1. 개요
LTE(Long Term Evolution)는 접속망(Access Network)에 대한 high-data-rate, low-latency, packet-optimized radio-access의 요구조건을 실현하기 위해 3GPP에서 표준화를 진행하고 있는 3.9G 네트웍으로, 기존 3GPP/non-3GPP의 접속망에 대한 역호환성(backward compatibility)을 보장하면서 고속의 rich media를 수용하기 위해 고안되었다. LTE는 기존의 Circuit-Switched 기반의 통신을 배제한 all-ip 기반의 네트웍으로 OoS 관리 기능을 강화하여 실시간 서비스(e.g., 음성통신, 화상통신) 및 비 실시간 서비스(e.g., 웹브라우징, Store and Forward 데이터 전송)에 대해 차별된 QoS를 제공함으로써, 네트웍 리소스의 효율성을 제고하였다. 또한, 스마트 안테나 기술(i.e., MIMO)을 도입함으로써 무선통신을 위한 bandwidth를 확장하였다.
LTE(Long Term Evolution)는 접속망(Access Network)에 대한 high-data-rate, low-latency, packet-optimized radio-access의 요구조건을 실현하기 위해 3GPP에서 표준화를 진행하고 있는 3.9G 네트웍으로, 기존 3GPP/non-3GPP의 접속망에 대한 역호환성(backward compatibility)을 보장하면서 고속의 rich media를 수용하기 위해 고안되었다. LTE는 기존의 Circuit-Switched 기반의 통신을 배제한 all-ip 기반의 네트웍으로 OoS 관리 기능을 강화하여 실시간 서비스(e.g., 음성통신, 화상통신) 및 비 실시간 서비스(e.g., 웹브라우징, Store and Forward 데이터 전송)에 대해 차별된 QoS를 제공함으로써, 네트웍 리소스의 효율성을 제고하였다. 또한, 스마트 안테나 기술(i.e., MIMO)을 도입함으로써 무선통신을 위한 bandwidth를 확장하였다.
3GPP에서 정의하고 있는 LTE의 Performance에 대한 요구사항은 다음과 같다..
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Metric |
Requirement |
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Peak data rate |
DL: 100 Mbps, UL: 50 Mbps (for 200 MHz spectrum) |
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Mobility support |
Up to 500 kmph but optimized for low speeds from 0 to 150 km/h |
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Control plane latency
(Transition time to active
state) |
< 100 ms(for idle to active) |
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User plane latency |
< 5ms |
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Control plane capacity |
> 200 users per cell(for 5MHz spectrum) |
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Coverage(Cell size) |
5-100 km with slight degradation after 30 km |
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Spectrum flexibility |
1.25, 2.5, 5, 10, 15 and 20 MHz |
2. 아키텍처 개요
그림 1. Non-Roaming Architecture for 3GPP accesses
위 그림은 LTE의 구성 및 LTE와 3GPP IP-CAN간의 연결 구성도를 나타낸다. LTE의 eNodeB로 구성되어 있는 E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)은 IP기반의 flat한 구조를 가지고 단말과 CN(Core Network)간의 data traffic을 처리한다. 이들 간의 신호제어(signalling control)은 MME(Mobile Mobility Entity)가 담당한다. MME는 eNodeB와 SGW(Serving Gateway)간의 신호제어를 담당하고 단말로부터 인입되는 data를 어느 곳으로 라우팅할 지를 결정한다. S-GW는 eNodeB와 eNodeB간, 3GPP네트웍과 E-UTRAN간의 단말이동에 대한 anchoring 기능을 담당한다. P-GW(Packet data network GateWay)는 3G의 GGSN에 해당되는 노드로서 LTE 에서 data traffic이 IMS로 인입되는 접점이면서 LTE와 non-3GPP 네트웍간의 단말 이동에 대한 anchoring을 담당한다. 각각의 eNodeB는 한 개 이상의 MME 및 S-GW와 연결점을 가짐으로써 network redundancy 와 traffic load sharing을 실현한다. S-GW와 P-GW, MME를 EPC(Evolved Packet Core)라 칭한다. 또한, MME, S-GW, P-GW와 더불어 HSS와 PCRF를 포함하여, IMS와 상응하는 개념으로 EPS(Evolved Packet System)라 칭할 수 있다.
다음은 LTE 를 구성하는 각 컴포넌트들의 기능을 기술한다[5].
eNodeB
1) radio resource management
2) admission control
3) scheduling
4) cell information broadcast
5) ciphering/deciphering of user and control plane data
6) compression/decompression of DL/UL user plane headers
7) MME selection when no routing to an MME can be determined from the information provided by the UE
8) UL/DL bearer level rate enforcement
9) ECN-based congestion control
S-GW(Serving GateWay)
eNodeB
1) radio resource management
2) admission control
3) scheduling
4) cell information broadcast
5) ciphering/deciphering of user and control plane data
6) compression/decompression of DL/UL user plane headers
7) MME selection when no routing to an MME can be determined from the information provided by the UE
8) UL/DL bearer level rate enforcement
9) ECN-based congestion control
S-GW(Serving GateWay)
1) The local mobility anchoring between eNBs
2) Sending of one or more “end marker” to the source eNodeB or source SGSN or source RNC immediately after switching the path during inter-eNBs and inter-RATs handover, especially to assist the reordering function in eNodeB
3) mobility anchoring between LTE and 3GPP technologies(e.g., GPRS, UMTS)
4) UE Context(e.g.,IP bearer service information, network internal routing information management based on section 5.7.4 in TS23.401)
5) Packet routing and forwarding
6) Pager tranmission to the UE
7) User traffic replication for lawful interception
P-GW(Packet Data Network GateWay)
2) Sending of one or more “end marker” to the source eNodeB or source SGSN or source RNC immediately after switching the path during inter-eNBs and inter-RATs handover, especially to assist the reordering function in eNodeB
3) mobility anchoring between LTE and 3GPP technologies(e.g., GPRS, UMTS)
4) UE Context(e.g.,IP bearer service information, network internal routing information management based on section 5.7.4 in TS23.401)
5) Packet routing and forwarding
6) Pager tranmission to the UE
7) User traffic replication for lawful interception
P-GW(Packet Data Network GateWay)
1) Mobility anchoring between LTE and non-3GPP technologies(e.g., WiMax,3GPP2)
2) UE connection management
3) Policy enforcements via interworking with PCRF
4) Charging support
5) Per-user based packet filtering
6) Lawful interception
7) UE IP allocation
8) Packet screening
MME(Mobile Mobility Entity)
1) NAS signalling
2) NAS signaling security(ciphering/deciphering)
3) Controling the intra-LTE handover
4) Tracking Area list management
5) PGW and SGW selection for a UE
6) MME selection for handovers with MME change
7) SGSN selection for handovers to 2G or 3G 3GPP access networks
8) Idle mode UE tracking and paging control
9) Authentication/Authorization of the user via HSS interworking
10) Bearer management functions including dedicated bearer establishment
11) Lawful interception of signalling
12) UE reachability procedures
13) Generation and allocation of temporary identities to UE
2) UE connection management
3) Policy enforcements via interworking with PCRF
4) Charging support
5) Per-user based packet filtering
6) Lawful interception
7) UE IP allocation
8) Packet screening
MME(Mobile Mobility Entity)
1) NAS signalling
2) NAS signaling security(ciphering/deciphering)
3) Controling the intra-LTE handover
4) Tracking Area list management
5) PGW and SGW selection for a UE
6) MME selection for handovers with MME change
7) SGSN selection for handovers to 2G or 3G 3GPP access networks
8) Idle mode UE tracking and paging control
9) Authentication/Authorization of the user via HSS interworking
10) Bearer management functions including dedicated bearer establishment
11) Lawful interception of signalling
12) UE reachability procedures
13) Generation and allocation of temporary identities to UE
다음은 각 LTE 노드간 Protocol Layer를 도시한다.
그림 2. Protocol map
NAS(Non-Access Statum)
RRC(Radio Resource Control)
NAS(Non-Access Statum)
UE와 MME간의 종단간 프로토콜로서, 망 접속 관리/인증/UE와 PGW간 beaer 설립을 위한 호처리/세션관리/UE의 이동성 관리 등에 사용된다.
RRC(Radio Resource Control)
UE와 eNode간 Layer3 프로토콜로서, UE와 eNodeB간 bearer 연결 및 해제/Radio 자원 관리/UE 관련측정값 관리/QoS제어/System 정보 broadcast/IP Connectivity 관리/pager 메세지 전송/암호화/Cell selection 등에 사용된다.
PDCP(Packet Data Convergence Protocol)
UE와 eNodeB간 프로토콜로, IP packet 압축(ROHC)/암호화/패킷전송/lossless SRNS(Serving RNS) 할당 및 재할당 등에 사용된다.
RLC(Radio Link Control)
GTP(GPRS Tunneling Protocol)
GPRS Core내에서 사용자 데이타를 전송하기 위해 사용되는 프로토콜로, LTE에서 노드간 data traffic 전송을 위해 사용된다.
LTE와 IMS 및 타 3GPP/non-3GPP 네트웍 사이에서 교환되는 IP packet은 GTP를 사용하여 종단점간에 변형없이 전송된다. 이는 기존의 2G 및 3G 네트웍에서 제공되는 데이타 서비스가 LTE 단말로 seamless하게 제공될 수 있음을 의미한다.
3. 기능 정의
Network access control functions
UE는 SIM 정보를 이용해 현재 위치에서 자동 혹은 수동으로 연결 가능한 access network을 탐색하여 선택하고, 해당 네트웍에 접속한다. 이 과정에서 네트웍은 UE에 대한 Authetnication/Authorization을 수행하고 자원을 할당한다.
3. 기능 정의
Network access control functions
UE는 SIM 정보를 이용해 현재 위치에서 자동 혹은 수동으로 연결 가능한 access network을 탐색하여 선택하고, 해당 네트웍에 접속한다. 이 과정에서 네트웍은 UE에 대한 Authetnication/Authorization을 수행하고 자원을 할당한다.
Packet routing and transfer functions
Bearer 채널이 설립되면 노드간 IP packet를 전송한다. IP packet은 무선구간의 효율성을 위해 압축된다. 망으로 유입되는 Data traffic은 operator의 정책에 따라 security나 packet screening rule이 적용될 수 있다.
Mobility management functions
네트웍에서 일정시간동안 packet의 흐름이 없는 경우, UE는 무선망의 효율성을 위해 Idle상태로 천이할 수 있다. 이 경우 MME는 향후 UE의 망에 대한 접속을 유도해야 할 상황에 대비해 해당 UE에 대한 UE Context를 계속 유지해야 한다. Idle 상태의 UE는 E-UTRAN에서 한 개 이상의 Tracking Area(TA) 단위로 자신의 위치를 MME에게 보고할 수 있기 때문에 이를 기반으로 MME는 Idle상태의 UE가 어느 위치에 있는지에 대한 대략적인 정보를 유지한다. UE가 다시 Connected 상태로 천이하기 위해서, UE는 현재의 위치에서 망을 탐색하고 접속망을 결정해야 한다. UE가 Idle상태일 때 MME에서 해당 UE에게 데이터를 전송해야 하는 경우, MME는 UE Context를 참조하여 해당 UE가 있을 것으로 추정되는 일련의 TAs로 paging을 전송(broadcasting)한다. Idle상태의 UE는 Paging을 수신한 후, 해당 망에 접속하여 리소스를 할당받고 데이터를 수신할 수 있는 Connected 상태로 천이한다. 만일, UE가 non-3GPP 망으로 이동하게 되는 경우 UE는 E-UTRAN과 관련된 모든 자원을 상실한다.
그림 3. Mobility Management
Network management functions
UE와 MME는 각각 Signalling을 위한 load balancing기능을 가진다. UE는 접속할 수 있는 MME의 List와 각 MME에 대한 Weight Factor를 이용해 접속할 MME를 선택하고, MME는 시스템의 부하정도에 따라 UE로부터의 요청을 수락 또는 거부할 수 있는 기능을 가진다.
Selection functions
MME는 UE가 전송하는 데이터를 라우팅할 특정 SGW 나 PGW을 선택하기 위해 HSS와 연동하여 적절한 SGW와 PGW를 선택한다. 적절한 SGW와 PGW는 HSS에 등록된 정보를 바탕으로, 실시간 부하와 망의 topology, weight factor등을 고려하여 결정될 수 있다.
Connection of eNodeBs to multiple MMEs
eNB는 한 개 이상의 MME에 접속을 할 수 있다. MME 연결이 필요한 경우, eNB는 routing mechanism을 이용하여 특정 MME를 선택하며, 한번 선택된 MME는 UE가 자신(MME)이 관리하는 pool area를 벗어나지 않는 한 계속 해당 UE를 관리하게 된다. Pool area는 복수개의 MME가 함께 관리하는 RAN의 구역으로 복수개의 TA(Tracking Area)로 구성된다. 만일, UE가 pool area를 벗어나는 경우, 새로운 MME는 기존 MME로부터 UE Contex 정보를 받아야 한다.
그림 4. Overall E-UTRAN architecture
4. 단말 최초 등록
* 그림5에 명시된 message는 pseudo message임.
UE가 E-UTRAN에 연결을 요청하면 eNodeB는 selection 절차를 거쳐 특정 MME를 선택하고 UE의 요청을 전송한다. 수신받은 요청에 대해 MME는 HSS와 연동하여 연결요청을 시도한 UE를 인증한다. 인증이 성공적으로 완료된 경우, MME는 E-UTRAN으로부터 수신받은 정보를 바탕으로 UE Context를 생성하고 HSS에 해당 UE의 위치정보를 기록한다. 또한, MME는 bearer channel을 생성하기 위해 SGW와 PGW에게 data traffic을 위한 자원을 할당할 것을 요청하고, 마지막으로 E-UTRAN으로 그 결과를 전송한다. E-UTRAN은 EPC에서의 모든 절차가 성공적으로 완료된 후, 해당 단말에 대한 자원을 할당하고 bearer를 설립한다.
5. E-UTRAN to UTRAN lu mode inter RAT handover
5. E-UTRAN to UTRAN lu mode inter RAT handover
그림 6. Handover from E-UTRAN to UTRAN
(1) Handover Initiation: 이동중인 UE의 handover의 필요성을 감지한 Source eNB가 handover를 요청한다.
(2) Handover Required: MME로 하여금 CN(Core Network)에서 target SGSN과 SGW에 대해 자원을 할당할 것을 요청한다. UE가 MME pool area에서 벗어나지 않는 경우 source MME는 변경되지 않는다.
(3) Forward Relocation Request: MME는 target SGSN을 결정하고, 해당 SGSN에게 UTRAN의 리소를 할당할 것을 요청한다.
(4) Create Session Request/Response: SGSN은 SGW selection process를 통해 target SGW를 결정하고 해당 SGW에게 local resource를 할당하고 세션을 생성할 것을 요청한다.
(5) Relocation Request/Acknowledge: SGW에서 리소스의 할당과 세션이 정상적으로 생성된 경우, SGSN은 target RNC에게 Radio network resource를 할당할 것을 요청한다.
(6) Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request/Response: RNC에서 리소스의 할당이 정상적으로 이루어진 경우, SGSN은 target SGW에게 data traffic을 forwarding할 것을 요청한다.
(7) Forward Relocation Response: SGSN에서 RNC와 target SGW사이의 data 전송을 위한 준비가 완료가 되면, MME에게 그 결과를 통보한다.
(8) Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request/Response::SGSN에서 RNC와 target SGW사이의 data 전송을 위한 준비가 완료가 되면, MME에게 그 결과를 통보한다.
(9) Handover Command: MME는 eNB에게 handover를 위한 CN에서의 준비가 모두 완료되었음을 알린다.
(10) HO from E-UTRAN Command: UE에게 target newwork으로 handover를 수행할 것을 요청한다.
(11) Handover to UTRAN Complete: UE는 수신된 handover 파라미터를 기반으로 새로운 네트웍으로 handover를 수행한다.
(12) Relocation Complete: RNC가 SGSN에게 E-UTRAN으로부터 UTRAN으로의 relocation이 완료되었음을 알린다. SGSN은 이후 RNC로부터 data를 수신할 수 있는 준비가 되어있어야 한다. SGSN은 UE가 RNC 지역으로 들어왔음을 MME에게 통지한다.
(13) Modify Bearer Request/Response: SGSN은 target SGW에게 자신이 UE가 설립한 EPS Bearer Context를 관리하고 있음을 알린다.
(14) Modify Bearer Request/Response: PGW에게 SGW가 relocation되었음을 알린다.
UE handover로 인한 새로운 bearer path가 설립된 후, MME는 기존의 bearer를 해지하도록 각 노드를 제어한다.
[1] Alcatel-Lucent, “The LTE Network Architecture”, 2009
[2] Alcatel-Lucent, “Introduction to Evolved Packet Core”
[3] GSMA PRD IR.92, “IMS Profile for Voice and SMS v1.0”, 18.Mar.2010
[4] Motorola, “Long Term Evolution(LTE) Techical Overview”
[5] 3GPP, “TS23.401- GPRS enhancements for EUTRAN access”, R10