CN103583063A - 用于地理冗余网关处的故障恢复的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将UE会话从备用SGW或保护节点恢复至可操作地恢复的主SGW或工作节点的方法、系统和装置。

Description

用于地理冗余网关处的故障恢复的系统和方法

相关申请的交叉引用

本发明要求享有2011年3月18日提交的申请号为61/454,328、发明名称为“服务网关中的地理冗余”的美国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用被合并于此。

本发明同时涉及申请号为_____（代理人案号ALU/809348）、发明名称为“用于地理冗余网关的会话弹性的系统和方法”的美国专利申请，以及申请号为______（代理人案号ALU/809350）、发明名称为“用于地理冗余网关会话恢复的系统和方法”的专利申请，上述两个申请的全部内容通过引用被合并于此。

技术领域

本发明一般地涉及管理网络资源，更具体地但并非限制性地涉及与诸如服务网关之类的系统路由相关联的适用操作。

背景技术

无线网络，例如长期演进（LTE）网络，可以包括多组与一个或多个e节点B通信的移动电话或其它用户设备（UE），e节点B与一个或多个服务网关（SGW）通信，一个或多个服务网关与分组数据网络（PDN）网关（PGW）通信，分组数据网络网关与诸如IP多媒体子系统（IMS）接入网之类的固网或核心网通信。此外，LTE网络包括不同的网络单元，如移动管理实体（MME）、策略及计费规则功能（PCRF）、网络管理系统（NMS）等等。

在服务网关与网络中的其他节点失去连接的故障情形下（如：由于网络断开、电源故障、或者甚至基于部分故障的触发行为），备用（backup）SGW必须接管操作。上述操作应以一种智能的方式完成，以避免在满足合理用户/订户期望的持续过程中资源使用出现不合理的高峰。

当主SGW出现故障时，所有去往该故障SGW的数据包被丢弃。另外，MME将会失去与故障SGW相关联的路径管理状态，并且将会需要清除所有的活动会话。这将导致活动的UE通过备用SGW或可替换的SGW与网络重新连接。类似地，PGW将失去到SGW的路径管理状态，并将清除面向IMS子系统（所有UE在PGW上和入网时均为活动的）的会话状态。随着活动UE的重新连接，它们的状态将针对PGW和IMS子系统而被恢复。

然而，由于大多数UE在任何指定的时刻都是空闲的，当主SGW出现故障的时候，MME不会接触到空闲UE以清除它们的会话。这是因为清除UE会话的第一步是寻呼每个空闲UE，这是极其昂贵的。如果空闲UE没有被清除，则网络发起的呼叫无法到达所述UE，这是因为没有网络实体知道所述UE目前位于网络中的什么位置。更进一步地，IMS子系统不能发现IE且没有实体主动激励UE重新标识自身。结果很明显，根据不同的计时器，UE直到一或两个小时均无法被获取。这对用户来说是无法接受的。

发明内容

现有技术中的各种缺陷通过本发明所提出的一种从备用SGW或保护节点恢复UE会话到可操作地被恢复的主SGW或工作节点的方法、系统和装置来解决。

在一个实施例中，提出了一种方法、系统和装置，其响应于确定主SGW已经返回（return）到运行，而同步备用和主SGW之间的至少先前由主SGW支持过的用户设备（UE）的UE会话状态信息；并响应于恢复动作触发，而创建备用和主SGW之间的切换信道，以使得对UE的支持从备用SGW转移至主SGW。

附图说明

通过考虑下面的详细描述并结合附图，可以容易地理解本发明的教导，其中：

图1示出了根据一个实施例的示例性通信系统；

图2示出了用于图1所示通信系统的示例性服务网关（SGW）路由器结构；

图3示出了根据本发明实施例的会话状态备用方法的流程图；

图4示出了根据本发明实施例的会话状态恢复方法的流程图；

图5示出了根据本发明一个实施例的恢复动作方法的流程图；

图6示出了适于执行各个实施例中记载的功能的通用计算机的高层框图。

为便于理解，在可能的情况下，使用了相同的标记来指代附图中共用的相同部件。

具体实施方式

本发明主要描述了在长期演进（LTE）网络中的服务网关（SGW）冗余的情况下，使得活动的和空闲的用户均被从故障SGW转移至备用SGW。

尽管主要描述了在4G LTE无线网络中提供管理和备用功能，但是上述管理和备用功能还可被用于其它类型的无线网络（如2G网络，3G网络，WiMAX等）、有线网络或无线与有线网络的结合中。因此，此处描述的各种与LTE网络相关的网络部件、连接和其它功能实体均可被解释为各种其它类型的无线和有线网络中的相应的网络部件、链路和其它功能实体。

本发明的一部分在于发明人认识到无线网络规模的剧增尤其会导致特定的网络管理问题，现有的解决方案无法妥善解决上述问题。特别地，发明人认识到，现有的解决方案扩展性不佳，并且无法应对用户设备可能处于不同稳定状态（如空闲或活动状态）或处于不同过渡状态（如在呼叫流之间的进展过程中，空闲状态和活动状态间的变动中，从一个e节点B向另一个e节点B的越区切换中，创建专用承载中，破坏PDN会话中等等）的现实情况。更进一步地，用户流量可能流向或来自处于任一进展或过渡状态的用户。

图1图示出了基于本发明实施例的示例性无线通信系统，该无线通信系统包括管理和备用/保护功能。特别地，图1示出了示例性无线通信系统100，其包括多个用户设备（UE）102、长期演进（LTE）网络110、IP网络130、和网络管理系统（NMS）140。LTE网络110支持UE102和IP网络130之间的通信。NMS140被配置为支持对LTE网络的不同的管理功能。LTE网络的配置和操作对本领域技术人员来说是公知的。

示例性UE120是能够接入如LTE网之类的无线网络的无线用户设备。UE120能够支持可支持一个或多个承载会话的控制信令。UE120可能是移动电话、个人数字助理（PDA）、计算机、平板电脑或其它无线用户设备。

示例性LTE网络110包括（如图所示）两个e节点B111₁和111₂（共同用e节点B111表示）、两个服务网关（SGW）112₁和112₂（共同用SGW112表示）、一个分组数据网（PDN）网关113、一个移动管理实体（NME）114、和一个策略及计费规则功能（PCRF）115。e节点B111为UE102提供无线电接入接口。SGW112、PGW113、NME114和PCRF115以及其他为清楚起见而被省略的组件一起协作来向演进型分组核心（EPC）网络提供对使用IP的端到端服务传递的支持。

e节点B111支持UE102的通信。如图1所示，每个e节点B111各支持多个UE102。e节点B111和UE102之间的通信通过使用与每个UE102相关联的LTE-Uu接口而得到支持。

如图所示，SGW112，通过使用SGW112和e节点B111之间各自的S1-u接口来支持e节点B111的通信。S1-u接口在切换过程中支持每一承载用户面隧道和e节点B间的路径转换。

如图1所示，SGW112₁支持e节点B111₁的通信，SGW112₂支持e节点B111₂的通信。在不同的保护/备用实施例中，SGW112₁也能够支持e节点B111₂的通信，且SGW112₂也能够支持e节点B111₁的通信。

如图所示，PGW113，通过使用PGW113和SGW112之间单独的S5/S8接口，来支持SGW112的通信。S5接口提供诸如：用于PGW113和SGW112之间通信的用户面隧道和隧道管理功能、由UE移动性导致的SGW重定位之类的功能。S8接口可以是S5接口的公用陆地移动网络（PLMN）变形，提供PLMN间接口，其用于提供访客PLMN（VPLMN）中的SGW与归属PLMN（HPLMN）中的PGW之间的用户和控制面连接。PGW113通过SGi接口实现LTE网络110和IP网络130间的通信。

MME114提供支持UE102的移动性的移动管理功能。MME114，说明性地，通过使用独立的S1-MMS接口支持e节点B111，该接口提供用于MME114与e节点B111间通信的控制面协议。

PCRF115提供动态管理能力，使得服务提供商可以管理与经由LTE网络110提供的服务相关的规则和与经由LTE网络110提供的服务的计费相关的规则。

如图1所示，LTE网络110的部件通过部件间的接口进行通信。所描述的与LTE网络110相关的接口也可以被称为会话。LTE网络110包括演进型分组系统/解决方案（EPS）。在一个实施例中，EPS包括EPS节点（例如，e节点B111、SGW112、PGW113、MME114、和PCRF115）和与EPS相关的互连（例如，S*接口、G*接口、以及类似接口）。与EPS相关的接口此处可以被称为EPS相关路径。

IP网络130包括一个或多个分组数据网络，通过该网络UE102可以访问内容和服务等。

MS140提供用于管理LTE网络110的管理功能。MS140可以以任何适当的方式与LTE网络110通信。在一个实施例中，例如，MS140可以经由不穿越IP网络130的通信路径141与LTE网络110通信。在另一个实施例中，例如，MS140可以经由IP网络130支持的通信路径142与LTE网络110通信。通信路径141和142可使用任何适当的通信能力来实施。MS140可由如下文参考图10所描述的通用计算设备或专用计算设备实现。

图2图示出适于在图1的通信系统中使用的示例性服务网关（SGW）路由器结构。特别地，图1图示出了像SGW一样操作的路由器200，SGW例如为上文描述的图1中的SGW112。路由器200通过网络110与不同的部件通信（图中未示出），网络110例如为上文描述的图1中的网络110。可以理解本领域技术人员可以在保持SGW基本功能的情况下对此处描述的SGW200的具体拓扑结构作出任意的修改。

SGW200包括多个输入输出（I/O）卡210-1、210-2等等直到210-N（共同地用I/O卡210表示）、交换（switch）结构220和一个控制模块230。控制模块230通过各个控制信号CONT对I/O卡210和交换结构220的操作进行控制。控制模块230还执行各种文中描述的SGW的功能。

每个I/O卡210包括多个进口、出口、控制器等等（图中未示出），I/O卡210在网络110和交换结构220之间传送分组。在I/O卡210的特定进口接收到的分组可能被传送至交换结构220，也可能通过同一个或不同I/O卡210的出口被返回至网络110。通过I/O卡210进行的分组路由根据控制模块230提供的路由数据以标准的方式完成。

交换结构220可能包含任意标准的交换结构，例如，电的、光的、电光的、微机电的等等。

控制模块230接收配置数据、路由数据、策略信息和其它来自网络管理器（图中未示出）的与SGW各种操作和管理功能相关的信息，网络管理器可以是例如上文描述的图1中的网络管理系统（NMS）140。控制模块230还提供配置数据、状态数据、报警数据、性能数据和其它与网络管理器的操作和管理功能相关的信息。

控制模块230包括I/O模块231、处理器232和存储器233。存储器233可包括软件模块、实例化对象等，以提供SGW管理器233SGWM、备用和恢复管理器23BARM、会话数据233SD、路由数据233RD和其它功能/数据233O。控制模块230可以由通用计算设备或专用计算设备来实现，如下文中图6所示。

SGW管理器233SGWM操作以管理不同的服务网关（SGW）被本领域技术人员所公知并进一步描述于此的功能。

备用和恢复管理器23BARM操作以管理备用和恢复功能，该功能在不同的实施例中被描述。例如，该备用和操作功能可能是不同的，这取决于该SGW被用作主或活动SGW、从或备用SGW，还是用作二者均可。一般而言，不同的实施例提出了一些或全部会话相关数据在备用SGW的传输和备用，该数据与由活动的SGW支持的用户的用户设备或移动设备相关联，以致活动和空闲会话的快速恢复可以被提供给这样的用户。

会话数据233SD包括与用户的用户设备和移动设备相关联的会话数据。如果该SGW作为主或活动SGW而操作，则会话数据233SD可能包含支持用户的用户设备或移动设备的信息，该信息来自主或活动SGW。如果该SGW作为从或备用SGW而操作，则会话数据233SD可能包含与一个或多个主或活动SGW相关联的部分会话数据，该主或活动SGW由备用SGW支持。

路由数据233RD包括与SGW处理的分组或流量相关联的路由信息，例如，在SGW基本路由功能下，SGW处理进口接收到的将要被路由至合适出口的数据包或流量。路由数据233RD可以包括路由表、保护或故障恢复信息等等。

其它功能/数据233O包括程序、功能、数据结构等，其可操作地如不同的实施例中描述的SGW操作一样执行各种与标准SGW操作相关的功能，上述功能不能明显地由其他管理或数据实体完成。

备用SGW选择和地理冗余配对

MME可能通过与故障SGW邻近的节点或网络部件被告知SGW的故障。这些邻近节点或网络部件可以通过先前分配的备用SGW、或由MME标识的备用SGW或其他路由方式，独立地进行纠正操作以重新建立连接。

在不同的实施例中，特定的备用SGW在网络内由如网络管理系统(NMS)分配给一个或多个主或活动SGW。选择的备用SGW可以是在地理位置上最接近主或活动SGW的SGW。此外，某些主或活动SGW可能如其它主或活动SGW的备用SGW一样操作。

在不同的实施例中，特定的备用SGW在主或活动SGW出现故障后被选择。在这些实施例中，备用SGW可能基于不同的条件被选择，所述条件包括某些或全部与故障SGW在地理位置上的接近、DNS响应条件、路径管理验证条件、会话加载及各种其它条件。在不同的实施例中，对备用SGW的选择由MME从诸如对特定MME可用的SGW池中选择来完成，该特定MME在该SGW池中的一个发生故障时提供备用SGW。

在一个实施例中，SGW112在地理位置上彼此邻近，以致可以被用作形成SGW的地理冗余对。一般而言，来自特定e节点B111的UE102的流量和数据流通过特定的SGW首先被路由至PGW113，该特定的SGW具有与来自e节点B的语音和数据流量相关的主或工作SGW相同的功能。也就是说，SGW中的一个被配置为工作或主节点，而其它的被配置为保护或备用节点。在正常操作状态下（即，没有故障），工作节点操作以处理如来自多个e节点B的呼叫流和数据流；而保护节点操作以在工作节点发生故障的情况下为工作节点提供被用。

在一个实施例中，第一SGW112₁作为与来自第一e节点B111₁的语音和数据流量相关的主或工作SGW，而第二SGW112₂作为与来自第一e节点B111₁的语音和数据流量相关的从或备用SGW。

在一个实施例中，第二SGW112₂作为与来自第二e节点B111₂的语音和数据流量相关的主或工作SGW来运行，而第一SGW112₁作为与来自第二e节点B111₂的语音和数据流量相关的从或备用SGW来运行。

在一个实施例中，第一和第二SGW112作为与来自它们自己中的一个（或多个）单独的e节点B的语音和数据流量相关的主或工作SGW来运行，并且作为与来自和另一个SGW相关联的一个（或多个）e节点B的语音和数据流量相关的从或备用SGW来运行。

此处讨论的不同的实施例针对快速重新建立会话、语音和数据流量、以及其它各种与响应于主工作SGW故障的UE102相关联的管理信息或环境。特别地，为在SGW之间提供快速和高效的保护/备用功能，不同的实施例提出了几个级别的与用户设备相关联的会话状态信息冗余存储，以在不会显著影响用户体验的情况下就能够快速转移至备用SGW。特别地，会话状态信息冗余使得MME114和PGW113均能为空闲用户UE保持状态信息，以致可快速重新建立会话提升用户体验。

故障处理

在为从已发生故障或正在发生故障的SGW112到备用SGW112（然后在再次可操作时全部或部分转移回主SGW）的UE102和/或e节点B111提供转移支持的情况下，可能无法一直保证用户会话的全部存活能力。然而，此处所讨论的不同实施例通过采用在按需恢复服务的同时保持活动和备用SGW之间的低同步开销的方式，促进了服务的快速恢复。

服务的按需恢复是指备用SGW仅处理要求活动的会话。在活动使用的SGW上，可能有大量的空闲会话不需要立即恢复。一段时候后，这些会话变成活动的，此时，才有必要重新连接那些会话。在这种及时恢复方法中，网络不会承担过重的由不活动的会话带来的信令开销。

低同步开销是指主SGW和它的备用SGW间的数据同步操作、会话状态更新等被保持在最低限度。典型地，针对各种功能（如，跟踪将要变成活动的会话、进入空闲模式或从一个e节点B切换至另一个），活动SGW和MME间存在的很大的流量。这些活动发生的非常频繁以至于在活动和备用SGW之间沟通所有这些变化是非常大的负担。一般而言，不同的实施例中仅认为当发生故障时会话存在于活动的SGW上。

此处描述的不同方法和技术手段提供了一种机制，在该机制中，在主SGW上的用户会话的控制面和数据面均响应于主SGW的故障通过而备用SGW（然后在再次可操作时全部或部分转移回主SGW）被恢复。此处描述的不同实施例的会话恢复机制解决三个部分的问题，即(1)IP地址的存活能力、(2)路径管理的连续性、和(3)会话恢复。

IP地址存活能力是在整个到备用SGW的转移过程中，保证连接到备用SGW的网络部件能持续访问故障SGW的一个或多个IP地址的过程。

在某些实施例中，IP地址生存能力通过使用虚拟IP地址来实现，例如，通过使用VRRP（第二层方法）或任意播IP地址（第三层方法）。

在某些实施例中，IP地址生存能力是通过使得活动和备用SGW发布相同的IP地址来实现的，其中，活动SGW采用高度优选的度量发布该IP地址，而备用SGW采用非优选或“被破坏”的度量来发布该IP地址。在这些实施例中，在发布的IP地址中作出选择的任意网络部件总是会从活动SGW发布的IP地址中选择，这是因为活动SGW发布的IP地址是高度优选的。当活动SGW发生故障且仅有的有效IP地址是备用SGW发布的IP地址时，那么网络部件才会选择备用SGW的所有数据面和控制面流量。

路径管理的连续性是保证网络部件保持通过转移过程到备用SGW的连续性的过程，该网络部件具有到故障SGW的路径管理。在一些实施例中，活动SGW与其它各种网络部件（如，MME，e节点B，PGW）建立周期性的路径管理关联。每个路径管理实例均由在Echo（应答）请求中被发送的重启计数识别。如果计数发生变化，则表明网络部件已经被重启（因为重启或管理操作均会使网络部件宕机和备用）。

当备用SGW接管时，其接收路径管理响应请求并发送Echo回复。另外，备用SGW还发送Echo请求和场Echo回复。对于每一对等端，备用SGW将获知在活动SGW处接收到的重启计数。以这种方式，如果来自一对等端的重启计数器发生改变，那么备用SGW可以清除与该对端相关联的会话作为响应。在不同的实施例中，当备用SGW发送重复请求时，其同时也会发送过去由活动SGW发送的重启计数。以这种方式，活动SGW的对等端不会清除会话。

弹性会话恢复是识别断开或不活动会话并通过备用SGW尽快恢复该被识别的会话的过程。在弹性会话恢复中，活动SGW传递足够的关于每个UE的信息以使备用SGW能恢复与UE会话相关联的控制面和数据面。这意味着备用SGW不仅知道活动SGW的UE，还为这些UE处理控制信息以及为这些UE转发数据面流量。

诸如LTE网络环境下的弹性会话恢复提供UE在10ms内的活动处理时间同时最小化失去主SGW对网络部件造成的影响。非常好的技术手段还提供了主和备用SGW间的低同步开销，不改变空闲UE处理，维持活动和空闲UE的IP地址，以及维持计费会话。

只要在会话上有活动，会话弹性阶段即开始执行。其目的是恢复信息以建立到UE的下行链路。这意味着参与会话信令和维护的网络部件继续坚持会话以使其可以与它们的对等端通信。值得注意的是，UE的会话状态，除了其下行TEID，通常保持不变。实际上，空闲UE会话状态是UE会话状态中相对不变的部分。因此，在使UE处于空闲模式下时，主要的恢复均致力于下行TEID。

当活动SGW发生故障后，所有的流量（无论是数据面还是控制面）均被路由至备用SGW。当数据流达到备用SGW的S5-u接口时，其将到达具有隧道端点标识符（TEID）的隧道，该隧道端点标识符在备用SGW的数据面中被编程（program）。由于UE状态被保持为空闲模式，SGW的正常行为是发送下行数据通知消息以通知MME呼叫UE，以及为UE返回下行TEID（DL TEID）和e节点B。如果UE实际上处于空闲模式，那么MME将寻呼UE并重新建立下行路径。如果UE是活动的，那么MME不需要寻呼UE，但取而代之的是会将目前连接有UE的e节点B的下行TEID提供给SGW。为了使数据到达备用SGW的S1-u接口，上行数据路径已被编程且数据转发已完成。值得注意的是，该操作可用于活动及空闲UE的组合、活动UE以及空闲UE。如上所述，下行链路的返回流量将触发下行数据通知。

如果控制消息到达S5-c接口，则备用SGW将转发该消息。如果MME不发送修改承载请求，那么SGW知道UE处于活动状态，并发送下行数据通知给MME以触发MME发送带有下行TEID的修改承载请求。如果UE是空闲的，那么MME将自动发送修改承载请求。如果来自MME的控制消息送达，则其将UE从空闲中带出（SGW不需要做任何操作），发送空闲模式TAU；或者是需要UE不处于空闲状态的呼叫流程（SGW丢弃该消息并发送下行数据通知，诱发来自MME的修改承载请求）。

在不同的实施例中，活动及备用SGW使用的TEID空间是不相交的以保证在已经在备用SGW上被编程的对象和其正在备用的UE间不会发生冲突。

一般而言，恢复过程使用活动和备用SGW间通信的信息，例如（1）路径管理重启计数和活动SGW每个对端的IP地址；（2）活动SGW所有UE会话状态信息，不同e节点B的下行TEID除外。

图3图示出了根据一个实施例的会话状态备用方法的流程图。该方法包括适于在主SGW中使用的部分和适于在备用SGW如图1-2中描述的SGW112中使用的部分。

一般而言，图3的方法300适于在备用SGW中存储充足的关于由活动SGW支持的UE102的信息，以使得备用SGW能够执行至少有限的动作，例如，识别断开或不活动的会话，以及通过该备用SGW及时恢复上述识别出的会话。活动SGW传送关于每个UE的充足的信息以使得备用SGW能够同时恢复与UE会话相关联的控制面和数据面。以这种方式，参与UE会话信令和维护的各种网络部件将继续查看会话是否是活动的以及是否从而与它们的对等端通信。

在步骤310，为主SGW确定至少一个可选或备用SGW。也就是说，对网络中作为主或活动SGW中的一个或多个SGW来说，至少一个备用SGW被确定。参见框315，备用SGW可以根据位置、配置、能力或其他与主和/或备用SGW相关联的因素来确定。上述确定可以由SGW间的协商给出，该协商可以发生在例如相邻SGW间的发现、配置或优化过程中。上述确定也可以由网络管理器给出，该网络管理器可以是如上文所描述的图1中的网络管理器140。也可以使用其它的实体和/或确定方式。

在不同的实施例中，为主SGW确定可选或备用SGW根据一个或多个如下选择标准自动执行：DNS响应时间、路径管理验证时间、会话加载等。在不同的实施例中，上述标准也可被MME用于为新的呼叫设置选择新的主SGW。

在步骤320，活动和备用SGW根据需要初始化，在SGW间分配主和备用角色，主和备用SGW间的通信被建立，并且至少主SGW开始发布它的IP地址。

参见框325，在步骤320的过程包括某些或全部采用SGW间的通信协议（ISCP）建立SGW间通信信道（ISCC），该通信协议用于传送需要在活动和备用SGW间建立的事件，定义一个或多个将要被使用的IP生存能力机制，定义将要从主SGW传送至备用SGW的相关事件，定义活动SGW将要使用的隧道端点标识(TEID)的范围，共享对等端地址和重启计数器信息等。

在不同的实施例中，在初始化期间，活动SGW对自身进行标识并请求备用SGW的识别。在确认正确配置的SGW间是对等的之后，活动SGW宣布其将起到活动的作用。当协商对等时，活动SGW开始向S1-u、S11、S5-c和S5-u接口发布其IP地址。在正常操作中，活动SGW在S11、S5-c、S5-u和S1-u“拥有”该IP地址。活动SGW还共享其将使用的TEID范围，以使得备用SGW被限制使用该范围。

在不同的实施例中，活动SGW与备用SGW共享SGW的本地重启计数器，其中在SGW的所有协议中仅保持有一个重启计数器。在一些实施例中，活动SGW向每个与其通信的对等端共享对等IP地址和重启计数器对。在这些实施例中，由于对等端周期性地离开（go），活动SGW将此信息传递给备用SGW。该信息在稳定的网络中通常不会改变。

在步骤330，主SGW发送与主SGW支持的移动设备相关联的会话状态信息到至少一个相应的备用SGW。也就是说，当处理与UE相关的消息时，活动SGW为UE标识出会话状态相关事件并将该信息传递给备用SGW。

参见框335，会话状态信息可以按预先设置的时间间隔被发送，例如，在预定的秒数或分钟数后。该会话状态信息也可以在一个或预定个数的相关用户事件发生后被发送。相关用户时间包括，说明性地，创建会话事件、创建承载事件、删除会话事件、和/或删除承载事件。一般而言，用于会话恢复目的的相关用户事件包括任意导致用户会话的创建或破坏的事件，例如下面的例子所给出的：

创建会话事件：当新会话创建的时候，将新的控制TEID分配给面向PGW的S5接口。如果这是UE的第一个会话，那么将新的控制TEID分配给面向MME的S11接口。在创建事件完成的时候，默认承载的数据面TEID也被分配用于流量通过S5-U接口进或出SGW、以及通过S1-u接口从e节点B进入SGW。

创建承载事件：当新的专用承载被创建的时候，新的数据面S5-u TEID被分配用于流量进或出SGW、以及通过S1-u接口进入SGW。

删除会话事件：当会话被删除时，该会话需要从备用SGW删除，并从数据面解除编程。

删除承载事件：当专用承载被删除的时候，承载环境需要从备用SGW删除，并从转发面解除编程。

上述变化发生的频率基于建立/拆除PDN会话及专用承载的频率。然而，这没有到达SGW的修改会话和承载状态的事件那么频繁。状态信息主要包括UE的会话状态，其在整个会话存在过程中不会发生大的改变。

在一些实施例中，为了避免备用SGW对活动SGW确实已发生故障的情况产生错误估计，在几乎没有相关事件的传递的情况下，活动SGW周期性地发送保持活动消息给备用SGW。

在步骤340，由备用SGW支持的一个或多个主SGW发送的会话状态信息被存储在每一个备用SGW中。参见框345，这样的会话状态信息可以包括以下一者或多者：足以指示会话处于活动状态的信息、足以利用活动UE恢复会话的信息、足以利用不活动UE恢复会话的信息、足以为UE会话重新建立控制面和数据面的信息或其它信息。

图4图示出根据一个实施例的会话状态恢复方法的流程图，图4描述的方法400适于在网关作为可选或备用网关运行时使用，例如，在LTE网络中的可替换或备用SGW在其上存储有如上文参考图3中所描述的会话状态信息。

在步骤410，初始化网关，例如作为备用SGW的SGW，其到主SGW的通信路径被建立，说明性地，根据上文描述的图3的方法300。

在步骤420，备用网关接收并存储与活动SGW支持的UE相关的UE状态信息，直到主SGW发生故障的时间被指示出。参见框425，主SGW故障通过明确的故障指示、邻节点存活指示器超时、对等端计数器超时等被指示。这样的指示可能是由于确实有主SGW故障发生或一些其他情况，例如，与主SGW相关联的保持情况，或与主SGW相关联的过载情况。

在步骤430，在主SGW发生故障后，备用网关承担起故障主网关的IP地址和路径管理的责任。在一些实施例中，与故障SGW相关联的UE被保持在空闲状态。参见框435，备用网关采用优选的条件开始发布IP地址，以使得控制面和数据面流量及数据包能被路由至备用网关。

在步骤440，重新确认UE与备用SGW的连接性和会话有效性。也就是说，备用SGW产生不同的控制消息以重新建立或重新确认数据面和控制面UE会话数据是被备用SGW有效支持的。参见框图445，在一些实施例中，重新确认UE的连接性可以通过以下机制来实现：产生供MME恢复S1-u dl路径使用的DDN（IMSI）、促使UE的分离或重新连接操作以恢复UE会话及修复UE、激活之前被迫处于空闲状态的UE以恢复UE的数据和控制面信息、或其他机制。

在步骤450，备用SGW继续支持UE会话，从而接管故障主SGW的功能。

备用SGW产生的特定控制消息取决于主和备用SGW间的同步会话状态信息。某些会话状态信息不足以维持UE会话。某些会话状态信息仅能使UE产生分离/重新连接操作。某些会话状态信息足以保持数据面和控制面会话。

不同类型的会话状态信息以及在会话恢复过程中对这些信息的利用的更多细节同时记载在以下美国专利申请中：申请号为_______（代理人案号ALU/809348），发明名称为“用于地理冗余网关的会话弹性的系统和方法”以及申请号为________（代理人案号ALU/809350），发明名称为“用于地理冗余网关会话恢复的系统和方法”的美国专利申请中，上述两个申请的全部内容通过引用被合并于此。

在不同的实施例中，当与UE会话相关联的数据面或控制面流量到达备用SGW时（即，备用SGW进入数据面或进入控制面触发），备用SGW产生DDN消息给MME作为响应，该MME利用该消息恢复S1-u DL路径。参见框445，备用SGW产生DDN（IMSI）消息以响应网络产生的控制面或数据面流量、UE产生的数据面流量、S11上的控制消息、S1-u或S5-u上产生的数据流量等等。

响应于DDN（IMSI）消息，MME操作以通过以下过程来处理空闲模式UE：(a)执行IMSI呼叫功能；(b)使UE分离，同时提供选定的重新连接代码；(c)如果UE处于空闲模式，则执行IMSI附着。MME操作以通过以下过程来处理活动或连接模式UE：(a)执行分离；以及(b)执行IMSI附着。更进一步，备用SGW转发删除会话请求至PGW，PGW通过PCRF和IMS清除会话状态异常作为响应。由于UE保持在空闲状态（每一步骤430），MME分离并重新连接该UE，从而保持了其所支持的数据面和12面的会话完整性。

故障切换后处理

一般而言，在地理冗余配对中有两个网关或节点参与。在给定的时间，上述两个网关或节点可以为各自的UE等执行独立的或不同的功能。为此处讨论的目的，将假设一个节点是“工作”节点而另一个节点是“保护”节点。“工作”节点被规定为在正常状态下处理所有呼叫的节点，而“保护”节点被规定为备用“工作”节点的节点。

目前处理呼叫流和数据流的节点被称为“活动的”，而另一个备用该活动节点的节点被称为“备用的”。“活动”节点是目前正在处理所有呼叫的节点，而“备用”节点是正在备用该“活动”节点的节点。当恢复过程发生时，活动节点的操作状态将会是“活动-释放”且“备用”节点将会是“活动获取”。

目前正在吸引控制和数据流量的节点被表示为“主”，而其它节点被表示为“从”。

一般而言，当节点变成可操作的时，“工作”节点进入“活动”操作状态并以“主”节点的身份拥有IP地址，而“保护”节点进入“备用”操作状态并以“从”节点的身份拥有IP地址。

有两个主要的服务提供者或网络运营者在地理冗余故障切换发生后可能需要保护及备用节点的动作；称为，非恢复动作和恢复动作。

非可恢复动作是指一旦故障工作节点从故障中恢复，提供者不想返还（故障切换）被保护的会话至初始故障“工作”节点。具体地说，在故障发生后，“保护”节点变成“活动的”和“主”节点。当“工作”节点变成可操作时，它扮演“备用”或“从”节点的角色。两个系统按它们新的角色继续执行。

恢复动作是指一旦故障工作节点从故障中恢复，提供者想返还（故障切换）被保护的会话至初始故障“工作”节点。该动作有时是优选的（当提供者期望“工作”系统恢复所有的会话时）。当地理冗余系统离得很远的时候，故障切换可能导致额外的流量延迟，并且也可能使提供者付出通过它们的网络次优地转发数据包的代价。

恢复动作可由手动或自动调用。在手动方式中，在故障切换后网络被提供者监视。一旦网络是稳定的，恢复动作即被人工干预触发。在自动方式中，网络部件自己基于不同参数来检测稳定性和/或其他与网络相关联的操作条件。当满足适当水平的网络稳定性或其他其它操作条件时，恢复动作被自动触发。

不同实施例以适于最大限度地减少控制和流量面损失或其他干扰的方式，来实现恢复动作。

图5图示出基于一个实施例的恢复动作方法流程图。特别地，图5描述了一种以适于最大限度地减少用于恢复UE会话的控制和流量面损失的方式，自动从备用SGW或保护节点恢复至之前发生故障的SGW或工作节点的方法。

在步骤510，之前发生故障的SGW或工作节点建立到备用或保护节点的控制信道。也就是说，在之前发生故障的SGW（即，工作节点）再次变为可操作时，其通过建立控制信道重新建立与备用SGW（即，保护节点）间的通信。

在步骤520，控制协议用于确定工作节点和保护节点的操作状态。在故障恢复后，“工作”节点（如，之前发生故障的SGW）将会是“备用”或“从”节点，而“保护”节点（如，备用SGW正在支持UE会话）将会是“备用”或“从”节点。

在步骤530，保护节点和工作节点被同步以使得两节点均能存储与由保护节点支持的移动设备相关联的会话状态信息。也就是说，当保护节点继续充当活动节点支持各种UE会话时，相应的会话状态信息被提供给工作节点。参见框535，这样的会话状态信息可能包括以下一者或多者：足以指示会话处于活动状态的信息、足以利用活动UE恢复会话的信息、足以利用不活动UE恢复会话的信息、足以为UE会话重新建立控制和数据面的信息或其它信息。

在各种实施例中，图5步骤530中与工作节点同步的会话状态信息实质上与之前讨论过的图3步骤340/345中存储在备用SGW中的会话状态信息相同。然而，在各种其它实施例中，图5步骤530中与工作节点同步的会话状态信息与之前讨论过的图3步骤340/345中存储在备用SGW中的会话状态信息不同。

例如，在各种实施例中，在图3步骤340存储的且用于将UE会话从主SGW转移至一个或多个备用SGW的会话状态信息与在图5步骤530中同步的会话状态信息相同。在各种其它实施例中，在图3步骤340存储的且用于将UE会话从主SGW转移至一个或多个备用SGW的会话状态信息与在图5步骤530中同步的会话状态信息不同。在各种其它实施例中，在图3步骤340存储的且用于将UE会话从主SGW转移至一个或多个备用SGW的会话状态信息，对于多个备用SGW中的部分或全部备用SGW来说，与在图5步骤530中同步的会话状态信息不同。

在步骤540，保护节点作为主节点直到恢复动作被触发。也就是说，“活动”节点将继续作为“主”节点并因此吸引所有来自网络的流量。无论使用L2（VRRP）还是L3（IP地址发布）机制，上述情况均会发生。一旦保护节点和工作节点同步了会话状态信息，及可选择地同步了其它信息，恢复动作即可能被触发。参见框545，恢复动作可能被手动触发，基于系统稳定性自动触发，基于其它条件自动触发，例如，靠近工作节点和保护节点中的一个或二者处的拥塞条件，错误率，策略偏好等等。

在步骤550，作为对恢复动作触发的响应，在保护节点和工作节点间建立切换信道。切换信道利于将保护节点支持的UE会话转移至工作节点。另外，活动节点（即，保护节点或备用SGW）转换到活动-释放运行状态，而备用节点（即，工作或主节点）转换到备用-获取运行状态。

在步骤560，当对全部新UE会话连接的控制从保护节点转移至工作节点时，工作节点对UE会话的可操作的控制开始恢复。特别地，并不是在本地处理新的UE附着请求，而是由保护节点通过切换信道转发所有新的UE附着请求至工作节点，从而这些请求被接收或识别。工作节点通过与请求UE交互以执行诸如建立会话之类的各种控制功能来响应新的UE连接请求。在控制建立之后，与新的会话相关联的数据流也将被转发至工作节点以使得工作节点可对会话实施全面控制。

在步骤570-590，对所有现有UE会话连接的控制从保护节点转移至工作节点。特别地，单独地或以组为单位，现有UE会话使用参照上面的步骤530的讨论的同步会话状态信息从保护节点转移至工作节点，该会话状态信息在上文步骤530中讨论过。现在参照步骤570-590具体讨论一个实施例，但是发明人还提出了该实施例的各种修改。

在步骤570，工作节点承担保护节点的IP地址和路径管理职责。在某些实施例中，与保护节点相关联的UE被保持在空闲状态。参见框575，工作节点可以采用优选的条件开始发布IP地址以使得控制面和数据面流量及数据包被路由至工作节点。

在步骤580，UE与工作节点间的连接性和会话有效性被重新确认。也就是说，工作节点产生各种控制消息以重新建立或重新确认数据面和控制面UE会话数据被工作节点有效支持。参见框585，在某些实施例中，重新确认UE的连接性可以通过以下机制来实现：产生供MME恢复S1-u下行（DL）路径使用的下行数据通知（DDN）IMSI消息、促使UE的分离或重新连接操作以恢复UE会话及修复UE、激活之前被迫处于空闲状态的UE以恢复UE的数据和控制面信息、或其他机制。

在步骤590，工作节点继续支持UE会话，从而接管保护节点的功能。特别地，工作节点宣布其路由并声明自己是活动和主节点，而保护节点发挥备用和从节点的作用。

在不同的实施例中，恢复至工作节点的UE或UE会话仅包括那些之前被该工作节点支持的UE或UE会话。例如，正如将在下面更详细地讨论那样，不同的实施例提出工作和保护节点均与各自的及非冲突的IP地址集相关联，以使得每个节点均可作为另一节点的保护节点而不具有冲突的址。

在不同的实施例中，恢复动作可能是部分由于拥塞或其他条件的出现而发生的。例如，当工作节点变成可操作时，由于不同的网络运行环境，策略变化或其它因素，其可能不想恢复该节点的全部UE会话。在这种情况下，仅一部分UE会话从保护节点转移至工作节点。类似地，UE会话转移的时间可以基于不同的因素而调整（延长或缩短）。其它条件如基于策略的条件，UE用户服务水平等也可以被用于适应恢复动作。不同的条件由工作和/或保护节点或网络管理系统管理。

工作节点产生的特定控制消息取决于保护节点和一个或多个工作节点间的同步会话状态信息。某些会话状态信息不足以维持UE会话。某些会话状态信息仅能使UE产生分离/重新连接操作。某些会话状态信息足以保持数据面和控制面会话。

不同类型的会话状态信息以及在会话恢复过程中对这些信息的利用的更多细节同时记载在以下美国专利申请中：申请号为_______（代理人案号ALU/809348），发明名称为“用于地理冗余网关的会话弹性的系统和方法”以及申请号为______（代理人案号ALU/809350），发明名称为“用于地理冗余网关会话恢复的系统和方法”的美国专利申请中记载，上述两个申请的全部内容通过引用被合并于此。

因此，不同的实施例提出周期性地从主SGW到备用SGW转移一部分会话状态信息（直接或通过MME），其中转移的会话状态信息仅足以识别具有活动会话的移动或用户设备。以这种方式，备用SGW可以提示这些移动或用户设备使用与备用SGW相关联的IP地址及其它信息重新认证或与网络重新附着。同时，备用SGW代表或伪装那些具有活动会话的移动或用户设备来发送“会话存活”或“会话活动”应答消息至查询管理实体。以这种方式，该查询管理实体处的与这些移动或用户设备相关联的会话状态信息被查询管理实体保存。

此处描述的不同实施例一般性地指出，会话状态信息和/或其它与主SGW关联的信息被保存在备用SGW中以用于实施故障切换机制。然而，在不同的实施例中，该信息可能被保存在不同的备用SGW和/或一个或多个不是SGW的网络部件中。保存的会话状态信息和/或其它与主SGW相关联的信息被备用SGW作为故障切换机制的一部分来恢复。

不同的实施例被修改为使用一个或多个附加机制以加速弹性会话恢复进程。一种加速会话恢复进程的机制包括使用在第一批应答请求中预先定义的IE，该应答请求从SGW发送至MME以指示备用SGW已被接管。作为响应，MME加速恢复活动会话的下行TEID，来代替等待S5-u上的数据面通知或S11及S5-c上的控制消息。一种加速会话恢复进程的机制包括周期性地从活动SGW传递活动会话列表至备用SGW以使得备用SGW可以主动地开始将会话的下行TEID填充那些会话中并将它们更迅速地带入活动状态。这些和其它的机制可以单独地或以任何组合来使用以改善或加速会话恢复进程。

主和备用SGW间的同步状态信息，与同步频率一样，取决于各种因素，如，网络拓扑、可用资源、恢复所需的速度等等。

举一个例子，诸如使用通用分组无线系统(GPRS)隧道协议或GTP的适于LTE网络的系统，可以同步某些或全部状态信息，该状态信息是GDP信息、路径管理信息及与不同会话或UE相关联的无线电频率(RF)信息的信息。

状态相关的GTP信息可包括，示例性地，如UL/DL FTEID、S11和S5-c的控制FTEID、S1-u和S5-u的数据FTEID、ULI等等。状态相关的路径管理信息可包括，示例性地，如S11、S1-u和S5等的重启计数。状态相关的RF信息可包括，示例性地，如原状态、RAT等（大概每个APN512B）。

同步/更新频率可以是预定的、周期性的和/或与不同的网络事件相关。

在不同的实施例中，当会话被创建和/或被破坏时，主和备用SGW被同步，例如，为会话创建事件同步8个GTP/RF消息、为会话破坏事件同步6个GTP/RF消息、及为会话创建/破坏事件同步2个IMCP消息。

在不同的实施例中，当承载被创建和/或破坏时，主和备用SGW被同步，例如，为较好的承载创建事件同步6个GTP/RF消息，为承载破坏事件同步6个GTP/RF消息，及为承载创建/破坏事件同步2个IMCP消息。

在不同的实施例中，为响应MME重定位等网络配置事件，主和备用SGW被同步，例如，为MME重定位事件同步4个GTP/RF消息和2个IMCP消息。

在不同的实施例中，在S11和S5上使用双IP地址，一个作为本地地址一个作为备用地址。本地IP地址用于保持在备用SGW处现有的会话，而备用IP地址用于新会话、从已出现故障或正在故障中的主SGW转移的会话、与已故障或正在故障中的主SGW相关联的控制流量等等。特别地，即使是备用SGW的IP地址分配也被分成两部分（可能是也可能不是同样的大小），其中，第一部分用于备用SGW的现有数据和控制面流量，第二部分用于与已故障或正在故障中的SGW相关联的数据和控制面流量。以这种方式，避免了会话支持在从主SGW转移到备用SGW过程中的冲突。也就是说，成为备用SGW的活动SGW使用活动SGW绑定的IP地址。以这种方式，避免了协商，并且对会话的支持可以基于各自的IP地址在SGW间转移。在不同的实施例中，实施了故障抑制，而在其他的实施例中，未实施该抑制。

因此，两个（或多个）服务网关（SGW）或节点可以作为地理冗余对并可被表示为主/备用或工作/保护网关或节点。主或工作SGW或节点以主模式运行，而一个或多个备用或保护SGW或节点以从模式运行。在主或工作SGW发生故障时，一个或多个备用或保护SGW开始以主模式运行。在这种情况下，UE和它们的会话被“切换”至从模式。当出现故障的主或工作SGW/节点再次恢复运行时，有必要将新会话从备用或保护SGW返还或切换至主或工作SGW/节点。

在主模式运行中，主SGW/节点发布最好是从SGW发布的路由数据的路由数据，以便任何想发送流量的节点将选择主SGW/节点作为该流量的路由。为确保上述情况的发生，从SGW例如可以发布“有害的”路由数据，即由于其高成本或其它一些负面参数而永远不会被选择的路由数据。

图6图示出了用于执行各个实施例中记载的功能的通用计算机高层框图。特别地，此处描述的与通用计算机相关的结构和功能适于在不同附图中讨论的各种转换和通信部件或节点中的每一个中使用，即在UE102、e节点B111、SGW112、PGW113、MME114、PCRF115和网络管理系统140中使用。可以理解的是，此处描述的与通用计算机相关的功能可以由不同的网络部件或节点、和/或网络运营中心（NOC）或可操作地配置的网络管理系统(NMS)及网络中的管理部件来实现。

如图6所示，系统600包括处理器部件602（如，CPU）、存储器604（如，随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)）、分组处理模块605、和各种输入/输出装置606（如，存储装置，包括但不限于，磁带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或压缩盘驱动器、接收器、发射器、扬声器、显示器、输出端口、及用户输入装置（如键盘、小键盘、鼠标等））。

可以理解的是，图6所示的计算机600提供一种通用结构和功能，其用于实现此处描述的功能部件和/或此处描述的功能部件的一部分。此处描述的功能可由软件和/或硬件来实现，如，使用通用计算机，一个或多个专用集成电路（ASIC），和/或任意其它同等硬件设备。

可以想到此处讨论的一些软件方法的步骤也可由硬件来实现，例如，实施为与处理器协作执行各种方法步骤的电路。此处描述的部分功能/部件可以作为计算机程序产品来实现，其中，计算机指令，当被计算机处理时，适于计算机操作以调用或以其它方式提供此处描述的方法和/或技术手段。调用本发明方法的指令可以存储在固定的或可移动介质中，通过广播或其他信号承载介质中的数据流传输，通过有形介质传输和/或存储在根据该指令运行的计算装置的存储器中。

尽管前述内容针对本发明的各个实施例，然而在不脱离本发明基本保护范围的情况下，还可设计出其它和更进一步的实施例。基于此，本发明的适当保护范围根据如下的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种用于管理与主服务网关（SGW）相关联的备用SGW的方法，该方法包括：

响应于确定所述主SGW已返回到运行，而在所述备用SGW与所述主SGW之间为至少先前被所述主SGW支持过的用户设备（UE）同步UE会话状态信息；以及

响应于恢复动作触发，而在所述备用SGW与所述主SGW之间创建切换信道，以使得UE支持能够从所述备用SGW转移至所述主SGW。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定所述主SGW已返回到运行是通过响应于所述主SGW建立了到所述备用SGW的控制信道而做出的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述会话状态信息包括足以指示UE会话处于活动状态的信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述恢复动作触发包括基于系统稳定性状况和系统拥塞状况中的至少一者的自动触发。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括产生一个或多个控制消息，该控制消息适于重新确认与所述主SGW间的UE连接性和会话有效性。

6.根据权利要求5所述的方法，其中：

所述备用SGW与一组本地IP地址相关联，该组本地IP地址不与所述主SGW关联的IP地址冲突；并且

转移到所述主SGW的所述现有的UE会话仅包括初始与所述主SGW关联的IP地址相关联的UE会话。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，仅初始与工作节点相关联的UE会话的一部分被转移回所述工作节点，所述一部分是根据系统稳定性参数、系统拥塞参数、基于策略的准则及用户服务水平中的一者或多者而选择的。

8.一种在适于为主服务网关（SGW）提供备用的SGW中使用的装置，该装置包括：

处理器，该处理器被配置为管理与主服务网关（SGW）相关联的备用SGW，该方法包括：

响应于确定所述主SGW已返回到运行，而在所述备用SGW与所述主SGW之间为至少先前被所述主SGW支持过的用户设备（UE）同步UE会话状态信息；以及

响应于恢复动作触发，而在所述备用SGW与所述主SGW之间创建切换信道，以使得UE支持能够从所述备用SGW转移至所述主SGW。

9.一种计算机可读介质，该计算机可读介质包括软件指令，当该软件指令被处理器执行时，执行一种用于管理与主服务网关（SGW）相关联的备用SGW的方法，该方法包括：

响应于确定所述主SGW已返回到运行，而在所述备用SGW与所述主SGW之间为至少先前被所述主SGW支持过的用户设备（UE）同步会话状态信息；以及

响应于恢复动作触发，而在所述备用SGW与所述主SGW之间创建切换信道，以使得UE支持能够从所述备用SGW转移至所述主SGW。

10.一种计算机程序产品，其中，计算机可操作地处理软件指令，该软件指令适于所述计算机的操作以使得所述计算机执行一种用于管理与主服务网关（SGW）相关联的备用SGW的方法，该方法包括：

响应于确定所述主SGW已返回到运行，而在所述备用SGW与所述主SGW之间为至少先前被所述主SGW支持过的用户设备（UE）同步UE会话状态信息；以及

响应于恢复动作触发，而在所述备用SGW与所述主SGW之间创建切换信道，以使得UE支持能够从所述备用SGW转移至所述主SGW。

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