LTE통신망 구조 (EPS / EPC / E-UTRAN)

LTE 이동통신망 

LTE (Long-Term Evolution)는 유럽 중심의 이동통신 표준화 단체인 3GPP에서

4G 이동통신 기술로 공식적으로 승인받은 4세대 이동통신 입니다.

 

3세대 (3G) 이동통신보다 데이터 전송 효율, 지연시간, 서비스 품질 등

성능이 크게 향상되었으며 2011년 상용화가 시작되었고 

2013년 하반기부터는 3개의 이동통신사가 모두 전국에 LTE 서비스되었는데요

 

5G가 상용화되기 시작한 2019년 전까지 약 7년간 우리나라에서

이동통신망으로 사용되었고 아직 쓰이고 있는 LTE 기술에 대해

간단한 구조와 용어에 대해서 간단히 알아보려고 합니다.

 

<간단 용어 설명>

UE : 사용자의 단말기

eNodeB(eNB) : LTE에서의 기지국

E-UTRAN : 무선 접속망

EPC : 유선 핵심망

MME : 이동성 관리 시스템

S-GW : 서빙 게이트웨이

P-GW : 패킷망 게이트웨이

HSS : 홈 가입자 서버

PDN : 패킷 데이터 네트워크

 

 

 

 

LTE 전체 시스템 EPS (Evoled Packet System)

일반적으로 이동통신망은 단말의 무선 신호를 받아오는 무선 접속망과,

단말 데이터를 처리하고 다른 망과의 상호연결을 등을

제공하는 핵심망으로 구성됩니다.

(이동통신망 = 무선 접속망 + 핵심망)

 

LTE에서는 무선 접속망을 E-UTRAN 

무선 접속망에 연결되는 핵심망을 EPC 

E-UTRAN과 EPC를 합친 전체 시스템을 EPS라고 정의했습니다.

 

 

 

 

 

무선 접속망 E-UTRAN

E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)

LTE에서 무선 접속망을 가리키는 말로 단말기와 기지국이

무선으로 신호를 주고받는 영역을 말합니다.

 

무선 접속망에서 단말과 기지국 사이에는 E-UTRA기술로 구성되며

사용자와 제어정보를 주고받는 프로토콜은

하위계층(Layer 1,2,3)과 상위계층(NAS 등)으로 나뉩니다.

 

# 하위계층

1 계층 : 물리계층 PHY, 무선신호로 데이터를 송수신한다.

2 계층 : 매체 접근제어(MAC) / 무선 링크 제어(RLC) /

패킷 데이터 변환 프로토콜 (PDCP) 총 3개의 부계층으로 구성된다.

3 계층 : 무산 자원제어 (RRC) 단말과 기지국 사이의 연결 제어 및 품질관리

 

 

eNB (Evolved Node B)

사용자의 단말기와 LTE 네트워크 사이의 무선 연결을 제공하는

기지국이라고 보시면 됩니다.

UE - eNB를 제외한 장비들은 모두 유선으로 되어있기 때문에

UE와 eNB만 무선 접속망(E-UTRAN)에 해당합니다.

 

# 핸드오버(Handover)

단말기와 연결되어있는 기지국에서 멀어져 다른 기지국과 가까워지면

단말기와 기지국 사이에서 핸드오버가 일어납니다.

핸드오버란 eNB와 다른 eNB 사이에 단말기가 이동할 때 연결이 끊기지 않도록

기지국 사이에서 베어러 정보를 넘겨주는 기술을 말합니다.

 

 

핵심망 EPC (Evoled Packet Core)

EPC는 무선 접속망 (E-UTRAN)과 패킷 데이터망(PDN)을 연결해서
사용자의 음성이나 데이터 패킷을 처리하는 기능이 있습니다.

EPC는 크게 3가지의 요소로 구성됩니다.

MME : 이동성 관리

S-GW : 서빙 게이트웨이

P-GW : 패킷 데이터 망 게이트웨이

 

LTE에서는 단말의 제어 평면과 사용자 평면을 나눠서 관리합니다.

제어평면 : 단말의 신호를 받아 인증 및 연결 (MME)

사용자평면 : 단말의 데이터 패킷을 처리 (S-GW / P-GW)

 

또한 3G 핵심망은 두 가지로 나눠져 있었습니다.

음성서비스를 처리하는 서킷 핵심망 / 데이터를 처리하는 패킷 핵심망

이후 LTE로 넘어오면서 서킷 핵심망이 사라지고 

 패킷 핵심망 하나로만 구성되어 구조가 간단해졌습니다.

 

 

 

 

 

 

이동성 관리 MME (Mobility Management Entity)

LTE 통신망에서 핵심망(EPC)에서 제어 평면을 처리하는 장비입니다.

단말이 접속하기 위한 NAS신호를 처리하고

패킷 데이터망(PDN)과의 연결을 제어합니다.

 

# 핵심 역할

1. NAS 시그널링 (이동성 관리 기능 / 제어 메시지 처리)

2. HSS(가입자 서버)와 연동해서 가입자의 정보 입수/인증

3. EPS 베어러 관리

 

# 사용하는 프로토콜

GTP-C = MME와 S-GW 간의 제어 평면 정의

S1-AP = eNB와 MME 간의 제어 평면 정의

Diameter : HSS와 MME간의 제어평면 정의

 

처음 단말기는 EPS-AKA프로토콜을 이용해 HSS에서 key 정보를 받아

단말기를 인증합니다. 이후 단말기가 인터넷을 사용하기 위한

EPS 베어러(운반체)를 생성/유지 등관리하는 역할이나 단말기의 상태

즉 단말이 망에 연결되어 있는지, 인터넷을 사용하고 있는지 등을 관리합니다.

 

 

 

 

 

 

S-GW (Serving Gateway)

LTE에서 핵심망인 EPC의 구성요소 중 하나로,

eNB와 P-GW 사이에서 사용자 평면을 처리하는 핵심망 장비입니다.

 

# 핵심 역할

1. 무선 접속망(E-UTRAN)과 EPC의 종단점

2. 다른 3GPP망 (3G/LTE)으로 이동할 때 앵커링 역할

3. Uplink/downlink 데이터 패킷 전송계층 관리

 

# 사용하는 프로토콜

GTP-C = S-GW와 P-GW 간의 제어평면 정의

GTP-U = S-GW와 P-GW간의 사용자 평면과

            eNB와 S-GW 간의 사용자 평면 정의

 

 

단말이 A 기지국과 통신하고 있을 때 B기지국으로 이동하게 되면

앵커링 역할을 수행합니다. 즉 S-GW를 기준으로 

기지국이 A -> B로 바뀌는 순간에 연결이 끊기지 않도록 제어합니다.

 

 

 

 

 

 

P-GW (Packet Data Network Gateway)

PDN GW라고 부르는 패킷 데이터 네트워크 게이트웨이는

LTE망에서 핵심망 EPC 중 하나로  S-GW와 PDN사이에 위치하고 

S-GW와 마찬가지로 사용자 평면을 처리하는 장비입니다.

 

# 핵심 역할

1. 단말에서 수신한 패킷을 외부 PDN으로 전달

2. 단말에게 PDN단위로 IP주소 할당

3. S-GW 간의 이동성에 대한 앵커링 역할

4. 단말별로 Accounting Data 관리

 

# 사용하는 프로토콜

GTP' = OFCS와 P-GW 간의 제어 평면 정의

Diameter = OCS와 P-GW간의 제어평면 정의

              RCRF와 P-GW간의 제어평면 정의

IP = P-GW와 PDN 간의 사용자/제어 평면 정의

 

가장 많은 역할을 하는 장비입니다. S-GW가 기지국 간의 앵커링이라면

P-GW는 S-GW 간의 앵커링 역할을 수행합니다. 즉 S-GW1 -> S-GW2로 이동할 때

단말의 연결이 끊기지 않도록 제어합니다.

또한 단말기에 IP주소를 할당해서 별도로 품질이나 데이터를 관리하게 됩니다.

각 사용자별로 데이터를 얼마나 사용했으며 접속했던 이력을 생성/관리합니다.

이후 데이터는 OFCS로 전달하게 됩니다.

 

 

 

 

 

HSS (Home Subscriber Server)

MME에서 각 단말기별로 사용자 인증을 위한 key정보를 가져가는 곳입니다.

즉 가입자의 모든 프로파일을 관리하는 중앙 DB입니다.

 

가입자는 각각 가입된 서비스 상품이 다릅니다.

즉 서비스 상품마다 대역폭이나 우선순위 등을 결정짓는 QoS(통신서비스 품질)이

각각 다르기 때문에 HSS에서는 가입자에게 맞는 프로파일 QoS를 제공합니다.

MME에서는 단말기에 대한 인증을 수행하면서 가입자의

QoS에 맞는 EPS베어러를 생성하게 됩니다.

 

 

 

 

 

추가적인 정보

사용자가 인터넷과 통신하는 과정입니다.

UE(단말) → eNB(기지국) → S-GW → P-GW → Internet

위 경로를 따라 사용자의 데이터가 지나가게 되고

기타 장비 (MME / HSS / PCRF)에서 사용자의 데이터는 볼 수 없습니다.

 

PDN (Packet Data Network)

일반적으로 IP를 할당받아 사용하는 인터넷이라고 보시면 됩니다.

 

PCRF (Policy and Charging Rule Function)

단말기별로 사용자의 QoS에 대한 정보를 볼 수 있습니다.

P-GW는 PCRF에게서 받은 QoS 정보에 따라 단말기를 제어합니다.