝用户的业务请求并指示用户进行重新附着，本次的VoLTE主叫业务流程失败，但触发用户重新发起附着与PDN建立，用户附着到接管MME并重新建立IMS承载则后续VoLTE主叫业务流程成功。因此MME故障对VoLTE主叫业务影响是第一次VoLTE主叫业务失败。(2)对于VoLTE被叫业务，当SGW检测到MME故障后，SGW会逐个删除到该MME的所有承载，如果在删除期间用户出现被叫，SGW收到PGW下发的VoLTE被叫SIP信令消息，由于检测到MME故障，SGW无法将DDN(DownlinkDataNotification)消息发给故障的MME进行处理，如果在删除之后用户出现被叫，用户承载已经全部删除即用户未再注册VoLTE网络，两种情况下VoLTE被叫业务流程均失败。因此MME故障对VoLTE被叫业务影响是被叫用户一直无法感知到VoLTE被叫业务。(3)如果用户在VoLTE主被叫前主动发起其余信令流程，例如TAU、短信发送、数据请求等，将触发用户重新发起附着与PDN建立请求，附着到接管MME并重新建立IMS承载，随后发起的VoLTE主被叫业务将直接成功，在这种情况下，用户将不会存在第一次VoLTE主叫业务失败或者VoLTE被叫无感知的业务影响。三、MME容灾恢复方案3.1MME容灾恢复原理ENB和SGW通过故障检测机制判断MME出现故障后，需要通过有效的网络功能部署来快速解决MME故障对VoLTE业务的影响，保障VoLTE业务恢复使用。在MMEPOOL组网下，VoLTE主叫业务可以由用户主动业务行为触发重新附着从而实现VoLTE主叫业务恢复，VoLTE被叫业务在用户无主动业务行为前无法触发恢复，因此MME容灾恢复功能主要是需要解决VoLTE被叫恢复问题。目前主流厂商主要采用NTSR网络侧触发的服务修复功能(NTSR：Networktriggeredservicerestoration)的MME容灾数据备份解决方案，该方案需要ENB/MME的MMEPOOL功能和MME/SGW的NTSR功能进行配合，可以有效解决VoLTE被叫业务在MME故障情况下受影响的问题，主要体现在如下方面：(1)MME：为了解决VoLTE业务中MMEPOOL内的接管MME没有用户数据影响VoLTE被叫业务实时恢复问题，要求MMEPOOL内MME需要具备NTSR功能，通过增加备份服务器，将MME的用户IMSI和TAList数据进行实时备份，SGW在检测到MME故障时将业务请求发送至接管MME，接管MME通过备份服务器获取IMSI和TAList备份数据来寻呼用户，触发用户重新附着，从而实现用户VoLTE被叫业务的恢复。(2)SGW：为了解决VoLTE业务中SGW无法长时间保留VoLTE用户承载以及无法下发DDN消息影响VoLTE被叫业务实时恢复问题，要求MMEPOOL对接的SGW需要具备NTSR功能，SGW在检测到MME故障的一定周期内能保留指定的VoLTE业务相关的承载类型(即QCI=5的IMS信令承载，该周期一般定义为周期性TAU间隔时长)，并将保留的承载的DDN消息从配置的MMEPOOL中以轮选的方式选择一个可用的MME进行发送，通知接管MME触发寻呼流程，从而实现用户VoLTE被叫业务的恢复。3.2MME容灾恢复配置MME容灾恢复功能需要MMEPOOL功能和NTSR网络侧触发的服务修复功能联合使用，对涉及的ENB、MME、SGW网元的配置要求如表1所示：表1MME容灾恢复网元配置需求网元软件功能硬件功能组网改造ENB默认的MMEPool功能。无默认已启用S1接口的MMEPool组网。MME默认的MMEPool功能，需要功能数。器提供MME容灾数据备份功能用TAList数据。默认已启用S1接口的MMEPool组网，配置MME和备份服务器之间的接口。SGW需要功能数，并配置MMEPool信息保留承载类时间。无无四、MME容灾恢复流程4.1VoLTE主叫恢复流程MME容灾恢复方案对于VoLTE主叫恢复是通过MMEPOOL功能的部署实现的，该功能属于MMEPOOL原有支持功能。MME的VoLTE主叫容灾恢复用于恢复MME节点故障时的用户VoLTE主叫业务，当ENB检测到MME故障时触发主叫恢复流程，选择接管MME，接管MME拒绝用户的业务请求并指示用户进行重新附着，从而实现VoLTE主叫业务实时快速恢复。流程如图1所示，具体流程如下：图1MMEVoLTE主叫恢复流程1)当前用户使用的MME1故障，ENB通过基于SCTP的SCTPHeartbeatRequest/HeartbeatAcknowledgement消息故障检测机制判断出MME1故障；2)如果用户处于连接态，ENB释放连接态用户的S1连接和RRC连接；3)用户从空闲态发起VoLTE主叫业务，触发业务请求发起，该流程也可以是其他主动业务请求触发；ENB根据MME权重配置将业务请求消息送到POOL内的其余一台正常工作的接管MME2；4)由于MME2没有用户数据，拒绝用户的请求，本次的VoLTE主叫业务失败，即用户的首次VoLTE主叫会失败；MME2在拒绝用户请求的时候会下发失败原因“UEidentitycannotbederivedbythenetwork”指示用户随后自动发起附着流程；5)用户重新发起附着流程注册到POOL内的MME2，并重新建立IMS的PDN连接；6)用户重新注册到IMS网络，再次发起的VoLTE主叫业务可正常使用。4.2VoLTE被叫恢复流程MME故障容灾恢复方案对于VoLTE被叫恢复是通过MMEPOOL功能与NTSR网络侧触发的服务修复功能的联合部署实现的，该功能属于新增支持功能。MME的VoLTE被叫容灾恢复用于恢复MME节点故障时的用户VoLTE被叫业务，MME备份IMSI、TAList数据，当SGW检测到MME故障时触发被叫恢复流程，选择接管MME，接管MME从备份服务器获取备份数据，使用IMSI寻呼用户触发用户进行重新附着，实现VoLTE被叫业务实时快速恢复。流程如图2所示，具体流程如下：图2MMEVoLTE被叫恢复流程1)当前用户使用的MME1故障，SGW通过基于GTPV2协议的EchoRequest/EchoResponse消息或者通过GTPV2消息的Recovery字段的故障检测机制判断出MME1故障，SGW配置有NSTR功能，能在一定周期内保留MME1对应的IMS承载(QCI=5)；2)当故障MME1上对应的用户有被叫业务时，该用户的SIP信令消息到达SGW，SGW从数据库中查找该用户，查询到用户的IMS承载(QCI=5)处于被保留状态；3)SGW以轮选方式从MMEPOOL列表中选择正常可用的任意一台MME2，发送下行数据通知(DownlinkDataNotification)消息给MME2；4)MME2检查没有该用户的数据，则MME2去备份服务器上通过IMSI获取用户的备份数据，包含IMSI和TAList：5)MME2使用IMSI及TAList，发起IMSI寻呼流程，该流程指示用户随后自动发起附着流程；6)用户收到IMSI寻呼消息，随后自动重新发起附着流程注册到MME2，并重新建立IMS的PDN连接；7)用户重新注册到IMS网络，再次发起的VoLTE被叫业务可正常使用。五、结束语MME容灾恢复方案通过MMEPOOL功能和NTSR网络侧触发的服务修复功能的联合使用，能有效解决MME在VoLTE网络部署中不具备VoLTE主被叫业务实时恢复的问题。通过MME容灾恢复方案的部署，使用原有的MMEPOOL功能实现了VoLTE主叫业务时的重注册触发，恢复VoLTE主叫业务；使用新增的MME备份功能实现了MME的用户数据备份与提取，并结合MME/SGW的NTSR功能实现了用户的VoLTE被叫业务时的寻呼通知、重注册触发，恢复VoLTE被叫业务。在现网部署使用中，MME容灾恢复方案有效降低了MME故障的业务影响，保障了MME故障时VoLTE主被叫业务的快速恢复，极大提升了用户VoLTE业务感知。参考文献：[1]3GPPTS23.007,Restorationprocedures[S].2017[2]3GPPTS23.401,GeneralPacketRadioService(GPRS)enhancementsforEvolvedUniversalTerrestrialRadioAccessNetwork(E-UTRAN)access[S].2017[3]3