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재난 안전 기술 및 재난 안전 망을 위한 LTE 기반 Push To Talk 기술 (2): mission critical PTT와 MBMS
LTE Push-To-Talk for safety and emergencies (2)
July 15, 2016 | By 조성연 @ Samsung (songyean.cho@gmail.com), 원성환 @ Nokia (sung.won@nokia.com)
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삼성전자의 조성연님과 노키아의 원성환님이 보내주신 두번째 기고글입니다. 읽기 쉽고 유익한 기고글을 보내주신 두 분께 감사드립니다.

 

조성연, 원성환님의 기고글 모두보기

 

지난 기고에서는 대표적인 재난 안전 관련 기술인 재난 문자, 응급 콜, 재난 안전 망의 개요를 다뤘다. 또한 재난 안전 망을 통해 주로 제공되는 서비스는 mission critical push to talk (MCPTT)이며, 이 서비스는 수백에서 수천 명의 사용자가 몰리는 상황에서도 안정적으로 지원되어야할 필요가 있다고 언급한 바 있다.

 

이번 기고에서는 재난 안전 망 및 MCPTT 서비스에 대해 좀 더 자세히 다뤄보고, 많은 사용자가 몰리는 상황에서 안정적으로 MCPTT 서비스를 제공하기 위해 어떤 기술이 재난 안전 망에 적용되었는지 알아보도록 한다.

 

LTE 네트워크 기반 MCPTT 서비스(그룹 내에서 허락 받은 사람만 말하고 나머지는 듣기만 하도록 발언권이 제어된 그룹 콜)를 송수신하기 위해서는 다음의 단계적 절차가 필요하다 (그림 1 참조):


    1) LTE 네트워크 등록 및 packet data network (PDN) connection 생성
    2) MCPTT 서비스 사용을 위한 설정 정보* 획득
    3) IP multimedia subsystem (IMS) 및 MCPTT 서버로의 등록
    4) 그룹 콜 셋업 또는 이미 셋업된 그룹콜로 join**
    5) 발언권 제어
    6) MBMS 셋업** 및 MBMS를 통한 그룹 콜 수신

    * MCPTT 서비스 사용을 위한 설정 정보 중 일부는 3)번 절차 수행 이후에 획득될 수 있음.
    ** 4)번 절차와 6)번 절차는 순서가 바뀔 수 있음.

 

[그림 1] MCPTT 서비스를 송수신하기 위한 절차

 

첫번째 절차부터 살펴보자. 단말은 LTE 망 사용을 위하여 먼저 LTE attach를 수행한다. 이후 IMS를 통하여 MCPTT 서버로 콜제어 시그널을 통해, MCPTT서버 내 MCPTT 미디어 분배 모듈로 음성 스트림을 송수신할 수 있도록 해주는 PDN connection과 MCPTT 서비스에 관련된 설정 정보를 요청하고 수신하기 위한 PDN connection을 생성한다.†

† 이동통신 사업자 망의 구성에 따라서 MCPTT 서버에 접근하기 위한 PDN connection과 MCPTT 서비스 이용을 위한 설정 정보를 받는 PDN connection이 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 다른 경우, 설정 정보를 받는 PDN Connection은 인터넷 사용을 위한 PDN connection과 동일할 수 있다.

 

PDN connection은 단말에 IP를 할당하는 단위로 packet only 네트워크인 LTE 네트워크는 단말의 attach시 default로 하나의 PDN connection을 자동으로 생성하도록 하고 있다. 이  default PDN connection은 이동 통신망에 단말이 접속하자 마자 서비스를 이용하는데 걸리는 시간을 최소화 하기 위한 것으로 보통 단말의 경우에는 internet 사용을 위한 internet PDN connection이나 VoLTE 사용을 위한 IMS PDN Connection 을 default PDN connection으로 사용한다. 그러나 MCPTT 단말은 IMS와 MCPTT 서버들로 접속하는 PDN  connection을 default로 설정하거나 설정 정보 접근하는 PDN connection을 default로 설정할 것이다.

 

필요한 PDN connection 생성 절차를 마친 단말은 두번째 절차인 MCPTT 관련 설정 정보 획득을 위하여 사업자 망내에 있는 MCPTT 설정 정보 서버들로 접속한다. 가장 대표적인 설정 정보는 

  • MCPTT 사용자 프로파일로 MCPTT ID(예를 들어, Skype 사용시, 전화번호와 IP 주소 등과는 별도로 사용되는 Skype ID와 같은 것)
  • 사용자에게 참여가 허가된 그룹 리스트(예로 서울 지역 1 경찰 그룹 콜, 경기 지역 3 소방서 그룹 쿨)
  • 콜을 셋업할 때 누가 요청한 그룹 콜을 먼저 처리할 것인가인 우선권 순위 값

등을 가진다. 이외에는 최대 동시 참여 그룹 콜 수 등 단말 capacity 관련 설정 정보, 그룹 별 멤버들과 멤버들 사이의 발언권 우선 순위 등의 그룹 관리 정보, 발언권 요청들이 여러곳에서 왔을 때 얼마 동안 발언권 요청을 보관하는 등의 서비스 설정 정보 등이 있다. 

 

세번째로, MCPTT 설정 정보 서버들로 접속하여 설정 정보를받은 단말은 MCPTT 서비스 사용을 위한 IMS registration을 수행한다. 단말이 IMS registration을 수행하면 IMS 망은 이 단말의 가입 정보를 보고 MCPTT 서비스에 가입한 단말이라는 것을 확인하여  이 단말과 관련된 콜의 송수신 시그널들이 MCPTT 콜을 관리하는 MCPTT 서버를 거쳐서 전달되도록 설정한다. 이것은 VoLTE를 사용하기 위하여 단말의 통화를 위한 수발신 IMS 시그널들이 telephony application server (TAS)를 거치도록 설정하는 것과 같다. 

 

위와 같이 3)번 절차까지 수행하고 나면 단말은 아래 그림과 같이 PDN connection(들)과 MCPTT 서버와의 시그널링 연결을 가지게 된다. 이제 아래 그림 2와 같이 MCPTT 그룹 콜을 수발신할 준비가 되었다.

 

[그림 2] LTE 네트워크와 IMS망을 통한 MCPTT 서버 연결 (IMS entity 일부와 MCPTT entity 일부는 생략됨)

 

절차 4)는 대표적인 MCPTT 그룹 콜인 floor controlled pre-arranged group call을 바탕으로 설명하고자 한다. Pre-arranged  group call 이란 그룹의 멤버들이 이미 정해진 그룹에 대하여 그룹 콜을을 건다는 의미이다. Pre-arranged group call과 달리, 응답하라 1988에서 보인 천X안, 하X텔에서 채팅방을 개설하면 이후 참여자들이 개설된 채팅방을 보고 들어오는 것처럼 그룹 콜을 만든 후 개설된 그룹 콜의 정보를 알려주면 참여자들이 그룹 콜에 조인하는 chat model group call도 있다.

 

Chat model group call에 대한 상세 설명은 본 고에서는 생략한다. 또한, floor controlled란 의미는 push 버튼을 누르면 발언권 요청이 서버로 전송되고 특정시간내 발언권을 요청한 사람들 중 가장 우선 순위가 놓은 사람에게 발언권을 주는, 발언권 제어 매커니즘이 수행된다는 의미이다.

 

Pre-arranged group call의 셋업 절차는 1) group call initiate, 2) 그룹 멤버들로의 invite 전송, 3) 그룹 멤버들의  조인으로 이루어 진다. 예를 들어 설명하자면, 서울 지역 1 경찰서 그룹을 대상으로 그룹 콜을 셋업하려면 단말은 서울 지역 1 경찰서 그룹 ID를 destination으로 콜 셋업을 위한 IMS invite 메시지를 보낸다.

 

이 메시지는 서울 지역 1 경찰서 그룹 콜을 제어할 서버로 전달되고 이 그룹 콜 제어 서버는 그룹 멤버쉽 관리 서버로부터 그룹 멤버들에 대한 정보를 얻은 후 해당 그룹 멤버들에게 그룹콜에 참여하라는 invite 메시지를 전송한다.‡ IMS invite를 받은 그룹 멤버들은 invite에 응답하는 OK 메시지를 보내어 그룹 콜에 조인한다.

 

이 과정 중에 전송 되는 invite 메시지에는 발언권 제어 프로토콜인 media burst control protocol (MBCP)  또는 talk burst control protocol (TBCP)을 송수신한 통신포트와 real time protocol (RTP)로 음성 데이터를 송수신할 통신포트와 코덱, 필요한 bit rate 정보를 session description protocol (SDP)를 이용하여 포함한다.

 

따라서 VoLTE와 마찬가지로  IMS망 내의 proxy-call session control function (P-CSCF)은 이 SDP정보를 해석하여 처음 invite를 송신한 사용자를 위한 상향링크/하향링크 리소스와 invite를 받고 그룹 콜에 참여한 참여자들을 위한  상향링크/하향링크 리소스를, policy charging rule function(PCRF)를 통하여 LTE 네트워크에 요청하여 할당한다.§  이 때  망에서 MCPTT 서비스의 음성 데이터에 할당해야 할 자원의 양은 (상향링크 용 throughput + 하향링크 용throughput) × (call initiator 포함 그룹 콜 참여자 수)가 된다.  


‡ 세부적으로, invite 메시지는 IMS를 통하여 이 단말 관련 콜 관리 서버를 거쳐 서울 지역 1 경찰서 그룹 서버로 보내지는데,  이 때 이 단말 관련 콜 관리 그룹 서버를 participant server라고 부르며, 서울 지역 1 경찰서 그룹  서버를 controlling서버라고 부른다. 즉 그룹 당 콜 관리 서버인 controlling 서버는 하나만 존재하고  그룹 멤버들이 존재하는 네트워크 각각에서 멤버들을 담당하는 콜 제어 서버가 participant 서버들로 참여하는 hierarchy 구조를 만드는 것이다. 


§ P-CSCF를 통하지 않고 MCPTT 서버에서 직접 PCRF를 통하여 리소스 할당을 요청할수 있으나, MCPTT 콜 제어 메시지들이 모두 IMS를 통과하므로 P-CSCF기능과 출동을 발생시킬수 있다. 현재 출동 해결 방법은 표준화되지 않았다.

 

절차 4를 통하여 그룹 콜 셋업은 완성되었다. 이제 push 버튼을 누르면서 발언을 하거나 다른 사용자가 내보내는 음성을 청취할 차례이다. 발언을 위해서는 MBCP/TBCP 메시지를 통하여 floor request를 MCPTT 서버 내의 발언권 제어 모듈로 보낸다. 이를 수신한 MCPTT 서버는 수신된 request중 가장 우선 순위가 높은 멤버에게 발언을 허용하는 floor grant를 보낸다.

 

만약 서버로 floor request 메시지를 수신했지만 우선 순위의 차이로 발언권을 받지 못한 요청자에 대해서는, 발언권이 다른이에게 할당되었음을 알리는 floor taken 메시지를 보낸다. 이때 다음 발언권 순서 정보를 같이 보내서 언제부터 발언이 가능한지 알려준다. 발언권을 허용함을 알려주는 floor grant를 받은 사람은 음성 스트림을 RTP를 이용, MCPTT 서버 내 미디어 분배 기능으로 보낸다. 음성 스트림을 받은 MCPTT 서버 내 미디어 분배 모듈은 그 그룹 콜에 참여 중인 다른 참여 멤버들에게 각각 음성 스트림을 보낸다. 

 

마지막으로, 자원 활용 면에서 효율적으로 MCPTT 서비스를 제공하기 위해 그룹 콜 데이터를 MBMS를 통해 전달받도록 하는 절차에 대해 설명한다. MCPTT 서비스의 특징 중 하나는 한 시점에 한 명의 사용자만 음성 데이터를 보낼 수 있고(자신의 목소리를 전달할 수 있고), MCPTT에 가담한 다른 사용자들은 음성 데이터를 받을 수밖에 없다는 것이다.

 

이러한 특징을 이용하면, 하향링크 데이터는 방송 채널을 통해 전달되는 것이 자원 활용 면에서 효율적인 것임을 예상할 수 있다. 게다가 MCPTT 서비스는 그 사용자가 수백에서 수천명에 이를수 있다는 점과 그 사용자들은 서로 가까운 곳에 위치하는 가능성이 높다는 점을 고려하면, MCPTT 서비스의 하향링크 데이터를 MBMS(이동 통신망에서의 방송 기술)를 통해 전달하도록 한 것은 합리적인 결정이라 할 수 있다. 참고로, 상향링크는 어떤 경우에서도 늘 unicast로 전달된다.

 

서비스 사용자들이 돌아다닐 수 있는 모든 구역에 MBMS로 해당 서비스의 하향링크 데이터를 전달할 수 있다면, 하향링크 데이터는 늘 MBMS를 통해 받도록하면 될 것이다. 그러나 MBMS 구역에 MBMS를 통해 데이터를 전송하기 위해서는(MBMS 구역에 존재하는 해당 서비스의 수신자 숫자와는 상관없이) 일정량의 자원을 MBMS 전송을 위해 할당해야 하는데, 서비스의 수신자 숫자가 적다면, MBMS를 통해 데이터를 전송하는 것이 unicast를 통해 데이터를 전송하는 것보다 자원 활용 면에서 되려 불리할 수 있다.

 

이를 방지하기 위해 서비스 사용자의 위치 및 숫자에 따라 하향링크 데이터 전달 방식(MBMS v. unicast)을 알맞게 결정하고, 또 하향링크 데이터 전달 방식이 변환될 때 서비스 연결성을 보장하고자 개발된 기술이 GCSE 기술이다.

 

두 데이터 전달 방식간 원활한 변환을 도모하기 위해 그림 3에서처럼 unicast 및 MBMS 관련 EPC 개체들 중 가장 상위 개체(하향 링크 데이터를 가장 먼저 수신하는 개체)와 연결된 group communication service application server (GCS AS)가 정의되었다.

 

GCS AS는

  • 사용자들로부터 위치 정보를 수신하여, MBMS로 서비스를 전달할 구역을 설정하고,
  • BM-SC를 통해 MBMS 전송을 활성화 또는 비활성화시키며,
  • 해당 MBMS 구역에 진입한 사용자로 하여금 MBMS를 통해 하향링크 데이터를 수신하도록 지시하거나,
  • 반대로 MBMS 구역에서 벗어나려는 혹은 벗어난 사용자로 하여금 unicast를 통해 하향링크 데이터를 수신하도록 지시하는

등의 작업을 수행한다.

 

[그림 3] Unicast 및 MBMS를 통한 하향링크 데이터 전달

 

GCSE 기술에서는 사용자의 단말과 GCS AS간 애플리케이션 시그널링은 기술 영역에 포함시키지 않은 대신 GCS AS와 EPC 개체들 간의 상호 작용을 주로 다루었다. 이런 측면에서 GCSE 기술을 차용한 MCPTT 서버는 GCS AS의 한 가지 구체적 실현 예라고 볼 수 있다.

 

MCPTT 서버는 GCSE 기술 구동에 필요한 MCPTT 클라이언트와의 시그널링(예를 들어 사용자들의 위치 및 데이터 전달 방식 변환 지시)을 잘 정의된 프로토콜에 따라 수행할 수 있다.

 

MCPTT 서버는 GCSE 기술 구현을 위해 네 가지의 MCPTT 클라이언트, MCPTT 서버간 시그널링 메시지를 정의하였다.

 

첫번째는 MBMS bearer announcement 메시지이다. 이 메시지는 MCPTT 서버가 MCPTT 클라이언트에게 진행되고 있는 MBMS 전송에 관련된 정보를 제공해준다. 어느 구역에서 MBMS로 데이터가 전송되는지, 해당 MCPTT 서비스는 단말이 어떻게 식별할 수 있는지 등의 정보가 이 메시지를 통해 제공된다. MCPTT 클라이언트는 이 정보를 저장하고 있다가 해당 MBMS 구역에 진입하면, MBMS를 통해 하향 링크 데이터를 제공받을 수 있다.

 

두번째는 MBMS listening status report 메시지이다. 이 메시지는 MCPTT 클라이언트가 (MBMS bearer announcement 메시지를 통해 제공받은 정보에 기반하여) 해당 MCPTT 서비스가 MBMS로 전달되는 구역에 진입했고, 실제로 MBMS로 전달되는 데이터를 받을 수 있음을 MCPTT 서버에 알리는 메시지이다.

 

세번째는 Map group to bearer 메시지이다. MBMS listening status report 메시지를 수신한 MCPTT 서버가 실제로 해당 MCPTT 서비스의 하향링크 데이터 수신을 MBMS를 통해 수신하기로 전환하기를 MCPTT 클라이언트에게 명령하는 메시지이다.

 

네번째는 Unmap group from bearer 메시지이다. Map group to bearer 메시지와 반대되는 기능을 보유하고 있다.

 

이로써, MCPTT 서비스를 구동하기 위한 기본적인 절차와 여러 사용자가 몰리는 상황에서도 안정적으로 MCPTT 서비스를 제공하기 위한 MBMS를 통한 그룹 콜에 대한 리뷰를 마무리한다.

 

다음 시간에는 단말이 이동 통신망의 커버리지 내에 존재하지 않아, 본 기고에서 기본적으로 획득하였다고 가정한 PDN connection을 직접 보유하지 않은 사용자들에게 MCPTT 서비스를 제공하는 방안에 대해서 논한다.

 

 

기고자 소개

 

조성연 (Songyean.cho@gmail.com)

직장: Samsung Electronics 

직함: Principle Engineer 

관심분야: LTE, EPC, IMS, 5G, D2D, V2X, Public Safety Network 

 

원성환 (sung.won@nokia.com)

직장: Nokia Solutions and Networks Korea

직함: Senior Specialist

관심분야: LTE, EPC, 5G

 

강상용 2017-06-24 14:28:45

대한민국 파이팅, 조성연님, 원성환님의 지식공유에 감사드립니다.

유민호 2017-06-26 14:53:05

대한민국 대기업 정서상 지식 공유가 쉽지 않으셨을텐데, 조성연님의 열정에 존경을 표합니다.

좋은 글 감사합니다.

이창호 2018-01-08 20:09:02

좋은 내용 감사합니다.

김우성 2018-02-08 20:26:00

고맙습니다.^0^

조성연 2018-08-21 13:49:26

요즈음 메일들이 와서.. 세부내용을 적은 리포트를 공유합니다. (노키아 스페셜 리스트 원성환 박사 공저)

http://blue-rabbit00.blogspot.com/2018/08/blog-post_18.html 마지막에 보고서 다운로드를 클릭하시면 세부 스펙 내용 설명을 보실수 있습니다.

 

MCPTT 세부를 이해하시려면 VoLTE 시스템에 대한 이해도 필요하여 관련  기술 보고서도 링크해 드립니다.

 

http://blue-rabbit00.blogspot.com/2018/08/lte-ims.html

 

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