EPC核心网接口带宽流量的规划设计

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熊伟  （广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

【摘要】 介绍EPC架构核心网主要接口类型、接口协议栈组成；考虑LTE话务模型、峰均比、封装协议效率、装载率等因素，运用带宽流量分析的方法，并以举例的方式计算接口流量，为EPC核心网规划提供了参考。

1引言

EPC（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）核心网主要包括MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）、eNB、S-GW（Serving GateWay，服务网关）、PGW（Packte Data NetworkGateWay，分组数据网网关）、HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）功能实体，涉及接口S1-MME、S1-U、S11、S5/S8、S6a、SGi等。控制面、用户面流量均承载在以路由器组网的IP承载网上，本文将结合协议栈、业务模型分析和计算这些接口产生的IP流量，最后规划出IP承载网组网所需带宽。

EPC核心网基本架构如图1所示。

2  带宽计算的几个关键参数
2.1 话务模型
本文讨论的流量计算需设定话务模型参数，具体如下：
◆每激活用户平均流量：60kbps；
◆4G用户附着率：100%；
◆4G用户激活率：35%；
◆忙时每激活用户平均Bearer数量：0.35；
◆平均报文长度：500Bytes；
◆终端上下行报文比：1:4。

2.2 峰均比
峰均比计算公式如下：
峰均比=峰值/均值 （1）
其中，峰值是指保证98%的流量能够通过的估计值；均值是指所有测量点的算术平均值。一般来说，控制面流量S6a、S1-MME接口峰均比取2；用户面流量S1-U接口取1.5。

2.3 协议扩展因子
协议扩展因子计算公式如下：

协议扩展因子=1/协议栈封装效率 （2）
协议栈封装效率是计算的关键，各个协议栈封装效率计算不同，举例分析如下：
（1）常见报文帧结构
◆以太网帧字节数：26Bytes；
◆IPv4头部字节数：20Bytes；
◆IPv6头部字节数：40Bytes；
◆UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）头部字节数：8Bytes；
◆GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS隧道协议）头部字节数：8Bytes。
（2）封装协议效率
封装协议效率F是指业务净荷与所需物理层带宽的比值，与采用的封装协议格式以及协议栈封装长度相关。公式如下：
封装协议效率F=协议平均包长/(协议平均包长+协议包头长度) （3）
各种主要协议栈包头长度如表1所示，各种主要协议栈封装效率计算结果如表2所示。

2.4 物理带宽利用率
物理带宽利用率是固定不变的，表示的是物理接口实际可以使用的带宽，与采用的接口类型有关，在EPC核心网中主要采用GE接口，有效物理带宽为855Mbps。公式如下：
物理带宽利用率=1×(1-控制协议开销)×(1-物理层传输开销)  （4）
例如：以太网接口物理带宽利用率=1×(1-0.05)×(1-0.1)=0.855。

2.5 装载率
装载率是指满足一定峰均比、协议栈封装效率，考虑了物理带宽利用率这些因素后的最合理的带宽利用率，也称为带宽冗余因子。公式如下：
装载率Z=单位带宽×(1/峰均比)×协议栈封装效率×物理带宽利用率 （5）
各主要接口装载率计算结果如表3所示：

3  带宽计算的主要方法
3.1 带宽计算的主要步骤
带宽计算的主要步骤如下：
（1）预测4G用户数；
（2）确定话务模型中附着率、激活率、平均IP包长、上下行比例等参数；
（3）根据用户数和模型计算出接口平均流量；
（4）根据平均流量乘以协议扩展因子得出封装协议后的平均流量；
（5）再乘以峰均比得到峰值流量；

（6）除以装载率（冗余因子）后得到接口带宽总需求；
（7）最后可计算出这条链路需要配置的GE端口数量。
主要计算逻辑关系如图2所示：

3.2 S1-MME接口带宽计算举例
S1-MME控制面信令和用户行为有关，本文为了简化计算暂不考虑CSFB（Circuit Switched Fallback，电路交换回落）流程，如表4所示：

以10万附着用户计算，其产生的S1-MME接口流量计算如下：
（1）10万附着用户平均流量：100000*2715*8/ 3600/1024/1024=0.58Mbps；
（2）考虑了2倍峰均比系数后：0.58*2=1.16Mbps；
（3）乘以协议扩展因子（1/封装协议效率F）后：
1.16*(1/F(S1-MME))=1.16*(1/0.971)=1.19Mbps；
（4）除以装载率Z后：1.19/Z(S1-MME)=1.19/0.42=2.83Mbps。
计算结果：每10万附着用户所需带宽是2.83Mbps，配置1个GE端口即可。

3.3 S1-U接口带宽计算举例
用户面流量计算方法如下：
方法一是基于给定的用户模型，每激活用户平均流量（例如60kbps）乘以用户总量来计算；
方法二是基于承载Bearer来计算，根据用户业务类型按照每个Bearer消息平均长度来计算，虽然计算结果准确，但是需要大量的话务统计来支撑，本文不再具体阐述。
因此，按照方法一以10万附着用户计算，其产生的S1-U接口流量计算如下：
（1）10万附着用户平均流量（激活率0.35）：
100000*0.35*60/1024=2050Mbps；
（2）若上下行报文比为1:4，则下行流量占比为4/(1+4)*100%=80%，按照流量大的方向考虑计算，下行流量=2050Mbps*80%=1640Mbps；
（3）乘以协议扩展因子（1/封装协议效率F）后：1640*(1/F(S1-U))=1640*(1/0.89)=1843Mbps；
（4）除以装载率Z后：1843/Z(S1-U)=1843/0.51=3614Mbps。
计算结果：S1-U接口10万用户所需流量是1 843Mbps，所需带宽是3 614Mbps，需配置4个GE端口。

4  带宽计算需要注意的关键点
（1）峰均比里面的峰值可以是统计区间里所有最大值的平均值；
（2）不同接口的峰均比取值不同，如对于用户面S1-U接口峰均比取1.5能满足要求，但对于控制面S1-MME和S6a接口，要保证99%以上数据通过率，则峰均比应考虑得大一些，建议取2；
（3）对于装载率控制面流量要求低，范围为0.38～0.42，而用户面流量相对高一些，范围为0.51～0.54，这符合IP带宽设计中带宽冗余的原则。

5  结束语
EPC核心网元均由IP承载网承载，因此在网络规划设计时要考虑CE路由器端口数量、带宽处理能力提前预留。本文结合设计经验给出了带宽计算的方法和需要考虑的关键因素，重点列举了S1-MME和S1-U接口的计算，并说明了控制面和用户面流量计算的不同，为相关工程设计提供参考。

参考文献：
[1] 广州杰赛通信规划设计院. LTE网络规划设计手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013.
[2] 盖剑,张巍山. EPC核心网接口分析与带宽设计[J]. 中国新通信, 2013(19): 96-98.
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