[LTE EPC] 구조

YunKwang-You·2022년 2월 23일
LTE EPC
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본 내용은 넷매니아즈 기술문서(3gpp 규격 기반)에 나타나있는 LTE EPC의 구조를 정리해보았다.

LTE EPC Overview

[ EPC ]

LTE Core 장비 중 하나. Core Level의 장비

[ EPS(Evolved Packet System) ]

Core + Access

[ Access 기지국 ]

LTE eNodeB 또는 E-UTRAN

[ 3G vs 4G ]

3G : Packet + Circuit

4G : Packet(All IP)

[ LTE 네트워크 상의 트래픽 흐름 ]

[ 코어 장비 ]

코어장비는 기지국에서 신호를 받아서 여러 서비스를 제공한다.

  • EPC는 MME, S-GW, P-GW 세 가지 Functional Entity로 구성된다.
  • 현재는SAE( MME + S-GW + P-GW )통합해서 운용하는 경우가 많음
  • SGSN = MME+S-GW와 유사, GGSN = P-GW와 유사
  • SAEGW(SPGW) : S-GW + P-GW

[ S-GW, P-GW ]

S-GW와 P-GW 는 둘 다 패킷처리 기능이 있음

  • S-GW(Serving Gateway) : Access망의 기지국과 정합하는 역할을 하면서 Depacket처리를 하는 역할, 버퍼링하는 역할, 로밍 과금하는 역할
  • P-GW(PDN Gateway) : 패킷에대한 세부처리를 할 수 있다. (QoS, 패킷 부분허용/드랍, 패킷 중요도 높이기, 과금). IMS망이나 인터넷으로 나가는 패킷에대한 Gateway이다. 기존 GGSN과 비슷하다.

[ LTE EPC의 특징 ]

  1. not Circuit but Packet ( All IP )
  2. 데이터 전송 단계가 단순화됐다. (기존 4단 - > 3단 ) (S-GW/P-GW 기능 통합 시 2단)
  3. Control Plane과 User Plane이 분리돼있다. 각각 독립적인 용량 설계가 가능하다.
  4. 분산제어가 가능하다.

[ 구간 명 : LTE 인터페이스]

  • 참조점 / 프로토콜 / 구간
  • LTE-Uu / E-UTRA / UE - eNB
  • X2 / X2-AP(제어 평면), GTP-U(사용자 평면) / eNB - eNB
  • S1-U / GTP-U / eNB - SGW
  • S1-MME / S1-AP / eNB-MME
  • S11 / GTP-C / MME-SGW
  • S5 / GTP-C, GTP-U / SGW - PGW
  • S6a / Diameter / HSS-MME
  • Sp / Diameter / SPR-PCRF
  • Gx / Diameter / PCRF-PGW
  • Gy / Diameter / OCS-PGW
  • Gz / GTP’ / OFCS -PGW
  • SGi / IP / PGW-PDN

[ User Plane Protocol Stack ]

  1. LTE-Uu Interface
  • PDCP : IP패킷이 무선링크를 통하여 효율적으로 전송될 수 있도록 한다. 헤더 압축, AS 보안(ciphering 및 integrity protection)을 수행하고 핸드오버 동안 패킷 re-ordering 및 재전송을 처리한다.
  • RLC : PDCP에서 수신한 패킷을 무선링크를 통해 전송하기 위하여 분할하고 무선링크를 통해 수신한 패킷을 PDCP로 전송하기 위하여 재결합한다. 패킷 re-ordering 및 재전송을 처리한다.
  • MAC : 무선 자원을 UE들에게 동적으로 할당하고, 각 무선 베어러 별로 협상된 QoS를 보장받을 수 있도록 QoS 제어 기능을 수행한다. 물리 계층으로 전송하기 위하여 무선 베어러들을 다중화한다.
  1. S1-U, S5, X2 Interface
  • GTP-U : S1-U, S5 및 X2 인터페이스 상에서 사용자 IP 패킷을 전송하기 위하여 사용된다. GTP-U 터널이 핸드오버 forwarding 터널인 경우에는 End Marker를 삽입할 수 있다.

[ Control Plane Protocol Stack ]

  1. LTE-Uu Interface Interface
    • NAS : EMM 기능과 bearer 제어 기능을 수행한다.
    • RRC : E-UTRAN 무선 시그널링 연결에 대한 제어를 수행한다.
  2. X2 Interface
    • X2-AP : E-UTRAN 내에서 UE Mobility를 다루는 기능으로 사용자 데이터 forwarding, SN 상태 전달, UE Context 해제 기능을 제공한다. eNB 간의 자원 상태 정보, 트래픽 로드 정보 및 eNB구성 update 정보를 교환하고 mobility 파라미터 설정을 위해 협력한다.
  3. S1-MME Interface
    • S1-AP : EPS bearer 설정 시 초기 UE context를 전달한다. 이후 mobility, paging 및 UE context 해제 기능을 수행한다.
  4. S11 / S5 / S10 Interface
    • GTP-C : GTP 터널을 생성, 유지 및 삭제하기 위한 제어 정보를 교환. LTE 간 핸드오버시 데이터 forwarding 터널을 생성
  5. S6a Interface
    • Diameter : 가입 및 가입자 인증을 위한 정보 교환을 지원한다.
  6. Gx Interface
    • Diameter : PCRF로부터 PCEF(PGW)로의 PCC 규칙 전달을 지원한다.
  7. Gy Interface
    • Diameter : PGW와 OCS 간 실시간 credit 제어 정보 교환을 지원한다.
  8. Gz Interface
    • GTP’ : PGW로부터 OFCS로 CDR 전송을 지원한다.

[ MME(Mobile Management Entity) ]

시그널링을 처리하는 장비 ( LTE에서 사용하는 지역을 구분하는 Identity ). 내 단말이 어디 기지국으로 통신해야하는지 알려주는 장비 ( 위치추적기능 ).

  1. NE selection.
  2. HSS(가입자정보를 갖고있는 시스템)와 S6a 인터페이스를 통해 사용자 인증 및 로밍 기능 제공
  3. 인증처리
  4. EPS 베어러 관리
  5. ECM(EPS Connection Management) 및 EMM 상태 관리
  6. NAS 시그널링(EMM, ESM, 보안)

*EMM : EPS Mobility Management

*ESM : EPS Session Management

[ S-GW ]

  1. bearer정합
  2. HO에 대한 local Mobility Anchor
  3. 패킷 버퍼링(동기화를 위해)
  4. routing, forwarding
  5. 로밍과금

[ P-GW ]

UE를 외부 PDN망과 연결해주며 패킷 Filtering을 제공한다. UE에게 IP 주소를 할당하고 3GPP와 non-3GPP 간 핸드오버 시 Mobility Anchoring Point 로 동작한다. PCRF로부터 PCC 규칙을 수신하여 적용하며 UE 당 과금 기능을 제공한다.

  1. PDN과의 정합
  2. QoS정책이나 패킷에대한 프로세싱 처리( 무제한요금/제한요금 차이 두는 것 같은거 )
  3. Per-SDF(Service Data Flow)/Per-User 기반 패킷 필터링
  4. 단말 IP 할당
  5. bearer에 바인딩
  6. 과금처리(과금을 위한 인터페이스는 따로있음)
  7. IP Routing 및 Forwarding
  8. PCEF(Policy and Charging Enforcement Function) 기능
  9. Per-SDF(Service Data Flow)/Per-User 기능
  10. 3GPP와 non-3GPP 간 Mobility anchoring

[ HSS ]

사용자 프로파일을 갖는 중앙 DB로 MME에게 사용자 인증 정보와 사용자 프로파일을 제공한다.

[ PCRF ]

정책 및 과금 제어 엔터티로 정책 제어 결정과 과금 제어 기능을 제공한다. PCRF에서 생성된 PCC 규칙은 P-GW로 전달된다.

[ SPR ]

PCRF에게 가입자 및 가입관련 정보를 제공한다. PCRF는 이를 수신하여 가입자 기반 정책을 수행하고 과금 규칙을 생성한다.

[ OCS ]

실시간 credit 제어를 제공하고 volume, time, event 기반 과금 기능을 제공한다(상세내용은 과금 기술문서 참조)

[ OFCS ]

CDR 기반 과금 정보를 제공한다. (상세내용은 과금 기술문서 참조)

[ Attach ]

핸드폰을 켰을 때 망으로 들어오는 과정 자체를 이야기함.

  • Attach 요청 : 핸드폰 켰을때, 재접속 요청됐을때
  • Attach Procedure :
    1. 인증 / 단말 기인증
    2. 위치등록
    3. 핸드폰 ID 할당 (GUTI, Globally Unique Temporary Identity)
    4. Bearer 할당 : Data Path를 만드는 과정 ( 경로 생성 )
    5. Bearer 구축
  • After Attach :
    • UE State
    • UE가 PDN IP 주소를 갖게된다.
    • UE는 데이터와 신호를 암호화할 수 있다.

위의 과정을 거치면 EPS Bearer ID 가 생긴다.

[ bearer ] : 통신경로

일반적으로 단말을 키면, HDV bearer 1개, Data bearer 1개가 생성된다. 음성서비스는 다른 bearer를 열어서 통신 안정성을 보장해준다.

[ State Model in MME ]

  1. EMM(EPS Mobility Management) State : 단말이 Attach가 된 상태인지 아닌지 판단하는 것.
    1. EMM - Deregistered
    2. EMM - Registered
  2. ECM(EPS Connection Management) State : 단말이 IDLE 상태인지 Connected 상태인지 확인하는 것.
    1. IDLE
    2. Connected

[ W망 연동 ]

LTE망은 WCDMA망과 연동되어 있다.

[ MME Pool 구성 ]

어느 지역에 있던 MME가 Pool구조로 되어있어서, MME가 하나 죽으면 다른 기지국을 잡을 수 있도록 Mesh구조로 연결되어있다.

  • Core Network 간의 relocation이 일어나지 않는다.
  • 중앙에서 장비 증감설 용이/Aggregation 효과 증대

[ CS Fallback ]

음성호에 대하여 WCDMA망의 CS Infra를 활용하는 기술 표준. 전화할 때는 LTE를 사용하는 것.

현재는 HDV를 쓰기 때문에 LTE를 통해서 음성처리를 한다. CS Fallback 잘 안한다.

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