EPC核心網(wǎng)接口帶寬流量的規(guī)劃設(shè)計(jì)

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(jìn)的分組核心網(wǎng)）核心網(wǎng)主要包括MME（Mobility Management Entity，移動(dòng)性管理實(shí)體）、eNB、S-GW（Serving GateWay，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、PGW（Packte Data Network-GateWay，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）、HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務(wù)器）功能實(shí)體，涉及接口S1-MME、S1-U、S11、S5/S8、S6a、SGi等?？刂泼?、用戶面流量均承載在以路由器組網(wǎng)的IP承載網(wǎng)上，本文將結(jié)合協(xié)議棧、業(yè)務(wù)模型分析和計(jì)算這些接口產(chǎn)生的IP流量，最后規(guī)劃出IP承載網(wǎng)組網(wǎng)所需帶寬。

EPC核心網(wǎng)基本架構(gòu)如圖1所示。

2 帶寬計(jì)算的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

2.1 話務(wù)模型

本文討論的流量計(jì)算需設(shè)定話務(wù)模型參數(shù)，具體如下：

圖1 EPC核心網(wǎng)基本架構(gòu)

◆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(shí)每激活用戶平均Bearer數(shù)量：0.35；

◆平均報(bào)文長(zhǎng)度：500Bytes；

◆終端上下行報(bào)文比：1:4。

2.2 峰均比

峰均比計(jì)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(jì)值；均值是指所有測(cè)量點(diǎn)的算術(shù)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(xié)議棧包頭長(zhǎng)度

2.3 協(xié)議擴(kuò)展因子

協(xié)議擴(kuò)展因子計(jì)算公式如下：

協(xié)議擴(kuò)展因子=1/協(xié)議棧封裝效率 （2）

協(xié)議棧封裝效率是計(jì)算的關(guān)鍵，各個(gè)協(xié)議棧封裝效率計(jì)算不同，舉例分析如下：

（1）常見報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

◆以太網(wǎng)幀字節(jié)數(shù)：26Bytes；

◆IPv4頭部字節(jié)數(shù)：20Bytes；

◆IPv6頭部字節(jié)數(shù)：40Bytes；

◆UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）頭部字節(jié)數(shù)：8Bytes；

◆GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS隧道協(xié)議）頭部字節(jié)數(shù)：8Bytes。

（2）封裝協(xié)議效率

封裝協(xié)議效率F是指業(yè)務(wù)凈荷與所需物理層帶寬的比值，與采用的封裝協(xié)議格式以及協(xié)議棧封裝長(zhǎng)度相關(guān)。公式如下：

封裝協(xié)議效率F=協(xié)議平均包長(zhǎng)/(協(xié)議平均包長(zhǎng)+協(xié)議包頭長(zhǎng)度) （3）

各種主要協(xié)議棧包頭長(zhǎng)度如表1所示，各種主要協(xié)議棧封裝效率計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各種主要協(xié)議棧封裝效率計(jì)算結(jié)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(shí)際可以使用的帶寬，與采用的接口類型有關(guān)，在EPC核心網(wǎng)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(xié)議開銷)×(1-物理層傳輸開銷) （4）

例如：以太網(wǎng)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(xié)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(xié)議棧封裝效率×物理帶寬利用率 （5）

各主要接口裝載率計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3 各主要接口裝載率計(jì)算結(jié)果

3 帶寬計(jì)算的主要方法

3.1 帶寬計(jì)算的主要步驟

帶寬計(jì)算的主要步驟如下：

（1）預(yù)測(cè)4G用戶數(shù)；

（2）確定話務(wù)模型中附著率、激活率、平均IP包長(zhǎng)、上下行比例等參數(shù)；

（3）根據(jù)用戶數(shù)和模型計(jì)算出接口平均流量；

（4）根據(jù)平均流量乘以協(xié)議擴(kuò)展因子得出封裝協(xié)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(jì)算出這條鏈路需要配置的GE端口數(shù)量。

主要計(jì)算邏輯關(guān)系如圖2所示：

圖2 帶寬計(jì)算的主要步驟

3.2 S1-MME接口帶寬計(jì)算舉例

S1-MME控制面信令和用戶行為有關(guān)，本文為了簡(jiǎn)化計(jì)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(shí)每用戶S1-MME接口信令消息長(zhǎng)度估算

以10萬附著用戶計(jì)算，其產(chǎn)生的S1-MME接口流量計(jì)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(shù)后：0.58*2=1.16Mbps；

（3）乘以協(xié)議擴(kuò)展因子（1/封裝協(xié)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(jì)算結(jié)果：每10萬附著用戶所需帶寬是2.83Mbps，配置1個(gè)GE端口即可。

3.3 S1-U接口帶寬計(jì)算舉例

用戶面流量計(jì)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(jì)算；

方法二是基于承載Bearer來計(jì)算，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)類型按照每個(gè)Bearer消息平均長(zhǎng)度來計(jì)算，雖然計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，但是需要大量的話務(wù)統(tǒng)計(jì)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(jì)算，其產(chǎn)生的S1-U接口流量計(jì)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(bào)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(jì)算，下行流量=2050Mbps*80%=1640Mbps；

（3）乘以協(xié)議擴(kuò)展因子（1/封裝協(xié)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(jì)算結(jié)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(gè)GE端口。

4 帶寬計(jì)算需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)

（1）峰均比里面的峰值可以是統(tǒng)計(jì)區(qū)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(duì)于用戶面S1-U接口峰均比取1.5能滿足要求，但對(duì)于控制面S1-MME和S6a接口，要保證99%以上數(shù)據(jù)通過率，則峰均比應(yīng)考慮得大一些，建議取2；

（3）對(duì)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(duì)高一些，范圍為0.51～0.54，這符合IP帶寬設(shè)計(jì)中帶寬冗余的原則。

5 結(jié)束語

EPC核心網(wǎng)元均由IP承載網(wǎng)承載，因此在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要考慮CE路由器端口數(shù)量、帶寬處理能力提前預(yù)留。本文結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給出了帶寬計(jì)算的方法和需要考慮的關(guān)鍵因素，重點(diǎn)列舉了S1-MME和S1-U接口的計(jì)算，并說明了控制面和用戶面流量計(jì)算的不同，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

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