[통신프로젝트] LTE 네트워크 구조 _ CIS본부 파트2 이진연 수석

우리가 흔히 통신기술의 전화과정을 이야기 하는4세대(4G) 통신 LTE(Long Term Evolution)을 직역하면 ‘오랜 기간 동안의 진화’ 입니다. 통신 규격으로 쓰기에는 다소 엉뚱한 표현이기는 하나, 3세대에서 4세대로 진입하는 기간 또는 WCDMA에서 LTE까지의 진화과정을 말하기에는 적당한 명칭입니다.

LTE를 설명하려면 전 세대인 3세대(3G)부터 풀어내야 하는데, 3G는 크게 미국식 CDMA와 유럽식 GSM(WCDMA)로 구분됩니다. 국내에서는 SK텔레콤과 KT가 유럽식 WCDMA를 도입했습니다.  LG유플러스는 미국식 CDMA를 그대로 유지했습니다. 단말 네트워크 지원 내역에서 확인할 수 있는 HSDPA, HSUPA, HSPA 등은 WCDMA를 기반으로 합니다. 리비전.A(Rev.A)나 리비전.B(Rev.B) 등은 CDMA를 토대로 진화한 네트워크 기술입니다.

이 중 LTE는 유럽식 WCDMA를 진화시킨 통신 규격입니다. 즉 기존 3G망과의 연동이 쉽습니다. 연동이 쉽다는 말은 망 투자 비용을 줄일 수 있고, 서비스 지역을 더 빠르게 늘릴 수 있다는 것을 의미하며, 새롭게 망을 구축하는 것보다 효율적입니다. 당시 WCDMA는 전 세계적으로 70% 이상이 채택하고 있는 글로벌 통신 규격 중 하나였기에 미래지향적인 선택이었다고 말합니다.

상용화 당시 LTE 속도는 이론상 하향 최대 75Mbps(현재기준 300Mbps) 였습니다. 3G 세대와 비교해보면 HSDPA 14Mbps보다 5배(현재기준 약20배) 빠른 속도입니다. 42Mbps 속도의 HSPA+보다 2배(현재기준 약7배) 이상 빠릅니다.

LTE의 네트워크 구조

현재 상용화된 이동통신 중 가장 언급이 많이 되는 기술은 LTE입니다. SKT나 LG U+에서도 각종 언론을 통해 "LTE"란 용어를 일반인에게 노출하고 있습니다.  그래서 이번에는 LTE를 구성하는 네트워크 장비 요소(NE, Network Element)들에 대해서 간단히 살펴 보도록 하겠습니다. 아래 그림은 LTE NRM(Network Reference Model, LTE네트워크 참조모델) 즉, LTE 네트워크 구조를 도식화 한 것입니다.

(사진출처: 넷매니아즈)

LTE 네트워크는 무선 접속망(E-UTRAN) 관련 기술을 다루는 LTE(여기서는 eNB로 표현) 부분과 Core 망 관련 기술을 다루는 EPC(Evolved Packet Core, 여기서는 MME, S-GW, P-GW, HSS 등을 표현) 부분으로 나누어지고 LTE와 EPC를 통합하여 EPS(Evolved Packet System)라 일컫습니다. LTE 네트워크는 E2E all-IP 네트워크이므로 사용자 단말이 기지국에 접속하는 무선링크로부터 서비스 엔터티로 연결해주는 PDN까지의 트래픽 흐름은 모두 IP 기반으로 동작합니다.

UE (User Equipment)

사용자 단말입니다. 그 형태는 스마트폰일 수도 있고, 아니면 데이터 통신만을 목적으로 하는 USB dongle(USB type으로 노트북에 연결하여 무선 인터넷 사용)일 수도 있습니다.

UE에는 "가입자 식별/인증을 위한 IMSI(International Mobile Station Identity, 국제 이동국 식별변호)값이 내장된 USIM 카드"가 삽입될 수 있게 되어 있습니다. 당연히 UE는 LTE 칩을 내장하고 있어 LTE 망에 접속할 수 있는 단말입니다.

eNB (Evolved Node B)

"LTE 기지국"이라 불리며, UE와 LTE 네트워크 간에 무선 연결을 제공하는 장비입니다. WCDMA에서는 Node B라고 불립니다. 위 그림에서 무선 연결은 UE와 eNB간이고, 나머지는 다 유선 연결(IP망을 통한)입니다.

S-GW (Serving Gateway)

S-GW의 특성을 딱 한마디로 규정 짓기가 좀 어려운데, 일단 대표적인 것이 eNB간 핸드오버(Hand-Over)시 에 anchoring 역할을 하는 것입니다. 처음에 eNB1에 접속하여 인터넷을 사용하던 UE가 이동을 하여서 eNB1과의 접속을 해지하고, eNB2와 접속을 하는 경우 (우리는 이를 핸드오버라고 합니다. 물론 핸드오버시에 통신의 끊김은 없습니다.) S-GW가 anchoring 역할을 합니다. anchoring은 "닻"이란 뜻으로, "닻"을 한곳에 내려 놓으면 그 위치는 변하지 않습니다.

 
즉, 하나의 S-GW를 축으로 eNB1에서 eNB2로 UE의 핸드오버가 발생하게 됩니다. 위 행위를 좀 더 멋지게 표현하면 "S-GW는 Intra-LTE mobility에서 anchor point 역할을 한다"고 할 수 있습니다.

P-GW (PDN Gateway)

P-GW는 하는 일이 참 많습니다. 

1. 단말에 IP 주소를 할당합니다. (DHCP 프로토콜이 아닌 3GPP에서 규정하고 있는 UE 접속 절차를 통해서 IP 주소 할당)

2. 앞서 핸드오버 발생시에 S-GW는 eNB들에 대한 anchoring을 해 준다고 말씀 드렸습니다. P-GW는 S-GW들에 대한 anchoring을 수행합니다. UE가 이동중에 S-GW1에서 S-GW2로 변경이 되는 경우(S-GW1이 관리하는 eNB에서 S-GW2가 관리하는 eNB로 이동) P-GW가 anchoring 포인트가 됩니다. 

3. UE별로 서로 다른 QoS(Quality of Service) 정책을 적용(우선순위, 대역폭 제어 등의 행위를 수행)합니다.

4. UE별로 Accounting Data를 관리합니다. Accounting Data라 함은 대표적으로 상·하향 트래픽 양(# of bytes, # of packets), 접속시간 등이 될 수 있으며, P-GW는 이 데이터를 CDR(Charging Data Record) 형태로 OFCS에게 전달합니다. 쉽게 말해 각 가입자 별로 언제 접속했고, 얼마나 데이터를 사용했고, 얼마동안 접속했는지 이력을 P-GW가 모두 생성/관리하고, 그 데이터를 OFCS로 전달하는 것입니다.

참고로, 사용자 데이터는 [UE - eNB - S-GW - P-GW]를 통해 Internet과 통신합니다. 즉, 다른 NE들은(ex. MME, PCRF등) 사용자 데이터가 지나가지 않습니다.

MME (Mobility Management Entity)

LTE 망의 "두뇌" 역할을 하는 장비라 보시면 됩니다. 

그 역할은,

1. UE를 인증(Authentication)합니다. 인증 프로토콜은 EPS-AKA입니다. UE를 인증하기 위한 Key 정보는 HSS에 들어있고, 이 Key 정보를 HSS로부터 받아서 UE 인증을 수행합니다.

2. EPS 베어러를 관리합니다. EPS 베어러란 쉽게 말해서 UE가 인터넷을 사용하기 위해 [UE - eNB - S-GW - P-GW] 구간에서 생성되는 논리적인 터널(GTP 터널)이라 보시면 되며, MME는 그 터널의 생성/변경/해제 등의 행위에 관여합니다.

3. 가입자의 Mobility 상태를 관리합니다. 쉽게 생각하시면 현재 UE가 망에 접속되어 있는지, 아닌지, 접속되어 있는데 인터넷을 사용하는지 아니면 사용하고 있지 않은지(Idle state)를 관리합니다.

HSS (Home Subscriber Server)

각 UE(가입자)별로 ①인증을 위한 Key 정보와 ②가입자 프로파일을 가지고 있는 LTE망의 중앙 DB입니다. 가입자 프로파일에는 각 가입자가 가입한 서비스 상품에 맞는 QoS 등급 정보(우선순위, 최대 사용 가능 대역폭 등)가 들어있습니다. 인증을 위한 Key 정보와 가입자 프로파일은 UE가 LTE망에 접속할 때 HSS에서 MME로 전달됩니다. 이후 "두뇌" 역할을 하는 MME가 UE에 대한 인증도 수행하고 가입자 프로파일(QoS 정보)을 기반으로 EPS 베어러를 생성하도록 합니다.

PCRF (Policy and Charging Rule Function)

UE별로 정책(Policy)과 과금(Charging)에 대한 룰(Rule)을 정하는 장비입니다. 정책(Policy)은 UE가 사용할 QoS 정보로 보시면 됩니다. 과금(Charging)은 Offline 과금을 할 건지 Online 과금을 할 것인지에 대한 정보입니다. 그 정보들은 PCRF에서 P-GW로 전달되고, P-GW는 PCRF가 준 정보를 기반으로 UE에 대한 제어(QoS, Charging)을 수행하게 됩니다.

SPR (Subscriber Profile Repository)

UE별 Policy 및 Charging 룰(Access Profile)은 PCRF에 저장되어 있지 않고, 대신 SPR이란 DB에 저장되어 있습니다. 그래서 PCRF는 SPR로 부터 UE에 대한 Access Profile를 가지고 오게 됩니다.

OCS (Online Charging System)

우라나라의 경우 후불제(Postpaid)가 일반적이지만, 선불제(Prepaid)를 사용하고 있는 해외 통신사업자도 꽤 있습니다. 예를 들어, "한달 동안 5GB 사용"이 가능한 선불카드를 구매한 가입자에 대해, 망은 사용자 사용량을 "실시간으로 관리"하다가 5GB를 다 쓰는 바로 그 시점(혹은 한 달이 지난 시점)에 사용자가 더이상 인터넷을 사용하지 못하도록 해야 합니다. 이를 위한 시스템이라고 보시면 됩니다. 

실시간 사용량은 P-GW에서 관리하고 그 정보를 OCS로 전달해 주면 OCS가 사용자별로 남은 사용량(balance 혹은 credit이라 부릅니다.)이 얼마인지 중앙 관리를 하고, credit을 다 사용한 가입자를 판별/판단하여 더 이상 인터넷 사용을 못하도록 P-GW에 그 사실을 알려 줍니다.

OFCS (Offline Charging System)

앞서 설명드린 바와 같이 P-GW가 전달해 주는 CDR을 받아 중앙에서 관리하는 장비입니다.

PDN (Packet Data Network)

그냥 Internet이라고 보시면 됩니다. 일단은 PDN = Internet = IP Network

지금까지 LTE의 기본적인 네트워크 구조를 살펴보았습니다.

본 포스팅에서 다룬 LTE 네트워크 구조는 한 사업자 내의 LTE only 망을 대상으로 한 것으로 가장 기본적인 EPS 구성 요소들만을 다루었습니다. 물론, 이 글만으로 아주 복잡한 LTE의 전체 구조를 다 이해할 수는 없습니다만, 다른 LTE 기술 문서를 이해하는데 있어 기본이 되므로, 관련된 업무를 수행하는데, 조금이나마 도움이 되셨으면 합니다.