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LTE 네트워크 구조
LTE Network Architecture (Network Reference Model)
December 02, 2011 | By 유창모 (cmyoo@netmanias.com)
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요즘 이동통신의 화두는 당연 LTE이죠. 국내 통신 3사에서도 각종 언론을 통해 "LTE"란 기술 용어를 브랜드화여 일반인에게 노출하고 있습니다.  그래서 오늘은 LTE를 구성하는 네트워크 장비 요소(NE: Network Element)들에 대해서 간단히 살펴 보도록 하겠습니다. 
 
아래 그림은 LTE NRM(Network Reference Model) 즉, LTE 네트워크 구조를 도식화 한 것입니다.
 
 

 

UE (User Equipment)
  • 사용자 단말입니다. 그 형태는 Smartphone일 수도 있고, 아니면 데이터 통신만을 목적으로 하는 USB dongle(USB type으로 노트북에 연결하여 무선 인터넷 사용)일 수도 있습니다. 
  • UE에는 "가입자 식별/인증을 위한 IMSI 값이 내장된 USIM 카드"가 삽입될 수 있게 되어 있습니다.
  • 당연히 UE는 LTE chip을 내장하고 있어 LTE 망에 붙을 수 있는 단말입니다.
eNB (Evolved Node B)
  • "LTE 기지국"이라 불리며, UE와 LTE 네트워크 간에 무선 연결을 제공하는 장비입니다.
  • 위 그림에서 무선 연결은 UE와 eNB간이고, 나머지는 다 유선 연결(IP망을 통한)입니다.
S-GW (Serving Gateway)
  • 이 녀석의 특성을 딱 한마디로 규정 짓기가 좀 어려운데요 (제 내공의 문제겠지만요..) 일단 대표적인 것이 eNB간 핸드오버시에 anchoring 역할을 하는 것입니다. 처음에 eNB1에 붙어서 인터넷을 사용하던 UE가 이동을 하여서 eNB1과의 접속을 해지하고 eNB2와 접속을 하는 경우 (우리는 이를 핸드오버라고 합니다. 물론 핸드오버시에 통신의 끊김은 없읍니다.) S-GW가 anchoring 역할을 합니다. anchoring은 "닻"이란 뜻이죠. "닻"을 한곳에 내려 놓으면 그 놈의 위치는 안 변하죠. 즉, 하나의 S-GW를 축으로 eNB1에서 eNB2로 UE의 핸드오버가 발생하게 됩니다.
  • 위 행위를 좀 더 멋지게 표현하면 "S-GW는 Intra-LTE mobility에서 anchor point 역할을 한다"고 할 수 있습니다.
P-GW (PDN Gateway)
  • 이 녀석은 하는 일이 참 많습니다. 
  • 첫째, 단말에 IP 주소를 할당합니다. (DHCP 프로토콜이 아닌 3GPP에서 규정하고 있는 UE 접속 절차를 통해서 IP 주소 할당)
  • 둘째, 앞서 핸드오버 발생시에 S-GW는 eNB들에 대한 anchoring을 해 준다고 말씀드렸습니다. P-GW는 S-GW들에 대한 anchoring을 수행합니다. UE가 이동중에 S-GW1에서 S-GW2로 변경이 되는 경우(S-GW1이 관리하는 eNB에서 S-GW2가 관리하는 eNB로 이동) P-GW가 anchoring 포인트가 되는 거지요. 
  • 셋째, UE별로 서로 다른 QoS 정책을 적용(우선순위, 대역폭 제어등의 행위를 수행)합니다. 
  • 넷째, UE별로 Accounting Data를 관리합니다. Accounting Data라 함은 대표적으로 상햐향 트래픽 양(# of bytes, # of packets), 접속 시간등이 될 수 있으며, P-GW는 이 데이터를 CDR(Charging Data Record) 형태로 OFCS에게 전달합니다. 쉽게 말해 각 가입자 별로 언제 접속했고, 얼마나 데이터를 사용했고, 얼마동안 접속했는지 이력을 P-GW가 모두 생성/관리하고, 그 데이터를 OFCS로 전달하는 것입니다.

여기서 잠깐! 사용자 데이터는 {UE - eNB - S-GW - P-GW}를 통해 Internet과 통신합니다. 즉, 다른 NE들은(ex. MME, PCRF등) 사용자 데이터가 지나가지 않습니다.

 

MME (Mobility Management Entity)

  • LTE 망의 "두뇌" 역할을 하는 장비라 보시면 되는데요. 그 역할은,
  • 첫째, UE를 인증(Authentication)합니다. 인증 프로토콜은 EPS-AKA이구요. UE를 인증하기 위한 Key 정보는 HSS에 들어있고, 이 Key 정보를 HSS로 부터 받아서 UE 인증을 수행합니다.
  • 둘째, EPS 베어러를 관리합니다. EPS 베어라란 쉽게 말해서 UE가 인터넷을 사용하기 위해 {UE - eNB - S-GW - P-GW} 구간에서 생성되는 논리적인 터널(GTP 터널)이라 보시면 되며, MME는 그 터널의 생성/변경/해제 등의 행위에 관여합니다.
  • 셋째, 가입자의 Mobility 상태를 관리합니다. 쉽게 생각하시면 현재 UE가 망에 붙어 있는지, 안붙어 있는지, 붙어 있는데 인터넷을 사용하는지 아니면 사용하고 있는 않은지(Idle state)를 관리합니다.

HSS (Home Subscriber Server)

  • 각 UE(가입자)별로 (1)인증을 위한 Key 정보와 (2) 가입자 프로파일을 가지고 있는 LTE망의 중앙 DB입니다.
  • 가입자 프로파일에는 각 가입자가 가입한 서비스 상품에 맞는 QoS 등급 정보(우선순위, 최대 사용 가능 대역폭 등)가 들어있습니다.
  • 인증을 위한 Key 정보와 가입자 프로파일은 UE가 LTE망에 접속할때 HSS에서 MME로 전달됩니다. 이후 "두뇌" 역할을 하는 MME가 UE에 대한 인증도 수행하고 가입자 프로파일(QoS 정보)을 기반으로 EPS 베어러를 생성하도록 합니다.

PCRF (Policy and Charging Rule Function)

  • UE별로 정책(Policy)과 과금(Charging)에 대한 룰(Rule)을 정하는 장비입니다. 정책(Policy)은 UE가 사용할 QoS 정보로 보시면 되구요, 과금(Charging)은 offline 과금을 할 건지 online 과금을 할 것인지에 대한 정보입니다. 그 정보들은 PCRF에서 P-GW로 전달되고, P-GW는 PCRF가 준 정보를 기반으로 UE에 대한 제어(QoS, Charging)을 수행하게 됩니다.

SPR (Subscriber Profile Repository)

  • UE별 Policy 및 Charging 룰(Access Profile)은 PCRF에 저장되어 있지 않고, 대신 SPR이란 DB에 저장되어 있습니다.
  • 그래서 PCRF는 SPR로 부터 UE에 대한 Access Profile를 가지고 오게 됩니다.

OCS (Online Charging System)

  • 우라나라의 경우 후불제(Postpaid)가 일반적이지만, 선불제(Prepaid)를 사용하고 있는 해외 통신사업자도 꽤 있습니다.
  • 예를 들어, "한달 동안 1GB 사용"이 가능한 선불카드를 구매한 가입자에 대해, 망은 사용자 사용량을 "실시간으로 관리"하다가 1GB를 다쓰는 바로 그 시점(혹은 한달이 지난 시점)에 사용자가 더이상 인터넷을 사용하지 못하도록 해야 합니다. 이를 위한 시스템이라고 보시면 됩니다. 
  • 실시간 사용량은 P-GW에서 관리하고 그  정보를 OCS로 전달해 주면 OCS가 사용자별로 남은 사용량(balance 혹은 credit이라 부릅니다)이 얼마인지 중앙 관리를 하고, credit을 다 사용한 가입자를 판별/판단하여 더 이상 인터넷 사용을 못하도록 P-GW에  그 사실을 알려 줍니다.

OFCS (Offline Charging System)

  • 앞서 설명드린 바와 같이 P-GW가 전달해 주는 CDR을 받아 중앙에서 관리하는 장비입니다.

PDN (Packet Data Network)

  • 그냥 Internet이라고 보시면 됩니다. 일단은 PDN = Internet = IP Network

김택수 2012-01-19 14:04:52
OFCS에서 말하는 CDR이 정확하게 먼가요?
넷매니아즈 2012-03-07 11:29:33
CDR은 Call Detail Record 혹은 Charging Data Record의 약자로 UDR(Usage Detail Record)과 같은 의미로 사용이 되고 있습니다.
CDR에는 다음과 같은 대표적인 파라미터가 들어갑니다.
- 사용자 ID: IMSI (망에서 사용자를 구별 할 수 있는 ID)
- 사용자 IP 주소 (P-GW가 사용자에게 할당 해 준 IP 주소)
- 사용자가 사용한 패킷양 (송수신 패킷 개수, 송수신 바이트양)
- 사용자가 망에 접속한 시간 (예를 들어, 2012년 1월 19일 오후 4시 32분 23초에 접속)
- 사용자가 망에 접속을 해지한 시간 (예를 들어, 2012년 1월 19일 오후 4시 41분 15초에 접속 해지)
- 사용자가 망에 접속되어 있던 시간 (예를 들어, 총 17분 34초 동안 망에 접속해 있었음)
- 사용자의 위치: TAI, ECGI (LTE 용어인데요. ECGI는 어떤 기지국(eNB)의 몇번째 Cell에 붙어 있는지를 나타냄)

이와 같은 데이터를 OFCS가 수집하여, 통신 사업자는 각 사용자별로 LTE 망 사용 내역에 대한 정보를 가질 수 있게 됩니다. 그래서 누가 heavy 유저인지 다 알 수 있게 되지요~*
유성식 2012-03-13 10:31:52
다른곳은 말이 어렵게 되 있어서 이해하기 힘들었는데 정말 쉽게 표현하셨네요

도움 많이 되었습니다^^
차성화 2012-03-19 12:03:09
잘보고갑니다 ㅋ

완전 도움 엄청됐습니다 감사합니다
서상욱 2012-03-29 10:38:07
좋은 자료 감사합니다. 이쪽 공부를 위해서 스팩도 보고.. 이런저런 사이트도 많이 봤는데,
이렇게 쉽고 친근하게 설명해주시는 곳은 처음 보는 듯 합니다~
이동욱 2012-04-06 18:44:20
이제 부터 궁금한 사항은 여기서 부터 검색해야 겠네요. 몰랐던 부분을 쉽고 자세히 설명해 주셔서 감사드립니다.
넷매니아즈 2012-04-07 01:48:50
네, 많이 이용해 주세요~* ^^
이준기 2012-04-17 11:26:48
좋은 자료 고맙습니다.
넷매니아즈 2012-04-18 09:52:22
네, 감사합니다.
박광우 2012-05-01 08:07:06
LTE 과련 자료가 자세하면서도 쉽게 잘 설명되어 있는것 같습니다. 감사합니다. ^^
원종호 2012-05-17 10:35:22
감사히 잘보겠습니다. 수고하세요.
김선정 2012-05-17 17:05:20
늘 잘 보고 있습니다. 감사합니다.(_ _)
김용곤 2012-06-26 16:04:37
어려운 내용을 쉽게 설명하고 있어 참 좋습니다. 감사합니다.
박준규 2012-06-29 17:16:39
좋은 글 감사합니다. 잘 보았습니다.
앙꼬 2012-07-10 12:18:51
좋은자료 감사합니다. 처음 접해보는 내용이라서 영문 기술 스펙만 가지고는 너무 힘들었었는데 친절한 설명 감사합니다^^
박흥준 2012-08-03 13:01:43
항상 감사한 마음으로 보고 있습니다.
넷매니아즈 2012-08-03 13:56:43
네~ ^^*
이홍희 2012-09-14 17:15:23
LTE 공부를 입문하는 저에게 너무 큰 도움이 되고 있습니다.
잘 보고 갑니다.

감사합니다. ^^
김기정 2012-10-22 17:51:59
가끔식 ePDG라는 엔티티가 나오는데 PGW랑 어떻게 다른가요?
넷매니아즈 2012-10-22 19:07:46

아래 링크를 참조하세요.
https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=blog&no=5484

안성진 2012-12-13 14:54:16
이렇게 쉽게 풀어주실수도 있네요. 감사합니다. 잘 담아갑니다.
서형원 2012-12-31 10:07:32
도표와 자세하고 쉬운 설명 감사합니다. 잘 봤습니다.
LTE 2013-01-04 16:14:21
좋은 자료 보고 갑니다. 감사 합니다^^
조성호 2013-01-30 11:25:41
LTE를 처음 공부하는 사람으로써 정말 많은 도움이 되고 있습니다. 감사합니다.
LTE 기반의 음성 서비스(VoLTE)나 방송 서비스(eMBMS)에 대해서도 이렇게 쉽게 설명해 주시면 좋겠네요 *^^*
문상철 2013-04-30 22:50:21
좋은 자료 너무 감사합니다.
김종우 2013-05-01 16:07:44
정말 많은 도움이 되는 자료입니다 ^^

위 그림에서 UE와 eNB 사이만 무선으로 되어있고 다른 장치들은 다 유선으로 연결되어 있는 것인가요?
넷매니아즈 2013-05-01 18:39:09

네, 맞습니다.

1. UE와 eNB 사이는 무선이고,
2. eNB와 EPC(S-GW, P-GW, MME) 사이 구간을 Mobile Backhaul이라 부르고 우리나라의 경우 이 구간은 거의 대부분 유선입니다.
* 해외 사업자의 경우 Mobile Backhaul 구간에 fiber가 별로 없어 Microwave를 사용하는 경우도 있습니다(많습니다).

그리고 아래 블로그 글의 그림을 참조하세요.
https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=blog&no=5463

김종우 2013-05-06 15:22:32
친절한 답변 정말 감사드립니다. ^^
김기수 2013-05-08 10:06:43
감사합니다~^^
고정현 2014-01-23 15:06:13
처음 배우는 사람도 쉽게 이해할수 있을 정도로 상세한 설명이 너무 좋습니다. 감사합니다.
김정호 2014-01-24 14:21:20
좋은 자료 감사합니다.
박만균 2014-02-17 16:35:49
좋은 자료보고 많이 배워갑니다. 고맙습니다 :D
김범진 2014-05-07 15:32:05
정말 잘 보고 잘 배워갑니다~
각 장비들에 대한 개념이 잡히네요
감사합니다.
고영익 2014-05-20 14:56:21
휼룡한 정보, 자료 감사합니다...
고영익 2014-05-20 14:56:48
휼룡한 정보, 자료 감사합니다
민경선 2014-10-20 13:27:40

자료 잘보고 있습니다 감사합니다~~

손우진 2014-10-28 10:40:53

정말 좋아요!! 많이 배우고 갑니다~

박진우 2014-11-04 16:00:19

감사합니다 :)

수지 2014-11-14 09:19:37

OCS와 OFCS의 차이를 조금 더 구체적으로 설명해 주실수 있나요?

자료 감사합니다^^

마진가 2015-03-06 15:41:32

감사합니다. 이쪽 분야에서 일하면서도 뭐가 뭔지 잘 몰랐는데 전체적인 구성을 보여주시는 궁금한 것이 많이 풀렸습니다,

Eclipse 2015-06-25 12:32:21

이해하기 쉽게 잘 정리해놓으셨네요. 감사합니다.

Mountain 2015-07-01 17:45:44

좋은 자료 정말 감사드립니다.

한가지 궁금한 것은

PDN에 연결이 되었다는 것은 단지, Internet에 연결이 되었다라고 생각하면 되는 것인가요?

hohoman 2015-07-09 17:49:36

좋은정보 잘보고 갑니다.

감사합니다.

장현규 2015-10-28 22:34:16

좋은 정보 감사드립니다.

혹시 앵커링 역할에 대해 자세한 설명 가능한가요?

기지국 단에서 핸드오버가 발생해도 s-gw는 변하지 않는다는 뜻인가요?

p-gw가 s-gw의 앵커링 역할을 한단것은 기지국 핸드오버 중에 s-gw 가 변경될 때에도 p-gw는 같다는 뜻인지 궁금합니다!!

장현규 2015-10-28 22:34:48

좋은 정보 감사드립니다.

혹시 앵커링 역할에 대해 자세한 설명 가능한가요?

기지국 단에서 핸드오버가 발생해도 s-gw는 변하지 않는다는 뜻인가요?

Chris 2015-10-31 20:36:45

PGW가 앵커링 역할을 한다는 말은, UE가 망에 접속되어 있는 한(connected or idle mode) PGW는 바뀌지 않는 다는 뜻입니다. 예를 들어, PGW가 서울과 대전에 있다 가정하고 UE가 서울 PGW에 attach한 상황에서 KTX를 타고 부산으로 가도 서울 PGW와 접속을 계속 유지하게 됩니다.

보통 UE 이동시 (기지국 변경시) SGW는 변경되지 않으나, SGW 관할 경계 지점을 이동하게 되면 SGW 역시 변경됩니다. 단, 앞서 말씀드린 것 처럼 PGW는 변경되지 않습니다.

손민식 2016-02-25 13:17:35

굉장히 좋은 자료 감사합니다.!

조동현 2016-03-22 18:44:10

덕분에 쉽게 공부했어요. 궁금한 부분이 있는데요.

1. 위 댓글에 anchoring 설명으로 대략은 이해를 했는데요, PGW 관할 경계점은 없는건가요 ? 그리고 PGW와 접속을 유지하는 이유는 무엇인가요?
2. QoS 정보라는건 뭔가요 ?? 예시를 좀 들어주실 수 있을까요?




김석훈 2016-03-28 10:39:12

제가 아는 선에서 설명을 드리면요.

1. UE 접속 중에 PGW가 변경되면 UE IP 주소가 바뀌게 되고 그러면 통신이 끊기게 됩니다. 그러한 이유로 UE가 망에 접속되어 있는 한 PGW가 변경되지 않는 것이 일반적입니다.

2. LTE QoS는 쉽게 말해 GBR(Guaranteed Bit Rate), MBR(Maximuim Bit Rate)이라 보시면 되구요. GBR(bps) 만큼 대역폭을 보장해 준다는 것이고 MBR(bps) 이상을 사용하지 못하게 한다는 것입니다. 자세한 내용은 아래 링크 참조하세요.

https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=blog&no=5381

김상현 2016-04-12 17:13:10

 eNB - S-GW 간에는 유선연결시 보통 통신사업자들이 구축한 대역폭이 얼마나 될까요? eNB에 최대유저수가 정해져 있을 것 같은데요. 개인당 속도를 만족하려면 1Gbps 가지고는 안될 것 같아서요.

윤지민 2016-06-02 09:32:56

안녕하세요! 베어러는 EPS밖에 없나요? 베어러가 궁금합니다 베어러의 정확한 정의가 뭔지모르겠어요ㅠㅠ

궁금이 2016-07-29 10:02:36

S-GW가 UE별로 서로 다른 QoS 정책을 적용(우선순위, 대역폭 제어등의 행위를 수행) 한다라고 하셨는데, QoS는 PCRF에서 정해지는게 아닌지요?

 

임지훈 2016-07-29 11:19:26

PGW를 S-GW로 잘 못 쓰신 듯 하네요. 

UE가 LTE망에 접속하는 과정에서

- PCRF는 해당 UE의 QoS 정책을 정해 PGW로 전달하고 (Poilcy Decision)

- PGW는 해당 QoS 정책을 기반으로 UE 트래픽에 대한 패킷 우선 처리를 수행한다 (Policy Enforcement)

고 보시면 됩니다.

궁금해요 2017-07-20 01:08:36

통신회사 취업준비생입니다. ^^ 문의 드릴 것이 있는데요, 50명에 사람이 스마트폰 동시에 사용할 경우, lte신호가 하나로 나와서 각 스마트폰 사용자에게 전달되는지? , 아니면 lte 50개의신호가 50명에 전달되는지 알고 싶습니다. 

letitkang 2017-10-30 18:15:14

잘 봤습니다. 한눈에 LTE 네트워크 구조에 대해서 알게 되었습니다.

어떤식으로 동작하는지에 대해 알게 되었네요

좋은 정보 감사합니다.

박주만 2019-04-11 16:02:31

"없읍니다" 에서 연식을 느꼈습니다.

아무쪼록 좋은 정보 감사드립니다.

보안유지 2019-04-15 09:38:38

LTE 통신망에 대해서 전체적으로 알기쉽게 잘 정리해 주셨네요. 유용한 정보 감사합니다.

이승훈 2019-07-23 11:35:06

감사합니다.

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