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LTE Policy and Charging Control (PCC)
LTE Policy and Charging Control (PCC)
By Netmanias (tech@netmanias.com)
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본 문서에서는 PCC 규칙(Policy and Charging Control Rule)과 PCC 규칙을 기반으로 한 PCC 절차를 다룬다. 사용자가 LTE 망을 통하여 인터넷 서비스와 음성 서비스를 이용할 때 PCC 절차를 기술하고 PCC 규칙이 적용되어 정책 제어가 수행되는 과정을 설명한다.

 

 

 

 

목차

1. 시작하는 글

2. PCC 규칙

3. PCC 절차

4. 정책 제어에 따른 IP 패킷 Flow 동작

5. EPS Entity Information

6. 마치는 글

 

 

1. 시작하는 글

 

LTE 단말을 구매한 사용자가 이동통신 사업자(이하 사업자) 망에 가입할 때는 서비스 종류와 요금제를 선택하고, 사업자는 이러한 가입 정보를 기준으로 가입 프로파일(subscription profile)을 구성하여 가입자의 서비스 이용을 지원/제어한다. LTE 서비스를 이용하는 사용자는 서비스별 APN(Access Point Name)으로 EPS 세션(EPS session)을 생성 또는 변경한다. 망은 사용자가 EPS 세션을 생성/변경 시 망 자원을 어떻게 할당하고 과금은 어떻게 제어할지 결정하여 세션이 유지되는 동안 적용한다.

 

이를 정책 및 과금 제어(PCC; Policy and Charging Control)라 하며, PCC 기능을 수행하는 주요 엔터티로는 PCRF(Policy and Charging Control Function)와 PCEF(Policy and Charging Enforcement Function)를 들 수 있다*.

PCRF는 PCC를 위해 여러 엔터티들과 협력하는데 본 문서에서는 PCC 규칙을 결정하는 PCRF와 이를 EPS 베어러에 적용하는 PCEF (P-GW)를 중심으로 설명한다.

 

EPS 세션을 생성 또는 변경할 때 PCRF는 SDF(Service Data Flow) 별로 PCC 규칙을 결정하는데 PCC 규칙은 사업자 정책(예, QoS 정책, gate status, 과금 방법)을 기반으로 결정된다. PCEF(P-GW)는 SDF를 검출하여 사용자 패킷에 해당 SDF의 PCC 규칙을 적용한다. 또한 SDF QoS와 베어러 QoS를 바인딩하여 EPS 베어러에 반영된다. 즉 EPS 엔터티들(UE, eNB, S-GW, P-GW, MME)에 EPS 베어러 context 값을 설정 및 변경한다.

 

EPS 세션의 생성/변경/종료(establishment/modification/termination)는 PCC 절차에 의해 수행된다. EPS 세션 변경 과정은 EPS 베어러의 생성/변경/종료를 포함하는데 이 과정에서 UE와 MME 간에 EPS 베어러 context 처리는 NAS 계층에서 ESM(EPS Session Management) 기능에 의해 지원된다.

 

본 문서는 PCC 규칙 및 PCC 절차를 다룬다. 문서의 구성은 다음과 같다.

 

2장에서 PCC 규칙을 정의하고

3장에서 서비스 종류별로 Gx 인터페이스 상에서 PCC 규칙이 provisioning되는 방법을 설명한다.

4장에서 EPS 세션 설정 및 변경 시 PCC 절차를 ESM 절차와 함께 설명하고,

5장에서 정책 제어(policy control) 적용 시 IP 패킷 flow 동작을 기술한다. 이어서

6장에서는 EPS 엔터티들이 갖는 정책 제어 정보를 정리한다.

 

 

 

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Yoo 2013-07-04 21:35:57
기다렸던 내용인데 감사히 잘 보겠습니다..^^
넷매니아즈 2013-07-05 12:55:50
참고문헌 [1] typo를 수정하였습니다.
TS 23.203 -> TS 29.212
KAMSEU 2013-07-05 23:40:26
very nice !
두리둥실 2013-07-08 16:42:23
좋은자료 잘 보겠습니다
넷매니아즈 2013-07-08 19:44:10
그림 1이 수정되어 문서가 update 되었습니다.
-> 그림 하단 default bearer 안의 SIP flow
Imthiyaz Ali 2013-07-19 13:35:20
Please upload the English version
Yoo 2013-08-08 01:05:34
상용 LTE망에서 Packet을 분석해본 결과 ims, internet 각 두개의 APN에 대한 Default Bearer 생성시 (Create Session Response) P-GW에서 UE로 TFT 정보를 전송하지 않습니다.
그리고, VoLTE 서비스를 위해 Dedicated Bearer를 생성시에만 TFT 정보를 단말에게 전송합니다.

단말이 ims 용도로 EBI=5, internet 용도로 EBI=6 이렇게 각각 Default Bearer를 생성했을때 단말에서 VoLTE
발신을 하게되면 SIP (INVITE 등) 메시지는 EBI=5를 사용하고, 나머지 인터넷용 트래픽은 EBI=6을 사용합니다.
어떻게 단말은 ims와 internet용 TFT 정보를 수신하지 않았음에도 두 개의 트래픽을 정확히 구분할수 있는건가요?
넷매니아즈 2013-08-09 11:32:08
단말은 APN별로 IP 주소를 할당 받고, 단말의 routing table에 의해서 각 목적지 별로 어떤 interface(EPS bearer)를 통해 나갈지 결정됩니다.

간단히 확인을 해 본 결과 (LG U+ 갤럭시S4 LTE-A 단말)
■ Interface 확인 (단말은 2개의 IP 주소를 할당 받았습니다.)
u0_a218@android:/proc/net $ ifconfig rmnet0
rmnet0: ip 100.66.114.44 mask 255.255.255.248 flags [up running]
u0_a218@android:/proc/net $ ifconfig rmnet1
rmnet1: ip 10.198.49.106 mask 255.255.255.252 flags [up running]

■ Routing Table 확인
u0_a218@android:/proc/net $ ip route show
default via 10.198.49.105 dev rmnet 1
10.113.13.211 via 100.66.114.45 dev rmnet 0
10.113.13.250 via 100.66.114.45 dev rmnet 0
...

default route가 rmnet1으로 잡힌 것으로 보아 rmnet1이 인터넷 통신을 위한 interface가 되고 이 interface에 EBI=6이 binding되어 있을 것입니다.
그리고 목적지가 private IP 주소(10.113.13.xx)인 route에 대해 rmnet0이 잡힌 것으로 보아, 10.113.13.211/250이 P-CSCF 혹은 SBC IP 주소가 될 것이고, 이 interface에 EBI=5가 binding되어 SIP 통신을 하게 될 것입니다.
netstat를 통해 단말에서 rmnet0 interface(100.66.114.44)에 대해 tcp port = 5060(SIP protocol)을 listen하고 있는 것도 확인했습니다.

SKT 역시 동일한 로직입니다.

Yoo님, 저도 질문이 있는데요. 아래 사항은 어떻게 확인이 가능한가요?
"상용 LTE망에서 Packet을 분석해본 결과 ims, internet 각 두개의 APN에 대한 Default Bearer 생성시 (Create Session Response) P-GW에서 UE로 TFT 정보를 전송하지 않습니다.
그리고, VoLTE 서비스를 위해 Dedicated Bearer를 생성시에만 TFT 정보를 단말에게 전송합니다."
Yoo 2013-08-09 21:06:41
제가 사실 LGU+ 네트웍 업무를 담당하고 있습니다. 그래서 LTE EPC망의 패킷을 미러링해서 Wireshark등으로
열어볼수 있어서 실제 패킷의 내용을 확인 가능합니다.

근데 좀 이상하네요. 저희 망에서는 단말에 100.x.x.x 대역의 IP는 할당하지 않는걸로 알고 있는데요.
저도 좀 더 확인해 보겠습니다.
넷매니아즈 2013-08-09 21:14:26
실제 패킷을 보실 수 있다니 부럽습니다! ^^*
그리고 IP 주소 대역은 다시 한번 확인해 봤는데 100.X.X.X이 맞는데요...

그리고 Yoo님. 저도 한가지 여쭈어 보겠습니다.
LG U+ LTE망(혹은 다른 국내 이동통신사업자망)은 단말 IP 주소를 P-GW에서 Attach Accept를 통해 할당하나요? 아니면 DHCP를 통해 할당 해 주나요?
Yoo 2013-08-09 21:19:01
다른 회사는 모르겠으나 저희는 P-GW 내부에 IP-Pool을 보유하고 있어서 P-GW 자체가 할당합니다.
konathamharireddy 2013-09-25 18:49:12
Please upload the English version
Jin 2013-10-02 14:01:21
IMS APN/ Internet APN 별로 default bearer가 생성 되는데요, 각각 create session 요청을 별도로 날리므로 delete session 도 별도로 전송해야 할거 같은데 맞는지요 ? 또한, 규격 상으로 pgw/ sgw에서는 session timer 같은게 존재 하는가요 ? 오랫동안안 별도의 트래픽 발생하지 않는 다면 어떻게 유지가 된는지 궁금하네요...
Yoo 2013-10-06 01:50:32
Default Bearer는 기본적으로 UE가 망에서 Detach 되지 않는한 계속해서 유지되는데요. 필요시 말씀하신대로
APN 단위로 Delete Session Request / Response 를 이용하여 Default Bearer를 삭제합니다.

예를들면 단말에서 테더링 기능을 on하면 테더링 Default Bearer가 생성되었다가 테더링 off하면 삭제되고,
단말에서 3G/4G 데이터 접속 차단을 누르면 인터넷 Default Bearer가 삭제됩니다.
만약 비행기 모드를 선택하면 단말에서 Detach 요청이 오고, 해당 단말에 설정되어 있던 모든 Default Bearer가
삭제됩니다.

문의하신 session timer 의미가 맞는지 모르겠지만 GTP-C, GTP-U 각각 Path management 용으로 Echo Request
와 Echo Response를 사용하며, 트래픽이 없을 경우에 주기적으로 송/수신하여 Path의 가용여부를 체크합니다.
박동주 2013-11-20 15:01:32
혹시 도움이 될까해서 남깁니다.
아래 질문에 대한 3gpp spec 내용은 아래아래와 같습니다.

"상용 LTE망에서 Packet을 분석해본 결과 ims, internet 각 두개의 APN에 대한 Default Bearer 생성시 (Create Session Response) P-GW에서 UE로 TFT 정보를 전송하지 않습니다.
그리고, VoLTE 서비스를 위해 Dedicated Bearer를 생성시에만 TFT 정보를 단말에게 전송합니다."

24.301 6.4.1.1
The default EPS bearer context does not have any TFT assigned during the activation procedure. This corresponds to using a match-all packet filter. The network may at anytime after the establishment of this bearer assign a TFT to the default EPS bearer and may subsequently modify the TFT or the packet filters of this default bearer.
Manjunath S 2014-01-04 14:53:51
Please update the English version.
송승일 2014-01-22 15:47:07
좋은 자료 감사합니다. 항상 잘 보고 있습니다.
다름이 아니라 위의 문서를 프린트 할수 없을까요(?)
아래 Transcript를 복사해서 프린트 할수 있지만, 이미지 파일들이 없어서 그렇습니다.
감사합니다.
Netmanias 2014-01-22 16:20:15
안녕하세요? 송승일님,
로그인 후 우측 상단에 PDF 아이콘을 클릭하시면 해당 문서를 다운로드 받으실 수 있습니다.
송승일 2014-01-23 08:47:00
감사합니다. ^^
komal 2014-03-05 00:37:20
please upload the english version for the same.
Netmanias 2014-03-10 12:56:19
Hi,

LTE technical documents are being translated each in turn based on LTE TD list (please see page 2 of any LTE TD).
This document (LTE PCC) will be available at the end of April. Please wait some more..
komalmca2003 2014-03-10 22:51:43
Please provide the English version of this doc.
강윤범 2014-12-16 16:53:36

좋은 자료 덕분에 많은것 배워가네요 정말 감사드립니다.

그리고 해당 자료중에 궁금한 부분이 있어 문의드립니다.

1. p11 [그림6] 정책 제어 적용 예를 보면

   internet default bearer ID와 IMS default bearer ID가 같은 '5'로 되어있는데

   동일 UE일 경우 ID가 순차적으로 달라야 되지 않나요?

2. AA-request/answer에서 AA의 full name은 어떻게 되는지요?

감사합니다.

박정호 2018-03-08 17:38:18

넷매니아즈 기술문서, “VoLTE 초기 접속 절차”, TBD는 아직 작성전이신가요?

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Transcript
LTE Policy and Charging Control (PCC)


목 차

I. 시작하는 글
II. PCC 규칙
III. PCC 절차
IV. 정책 제어에 따른 IP 패킷 Flow 동작
V. EPS Entity Information
VI. 마치는 글






본 문서에서는 PCC 규칙(Policy and Charging Control Rule)과 PCC 규칙을 기반으로 한 PCC 절차를 다룬다. 사용자가 LTE 망을 통하여 인터넷 서비스와 음성 서비스를 이용할 때 PCC 절차를 기술하고 PCC 규칙이 적용되어 정책 제어가 수행되는 과정을 설명한다.





2013년 7월 4일

www.netmanias.com

NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
AAA AA-Answer
AAR AA-Request
AMBR Aggregated Maximum Bit Rate
APN Access Point Name
ARP Allocation and Retention Priority
CCA Credit-Control-Answer
CCR Credit-Control-Request
DL Downlink
DPI Deep Packet Inspection
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPS Evolved Packet System
ESM EPS Session Management
GBR Guaranteed Bit Rate
HSS Home Subscriber Server
IMS IP Multimedia Subsystem
IP Internet Protocol
LTE Long Term Evolution
MBR Maximum Bit Rate
MME Mobility Management Entity
P2P Peer-to-Peer
PCC Policy and Charging Control
PCEF Policy and Charging Enforcement Function
PCRF Policy and Charging Rule Function
P-CSCF Proxy Call Session Control Function
PDN Packet Data Network
P-GW Packet Data Network Gateway
QCI QoS Class Identifier
QoS Quality of Service
RAA Re-Auth-Answer
RAR Re-Auth-Request
RTP Real Time Transport Protocol
SAE-GW System Architecture Evolution Gateway
SDF Service Data Flow
S-GW Serving Gateway
SIP Session Initiation Protocol
SPR Subscriber Profile Repository
TFT Traffic Flow Template
UDP User Datagram Protocol
UE User Equipment
UL Uplink
VoLTE Voice over LTE

?
I. 시작하는 글
LTE 단말을 구매한 사용자가 이동통신 사업자(이하 사업자) 망에 가입할 때는 서비스 종류와 요금제를 선택하고, 사업자는 이러한 가입 정보를 기준으로 가입 프로파일(subscription profile)을 구성하여 가입자의 서비스 이용을 지원/제어한다. LTE 서비스를 이용하는 사용자는 서비스별 APN(Access Point Name)으로 EPS 세션(EPS session)을 생성 또는 변경한다. 망은 사용자가 EPS 세션을 생성/변경 시 망 자원을 어떻게 할당하고 과금은 어떻게 제어할지 결정하여 세션이 유지되는 동안 적용한다. 이를 정책 및 과금 제어(PCC; Policy and Charging Control)라 하며, PCC 기능을 수행하는 주요 엔터티로는 PCRF(Policy and Charging Control Function)와 PCEF(Policy and Charging Enforcement Function)를 들 수 있다 .

EPS 세션을 생성 또는 변경할 때 PCRF는 SDF(Service Data Flow) 별로 PCC 규칙을 결정하는데 PCC 규칙은 사업자 정책(예, QoS 정책, gate status, 과금 방법)을 기반으로 결정된다. PCEF(P-GW)는 SDF를 검출하여 사용자 패킷에 해당 SDF의 PCC 규칙을 적용한다. 또한 SDF QoS와 베어러 QoS를 바인딩하여 EPS 베어러에 반영된다. 즉 EPS 엔터티들(UE, eNB, S-GW, P-GW, MME)에 EPS 베어러 context 값을 설정 및 변경한다.

EPS 세션의 생성/변경/종료(establishment/modification/termination)는 PCC 절차에 의해 수행된다. EPS 세션 변경 과정은 EPS 베어러의 생성/변경/종료를 포함하는데 이 과정에서 UE와 MME 간에 EPS 베어러 context 처리는 NAS 계층에서 ESM(EPS Session Management) 기능에 의해 지원된다.

본 문서는 PCC 규칙 및 PCC 절차를 다룬다. 문서의 구성은 다음과 같다. II 장에서 PCC 규칙을 정의하고 III 장에서 서비스 종류별로 Gx 인터페이스 상에서 PCC 규칙이 provisioning되는 방법을 설명한다. IV 장에서 EPS 세션 설정 및 변경 시 PCC 절차를 ESM 절차와 함께 설명하고, V 장에서 정책 제어(policy control) 적용 시 IP 패킷 flow 동작을 기술한다. 이어서 VI 장에서는 EPS 엔터티들이 갖는 정책 제어 정보를 정리한다.

II. PCC 규칙 (PCC Rule)
PCRF는 SDF에 대해 PCC 규칙을 결정하여 Gx 인터페이스를 통하여 PCEF(P-GW)로 제공한다. P-GW는 해당 SDF에 대해 PCC 규칙을 설정해 놓고, 송/수신되는 IP 패킷마다 SDF를 검출하여 해당 SDF에 대한 정책을 적용한다. 먼저 3GPP TS 23.203 규격[1]에서 기술하고 있는 PCC 규칙에 대한 정의를 살펴본다.

? 목적: PCC 규칙은 SDF에 속한 패킷을 검출하고, 어떤 서비스인지 식별하고, SDF에 적용할 과금 파라미터를 제공하며, SDF에 대한 정책 제어를 제공한다.
? 적용 대상: PCC 규칙은 SDF 단위로 결정된다. PCEF(P-GW)에서 패킷 filters(SDF template)에 의해 분류된 IP 패킷들은 해당 SDF에 적용된 PCC 규칙을 적용 받는다.
? 종류: PCC 규칙은 동적 PCC 규칙(dynamic PCC rule)과 미리 정의된 PCC 규칙(pre-defined PCC rule)으로 구분된다. 동적 PCC 규칙은 EPS 세션 생성/변경시 PCRF에서 P-GW로 동적으로 제공되고, 미리 정의된 PCC 규칙은 P-GW에 미리 설정되어 있어 PCRF에 의해 활성화/비활성화 된다.
? 구성 요소: PCC 규칙은 정책 규칙명(policy rule name), 서비스 ID, SDF template, gate status, QoS 파라미터, 과금 파라미터 등으로 구성되며 사업자 정책에 따라 결정된다.

아래에서는 PCC 규칙 종류별로 PCC 규칙이 Gx 인터페이스 상에서 어떻게 전달되고 P-GW에 어떻게 설정되는지 살펴본다. 2.1절에서는 미리 정의된 PCC 규칙의 전달을 2.2절에서는 동적 PCC 규칙의 전달을 설명한다.

2.1 미리 정해놓은 PCC 규칙 (Pre-defined PCC Rule)
사업자는 자신이 서비스 하지 않는 P2P 트래픽에 대해 전송률을 제한하는 정책을 적용하기도 하므로, P2P를 예로 들어 미리 정의된 PCC 규칙을 설명한다. 그림 1은 미리 정의된 PCC 규칙이 P-GW에 설정되는 과정을 보여준다.


그림 1. Pre-defined PCC 규칙 예: P2P 트래픽

미리 정의된 “P2P” 규칙은 P-GW에 미리 설정되어 비활성화되어 있다. PCRF는 미리 정의된 PCC 규칙을 선택한 경우 P-GW로 PCC 규칙 구성 요소를 모두 전달할 필요 없이 정책 규칙명(policy rule name), 즉 “P2P”만 전달한다. P-GW는 “P2P” 규칙명을 수신하면 비활성화 상태인 “P2P” 규칙을 활성화하여 사용한다.

2.2 동적 PCC 규칙 (Dynamic PCC Rule)
이번에는 이벤트가 있을 때마다 수행되는 동적 PCC 규칙을 살펴본다. 그림 2는 사용자가 인터넷 서비스와 음성 서비스를 이용할 때 동적 PCC 규칙이 P-GW에 설정되는 과정을 보여준다. 아래와 같이 가정하였고, 이 문서에서 다룰 모든 동적 PCC 규칙을 나타내었다.

? 사업자 정책 - 인터넷 서비스는 망 자원이 허용하는 한도만큼 액세스할 수 있고 음성 서비스는 음성 패킷의 전송률을 보장한다.
? APN - 인터넷 서비스와 음성 서비스는 서로 다른 APN, 즉 인터넷과 IMS 망으로 접속한다.
? PCC 규칙명 - 인터넷 서비스: “Internet”, 음성 서비스: “Voice-C”(SIP 시그널링)/”Voice-U”(음성 패킷)


그림 2. Dynamic PCC 규칙 예: 인터넷/음성 서비스

“Internet” 규칙은 인터넷을 사용하는 모든 패킷 flow에 적용되며, MBR(UL/DL)을 무제한으로 하여 인터넷 접속을 위한 가용 용량 안에서 최대로 사용할 수 있게 한다. “Internet” 규칙은 인터넷으로 접속하는 default 베어러에 적용되는데, APN-AMBR (UL/DL)을 무제한으로 하여 다른 사용자가 없으면 최대 전송률까지 사용할 수 있고 사용자가 많으면 전송률은 줄어든다.

“Voice-C” 규칙은 SIP 시그널링에 적용된다. IMS 망으로 접속하는 default 베어러에 적용되어 APN-AMBR (UL/DL)이 100Kbps로 지원된다.

“Voice-U” 규칙은 사용자 음성 패킷인 미디어 패킷에 적용되며, GBR이 적용된다. 음성 세션이 유지되는 동안 항상 UL/DL 88Kbps로 전송할 수 있도록 망 자원이 할당되며, IMS로 접속하는 dedicated 베어러가 생성되어 GBR (UL/DL) 88Kbps로 전송된다.

PCRF는 EPS 세션이 생성 또는 변경될 때 서비스 종류에 따라 동적으로 PCC 규칙명(“Internet”, “Voice-C”또는 “Voice-U”)과 규칙에 해당하는 정책 파라미터들을 Gx 인터페이스를 통하여 P-GW로 전달한다. P-GW는 PCRF로부터 제공받은 정책 파라미터들을 베어러 속성에 맵핑하여 IP 패킷별로 적용한다.

초기 접속 절차를 통해 인터넷과 IMS에 접속한 사용자는 detach하지 않는 한 default 베어러를 유지하므로 P-GW에는 기본적으로 “Internet” 규칙과 “Voice-C” 규칙이 설정되어 있다. IMS APN 상의 dedicated 베어러는 음성 호 발생시 생성되어 통화가 끝나면 없어진다.

III. PCC 절차 (PCC Procedure)
II 장에서 PCC 규칙에 대해 살펴보았고 III 장에서는 EPS 세션 설정 및 변경 절차를 통하여 PCC 절차를 설명한다. LTE에서 음성 서비스는 인터넷 서비스와 별도의 PDN(IMS 망)을 사용하므로, 인터넷 서비스와 별도의 default 베어러를 갖는다. 음성 시그널링은 SIP 프로토콜을 이용하여 사용하여 default 베어러를 통하여 전달되고, 미디어 패킷은 RTP 프로토콜을 이용하여 dedicated 베어러를 통하여 전달된다.

인터넷 서비스 사용자의 초기 접속 절차와 EPS 세션 설정절차는 LTE Initial Attach 기술문서[2]에서 다루었으므로, 여기서는 음성 서비스를 이용하기 위하여 IMS로 접속하는 사용자의 EPS 세션 설정/변경 절차에서 PCC 동작을 살펴본다.
LTE 망을 통하여 음성 통화를 하기 위해서는 우선 LTE 접속(Attach)과 IMS 등록이 선행되어야 한다. LTE 접속을 통하여 음성 서비스를 위한 EPS 세션이 생성되면서 LTE 망에는 IMS 망으로 접속하기 위한 default 베어러가 생성된다. 이 과정에서 음성 서비스 시그널링을 위한 PCC 규칙(“Voice-C”)이 적용되며, 이 default 베어러를 통하여 SIP 시그널링이 전달되고 사용자와 IMS 망 간에 IMS 인증/등록이 수행된다.
이 후 음성 호가 발생하면 IMS 망이 이를 인지하여 PCRF로 알린다. PCRF는 음성 패킷을 전달하기 위한 PCC 규칙(“Voice-U”)을 결정하여 P-GW로 전달하고, P-GW는 음성 미디어 패킷을 전달하기 위한 dedicated 베어러를 생성하고, 이 dedicated 베어러를 통해 음성 패킷이 전달된다.

3.1 음성 세션 생성(Voice Session Establishment): Default Bearer Establishment and IMS SIP Registration
그림 3은 IMS APN을 통해 초기 접속하는 사용자의 EPS 세션 생성 절차를 나타낸다. EPS 세션 생성의 시작은 사용자가 UE를 power on하는 것으로 적용하였다. EMM(EPS Mobility Management) 메시지를 이용한 초기 접속 절차는 이전 기술문서[1]에서 다루었으므로 여기서는 ESM(EPS Session Management) 메시지를 기반으로 간단히 설명한다.


그림 3. 음성 세션 생성과 Default 베어러 생성 (Voice Session Establishment and Default Bearer Establishment)

1) [UE ? MME] PDN 접속 요청
UE는 PDN Connectivity Request 메시지를 MME로 전송하여 IMS 망으로의 접속을 요청한다. 이 ESM 메시지는 EMM 메시지인 Attach Request 메시지의 ESM Message Container 필드에 포함되어 전송된다.
2) [MME ? P-GW] 음성 세션 생성 요청
MME는 “Location Update” 과정에서 HSS로부터 받은 가입 프로파일(subscription profile)을 기반으로 APN과 가입 QoS 프로파일을 얻고 이를 기반으로 Create Session Request 메시지를 P-GW로 전달한다. 가입 프로파일에는 default 베어러(SIP 시그널링용)를 위한 가입 QoS 프로파일로 QCI=5, ARP=6, APN-AMBR=100Kbps이 적용되어 있다.
3) [P-GW] UE IP 및 P-CSCF 주소 할당
P-GW는 IMS APN네 대해 UE IP를 할당하고 IMS 제어 노드인 P-CSCF의 주소를 선택한다.
4) [P-GW ? PCRF] EPS 세션 생성 알림
P-GW는 CCR(Credit-Control-Request) 메시지를 통해 사용자의 가입 QoS 프로파일을 PCRF로 전달하여 승인을 요청한다.
5) ~ 6) [PCRF, SPR] 사용자 프로파일 획득
PCRF는 음성 서비스에 대한 PCC 정책을 결정하기 위해 SPR로 사용자의 가입 프로파일을 요청하여 수신할 수 있다.
7) [PCRF] 정책 결정 (Policy Decision)
PCRF는 가입 프로파일을 기반으로 EPS 세션에 대한 정책을 결정한다. SIP 시그널링 목적임을 파악하고 PCC 규칙으로 “Voice-C” 규칙을 결정한다.

? “Voice-C” 규칙: QCI=5, ARP=6, APN-AMBR(UL/DL)=100Kbps, Charging Rule: Offline, SIP Packet Filter

8) [P-GW ? PCRF] PCC 규칙 제공
PCRF는 PCC 규칙(“Voice-C”)을 Gx 인터페이스를 통해 P-GW로 전달한다.
9) [P-GW] 정책 설정 (Policy Enforcement)
P-GW는 PCC 규칙(“Voice-C”)을 수신하여 정책 파라미터들을 설정하고, SDF QoS를 default 베어러 QoS로 맵핑한다 .

? P-GW(SDF): QCI=5, ARP=6, MBR(UL/DL)=100Kbps/100Kbps, SDF Template(UL/DL)=(UE IP, *, SIP, *, UDP) /(*, UE IP, SIP, *, UDP)

? P-GW(Default Bearer): QCI=5, ARP=6, APN=AMBR(UL/DL)=100Kbps/100Kbps, TFT(UL/DL)=(UE IP, *, SIP, *, UDP)/(*, UE IP, SIP, *, UDP)

10) [MME ? P-GW] 음성 세션 생성 응답
단계 2)에 대한 응답으로 Create Session Response 메시지를 MME로 전달한다. 이 메시지는 승인된 QoS 프로파일과 UE에게 전송할 UL 정책 파라미터(예, APN-AMBR(UL), TFT(UL))를 포함한다.
11) [UE ? MME] Default 베어러 Context 활성화 요청
MME는 UE에게 Activate Default EPS Bearer Context Request 메시지를 전송하여 default 베어러 context를 활성화 시킬 것을 요청한다. 이 ESM 메시지는 APN, UE IP 및 P-GW가 보내는 정책 파라미터를 포함하며, EMM 메시지인 Attach Accept 메시지의 ESM Message Container 필드에 포함되어 전송된다.
12) [UE] Policy Enforcement: Default 베어러 Context를 활성화
UE는 UL 정책을 설정하고 default 베어러 context를 활성화한다.

? UE: QCI=5, APN-AMBR(UL)=100Kbps, TFT(UL)=(UE IP, *, SIP, *, UDP)

13) [UE ? MME] Default 베어러 Context를 활성화했음을 알림
UE는 MME에게 Activate Default EPS Bearer Context Accept 메시지를 전송하여 SIP 시그널링 메시지를 위한 default 베어러 context를 활성화 했음을 알린다.

SIP 시그널링용 default 베어러가 생성된 후 default 베어러를 통해 SIP 인증/등록 절차가 일어난다. SIP 절차는 본 문서 범위 밖으로 향후 VoLTE 초기접속 문서[4]에서 다루도록 한다. SIP 등록이 완료되면 사용자는 음성 호를 송수신할 수 있게 된다.

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3.2 음성 세션 변경(Voice Session Modification): Dedicated Bearer Establishment
LTE 접속과 SIP 등록을 마친 사용자는 이제 음성 호를 처리할 수 있다. SIP 시그널링 전달용의 default 베어러가 제공하는 QoS는 실시간 전달이 요구되는 음성 패킷의 QoS를 만족하지 못하므로, 음성 패킷의 QoS를 제공할 수 있는 새로운 베어러가 요구된다. 따라서 음성 호가 발생하면 음성 패킷용 dedicated 베어러가 생성되고 이는 음성 세션 변경 절차를 통해 수행된다.

그림 4는 음성 호가 발생하여 새로운 PCC 규칙에 의해 dedicated 베어러가 생성되고 음성 세션이 변경되는 절차를 나타낸다. 사용자가 음성 호를 요청하면 PCRF는 SIP 시그널링 (Session Progress 메시지)에 의해 음성 호가 발생했음을 알고 PCC 규칙으로 “Voice-U” 규칙(QCI=1, ARP=7, GBR/MBR=88Kbps)을 결정하여 P-GW로 전달하고, P-GW는 GBR형 dedicated 베어러를 생성한다. 사용자는 default 베어러를 통하여 상대방으로부터 200 OK SIP 메시지를 받으면 dedicated 베어러를 통하여 음성 패킷을 전달한다.


그림 4. 음성 세션 변경과 Dedicated 베어러 생성(Voice Session Modification on and Dedicated Bearer Establishment)

1) [Originating UE ? P-CSCF] 음성 호 발생
Originating UE는 IMS 망으로 Invite 메시지를 전송함으로써 음성 통화를 요청한다. IMS 망 내 절차는 본 문서 범위 밖으로 여기서는 생략한다.
2) [PCRF ? P-CSCF] 서비스 정보 전달
IMS 망(P-CSCF)은 SIP 메시지를 수신하여 음성 호를 요청함을 알고 AAR(AA-Request) 메시지를 통하여 서비스 정보를 PCRF에게 전달한다. AAR 메시지는 최대/최소 대역폭, IP flow 구별자, Codec 등의 미디어 정보를 포함한다.
3) [PCRF] PCC 규칙 결정
PCRF는 P-CSCF로부터 수신한 서비스 정보를 기반으로, PCC 규칙과 베어러를 선택함으로써 EPS 세션에 대한 정책을 결정한다. 음성 패킷을 지원하는 PCC 규칙으로 “Voice-U” 규칙을 선택하고, 베어러의 QoS 클래스로 QCI=1을 선택한다. 음성 패킷의 QoS는 기존 default 베어러의 QoS 클래스로 지원할 수 없으므로, 새로이 dedicated 베어러를 생성하여 EPS 세션을 변경한다.

? “Voice-U” 규칙: QCI=1, ARP=7, GBR(UL/DL)=88Kbps/88Kbps, MBR(UL/DL)=88Kbps/88Kbps, Charging Rule: Offline, RTP Packet Filter

4) [P-GW ? PCRF] PCC 규칙 제공
PCRF는 PCC 규칙((“Voice-U” )을 Gx 인터페이스를 통해 P-GW로 전달한다.
5) [P-GW] 정책 설정 (Policy Enforcement)
P-GW는 PCC 규칙((“Voice-U”)을 수신하여 QoS 및 과금 정책 파라미터를 설정하고, SDF QoS를 dedicated 베어러 QoS로 맵핑한다.

? P-GW(SDF): QCI=1, ARP=7, GBR(UL/DL)=88Kbps/88Kbps, MBR(UL/DL)=88Kbps/88Kbps, SDF Template (UL/DL)=(UE IP, *, RTP, *, UDP) /(*, UE IP, RTP, *, UDP)

? P-GW(Dedicated Bearer): QCI=1, ARP=7, GBR(UL/DL)=88Kbps/88Kbps, MBR(UL/DL)=88Kbps/88Kbps, TFT(UL/DL)=(UE IP, *, RTP, *, UDP)/(*, UE IP, RTP, *, UDP)

6) ~ 7) [MME ? S-GW ? P-GW] Dedicated 베어러 생성 요청
P-GW는 MME로 Create Bearer Request 메시지를 전송하여 dedicated 베어러 생성을 요청한다. Create Bearer Request 메시지는 dedicated 베어러 QoS와 UL TFT 정보를 포함한다.
8) [UE ? MME] Dedicated 베어러 Context 활성화 요청
MME는 UE에게 Activate Dedicated EPS Bearer Context Request 메시지를 전송하여 dedicated 베어러 context를 활성화 시킬 것을 요청한다. 이 메시지는 P-GW가 보내는 정책 파라미터를 포함한다.
9) [UE] Policy Enforcement: Dedicated 베어러 Context를 활성화
UE는 UL 정책을 설정하고 dedicated 베어러 context를 활성화한다.

? UE: QCI=1, GBR(UL)=88Kbps, MBR(UL)=88Kbps, TFT(UL)=(UE IP, *, RTP, *, UDP)

10) [UE ? MME] Dedicated 베어러 Context를 활성화했음을 알림
UE는 MME에게 Activate Dedicated EPS Bearer Context Accept 메시지를 전송하여 음성 패킷을 위한 dedicated 베어러 context를 활성화 했음을 알린다.
11) ~ 12) [MME ? S-GW ? P-GW] Dedicated 베어러 생성을 알림
MME는 P-GW로 dedicated 베어러가 생성되었음을 알린다.
12) [MME ? S-GW ? P-GW] 베어러 생성 요청
UE는 상향 정책을 수신하여 설정한다.
13) [P-GW ? PCRF] PCC 규칙 적용 알림
P-GW는 PCRF로 PCC 규칙이 적용되었음을 알린다.

Dedicated 베어러가 생성된 후, default 베어러를 통한 SIP 시그널링이 완료되어 사용자가 200 OK 메시지를 수신하게 되면 음성 패킷(RTP 패킷)이 dedicated 베어러를 통해 전달된다.

IV. 정책 제어에 따른 IP 패킷 Flow 동작
EPS 세션 상에서 IP 패킷 flow들이 정책 제어(policy control)에 의해 어떻게 동작하는지 살펴본다. 그림 5는 통화 중인 사용자에 대해, EPS 세션 상에서 IP 패킷 flow를 나타낸다(S-GW와 P-GW는 SAE-GW로 통합하여 나타냄). 인터넷 트래픽(그림 5에서 Web flow)은 default 베어러를 통해 인터넷 PDN으로 전달되고, 음성 트래픽의 경우는 SIP 시그널링 flow는 default 베어러를 통해 IMS PDN(P-CSCF)으로 전달되고 음성 미디어 flow는 dedicated 베어러를 통해 상대방 사용자에게 전달된다.


그림 5. EPS 세션 상의 IP 패킷 Flow

그림 6은 그림 5의 IP 패킷 flow에 정책 제어가 적용되었을 때 동작 예를 나타낸다. P-GW에는 그림 2에 나타난 정책 파라미터들이 설정되어 있고, P-GW는 DL/UL에서 SDF를 검출하여 IP 패킷마다 정책 제어를 수행한다. EPS 베어러 상에는 EPS 베어러 QoS 파라미터가 설정되어 있다.


그림 6. 정책 제어 적용 예

하향 (Downlink)
P-GW에 IP 패킷 flow들이 도착한다. P-GW에 설정된 gate status에 의해 인터넷과 IMS 망으로부터 수신되는 트래픽이 허용된다.

? SIP 트래픽(APN: IMS)은 P-GW에서 패킷 filter(PF1)에 의해 SDF1으로 검출되어 MBR(100Kbps)로 shaping되고, default 베어러로 맵핑되어 APN-AMBR(100Kbps)으로 shaping된다. eNB에서는 UE-AMBR(unlimited)로 스케줄링되어 UE에게 전달된다.

? 음성 트래픽(APN: IMS)은 P-GW에서 PF2에 의해 SDF2로 검출되어 GBR 전송률을 보장받고 dedicated 베어러로 맵핑되어 역시 GBR 전송률을 보장받는다. eNB에서 GBR로 스케줄링되어 UE에게 전달된다.

? 인터넷 트래픽(APN: Internet)은 P-GW에서 PF3에 의해 SDF3로 검출되어 unlimited로 shaping되고, default 베어러로 맵핑되어 APN-AMBR(unlimited)으로 shaping된다. eNB에서는 UE-AMBR (unlimited)로 스케줄링되어 UE에게 전달된다.

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상향 (Uplink)
사용자 어플리케이션에서 UE에 IP 패킷 flow들이 도착한다. 상향 IP 패킷들은 UE에서 상향 패킷 filter(UL TFT; PF1, PF2, PF3)에 의해 해당 베어러로 맵핑되어 베어러 QoS를 적용받아 P-GW로 전달되고, P-GW에서 패킷 filter(SDF template; PF1, PF2, PF3)에 의해 SDF로 검출되어 SDF QoS를 적용받아 전달된다.

? SIP 트래픽은 UE에서 PF1에 의해 IMS APN으로 접속하는 default 베어러로 맵핑되어 APN-AMBR(100Kbps)로 shaping되어 eNB로 전송된다. P-GW에서 다시 APN-AMBR(100Kbps)에 의해 shaping된 후 PF1에 의해 SDF1으로 검출되어 SDF MBR(100Kbps)로 shaping되어 IMS 망으로 전송된다.

? 음성 트래픽은 UE에서 PF2에 의해 IMS APN으로 접속하는 dedicated 베어러로 맵핑되어 eNB의 스케줄링에 따라 GBR로 전송된다. P-GW에 이르러 PF2에 의해 SDF2으로 검출되어 SDF GBR(88Kbps)로 전송된다.

? 인터넷 트래픽은 UE에서 PF3에 의해 Internet APN으로 접속하는 default 베어러로 맵핑되어 APN-AMBR(unlimited)에 의해 shaping되어 eNB로 전달되고, P-GW에서 UL APN-AMBR(unlimited)로 다시 shaping된다. P-GW에서 PF3에 의해 SDF3로 검출되어 SDF MBR(unlimited)로 shaping되어 인터넷으로 전달된다.

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V. EPS Entity Information
PCC 규칙 적용 후 EPS 엔터티에 있는 정보를 APN 별로 살펴보도록 한다.

5.1 인터넷 서비스
그림 7은 인터넷 서비스 트래픽에 대해 PCC 규칙이 적용된 결과 EPS 엔터티들이 유지하는 정보를 나타낸다. PCRF는 IMS 망으로의 초기 접속 과정에서 “Internet” 규칙을 선택하여 P-GW로 전달하고 P-GW는 이를 이용하여 EPS default 베어러 QoS를 설정한다. Default 베어러는 UE가 detach 하지 않는 한 유지된다.


그림 7. PCC 규칙 적용 후 EPS 엔터티 정보: 인터넷 서비스

5.2 음성 서비스
그림 8은 음성 서비스 트래픽에 대해 PCC 규칙이 적용된 결과 EPS 엔터티들이 유지하는 정보를 나타낸다. 사용자가 IMS 망으로 초기 접속하여 default 베어러를 생성함과 동시에 음성 호가 발생하여 통화하는 경우이다. PCRF는 IMS 망으로의 초기 접속 과정에서 “Voice-C” 규칙을 선택하여 P-GW로 전달하고 P-GW는 이를 이용하여 EPS default 베어러 QoS를 설정한다. 음성 호가 발생하면 PCRF는 “Voice-U” 규칙을 선택하여 P-GW로 전달하고 P-GW는 이를 이용하여 EPS dedicated 베어러 QoS를 설정한다.

사용자가 음성 통화를 끝내면 P-CSCF는 PCRF로 이를 알리고 PCRF는 EPS 세션 변경 절차를 시작하여 dedicated 베어러가 종료되고, UE, eNB, S-GW, P-GW에서 dedicated 베어러 context가 삭제 된다. SIP 시그널링을 위한 default 베어러는 음성 통화가 종료되어도 UE가 detach하지 않는 한 유지된다.


그림 8. PCC 규칙 적용 후 EPS 엔터티 정보: 음성 서비스


V. 마치는 글
LTE 망에서 사용자가 인터넷 서비스와 음성 서비스를 이용할 때, PCRF에서 PCC 규칙이 결정되고 P-GW에서 PCC 규칙이 설정되는 과정을 설명하고 PCC 절차를 분석하였다. 또한 P-GW가 PCC 규칙에 따라 EPS 베어러를 제어하는 과정을 살펴보고, 정책 제어가 적용된 후 IP flow 동작 예를 살펴보았다.

본 문서는 PCC 규칙을 QoS 규칙 중심으로 다루고 과금 규칙에 대해서는 offline으로만 간단히 나타내었다. 다음 문서[5]는 과금에 대한 것으로, offline 과금과 관련된 과금 정보와 과금 절차를 설명한다.

참고문헌
[1] 3GPP TS 23.203, “Policy and Charging Control Architecture”
[2] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 1. Initial Attach for Unknown UE (2편) ? 초기 접속 호 흐름”, March 2013, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5320
[3] 넷매니아즈 기술문서, “LTE QoS: SDF 및 EPS 베어러 QoS”, August 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5262
[4] 넷매니아즈 기술문서, “VoLTE 초기 접속”, TBD
[5] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Charging: Offline”, July 2013, TBD
[6] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.

 

 

     
         
     

 

     
     

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