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EPC核心网接口带宽流量的规划设计 [复制链接]

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发表于 2015-12-12 16:56:12 |显示全部楼层
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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.
[3] 吕红卫,冯征. EPC架构核心网组网方式分析[J]. 电信工程技术与标准化, 2010(11): 12-16.
[4] 吕振华. LTE引入后EPC核心网网络建设与演进探讨[J]. 移动通信, 2013(19): 76-80.
[5] 于化龙. 移动分组核心网向EPC演进实施探讨[J]. 移动通信, 2011(3): 121-125.★


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