EPC核心網接口帶寬流量的規劃設計

熊偉

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

1 引言

EPC（Evolved Packet Core，演進的分組核心網）核心網主要包括MME（Mobility Management Entity，移動性管理實體）、eNB、S-GW（Serving GateWay，服務網關）、PGW（Packte Data Network-GateWay，分組數據網網關）、HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務器）功能實體，涉及接口S1-MME、S1-U、S11、S5/S8、S6a、SGi等。控制面、用戶面流量均承載在以路由器組網的IP承載網上，本文將結合協議棧、業務模型分析和計算這些接口產生的IP流量，最后規劃出IP承載網組網所需帶寬。

EPC核心網基本架構如圖1所示。

2 帶寬計算的幾個關鍵參數

2.1 話務模型

本文討論的流量計算需設定話務模型參數，具體如下：

圖1 EPC核心網基本架構

◆每激活用戶平均流量：60kbps；

◆4G用戶附著率：100%；

◆4G用戶激活率：35%；

◆忙時每激活用戶平均Bearer數量：0.35；

◆平均報文長度：500Bytes；

◆終端上下行報文比：1:4。

2.2 峰均比

峰均比計算公式如下：

峰均比=峰值/均值 （1）

其中，峰值是指保證98%的流量能夠通過的估計值；均值是指所有測量點的算術平均值。一般來說，控制面流量S6a、S1-MME接口峰均比取2；用戶面流量S1-U接口取1.5。

表1 各種主要協議棧包頭長度

2.3 協議擴展因子

協議擴展因子計算公式如下：

協議擴展因子=1/協議棧封裝效率 （2）

協議棧封裝效率是計算的關鍵，各個協議棧封裝效率計算不同，舉例分析如下：

（1）常見報文幀結構

◆以太網幀字節數：26Bytes；

◆IPv4頭部字節數：20Bytes；

◆IPv6頭部字節數：40Bytes；

◆UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）頭部字節數：8Bytes；

◆GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS隧道協議）頭部字節數：8Bytes。

（2）封裝協議效率

封裝協議效率F是指業務凈荷與所需物理層帶寬的比值，與采用的封裝協議格式以及協議棧封裝長度相關。公式如下：

封裝協議效率F=協議平均包長/(協議平均包長+協議包頭長度) （3）

各種主要協議棧包頭長度如表1所示，各種主要協議棧封裝效率計算結果如表2所示。

表2 各種主要協議棧封裝效率計算結果

2.4 物理帶寬利用率

物理帶寬利用率是固定不變的，表示的是物理接口實際可以使用的帶寬，與采用的接口類型有關，在EPC核心網中主要采用GE接口，有效物理帶寬為855Mbps。公式如下：

物理帶寬利用率=1×(1-控制協議開銷)×(1-物理層傳輸開銷) （4）

例如：以太網接口物理帶寬利用率=1×(1-0.05)×(1-0.1)=0.855。

2.5 裝載率

裝載率是指滿足一定峰均比、協議棧封裝效率，考慮了物理帶寬利用率這些因素后的最合理的帶寬利用率，也稱為帶寬冗余因子。公式如下：

裝載率Z=單位帶寬×(1/峰均比)×協議棧封裝效率×物理帶寬利用率 （5）

各主要接口裝載率計算結果如表3所示：

表3 各主要接口裝載率計算結果

3 帶寬計算的主要方法

3.1 帶寬計算的主要步驟

帶寬計算的主要步驟如下：

（1）預測4G用戶數；

（2）確定話務模型中附著率、激活率、平均IP包長、上下行比例等參數；

（3）根據用戶數和模型計算出接口平均流量；

（4）根據平均流量乘以協議擴展因子得出封裝協議后的平均流量；

（5）再乘以峰均比得到峰值流量；

（6）除以裝載率（冗余因子）后得到接口帶寬總需求；

（7）最后可計算出這條鏈路需要配置的GE端口數量。

主要計算邏輯關系如圖2所示：

圖2 帶寬計算的主要步驟

3.2 S1-MME接口帶寬計算舉例

S1-MME控制面信令和用戶行為有關，本文為了簡化計算暫不考慮CSFB（Circuit Switched Fallback，電路交換回落）流程，如表4所示：

表4 忙時每用戶S1-MME接口信令消息長度估算

以10萬附著用戶計算，其產生的S1-MME接口流量計算如下：

（1）10萬附著用戶平均流量：100000*2715*8/ 3600/1024/1024=0.58Mbps；

（2）考慮了2倍峰均比系數后：0.58*2=1.16Mbps；

（3）乘以協議擴展因子（1/封裝協議效率F）后：1.16*(1/F(S1-MME))=1.16*(1/0.971)=1.19Mbps；

（4）除以裝載率Z后：1.19/Z(S1-MME)=1.19/0.42=2.83Mbps。

計算結果：每10萬附著用戶所需帶寬是2.83Mbps，配置1個GE端口即可。

3.3 S1-U接口帶寬計算舉例

用戶面流量計算方法如下：

方法一是基于給定的用戶模型，每激活用戶平均流量（例如60kbps）乘以用戶總量來計算；

方法二是基于承載Bearer來計算，根據用戶業務類型按照每個Bearer消息平均長度來計算，雖然計算結果準確，但是需要大量的話務統計來支撐，本文不再具體闡述。

因此，按照方法一以10萬附著用戶計算，其產生的S1-U接口流量計算如下：

（1）10萬附著用戶平均流量（激活率0.35）：100000*0.35*60/1024=2050Mbps；

（2）若上下行報文比為1:4，則下行流量占比為4/(14)*100%=80%，按照流量大的方向考慮計算，下行流量=2050Mbps*80%=1640Mbps；

（3）乘以協議擴展因子（1/封裝協議效率F）后：1640*(1/F(S1-U))=1640*(1/0.89)=1843Mbps；

（4）除以裝載率Z后：1843/Z(S1-U)=1843/0.51=3614Mbps。

計算結果：S1-U接口10萬用戶所需流量是1 843Mbps，所需帶寬是3 614Mbps，需配置4個GE端口。

4 帶寬計算需要注意的關鍵點

（1）峰均比里面的峰值可以是統計區間里所有最大值的平均值；

（2）不同接口的峰均比取值不同，如對于用戶面S1-U接口峰均比取1.5能滿足要求，但對于控制面S1-MME和S6a接口，要保證99%以上數據通過率，則峰均比應考慮得大一些，建議取2；

（3）對于裝載率控制面流量要求低，范圍為0.3 8 ～0.4 2，而用戶面流量相對高一些，范圍為0.51～0.54，這符合IP帶寬設計中帶寬冗余的原則。

5 結束語

EPC核心網元均由IP承載網承載，因此在網絡規劃設計時要考慮CE路由器端口數量、帶寬處理能力提前預留。本文結合設計經驗給出了帶寬計算的方法和需要考慮的關鍵因素，重點列舉了S1-MME和S1-U接口的計算，并說明了控制面和用戶面流量計算的不同，為相關工程設計提供參考。

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