⚠️ 들어가기 앞서
경북대학교 컴퓨터학부 COMP0414-001 컴퓨터망 과목을 공부하며 정리한 글입니다.
이전 글에서 IEEE 802.11에 대해서 다루었고 이번 글에서는 4G/5G cellular 방식에 대해서 다루어 본다.
4G/5G
먼저 4G/5G와 유선 인터넷의 비슷한 점과 다른 점에 대해서 알아보자.
공통점
- edge/core 구조
- 지금까지 다룬 여러 프로토콜 (HTTP, DNS, TCP, UDP, IP, NAT, SDN, Ethernet) 등이 사용된다.
- 여러 네트워크들로 이루어져 있어 네트워크의 네트워크를 이룬다.
차이점
- 유저를 식별할 수 있는 user identity가 존재한다 (SIM 카드)
- cellular provider가 제공하는 네트워크에 가입하여 사용하는 구독형 방식으로 비즈니스 모델이 존재한다.
4G LTE 구조의 구성요소
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Mobile Device: 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 4G LTE 전파를 사용하는 기기. 사용자를 식별할 수 있는 (subscriber identity) SIM 카드 등이 들어있다. -
Base Station: base station의 coverage area 안에 속해 있는 모바일 디바이스들과 무선 신호 자원을 관리한다. 다른 요소들의 device authentication 기능과 함께 사용자 인증을 관리한다. Wifi AP와 비슷하나 user mobility에서 active한 역할을 수행하거나, 최적화된 연결을 위해 이웃 base station들과 조화를 이룬다. -
Mobility Management Entity (MME): HSS와 함께 device authentication을 수행하고 모바일 디바이스 <-> P-GW 간의 path를 설정한다. -
Home Subscriber Service (HSS): 해당 HSS의 네트워크를home network로 삼는 모바일 디바이스들을 관리한다. MME와 함께 device authentication 작업도 수행한다. -
Serving Gateway (S-GW), PDN Gateway (P-GW): 모바일 디바이스-인터넷 간의 경로 상에 존재한다. 인터넷 라우터와 비슷한 역할을 수행하며 NAT 서비스를 제공한다. P-GW의 경우 모바일 셀룰러 네트워크의 gateway 역할을 수행한다.
LTE
Long-Term Evolution 또는 단순히 LTE는 HSDPA 보다 한층 진화된 휴대전화 고속 무선 데이터 패킷통신규격이다. (위키백과)
LTE 역시 라우터와 비슷하게 data plane과 control plane으로 나뉘어져 있다.
- control plane : 이동성 관리, 보안, 인증 등을 위한 새로운 프로토콜이 있다.
- data plane : 링크 계층과 물리 계층에 새로운 프로토콜을 사용한다. 이동성을 용이하게 하기 위해
터널링이 널리 사용된다.
LTE data plane stack
Packet Data Convergence: 헤더 압축 및 암호화 수행Radio Link Control: fragmentation과 reassembly를 수행. 신뢰성 있는 연결을 보장Medium Access: 무선 신호 transmission을 위한 slot을 request및 use
OFDM
직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)은 다중 반송파(multiple carrier frequencies)를 이용하여 디지털 데이터를 인코딩하는 방식이다. OFDM은 디지털 가입자 회선(Digital subscriber line, DSL) 인터넷 접속, 무선 네트워크, 그리고 4세대 이동 통신 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. (위키백과)
이전까지 알아보았던 다중 채널 이용 방식에는 TDMA와 FDMA가 있었는데 LTE는 직교 주파수 방식을 사용한다.
데이터를 수백 개 이상의 반송파 (subcarrier)로 변조시켜 다중화하는 방식으로, 변조 및 다중화가 동시에 이루어진다는 특징이 있다.
tunneling
이전에 IPv6을 다룰 때, 아직 IPv6 규격을 지원하지 않는 장치를 거쳐 통신하기 위해 IPv4 datagram 안에 IPv6 datagram을 넣어 전송하는 방식으로 터널링(tunneling) 이라는 기법을 다룬 바 있다.
LTE에서도 터널링이 사용된다. GTP(GPRS Tunneling Protocol) 라는 것을 사용하여 캡슐화된 데이터가 UDP 패킷 안에 담겨 S-GW로 전달된다.
그리고 S-GW는 또다시 P-GW로 re-tunneling 한다.
이렇게 전송 과정에서 캡슐화되어 이동하기 때문에, 모바일 사용자가 이동하는 일이 생겨도 전송 과정의 양 끝점 (endpoint)만 바꿈으로써 통신이 가능하다.
Associating with BS
LTE 구조에서 모바일 기기가 BS(Base Station)과 연결하는 과정을 살펴보자.
- BS는 일정 간격마다
PSS (Primary Synchronization Signal)을 브로드캐스트 한다. - 모바일 기기가 PSS를 찾은 후, 그 주파수의
SSS (Second Synchronization Signal)을 찾을 수 있다. 모바일 기기는 이 신호를 이용해서 채널의 대역폭, BS의 cellular carrier info 등의 정보를 얻을 수 있다. - 모바일 기기는 여러 BS들에게서 받은 synch. signal을 보고, 연결할 BS를 선택하여 연결한다.
그러나 아직 사용자 인증, 상태 정립, data plane setup 등 해야할 작업이 남아 있다.
sleep mode
Wifi 부분에서 각 노드는 power management 차원에서 잠들었다 깨어났다를 반복한다고 하였다. (링크 의 power management 부분 참조)
LTE 모바일 기기 역시 전력 절약을 위해 sleep 한다. 이 때 두 종류의 sleep이 있다.
- light sleep : 비활성화된지 100ms 후의 상태. downstream transmission 확인을 위해 주기적으로 깨어난다.
- deep sleep : 비활성화된지 5~10s 후의 상태. 이 상태동안 모바일 기기가 이동한다는 등의 이유로 연결된 BS가 바뀔 수 있으며 그에 따라 연결을 다시 수립해야 한다.
Global Cellular Network
SIM card: 각각의 모바일 기기를 식별할 수 있는 장치이다. 이 정보는home network에 저장되어 있다.home network: 유저가 가입한 네트워크 망으로,HSS (Home Subscriber Server) 는 user info를 저장하고 있다.visited mobile carrier network: home network가 아닌 다른 네트워크를 의미한다. home network가 아닌 다른 네트워크에 기기가 속할 때는 각 네트워크들의 P-GW들끼리 통신하여 이 단말기가 지금 어느 네트워크에 있는지 등의 정보를 home network가 알 수 있다. (mobility 부분에서 자세히 다룸)
