JP7261759B2

JP7261759B2 - 移動通信ネットワークにおけるプレーン間の死活監視方法、ｐｇｗ－ｃ及びプログラム

Info

Publication number: JP7261759B2
Application number: JP2020035346A
Authority: JP
Inventors: 知幸長野
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: JP2021141374A

Description

本発明は、移動通信ネットワークにおけるＣ(Control)プレーン及びＵ(User)プレーン間の死活監視の技術に関する。

移動通信ネットワークは、ＥＰＣ(Evolved Packet Core)及びＩＭＳ(IP Multimedia Subsystem)（又はＡＦ(Application Function)）によって仮想化基盤上に構築されている。ＵＥ(User Equipment、移動携帯端末)は、無線を介して複数のｅＮＢ(evolved Node B、基地局)と通信する。ＵＥは、ｅＮＢを介してＥＰＣに接続し、ＩＭＳ及びトランスポートネットワーク（インターネット）と通信する。
ＩＭＳは、３ＧＰＰ(3rd Generation Partnership Project)で標準化されたサービス制御方式であり、次世代携帯電話ネットワーク又はＮＧＮ(Next Generation Network)を実現する。これによって、固定網及び移動網が統合され、全ての端末に対してオールＩＰ化を提供する。

図１は、従来技術における移動通信ネットワークのシステム構成図である。

図１によれば、ＥＰＣは、複数のｅＮＢを収容するべく、ＭＭＥ(Mobility Management Entity)４、ＳＧＷ(Serving-Gateway)２、ＰＧＷ(Proxy-Gateway)１、ＰＣＲＦ(Policy and Charging Rules Function)３及びＨＳＳ(Home Subscriber Server、加入者サーバ)５によって構成される。
ＭＭＥ４は、コアネットワーク制御装置であって、ＵＥの移動管理と、ＨＳＳと連携したＵＥの認証と、ＩＰ(Internet Protocol)伝達経路の設定制御とを実行する。
ＳＧＷ２は、ＭＭＥ４からの制御に基づいてＩＰパケットの伝達制御を実行する。
ＰＧＷ１は、インターネットやＩＭＳなどのＰＤＮ（外部ネットワーク）との接続点となり、ＰＤＮからＵＥ宛のＩＰパケットを全て受信する。
ＰＣＲＦ３は、ＰＧＷ１及びＳＧＷ２での伝達品質制御を実行するための、ＱｏＳ(Quality of Service)、課金方法などのＩＰパケット伝達ポリシを決定する。
これによって、ＵＥは、ｅＮＢ、ＳＧＷ２及びＰＧＷ１を介して、ＩＭＳ及びトランスポートネットワークと通信する。

図１によれば、ＰＧＷ１及びＳＧＷ２は、ＣプレーンとＵプレーンとに分離した「ＣＵＰＳ(Control and User Plane Separation)」アーキテクチャを採用している。Ｃプレーンには、ＰＧＷ－Ｃ１２及びＳＧＷ－Ｃ２２が配置され、Ｕプレーンには、ＰＧＷ－Ｕ１１ａ～ｃ及びＳＧＷ－Ｕ２１が配置されている。１台のＳＧＷ－Ｃ２２は、複数のＰＧＷ－Ｃ１２と接続し、各ＰＧＷ－Ｃ１２も複数のＰＧＷ－Ｕ１１と接続する。

図２は、従来技術におけるＰＧＷ－ＣのＩＰアドレスの管理を表す説明図である。

ＳＧＷ－Ｃ２２は、ユーザＩＤ毎に、ＩＰアドレスと、転送先となるＰＧＷ－Ｃアドレスとを対応付けたセッション情報を保持する。
ＰＧＷ－Ｃ１２は、ユーザＩＤ毎に、ＩＰアドレスと、ＰＧＷ－Ｕアドレス及びＳＧＷ－Ｃアドレスとを対応付けたセッション情報を保持する。
尚、ＰＧＷ－Ｕ１１は、ユーザＩＤ毎に、ＩＰアドレスと、転送先となるＳＧＷ－Ｕアドレスとを対応付けたセッション情報を保持する。

図２からも明らかなとおり、ＳＧＷ－Ｃ２２は、複数のＰＧＷ－Ｕ１１ａ～ｃに対して、１つのＰＧＷ－Ｃ１２のＩＰアドレス#11しか見えていない。これは、ＰＧＷ－Ｃ１２が、ＰＧＷ－Ｕ１１ａ～ｃを全て管理していることに基づく。

図３は、従来技術におけるＰＧＷ－Ｕの障害発生を表すシステム構成図である。

図３によれば、ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｃ１２へ「死活監視メッセージ」を定期的に送信し、ＰＧＷ－Ｃ１２から応答を受信することによって、障害発生無しを確認する。
また、ＰＧＷ－Ｃ１２も、管理下にある複数のＰＧＷ－Ｕ１１ａ～ｃへ、「死活監視メッセージ」を定期的に送信し、各ＰＧＷ－Ｕ１１ａ～ｃから応答を受信することによって、障害発生無しを確認する。

ここで、例えばＰＧＷ－Ｕ１１ａに障害が発生した場合、ＰＧＷ－Ｃ１２は、死活監視によってＰＧＷ－Ｕ１１ａの障害を検知する。
このとき、ＰＧＷ－Ｃ１２は、障害を発生したＰＧＷ－Ｕ１１ａに収容されている全てのＵＥについて、ＵＥ毎の再接続要求を、ＳＧＷ－Ｃ２２へ送信する。ＳＧＷ－Ｃ２２は、これら再接続要求をそれぞれ、ＭＭＥ４を介して、各ＵＥへ送信する。これによって、ＰＧＷ－Ｕ１１ａに収容されていた全てのＵＥへ、正常なＰＧＷ－Ｕに収容するように再接続要求が送信される。

3GPP TS 23.007 Restoration procedures 3GPP TS 23.401 General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access 3GPP TS 23.214 Architecture enhancements for control and user plane separation of EPC nodes 3GPP TS 29.244 Interface between the Control Plane and the User Plane Nodes

前述した図３によれば、ＰＧＷ－Ｃ１２は、障害を発生したＰＧＷ－Ｕ１１に収容されているＵＥの数だけ一斉に、例えば数分に渡って、再接続要求をＳＧＷ－Ｃ２２へ送信し続ける場合がある。
また、ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｃ１２から受信した再接続要求を直ぐに、ＭＭＥ４を介して各ＵＥへ送信しようとする。
更に、再接続要求を受信したＵＥも直ぐに、再接続要求に基づく再接続シーケンスを実行しようとする。
結果的に、ＰＧＷ－Ｕ１１の障害発生は、Ｃプレーンにおけるネットワークに輻輳を生じさせる恐れがある。

このような輻輳回避の解決策の１つとして、ＭＭＥ４が、レート制御機能を搭載する方法が考えられる。これは、ＭＭＥ４が、ＳＧＷ－Ｃ２２から一斉に送信される再接続要求を比較的低いレートで少しずつ、ＵＥへ送信するように制御することをいう。しかしながら、ＰＧＷ－Ｕ１１の障害発生に対して、ＭＭＥ４によるレート制御機能を活用することができず、Ｃプレーンのネットワークの輻輳を回避できない。輻輳を回避するには、ＰＧＷ－Ｃ１２及びＳＧＷ－Ｃ２２に、レート制御機能を新たに搭載しなければならない。Ｃプレーンのネットワークにおける輻輳を解決するために、各ノードにレート制御機能を搭載することは、ネットワーク全体のレートを安易に落とすこととなり、適切ではない。

また、前述した図３によれば、ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｕ１１を死活監視するものではない。そのために、ＰＧＷ－Ｕ１１に障害が発生した場合、ＰＧＷ－Ｃ１２がＰＧＷ－Ｕ１１の障害を検知し、ＰＧＷ－Ｃ１２からＳＧＷ－Ｃ２２へ、収容されているユーザの再接続を依頼する必要がある。このような死活監視の重複化が、ネットワークにおける輻輳の一因となる。

尚、３ＧＰＰのオプション機能として、ＰＧＷ－Ｃ１２からＳＧＷ－Ｃ２２に対して、再接続させたいユーザＩＤを一括で依頼する技術が規定されている。但し、ＭＭＥ、ＳＧＷ、ＰＧＷの全ての設備装置が、このオプション機能をサポートする必要があり、運用管理コストが増大してしまう。

そこで、本発明は、移動通信ネットワークにおける被制御装置の障害発生時に、制御プレーンのネットワークに、再接続シーケンスに基づく輻輳を抑制する死活監視方法、ＰＧＷ－Ｃ及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明によれば、アクセスネットワークを収容するコアネットワークについて、ＳＧＷ(Serving GateWay)－Ｃが、ＰＧＷ(Packet data network Gateway)－Ｃを死活監視すると共に、複数のＰＧＷ－Ｕを死活監視するシステムの死活監視方法であって、
ＰＧＷ－Ｃは、ＰＧＷ－Ｕ毎に、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与しており、
ＳＧＷ－Ｃは、ＰＧＷ－Ｕ毎に付与されたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けて、各ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを送信し、
ＰＧＷ－Ｃは、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信した際に、当該死活監視メッセージを受信したアドレスに対応するＰＧＷ－Ｕへ、死活監視メッセージを送信する
ことを特徴とする。

本発明の死活監視方法における他の実施形態によれば、
ＳＧＷ－Ｃが、ＰＧＷ－Ｃへ、セッション生成要求を送信する第１のステップと、
ＰＧＷ－Ｃが、ＰＧＷ－Ｕを選択し、当該ＰＧＷ－Ｕとの間でセッションを確立する第２のステップと、
ＰＧＷ－Ｃが、セッションを確立した当該ＰＧＷ－Ｕについて、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与する第３のステップと、
ＰＧＷ－Ｃが、当該アドレス含むセッション生成応答を、ＳＧＷ－Ｃへ返信する第４のステップと、
ＳＧＷ－Ｃは、当該セッション生成応答に含まれたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けて、当該ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを送信する第５のステップと
を有することも好ましい。

本発明の死活監視方法における他の実施形態によれば、
第４のステップについて、ＰＧＷ－Ｃは、セッション生成応答のF-TEIDに、当該アドレスを含める
ことも好ましい。

本発明によれば、アクセスネットワークを収容するコアネットワークについて、ＳＧＷ－Ｃから死活監視されると共に、複数のＰＧＷ－Ｕを死活監視するＰＧＷ－Ｃにおいて、
ＰＧＷ－Ｕ毎に、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与しており、
ＳＧＷ－Ｃから、ＰＧＷ－Ｕ毎に付与されたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けた、各ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを受信し、
ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信した際に、当該死活監視メッセージを受信したアドレスに対応するＰＧＷ－Ｕへ、死活監視メッセージを送信する
ことを特徴とする。

本発明によれば、ＳＧＷ－Ｃから死活監視されると共に、複数のＰＧＷ－Ｕを死活監視するＰＧＷ－Ｃに搭載されたコンピュータを機能させるプログラムにおいて、
ＰＧＷ－Ｕ毎に、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与しており、
ＳＧＷ－Ｃから、ＰＧＷ－Ｕ毎に付与されたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けた、各ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを受信し、
ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信した際に、当該死活監視メッセージを受信したアドレスに対応するＰＧＷ－Ｕへ、死活監視メッセージを送信する
ようにコンピュータを機能させることを特徴とする。

本発明の死活監視方法、ＰＧＷ－Ｃ及びプログラムによれば、移動通信ネットワークにおける被制御装置の障害発生時に、制御プレーンのネットワークに、再接続シーケンスに基づく輻輳を抑制することができる。特に、本発明によれば、ＳＧＷ－ＣがＰＧＷ－Ｃを死活監視するという既存のシーケンスを変更することなく、ＳＧＷ－Ｃ及びＭＭＥの既存設備に対して、別途の機能を付加する必要もない。

従来技術における移動通信ネットワークのシステム構成図である。従来技術におけるＰＧＷ－ＣのＩＰアドレスの管理を表す説明図である。従来技術におけるＰＧＷ－Ｕの障害発生を表すシーケンス図である。本発明におけるＰＧＷ－ＣのＩＰアドレスの管理を表す説明図である本発明におけるＰＧＷ－Ｕの障害発生を表すシーケンス図である。本発明における死活監視の具体的なシーケンス図である。

以下では、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図４は、本発明におけるＰＧＷ－ＣのＩＰアドレスの管理を表す説明図である

図４によれば、ＰＧＷ－Ｃ（第２の制御装置）１２は、ＰＧＷ－Ｕ（被制御装置）１１毎に、ＳＧＷ－Ｃ（第１の制御装置）２２に対するアドレスを付与する。
（ＳＧＷ－ＣのＩＰアドレス）（ＰＧＷ－ＣのＩＰアドレス）（ＰＧＷ－Ｕの識別子）
ＩＰ＃００ＩＰ＃１１ＰＧＷ－Ｕ１１ａ
ＩＰ＃１２ＰＧＷ－Ｕ１１ｂ
ＩＰ＃１３ＰＧＷ－Ｕ１１ｃ
即ち、ＰＧＷ－Ｃ１２は、１台のＰＧＷ－Ｃ１２に対して、当該ＰＧＷ－Ｃ１２が収容するＰＧＷ－Ｕ１１の台数分のＩＰアドレスを保持することとなる。
このようにＩＰアドレスを付与する方法は、ＰＧＷ－Ｃとしての装置に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムを実行することによって実現される。

ＰＧＷ－Ｃ１２は、ＳＧＷ－Ｃ２２から、ＰＧＷ－Ｕ１１毎に異なるＰＧＷ－Ｃ１２に見えるようにする。これによって、ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｃ１２の１つのＩＰアドレスに対して死活監視を実行することによって、その先に存在する１つのＰＧＷ－Ｕ１１につなげて死活監視することになる。

前述した従来技術の図２によれば、ＳＧＷ－Ｃ２２からＰＧＷ－Ｃ１２に向けて、同一ＩＰアドレスを共有している。そのために、ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｕ１１をつなげて見ることは全くできない。
これに対し、本発明の図４によれば、ＳＧＷ－Ｃ２２は、１台のＰＧＷ－Ｃ１２に対して、ＰＧＷ－Ｕ１１毎にＰＧＷ－Ｃ１２が複数存在しているように見ることができる。即ち、ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｃ１２を介して各ＰＧＷ－Ｕ１１をつなげて見ることができる。

図５は、本発明におけるＰＧＷ－Ｕの障害発生を表すシーケンス図である。

図５によれば、ＳＧＷ－Ｃ２２は、Health Check Serverとして、ＰＧＷ－Ｃ１２を死活監視する。それと共に、ＰＧＷ－Ｃ１２は、複数のＰＧＷ－Ｕ１１を死活監視する。
ＰＧＷ－Ｃ１２は、ＳＧＷ－Ｃ２２から死活監視メッセージを受信した際に、その受信したＩＰアドレスに対応するＰＧＷ－Ｕ１１へ向けて死活監視メッセージを送信する。ここで、ＰＧＷ－Ｕ１１に障害が発生しており、応答メッセージを受信できなかったとする。このとき、ＰＧＷ－Ｃ１２も、ＳＧＷ－Ｃ２２に対して、応答メッセージを返信しない。これによって、ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｃ１２又はそれにつながるＰＧＷ－Ｕ１１に障害発生有りと認識することができる。

図６は、本発明における死活監視の具体的なシーケンス図である。

（Ｓ１）ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｃ１２へ、セッション生成要求(Session Create Request)を送信する。セッション生成要求には、シーケンス番号及びユーザＩＤが含まれる。
（Ｓ２）ＰＧＷ－Ｃ１２は、ＰＧＷ－Ｕ１１ａを選択し、当該ＰＧＷ－Ｕ１１ａとの間でセッションを確立する。ＰＧＷ－Ｃ１２は、セッション確立要求(Establish Request)を、選択したＰＧＷ－Ｕ１１ａへ送信する。その確立要求には、シーケンス番号及びユーザＩＤが含まれる。これに対し、ＰＧＷ－Ｕ１１ａは、セッションＩＤを生成し、ＰＧＷ－Ｃ１２へ確立応答(Establish Response)を返信する。その確立応答には、シーケンス番号及びセッションＩＤが含まれる。
（Ｓ３）ＰＧＷ－Ｃ１２は、セッションを確立した当該ＰＧＷ－Ｕ１１ａに対して、ＳＧＷ－Ｃ２２から見たアドレス（IP#11）を付与する。
（Ｓ４）ＰＧＷ－Ｃ１２は、当該アドレス（IP#11）含むセッション生成応答(Session Create Response)を、ＳＧＷ－Ｃ２２へ返信する。セッション生成応答のF-TEIDには、当該アドレス（IP#11）が含まれる。
前述したＳ１～Ｓ４を、ＰＧＷ－Ｕ１１ｂ及びＰＧＷ－Ｕ１１ｃに対しても実行する。
（Ｓ５）ＳＧＷ－Ｃ２２は、ＰＧＷ－Ｃ１２のアドレス（IP#11）を死活監視リストに含めて、死活監視シーケンスを実行する。
また、ＳＧＷ－Ｃ２２は、当該セッションに関する処理は全て、ＰＧＷ－Ｕに紐づく同じＩＰアドレスを利用する。その後のセッション削除要求(Session Delete Request)等も、そのＩＰアドレスを用いる。

以上、詳細に説明したように、本発明の死活監視方法、ＰＧＷ－Ｃ及びプログラムによれば、移動通信ネットワークにおける被制御装置の障害発生時に、制御プレーンのネットワークに、再接続シーケンスに基づく輻輳を抑制することができる。特に、本発明によれば、ＳＧＷ－ＣがＰＧＷ－Ｃを死活監視するという既存のシーケンスを変更することなく、ＳＧＷ－Ｃ及びＭＭＥの既存設備に対して、別途の機能を付加する必要もない。

前述した本発明の種々の実施形態について、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。

１ＰＧＷ
１１ＰＧＷ－Ｕ
１２ＰＧＷ－Ｃ
２ＳＧＷ
２１ＳＧＷ－Ｕ
２２ＳＧＷ－Ｃ
３ＰＣＲＦ
４ＭＭＥ
５ＨＳＳ

Claims

アクセスネットワークを収容するコアネットワークについて、ＳＧＷ(Serving GateWay)－Ｃが、ＰＧＷ(Packet data network Gateway)－Ｃを死活監視すると共に、複数のＰＧＷ－Ｕを死活監視するシステムの死活監視方法であって、
ＰＧＷ－Ｃは、ＰＧＷ－Ｕ毎に、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与しており、
ＳＧＷ－Ｃは、ＰＧＷ－Ｕ毎に付与されたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けて、各ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを送信し、
ＰＧＷ－Ｃは、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信した際に、当該死活監視メッセージを受信したアドレスに対応するＰＧＷ－Ｕへ、死活監視メッセージを送信する
ことを特徴とする死活監視方法。
ＳＧＷ－Ｃが、ＰＧＷ－Ｃへ、セッション生成要求を送信する第１のステップと、
ＰＧＷ－Ｃが、ＰＧＷ－Ｕを選択し、当該ＰＧＷ－Ｕとの間でセッションを確立する第２のステップと、
ＰＧＷ－Ｃが、セッションを確立した当該ＰＧＷ－Ｕについて、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与する第３のステップと、
ＰＧＷ－Ｃが、当該アドレス含むセッション生成応答を、ＳＧＷ－Ｃへ返信する第４のステップと、
ＳＧＷ－Ｃは、当該セッション生成応答に含まれたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けて、当該ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを送信する第５のステップと
を有することを特徴とする請求項１に記載の死活監視方法。
第４のステップについて、ＰＧＷ－Ｃは、セッション生成応答のF-TEIDに、当該アドレスを含める
ことを特徴とする請求項２に記載の死活監視方法。
アクセスネットワークを収容するコアネットワークについて、ＳＧＷ－Ｃから死活監視されると共に、複数のＰＧＷ－Ｕを死活監視するＰＧＷ－Ｃにおいて、
ＰＧＷ－Ｕ毎に、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与しており、
ＳＧＷ－Ｃから、ＰＧＷ－Ｕ毎に付与されたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けた、各ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを受信し、
ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信した際に、当該死活監視メッセージを受信したアドレスに対応するＰＧＷ－Ｕへ、死活監視メッセージを送信する
ことを特徴とするＰＧＷ－Ｃ。
ＳＧＷ－Ｃから死活監視されると共に、複数のＰＧＷ－Ｕを死活監視するＰＧＷ－Ｃに搭載されたコンピュータを機能させるプログラムにおいて、
ＰＧＷ－Ｕ毎に、ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信するアドレスを付与しており、
ＳＧＷ－Ｃから、ＰＧＷ－Ｕ毎に付与されたＰＧＷ－Ｃのアドレスへ向けた、各ＰＧＷ－Ｕに対する死活監視メッセージを受信し、
ＳＧＷ－Ｃから死活監視メッセージを受信した際に、当該死活監視メッセージを受信したアドレスに対応するＰＧＷ－Ｕへ、死活監視メッセージを送信する
ようにコンピュータを機能させることを特徴とするＰＧＷ－Ｃのプログラム。