（通信与信息系统专业论文）基于umtssgsn系统的动态负载平衡研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 是建立在w c d m a 技术 基础上由欧洲开发的第三代移动通信系统，完全符合i t u 制定的i m t - 2 0 0 0 标准。 u m t s 核心网结点s g s n ( s e r v i c i n g g p r ss u p p o r tn o d e ) 是信令实体，也是业务 处理实体，要处理l o 万用户大量的信令和分组业务数据，同时对高可用性，可扩 展性，可维护性和容错性等方面也有很高的要求 忙是在这个背景下，u m t s - s g s n 系统的分布式设计就是自然而然的事情。7 。 在进行u m t s s g s n 系统的分布式设计时，动态负载平衡是必须要考虑的问 题之一。一般来说，影响动态负载平衡效能的因素主要包括动态负载平衡算法和 网络拓扑等，并且算法处于主导地位。由于u m t s s g s n 系统的网络拓扑相对确 定，所以影响动态负载平衡效能的因素实际上就只有动态负载平衡算法。考虑到 u m t s s g s n 系统对带宽和时延方面的苛刻要求，同时也为了实现方便，本文专门 提出动态集中任务调度算法。此算法属于集中式动态负载平衡算法范畴，但仅仅 涉及任务调度，没有任务迁移。由于没有任务迁移，就不能采用通常的m f l v l c 排 队系统模型来分析动态集中任务调度算法的性能，因此本文提出采用m a r k o v 排队 网络来建模系统。在此系统模型基础上，通过理论推导得出了此算法针对每个用 户只包括一个任务的简单情况下最优n 而且，通过仿真进一步验证了此结论。但 对于每个用户至少包括一个任务的情况还有待继续研究。最后，文中还给出了动 态集中任务调度算法在u m t s s g s n 系统中的具体实现，为今后类似问题的解决 提供了一个有益的尝试。y j 关键词：动态负载平衡，分布式系统，u n i t s s g s n 系统，m a r k o v 排队网络 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t u m t sb a s e do nw c d m a t e c h n o l o g y i st h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mi ne u r o p ea n di s c o m p a t i b l ew i t hi m t - 2 0 0 0s t a n d a r dd e f i n e db yi t u - a sa s i g n a l i n ga n d s e r v i c ee n t i t y s g s ni nt h eu m t s c o r en e t w o r ks h a l ld e a lw i t ham a s so f s i g n a l i n g a n dp a c k e ts e r v i c ed a t ao f10 0 ，0 0 0u s e r s i na d d i t i o n ，h i g h a v a i l a b i l i t y , e x p a n s i b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t y , a n dh i g hf a u l tt o l e r a n c eo f u m t s s g s ns y s t e ma l s oa r e r e q u i r e d s o ，i ti si n v o l u n t a r yo fu m t s s g s n - s y s t e m s d i s t r i b u t e dd e s i g n d y n a m i c l o a d b a l a n c i n gp r o b l e m m u s tb ec o n s i d e r e d d u r i n g u m t s - s g s n s y s t e m s d i s t r i b u t e dd e s i g n i ng e n e r a l ，f a c t o r s a f f e c t i n gd y n a m i c l o a db a l a n c i n g e f f i c i e n c yc o n s i s tm a i n l yo fd y n a m i cl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m sa n d n e t w o r kt o p o l o g y f u r t h e r m o r e ，d y n a m i c l o a d b a l a n c i n ga l g o r i t h m sp l a y ac r i t i c a lr o l ei n a f f e c t i n g d y n a m i cl o a db a l a n c i n ge f f i c i e n c y b e c a u s en e t w o r kt o p o l o g y o fu m t s s g s n s y s t e m i sc e r t a i n a p p r o x i m a t e l y , d y n a m i c l o a d b a l a n c i n ga l g o r i t h m i s o n l y c o n s i d e r e di n p r a c t i c e c o n s i d e r i n g h a r dr e q u i r e m e n to fb a n d w i d t ha n dl a t e n c yo fu m t s s g s n s y s t e m ，a s w e l la si t sc o n v e n i e n c eo ft u r n i n gi n t o r e a l i t y , d y n a m i cc e n t r a l t a s k s s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nt h i sp a p e ri sp r o v i d e d t h i sa l g o r i t h mb e l o n g st oc e n t r a l i z e d l o a d b a l a n c i n gc a t e g o r y ，b u to n l yi n v o l v e st a s ks c h e d u l i n gw i t h o u tt a s km i g r a t i o n f o r m m cq u e u i n gs y s t e mc a n tb eu s e dw i t h o u tt a s km i g r a t i o n ，m a r k o vq u e u i n gn e t w o r k i su s e dt om o d e ls y s t e m b a s e do ns u c hs y s t e mm o d e l ，i ti so b t a i n e dt h r o u g ht h e o r e t i c c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nt h a tt h et h i n go fs i n g l eu s e rw i t ho n et a s ki s o p t i o n a l t h e t h i n go fs i n g l eu s e rw i t hm o r et h a no n et a s kw i l lb er e s e a r c h e di nt h ef u t u r e f i n a l l y , r e a l i z a t i o no f d y n a m i cl o a db a l a n c i n g a l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nt h ee n d o f t h i s p a p e r k e y ：d y n a m i c l o a d b a l a n c i n g ，d i s t r i b u t e ds y s t e m ，u m t s s g s ns y s t e m ，m a r k o v q u e u i n g n e t w o r k n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 11u m t s 核心网概述 近年来，| j 1 于第二代移动通信系统的巨大成功，使得用户数的高速增长与有 限系统容量和有限业务之间的矛盾渐趋明显。为了从根本上缓解此矛盾，功能更 多更强的第三代移动通信系统的商用化进程同益加快。 i t u 对第三代陆地移动通信系统( 本文简称第三代移动通信系统或3 g ) 的基 本要求，即i m t 0 2 0 0 0 标准【1 1 是：在室内、慢速步行及快速移动三种环境下，支持 话音和各种多媒体数据业务( 最高业务速率达2 m b s ) ，实现高质量、高频谱利 用率、低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。 第三代移动通信系统( 符合i m t - 2 0 0 0 标准) 主要由终端( t e + m t ) ，无线接入 网( r a d i oa c c e s sn e t w o r k s ) 年i j 核一l , n ( c o r en e t w o r k s ) 。部分组成，如图1 1 所示。 厂一 j 厂 厂一 j ，八 ；h 移m 动t 台i 无数旧h 龇c n 嗍l _ 恕做。列) 端设稀广1 移动台1 ： j ) 无线接入网广i 核心嗍广i _ 、? ”8 “1 jl r ：l ，j ：l 一一j 一 九线谥ur a n0 n 谥u 图1 1i t m 2 0 0 0 功能子系统和接口示意图 在1 9 9 9 年底，1 t u 通过了i m t - 2 0 0 0 的无线接口技术规范，这标志着第三代移动 通信技术的格局已最终确定，它分为c d m a 和t d m a 两大类共五种技术，其中 主流技术为以下三种c d m a 技术：i ) i m t - 2 0 0 0c d m a d s ，即w c d m a ： 2 ) i m t - 2 0 0 0c d m a - m c ，即c d m a 2 0 0 0 ；3 ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d ，目前包括 t d - s c d m a 和u t r a t d d 等，其中t d s c d m a 是由我国大唐电信提出的技术。 总体来讲，第三代移动通信系统的无线技术主要是c d m a 技术。另外，g s mm a p 和a n s i - 4 1 两类核心网与i m t - 2 0 0 0 的三种主流c d m a 无线接入技术之间对应关 系如图12 所示 2 1 ：虽然一般情况下g s mm a p 核心网对应w c d m a 和c d m a 华中科技大学硕士学位论文 t d d ，a n s i 一4 1 对应c d m a 2 0 0 0 ，但由于目前的标准允许任何无线接口能够同时兼 容两个核心网，这样就可以通过在无线接口上定义相应的兼容协议( 即符合各系 统标准的r a n c n 接口) 来接入不同的核心网。 图l2 核心网与i m t - 2 0 0 0 无线接入技术之问的关系 u m t s 是通用移动通信技术系统( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 的简称，是建立在w c d m a 技术基础上由欧洲丌发的第三代移动通信系统，完全 符合i t u t 制定的i m t - 2 0 0 0 标准。u m t s 无线接入网部分采用u t r a ( u m t s t e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s ) 标准，即其无线接口基于w c d m a 和c d m a t d d 技术， 核心网部分基于g s mm a p 。当前，运营商在酝酿部署u m t s 网络时，都要考虑 2 g 向3 g 平滑过渡的问题。由于无线接口技术发生了革命性的改变，使得无线接 入网部分必须重新设计。同时由图l 、l 可知，无线接入网与核心网之间有个清晰的 界限，因此两者可以独立地演化。考虑到技术、经济和市场发展等因素的影响， 一般是在g s m 的核心网络基础上以渐进的方式演化来实现u m t s 核心网，而不 是像无线接入网部分那样重新设计。 类似于2 5 代g s m 的核心网络结构，u m t s 核心网结构在物理上分为两部分， 一部分是电路( c s ) 域，主要承载语音业务，另一部分是分! f l ( p s ) 域，主要承载分组 数据业务。u m t s 系统的标准化由3 g p p 组织负责，目前已有r e l e a s e 9 9 ，r e l e a s e 4 ， 和r e l e a s e 5 等版本，其中前两个版本已经冻结，而r e l e a s e 5 仍在完善中。为了加 深对目f j r e l e a s e 4 的理解，有必要分析这三个版本的差异： r e l e a s e 9 9 向下兼容g p r s ，能同时支持与b s s 的g b 接口和与u t r a n 的i u 接口，从而同时支持对g p r s 分组数据和u m t s 分组数据的处理。 华中科技大学硕士学位论文 相对于r e l e a s e 9 9 而占，r e l e a s e 4 在各功能实体上几乎没有差别，只是提出 了m s c 的分化，即秉着数据与信令、控制与传输相分离的原则，对电路域 进行了修改，将m s c 分成m s cs e r v e r 和m g w 。 相对于r e l e a s e 4 而言，r e l e a s e 5 的主要变化是引入了i p 多媒体子系统，使 现在的电路、分组交换共存的网络架构向全i p 架构的演变成为可能。同时， 用h s s 代替h l r ，在保存c s 和p s 签约用户信息数据的基础上增加了i m 子系统用户信息数据。另外，还增加了i u 接口上数据和信令的承载方式， 即在r e l e a s e 4 所支持的信令承载方式( a t m 和i po v e r a t m ) 和数据承载方 式( i p o v e r a t m ) 的基础上增加了全i p 方式。 图1 3 1 4 j 是对应r e l e a s e 4 的网络结构和接口图，其中u m t s 分组域中的两个主 要功能实体是s g s n 和g g s n ，其中s g s n 是本文要研究的对象，相关内容将在 后面的章节中作详细介绍。 3 华中科技大学硕士学位论文 台 围国 图1 3u m t sr e l e a s e 4 网络结构和接口图 1 2 针对分布式系统的负载平衡理论 在第二章中将看到u m t s 分组域中s g s n 实体可以设计成分布式系统，因此 将不可避免地会遇到负载平衡问题【6 1 。负载平衡是指分布式系统中负载再分配的过 华中科技大学硕士学位论文 程，其目的是把负载均匀地分配给所有的处理器，从而最小化整个任务的执行时 间和最大化处理器利用率，防止系统中由予负载分布不均匀瓶造成系统性能下降。 影嚷受载平餐效能黝因素主凄包括受载平德算法和婀终拓扑等，这方疆的内容我 们将在第三章详细论述。 舞诿分布式系统就是憨含疆下特薤熬多诗算瓿袋多处璎器系绫：一个分_ 毒式 系统是一些独立的计算机的集合，但是对这个系统的用户来说，系统就像台计 算穰样。上瑟煎定义毽禽了两方瑟煞含义：第一，麸疆释角度来说，每螽计算 机都是自主的；第二，从软件角度来说，用户将整个系统赣作是一台计算机。这 两者都是必需的，袄一不可澍。采爝分布式系统的优点是燕黼易觅的f 3 j ： ( 1 ) 健壮性强 健壮憔是指系统对故障的免疫能力。强一个部件发生故障时，没有采用分布 式终橡豹系统往往不能工僚，但对疰l 多个娥理部 拳组残的分毒式系统以一葶孛分教 的方式相互合作时，通过冗余和重构使系统不会停止工作，即使出了故障，也可 蔽采壤性裁下降瓣办法使系统继续遮霉。 ( 2 ) w 用性和可靠性强 可用馁楚据系统在菜辩麴正在运行静穰率，丽霹靠毪楚指系统在菜段辩闯区 间内不曾出故障的概率。分布式系统由于其具有故障恢复和系统熏构的能力，使 得其可用一陡和可靠性很好。 ( 3 ) 可扩展性好 可扩展性是指肖环境变化时，系统容翁适应，丽不会因此削弱或破坏它的功 筢。当在应爝过程申，若嚣遴抒链熊上熬修改，或功戆上避露修改，或动态鸯耍入， 或拆除某些部件时，分布式系统由于是模块化结构，系统控制又是分布式的，且 蚤释释都怒捡藕合，邃筵荔予维势鞫扩充。 ( 4 ) 高性能 这点主要楚透过分布式系统魏并行箍璃耱力来窝琥静。 5 。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题来源和进展 为了能适时抢占未来3 g 移动通信设备市场的制高点，实施企业支柱产业的扩 张战略，国内某著名通信公司决定和华中科技大学电信系共同承担3 g 设备的开发 和研制课题，希望未来几年能对3 g 系统的一些关键技术进行突破。目前已经对该 系统有了整体的认识，并已取得一些相应的成果。其中本人主要承担3 g 核心网子 系统分组域s g s n 实体会话管理模块的开发工作，并一直持续到2 0 0 3 年。 1 4 研究内容和意义 本文以作者参与开发的u m t s s g s n 系统为背景，首先阐述了此系统的分布 式设计方案，以及采取动态负载平衡算法的必要性，然后从理论模型和仿真的角 度论证了本文所提出的集中任务调度算法可行甚至在特定条件下是最优的，最后 介绍了此算法在u m t s s g n s 系统中的实现，为今后类似问题的解决提供了一次 有益的尝试。本文共分5 章，其内容安排如下： 第一章是绪论，引入了u m t s 核心网和负载平衡理论的基本知识，为以后章 节的内容作了铺垫，并介绍了课题来源以及研究的内容和意义。 第二章在概述u m t s s g s n 系统的基础上，从硬件和软件两个方面分析了 u m t s s g s n 系统的分布式设计方案，进而说明了引入动态负载平衡的必要性。 第三章从动态负载平衡算法、网络拓扑结构等两方面分析了影响动态负载平 衡效能的因素，并总结出算法是影响动态负载平衡效能的最重要因素的结论。 第四章提出了针对u m t s s g s n 系统的m a r k o v 排队网络模型，分析了采用动 态集中任务调度算法的系统性能，并得出了此算法在特定条件下最优的结论。 第五章介绍了u m t s s g s n 系统中动态集中任务调度算法的实现。 华中科技大学硕士学位论文 2u m t s s g s n 的分布式系统方案 2 u m t s s g s n 系统撅述 2 。1 u m t s s g s n 分层弧议 1 u m t s 分组域逻辑结构 在前一章提到u n i t s 核心网分为电路域和分缀域两大块，其c p 分组域逻辑结 均豳如图2 。1 掰示【7 】，涉及鹣功能实体主要旨s g s n ，g g s n ，和h l r ，接口主要 包括l u p s ，g n g p ，g r ，g a ，g i 椁。具体描述如下： 一s i g n a l l i n g 【n 键疽矗c o - - - - - s i g n a l l i n ga n d d a t at r a n s f e ri n t e r f a c e 瓣2 ，lu m t s 分缀域逻瓣结构蕊 s g s n ：g p r s 服务支持结点( s e r v i c i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) ，其主要作用就 是记录移动台的当静位置倍怠，并譬在移动台和g g s n 之闯完成移动分缀数据酶 发送和接收。s g s n 主要完成以下五大功能：网络访问控制功能，分组数据路出和 华中科技大学硕士学位论文 转发功能，移动性管理功能，会话管理功能，以及网络管理功能。 g g s n ：g p r s 网关支持结点( g a t e w a y g p r ss u p p o r tn o d e ) ，是u m t s 核心 网与外部分组网络( p d n ) 之间的边界网关，它既可以看成一个移动通信核心网 节点，也可以看成一个i n t e m e t 节点。g g s n 在g p r s 分组交换和外部数据网络之 间进行协议的转换，为出入3 gp l m n 和外部网络的双向数据提供隧道和安全机 制。 h l r ：归属位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) ，是u m t s 的中央数据库， 用于存储用户的签约信息。 i u p s 接口：是3 gs g s n 同r n s 之间的接口，用户通过此接口实现数据分组 业务的接入，同时s g s n 随时跟踪接入的移动台，并为移动台提供安全功能和接 入控制。对应信令和数据的交互，接口协议栈分为控制平面和用户平面两部分。 6 n o p 接1 3 ：g g s n 通过g n 接1 3 和s g s n 相联，通过g p r s 隧道协议( g t p ) 建立s g s n 和外部网络( x 2 5 或i p ) 之间的隧道，实现m s 和外部数据网的互联。 g r 接口：是连接s g s n 和h l r 的接口，借助于该接口，可以实现在整个服务 区内传输分组数据。g r 接口的主要功能是实现两实体间m s 位置信息和用户签约 数据的交互。当移动用户请求某种特殊服务，或是要修改某些签约数据或签约业 务的参数时，h l r 和s g s n 交换数据。s g s n 通知h l r 移动用户的所在位置， 而h l r 将该移动用户的所有签约数据发送给s g s n 。 g s 接1 2 是连接s g s n 和m s c v l r 之间的接口( 该接1 2 可选) 。通过g s 接口， s g s n 向m s c v l r 发送地址信息，并从m s c v l r 接收寻呼请求，从而在3 g 系 统中实现分组型业务和非分组型业务的关联。除此之外，g s 接口也被用来通过 s g s n 支持部分电路型业务。 g a 接口：是s g s n 或者g g s n 同计费网关功能( c g f ) 之间数据接口，用于 s g s n 或g g s n 收集用户计费数据。 g f g d 接口：g f 为s g s n 同设备表示寄存器e i r 之间的接1 3 。g d 为s g s n 同 s m s g m s c 或s m s i w m s c 之间接口，通过这两个接口，s g s n 实现同e i r 和 华中科技大学硕士学位论文 s m s g m s c 或s m s i w m s c 的信令交互，实现用户设备的管理和用户p s 域的短 信功能。两接口协议栈基本相同。 g e 接嗣：是s g s n 与g s m s c f 之闽的接口，实现分缎交换的c a m e l 控制， g s m s c f 通过g e 接口控制g p r s 会话和个人p d p 上下文，实现分组交换的智能 业务。 g b 接口：是s g s n 和2 5 g 的b s c 之间的接口，用户通过此接口实现数据分 缝簸务蕊接入，嚣辩s g s n 蘧嚣躐踩续入静移魏螽，并菇移动台稳供安全凌戆彝 接入控制。对应信令和数据的交互，接e l 协议栈分为控制平面和用户平面两部分。 与i u p s 撩口相跎，它在底层物理接口和高层协议栈方面都有很多不间之鲶。 g c 接翻：是g g s n 和h l r 之间的接口，它是阿选接 3 1 。g c 接口的功能主要 是为由外部网络发起的( 如p d n ) 到p l m n 钓数据提供路融查询、用户告警、p d p 激潢等。 g i 接口：是g g s n 和外部数据网之间的接口，它为g p r s 用户与外部数据网 震户之闽魏交互提供接日。 2 u m t s s g s n 分偿协议 信令平面的分层协议 在进行会话管理规程时，s g s n 要和移动台等无线接入网侧的设备进行信 令交互，如图2 2 ( a ) 所示，同时也要和g s n 等核心网侧的设备进行信令交互， 如图所示2 2 ( b ) 。下面楚几个主要协议的说明： 拿 华中科技大学硕士学位论文 g m m s m r a n a p s c c p m 3 u a s c t p i p a l l 5 a t m 信令承载 g t p c u d p i p l 2 l 1 ( b ) 图2 2s g s n 信令平面协议栈 g m m s m ：属于信令平面的第三层，即网络层，负责处理与用户的移动 性相关的规程以及与数据路由相关的规程。 r a n a p 7 】：即无线接入网应用协议，用于封装和携带高层( 如g m m s m ) 信令，处理3 g s g s n 和u t r a n 间的信令，以及管理i u 接口上的g t p 链接。 s c c p e “】：属于7 号信令系统中的信令连接控制部分，用于传递各种与电 路无关的信令消息，可以在全球互连的不同7 号信令网之间实现信令的直接传 输。它既支持无连接业务也支持面向连接业务。 m 3 u a ”】：即m t p 3 用户适配协议，实现在i p 层上传送s s 7 - - m t p 3 用户 信令( 如s c c p ) ，为s s 7 协议上层提供到下层的远程访问。这样，信令实体 当中的m t p 3 感觉不到上层s c c p 的存在，而上层也感觉不到m t p 3 是位于本 地还是远端。 s c t p t l 2 1 ：即流控制传输协议，主要是解决在i p 网络的传输层上传送实时 信令数据所遇到的时间敏感性问题。一般地，s c t p 要和s s 7 底层服务相关的 用户适配层( 如m 3 u a ) 一起使用。 数据平面的分层协议 华中科技大学硕士学位论文 在完成会话管理规程中的p d p 上下文激活流程后，数据平面中相应的g t p 隧道已建立起来，移动台和外部数据网之间的分组数据开始传输。其中s g s n 中数据平面的协议如图2 3 1 7 1 所示。 。 g t p ug t p u u d p i p u d p i p a l l 5l 2 a t m l 1 图2 3s g s n 数据平面协议栈 r e l a y ( 转播协议) ：在s g s n 中，r e l a y 在g b 和g n 接口之间转送p d p p d u 。 另外，r e l a y 还应支持分布式结构。 g t pd o ：g p r s 隧道协议，包括g t p c 和g t p u 。由于在一对g s n 节点之 阳j 可能有多条路径，一条路径又可能包含多条g t p 隧道，因此数据的传送处理过 程是：用户数据t - p d u 先用g t p 头封装，组成g p d u ，利用g t p 字头中的t e i d ( t u n n e le n d p o i n ti d e n t i f i e r ) 指示该t - p d u 是在哪一个隧道中传送的。g t p 头用 于定义隧道。g p d u 再用i p 字头封装，m 字头通过d 地址定义该g p d u 是在 哪一条路径中传送的。i p 头用于定义路径。因此t - p d u 通过g t p 实现在g s n 之 间的一条路径上复用传输，由t e i d 进行标识。 2 1 2 会话管理主要规程 会话管理( s e s s i o nm a n a g e m e n t ，简称s m ) 是s g s n 的主要功能之一，它主 要完成分组数据路由的选择和建立，实现分组数据在移动台和外部数据网之间的 透明传输，即在无线接入网和核心网中的透明传输。 华中科技大学硕士学位论文 p d p 上下文即会话管理所需的路由或映射信息驻留在移动台和g s n ( s g s n 和g g s n ) 中，且对应于用户所请求的一种数据服务类型。一个用户最多可以同 时使用1 6 种不同类型的数据服务。 p d p 上下文有两种状态：a c t i v e 和j n a c t i v e 。处于i n a c t i v e 状态时， 和签约用户某个p d p 地址相关的数据业务没有被激活，p d p 上下文不包含任何路 由或映射信息，没有任何数据被传输，并且用户位置的变化不会对它作任何的更 新。处于a c t i v e 状态时，位于m s 、s g s n 和g g s n 中的p d p 上下文被激活， p d p 上下文包含映射和路由信息，从而可以传输m s 和g g s n 间的与特定p d p 地 址相关的p d pp d u s 。仅仅当签约用户的m m 状态是p m m i d l e 或 p m m c o n n e c t e d 时，p d p 状态a c t i v e 一才被允许。针对处于a c t i v e 状态的 p d p 上下文，可以建立i u 接口无线接入承载，也可以不用建立，因此可以说p d p 上下文中所包含信息侧重于核心网。 会话管理所涉及的规程主要有p d p 上下文激活、去活和修改，它们分别对p d p 上下文的状态和所包含信息进行转换和更新。 2 1 2 1 p d p 上下文激活( a c t jv a t j o n ) 流程 当完成此激活流程之后，p d p 上下文就建立起来，即处于a c t i v e 状态，可 以传输用户数据。包括m s 发起和网络发起两种情况。图2 4 是m s 发起的激活流 程： 华中科技大学硕士学位论文 1 a c ti v a l ep 】) p c o rt e x t r c ：q u e s tl 2 c r e a t ep d p c 0 0 t e 一 互c r e a t ep d p c o n t t j m i o 胁。5 5 警譬8 。u p 4 u p d a t ep d pc 0 2 t j u p 竺讣d p c 0 m 三a c t i v a t ep d p c o xt e x ta c c e p t 图2 4p d pc o n t e x ta c t i v a t i o np r o c e d u r ef o ru m t s 步骤如下： “ ( 1 ) m s 发送a c t i v a t ep d pc o n t e x tr e q u e s t 消息给s g s n 。 ( 2 ) s g s n 依据m s 提供的p d pt y p e ( o p t i o n a l ) ，p d pa d d r e s s ( o p t i o n a l ) ，a c c e s sp o i n t n a m e 信息依据一定规则决定是否接受激活请求。若s g s n 由于无法得到g g s n 地址或根据规则判断请求无效，则s g s n 拒绝p d p 上下文激活请求。若g g s n 的地址可以得到，则向g g s n 发送c r e a t ep d pc o n t e x tr e q u e s t 消息，并等待 g g s n 的响应消息c r e a t ep d pc o n t e x tr e s p o n s e 。 ( 3 ) r a b 分派流程完成r a b 建立。 ( 4 ) 万一q o s 属性在( 2 ) 中已下调，则s g s n 发送u p d a t ep d pc o n t e x tr e q u e s t ，把 此下调的q o s 属性通知相关g g s n 。然后g g s n 发送u p d a t ep d pc o n t e x t r e s p o n s e 给s g s n 来证实这新的q o s 属性。 ( 5 ) s g s n 返回a c t i v a t ep d pc o n t e x ta c c e p t _ 给m s 。现在，s g s n 能在g g s n 和 m s 之间路由p d pp d u s ，并开始计费。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 2p d p 上下文修改( m o d i f i c a t i o n ) 流程 在p d p 上下文激活流程期间或p d p 上下文已处于a c t i v e 状态后，可以发起 修改流程修改有关参数，即q o sn e g o t i a t e d ；, p d p a d d r e s s ( 仅出现在g g s n 发起的 修改流程中) 和t f t ( 仅出现在m s 发起的修改流程中) 。 m s 、g g s n 、s g s n 或r n c 都可以发起修改流程，h l r 在”i n s e r t s u b s c r i b e r d a t a p r o c e d u r e ”也可以触发修改流程。图2 5 是m s 发起的修改流程： 图2 5m s i n i t i a t e dp d pc o n t e x tm o d i f i c a t i o np r o c e d u r e ( 1 ) m s 发m o d i f y p d pc o n t e x t r e q u e s t ( t i ，q o sr e q u e s t e d ，t f t ) 消息给s g s n 。q o s r e q u e s t e d 或t f t 或两者可以被加入。q o s r e q u e s t e d 指示了所期望的q o s 信息。 t f t 指示了p d p 上下文中将要被增加或修改或删除的t f t 。 ( 2 ) s g s n 依掘它的能力，当前的负载，和签约q o s 信息可以限制所期望的q o s 信息。s g s n 发u p d a t e p d pc o n t e x t r e q u e s t ( t e i d ，n s a p i ，q o sn e g o t i a t e d ，t f t ) 给g g s n 。如果从s g s n 处收到的协商的q o s 和域t f t 不匹配于正被修改的 p d p 上下文，则g g s n 拒绝u p d a t e p d pc o n t e x t r e q u e s t 。g g s n 操作者配置匹 配的q o s 信息。 ( 3 ) g g s n 依据它的能力和当前的负载可以更一步的限制协商的q o s 。g g s n 保存 协商的q o s ，保存、修改、或删除在t f t 中指示的那个p d p 上下文的t f t ， 并返回u p d a t e p d pc o n t e x t r e s p o n s e ( t e i d ，q o sn e g o t i a t e d ) 消息。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) r a b 分配流程执行无线接入承载修改。 ( 5 ) s g s n 基于协商的q o s 选择r a d i op r i o r i t y 和p a c k e tf l o wi d ，并返回m o d i f y p d pc o n t e x ta c c e p t ( t i q o sn e g o t i a t e d ，r a d i op f i o r i t y , p a c k e tf l o w i d ) 给m s 。 ( 6 ) 注意：如果s g s n 不接收q o sr e q u e s t e d ，则这个流程的2 和3 被跳过，并且 现存的协商的q o s 在4 中被返回到m s 。 2 1 2 3p d p 上下文去活( d e a c t iv a t i o n ) 流程 当完成此去活流程后，p d p 上下文处于i n a c t i v e 状态，用户数据不能被传 输。如果要再进行针对此p d p 地址同服务类型的数据业务，则必须重新发起p d p 上下文激活流程。m s 、g g s n 、s g s n 都可以发起去活程序。图2 6 是m s 发起的 去活流程： 图2 6m si n i t i a t e dp d pc o n t e x td e a c t i v a t i o np r o c e d u r ef o ru m t s ( 2 ) m s 发送d e a c t i v a t ep d p c o n t e x t r e q u e s t ( t i ，t e a r d o w ni n d ) 消息给s g s n ( 3 ) s g s n 发送d e l e t ep d pc o n t e x tr e q u e s t ( t e i d ，n s a p i ，t e a r d o w ni n d ) 消息给 g g s n 。g g s n 移去相应的p d p 上下文，同时发响应消息d e l e t ep d pc o n t e x t 。 ( 4 ) s g s n 返回请求接受消息d e a c t i v a t ep d p c o n t e x t a c c e p t ( t i ) 给m s 。 ( 5 ) r a b 分配流程完成无线接入承载的释放。 华中科技大学硕士学位论文 2 2u m t s - s g s n 硬件平台 正如前面所介绍的，u m t s s g s n 系统既是信令实体也是业务处理实体，要同 时处理1 0 万用户大量的信令和分组业务数据。另外，由于电信行业的特殊性，使 得对电信设备的高可用性、可扩展性、可维护性和容错性等方面提出了很高的要 求。j 下是在这个背景下，u m t s s g s n 等电信设备的分布式设计就是自然而然的事 情。在设计u m t s s g n s 系统的分布式方案时，必须同时从硬件和软件两个方面 考虑。下面先分析硬件方面的内容，下一节再对软件方面的内容进行说明。 在对硬件进行选型时，一般要考虑处理器的处理能力和总线结构等因素。在 处理器的处理能力得到保证的前提下，主要考虑性价比。硬件平台结构一般采用 电信级的主流平台，即基于总线架构的工控机平台。由于电信设备如s g s n 的处 理数据量太大，应该采用分布式设计，则背板总线带宽的高低直接影响了分布式 设计所带来的益处。目前，硬件平台中的背板结构主要有两种型式：共享总线型 背板和交换式背板，如图2 7 1 3 1 所示。目前，主流的电信级共享总线型背板是采用 c o m p a c tp c i 总线技术，最大背板带宽为5 2 8 m b p s ，但如果除去总线仲裁等消耗， 真正可用的带宽是1 0 0 m b p s 左右。在交换式背板中线卡到交换阵列的连接是简单 的点到点链路，可以以很高的速率传递数据，并且可以支持多条总线同时传递数 据。但考虑到技术的成熟度等因素，本文所选取的背板采用c o m p a c tp c i 总线技术。 ( a ) 共享总线型背板( b ) 交换式背板 图2 7 共享总线型背板和交换式背板的比较 1 6 葛 剖 华中科技大学硕士学位论文 s g s n 采用松散耦合的多处理机体系结构，整个系统由雾个具有自治能力的板 卡组成，每个板卡都有自己的c p u 、内存和i ，o 设备，每个板卡上都运行v x w o r k s 嵌入式操传系统。s g s n 系绫的硬馋平台采用基于c o m p a c tp c i 总线技术的鸳板结 构。以c p x 8 2 1 6 硬件平台为例，如图2 1 8 所示，挺有1 6 个插槽位( 2 个系统槽 位+ 2 令h s c 攒瘦+ 1 2 令勰 攮搜) ，这秀分毒式设诗提供了较充怒戆物理瓷源。 其中，系统槽位采用m c p 7 5 0 板，起引导、管理和协调整个系统运作的功能；l 禧位采瘸m c p n 7 5 0 援，g p r s 徐议在魏投上运行。捶穰位相互之闻逶过高速 c o m p a c tp c i 总线相连。 。 s g s n 信令平谣的协议栈如g m m s m ，m 3 u s c c p ，r a n a p 等运行在信令板 上，数据乎颡的协议找如甜p u 等运行在数摇板上，且分别采用n + n 和n + i 备 份方式。这壁的信令板和数据板就采用上面的m c p n 7 5 0 椴。在s g s n 系统中， g m m s m 囱于联系密切一般痒为熬传教在疑一块傣令板上，这样可以减少带宽消 耗。而且遵循分布式设计思想，让多块数据板运行间样的g t p u 协议，从而并行 憝瑾移动憋管理会毫毳管理籀关熬缎程。 h v - j 、1 l r 一，一 继令扳 数据投薅令叛 数摆扳 图2 8s g s n 硬件平台框架图 一_ | 7 华中科技大学硕士学位论文 2 3u m t s