시스템 아키텍처 에볼루션

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1. 개요

시스템 아키텍처 에볼루션(SAE)은 제어 평면 트래픽과 사용자 평면 트래픽을 분리하는 플랫, 올-IP 아키텍처를 갖춘 이동 통신 시스템의 핵심 아키텍처이다. SAE의 주요 구성 요소는 EPC(Evolved Packet Core)이며, MME, SGW, PGW, HSS, ANDSF, ePDG 등의 하위 구성 요소로 구성된다. SAE는 3GPP 릴리스 8에서 처음 소개되었으며, 음성 및 SMS 서비스 지원, 다중 액세스 네트워크 지원, 그리고 3GPP 릴리스별로 새로운 기능이 추가되어 발전해 왔다.

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시스템 아키텍처 에볼루션

2. SAE의 구조

SAE는 제어 플레인과 사용자 플레인 트래픽을 분리하는 플랫, 올-IP 아키텍처를 채택하여 효율성과 확장성을 높였다. SAE 아키텍처의 핵심 구성 요소는 EPC이며, 흔히 SAE 코어라고 불린다. EPC는 GPRS 코어 네트워크에 상응하는 기능을 수행한다.

2. 1. EPC (Evolved Packet Core)

EPC는 GPRS 네트워크의 기능을 LTE 환경에 맞게 발전시킨 것으로, MME, SGW, PGW, HSS, ANDSF, ePDG 등의 하위 구성 요소로 이루어져 있다.^[1]^[2]

2. 1. 1. MME (Mobility Management Entity)

MME는 LTE 액세스 네트워크의 주요 제어 노드이다. 재전송을 포함한 유휴 모드의 사용자 장비(UE) 페이징 및 태깅 절차를 담당한다. 베어러 활성화/비활성화 프로세스에 관여하며, 초기 부착 시와 코어 네트워크(CN) 노드 재배치를 포함하는 intra-LTE 핸드오버 시 UE에 대한 Serving Gateway를 선택하는 역할도 한다. 사용자를 인증하고 (홈 가입자 서버)와 상호 작용한다. 비접속 계층(NAS) 시그널링은 MME에서 종료되며, UE에 임시 ID를 생성하고 할당하는 역할도 한다. 서비스 제공업체의 공중 이동 통신망(PLMN)에 UE가 접속할 수 있는지 권한을 확인하고 UE 로밍 제한을 적용한다. MME는 NAS 시그널링에 대한 암호화/무결성 보호를 위한 네트워크의 종단점이며, 보안 키 관리를 처리한다. 시그널링의 합법적인 감청도 MME에서 지원된다. MME는 또한 SGSN에서 MME로 종료되는 S3 인터페이스를 통해 LTE와 2G/3G 액세스 네트워크 간의 이동성을 위한 제어 평면 기능을 제공한다. MME는 또한 로밍 UE를 위해 HSS로 향하는 S6a 인터페이스를 종료한다.

2. 1. 2. SGW (Serving Gateway)

SGW는 사용자 데이터 패킷을 라우팅하고 전달하며, eNodeB 간 핸드오버 시 사용자 플레인의 이동성 앵커 역할을 한다.^[1] 또한, 유휴 상태의 UE에 대한 다운링크 데이터 경로를 종료하고 페이징을 트리거한다.^[1]

2. 1. 3. PGW (Packet Data Network Gateway)

PGW는 사용자 장비(UE)와 외부 패킷 데이터 네트워크(PDN) 간의 연결을 제공하며, 트래픽의 출입 지점 역할을 한다. 하나의 사용자 장비는 여러 PDN에 접속하기 위해 둘 이상의 PGW와 동시 연결을 가질 수 있다. PGW는 정책 시행, 각 사용자에 대한 패킷 필터링, 과금 지원, 합법적 감청, 패킷 스크리닝을 수행한다. PGW의 또 다른 주요 역할은 3GPP와 3GPP2(CDMA 1X 및 EvDO)와 같은 비-3GPP 기술 간의 이동성을 위한 앵커 역할을 하는 것이다.

2. 1. 4. HSS (Home Subscriber Server)

홈 가입자 서버(HSS)는 사용자 및 가입자 관련 정보를 저장하는 중앙 데이터베이스이다. HSS는 이동성 관리, 통화 및 세션 설정 지원, 사용자 인증 및 접근 권한 부여 등의 기능을 수행한다. HSS는 릴리스 4 이전 버전의 홈 위치 레지스터(HLR) 및 인증 센터(AuC)를 기반으로 한다.

2. 1. 5. ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function)

ANDSF는 3GPP 및 비-3GPP 접속망(예: Wi-Fi)에 대한 정보를 UE(사용자 장비)에 제공한다. ANDSF의 목적은 UE가 주변의 접속망을 발견하도록 돕고, 이러한 네트워크에 대한 연결을 우선 순위 지정하고 관리하기 위한 규칙(정책)을 제공하는 것이다.^[1]

2. 1. 6. ePDG (Evolved Packet Data Gateway)

ePDG의 주요 기능은 신뢰할 수 없는 비-3GPP 액세스(예: 와이파이 통화)를 통해 EPC에 연결된 UE와의 데이터 전송을 보호하는 것이다. 이를 위해 ePDG는 UE와 설정된 IPsec 터널의 종단 노드 역할을 한다.

3. NAS (Non-Access Stratum) 프로토콜

비접속 계층(NAS, Non-Access Stratum) 프로토콜은 사용자 장치(UE)와 MME 간 제어 평면의 최상위 계층을 형성한다.^[3] NAS 프로토콜은 UE의 이동성과 UE와 PDN GW 간 IP 연결을 설정하고 유지하기 위한 세션 관리 절차를 지원한다. 3G 네트워크 또는 비 3GPP 액세스 네트워크와의 시스템 간 이동 중 매개변수 간의 매핑 규칙을 정의하며, NAS 시그널링 메시지의 무결성 보호 및 암호화를 통해 NAS 보안을 제공한다. EPS(Evolved Packet System)는 UE 부착 절차 중 이동성 관리 및 세션 관리 절차 간의 연결을 통해 가입자에게 "즉시 사용 가능한" IP 연결과 "항상 켜져 있는" 경험을 제공한다.

NAS 트랜잭션은 EPS 이동성 관리(EMM, EPS Mobility Management) 및 EPS 세션 관리(ESM, EPS Session Management) 프로토콜을 사용한 특정 일련의 기본 절차로 구성된다.

3. 1. EMM (EPS Mobility Management)

EMM(EPS Mobility Management) 프로토콜은 사용자 장비(UE)가 E-UTRAN(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)을 사용할 때 이동성을 제어하기 위한 절차를 제공한다. 또한 NAS 프로토콜의 보안 제어도 제공한다.

EMM은 다음과 같은 절차를 수행한다.

EMM 공통 절차(EMM common procedures): NAS 신호 연결이 존재하는 동안 항상 시작될 수 있다. 네트워크에서 시작되며, GUTI 재할당, 인증, 보안 모드 제어, 식별 및 EMM 정보가 포함된다.
EMM 특정 절차(EMM specific procedures): UE에만 해당된다. 언제든지 하나의 UE 시작 EMM 특정 절차만 실행할 수 있다. 연결 및 결합 연결, 분리 또는 결합 분리, 일반 추적 영역 업데이트 및 결합 추적 영역 업데이트(S1 모드 전용) 및 주기적 추적 영역 업데이트(S1 모드 전용)가 있다.
EMM 연결 관리 절차(EMM connection management procedures): UE와 네트워크의 연결을 관리한다.
서비스 요청: UE에서 시작되며 네트워크에 대한 보안 연결을 설정하거나 데이터를 전송하기 위한 자원 예약을 요청하는 데 사용되거나 둘 다 수행한다.
페이징 절차: 네트워크에서 시작되며 NAS 시그널링 연결을 설정하거나 네트워크 오류로 인해 필요한 경우 UE가 다시 연결하도록 요청하는 데 사용된다.
NAS 메시지 전송: UE 또는 네트워크에서 시작되며 SMS 메시지를 전송하는 데 사용된다.
NAS 메시지의 일반 전송: UE 또는 네트워크에서 시작되며 다른 애플리케이션의 프로토콜 메시지를 전송하는 데 사용된다.

UE와 네트워크는 연결 절차와 기본 EPS 베어러 컨텍스트 활성화 절차를 병렬로 실행한다. EPS 연결 절차 동안 네트워크는 기본 EPS 베어러 컨텍스트를 활성화한다. 기본 EPS 베어러 컨텍스트 활성화를 위한 EPS 세션 관리 메시지는 EPS 이동성 관리 메시지의 정보 요소로 전송된다. UE와 네트워크는 전용 EPS 베어러 컨텍스트 활성화 절차가 완료되기 전에 결합된 기본 EPS 베어러 컨텍스트 활성화 절차와 연결 절차를 완료한다. 연결 절차의 성공 여부는 기본 EPS 베어러 컨텍스트 활성화 절차의 성공 여부에 달려 있다. 연결 절차가 실패하면 ESM 세션 관리 절차도 실패한다.

3. 2. ESM (EPS Session Management)

ESM(EPS Session Management)은 EPS 베어러 컨텍스트를 관리하기 위한 절차이다. ESM 절차는 액세스 계층에서 제공하는 베어러 제어와 함께 사용자 평면 베어러를 제어한다.

ESM 절차는 다음과 같이 나뉜다.

EPS 베어러 컨텍스트 절차 (EPS bearer contexts procedures)
트랜잭션 관련 절차 (Transaction related procedures)

각 EPS 베어러 컨텍스트는 UE와 PDN 간의 EPS 베어러를 나타낸다. EPS 베어러 컨텍스트는 UE와 MME 간의 해당 EPS 베어러를 구성하는 무선 및 S1 베어러가 일시적으로 해제된 경우에도 활성 상태를 유지할 수 있다. EPS 베어러 컨텍스트는 기본 베어러 컨텍스트 또는 전용 베어러 컨텍스트일 수 있다.

기본 EPS 베어러 컨텍스트는 UE가 PDN에 대한 연결을 요청할 때 활성화된다. 첫 번째 기본 EPS 베어러 컨텍스트는 EPS 부착 절차 동안 활성화된다. 또한 네트워크는 하나 이상의 전용 EPS 베어러 컨텍스트를 병렬로 활성화할 수 있다.

일반적으로 ESM 절차는 UE와 MME 간에 EMM 컨텍스트가 설정되고 MME가 EMM 절차를 사용하여 NAS 메시지의 안전한 교환을 시작한 경우에만 수행할 수 있다. UE가 성공적으로 부착되면 UE는 MME에 추가 PDN에 대한 연결을 설정하도록 요청할 수 있다. 각 추가 연결에 대해 MME는 별도의 기본 EPS 베어러 컨텍스트를 활성화한다. 기본 EPS 베어러 컨텍스트는 PDN에 대한 연결이 유지되는 동안 활성 상태를 유지한다.

ESM 절차 유형은 다음과 같다.

EPS 베어러 컨텍스트 절차: 네트워크에 의해 시작되며, 기본 EPS 베어러 컨텍스트 활성화, 전용 EPS 베어러 컨텍스트 활성화, EPS 베어러 컨텍스트 수정, EPS 베어러 컨텍스트 비활성화를 포함하여 EPS 베어러 컨텍스트 조작에 사용된다.
트랜잭션 관련 절차: 새로운 PDN 연결 또는 전용 베어러 리소스와 같은 리소스를 요청하거나 이러한 리소스를 해제하기 위해 UE에 의해 시작된다. 여기에는 PDN 연결 절차, PDN 연결 해제 절차, 베어러 리소스 할당 절차, 베어러 리소스 수정 절차가 포함된다.

MME는 ECM-IDLE, ECM CONNECTED 및 EMM-DEREGISTERED 상태의 UE에 대한 EMM 컨텍스트 및 EPS 베어러 컨텍스트 정보를 유지한다.

4. EPC 프로토콜 스택

시스템 아키텍처 에볼루션 (EPC)의 프로토콜 스택은 각 노드(MME, SGW, PGW) 간의 효율적인 통신을 위해 계층화된 구조를 가진다. 각 노드는 특정 인터페이스를 통해 서로 연결되며, 이 인터페이스들은 제어 평면과 데이터 평면으로 나뉜다. 제어 평면은 연결 설정, 관리, 해제 등의 시그널링을 담당하고, 데이터 평면은 실제 사용자 데이터를 전송한다.

하위 섹션에서 MME, SGW, PGW 각각의 프로토콜에 대한 자세한 내용이 제공되므로, 여기서는 각 노드의 프로토콜 스택 구성만 간략하게 요약한다.

MME (Mobility Management Entity): eNodeB와 S1 인터페이스, SGW와 S11 인터페이스를 가진다.
SGW (Serving Gateway): MME, PGW와 제어 평면 인터페이스 (S11, S5/S8), eNodeB, PGW와 데이터 평면 인터페이스 (S1-U, S5/S8)를 가진다. 3GPP Rel.14부터 Sx 인터페이스와 PFCP 프로토콜이 추가되었다.
PGW (Packet Data Network Gateway): 외부 네트워크, 과금 시스템, 정책 서버 등과 다양한 인터페이스를 통해 통신한다.

4. 1. MME (Mobility Management Entity) 프로토콜

MME는 eNodeB와 S1 인터페이스를 지원한다. 통합된 S1 MME 인터페이스 스택은 IP, SCTP, S1AP로 구성된다.

'''SCTP(스트림 제어 전송 프로토콜)'''는 S1AP와 같은 어댑테이션 모듈에 안정적인 데이터그램 전송 서비스를 제공하기 위해 IP(Internet Protocol)의 서비스를 사용하는 일반적인 전송 프로토콜이다. SCTP는 기존 IP 프레임워크 위에 안정적이고 순차적인 전송을 제공한다. SCTP에서 제공하는 주요 기능은 다음과 같다.
''연결 설정'': 연결은 TCP 연결과 유사하게 데이터 전송을 위해 두 종단점 사이에 설정되는 연결이다. SCTP 연결은 각 끝점에 여러 주소를 가질 수 있다.
''안정적인 데이터 전송'': 스트림에서 순차적인 데이터 전송(헤드 오브 라인 블로킹 제거): SCTP는 여러 단방향 스트림을 통해 데이터의 순차적인 전송을 보장하며, 다른 방향의 데이터 청크를 차단하지 않는다.
'''S1AP(S1 애플리케이션 파트)'''는 E-UTRAN과 Evolved Packet Core(EPC) 간의 시그널링 서비스로, SAE 베어러 관리 기능, 초기 컨텍스트 전송 기능, UE(사용자 장비)에 대한 이동성 기능, 페이징, 재설정 기능, NAS 시그널링 전송 기능, 오류 보고, UE 컨텍스트 해제 기능, 상태 전송과 같은 S1 인터페이스 기능을 수행한다.

MME는 서빙 게이트웨이(Serving Gateway)와 S11 인터페이스를 지원한다. 통합된 S11 인터페이스 스택은 IP, UDP, eGTP-C로 구성된다.

4. 2. SGW (Serving Gateway) 프로토콜

SGW는 다음과 같은 프로토콜 스택으로 구성된다.

MME와의 S11 인터페이스를 지원하는 S11 제어 평면 스택
PGW와의 S5/S8 인터페이스를 지원하는 S5/S8 제어 및 데이터 평면 스택
eNodeB와의 S1 사용자 평면 인터페이스를 지원하는 S1 데이터 평면 스택
UMTS의 RNC와 eNodeB의 SGW 간의 S4 사용자 평면 인터페이스를 지원하는 S4 데이터 평면 스택
Sxa: 3GPP Rel.14부터 SGW에 Sx 인터페이스와 관련된 PFCP 프로토콜이 추가되어 SGW-C와 SGW-U 간의 제어 사용자 평면 분리를 허용한다.

SGW는 MME와 S11 인터페이스, PGW와 S5/S8 인터페이스를 지원하며, 이러한 인터페이스를 위한 통합 제어 평면 스택은 IP, UDP, eGTP-C로 구성된다.

SGW는 eNodeB와의 S1-U 인터페이스와 PGW와의 S5/S8 데이터 평면 인터페이스를 지원하며, 이러한 인터페이스를 위한 통합 데이터 평면 스택은 IP, UDP, eGTP-U로 구성된다.

4. 3. PGW (Packet Data Network Gateway) 프로토콜

P-GW는 다음과 같은 주요 인터페이스를 지원한다.

인터페이스	설명
S5/S8	S-GW와 P-GW 사이에서 정의된다. S-GW와 P-GW가 동일한 네트워크에 위치하는 경우(비 로밍 시나리오) S5라고 하며, S-GW가 방문 네트워크에 위치하고 P-GW가 홈 네트워크에 위치하는 경우(로밍 시나리오) S8이라고 한다. eGTP-C 및 GTP-U 프로토콜이 사용된다.
Gz	P-GW가 오프라인 과금 시스템(OFCS)과 통신하는 데 사용되며, 주로 과금 데이터 레코드(CDR)를 FTP를 통해 후불 사용자에게 전송하는 데 사용된다.
Gy	P-GW가 온라인 과금 시스템(OCS)과 통신하는 데 사용된다. P-GW는 충전 시스템에 선불 사용자 페이로드를 실시간으로 알린다. Diameter 프로토콜이 사용된다.
Gx	P-GW가 정책 및 과금 규칙 기능(PCRF)과 통신하여 정책 및 과금 규칙(PCC)을 처리하는 데 사용된다. 이러한 규칙에는 베어러 설정에 사용될 서비스 품질(QoS) 매개변수뿐만 아니라 과금 관련 정보가 포함된다. Diameter 프로토콜이 사용된다.
SGi	P-GW와 외부 네트워크(예: 인터넷 액세스, 기업 액세스 등) 간에 정의된다.
Sxb	3GPP 릴리스 14부터 Sx 인터페이스와 관련 PFCP 프로토콜이 PGW에 추가되어 PGW-C와 PGW-U 간의 제어 사용자 평면 분리를 가능하게 했다.

5. 음성 서비스 및 SMS 지원

EPC는 패킷 전용 코어 네트워크이므로, 전화 통화와 SMS를 위해서는 회선 교환 방식이 아닌 다른 방식을 사용해야 한다.^[1]^[4]

5. 1. 음성 서비스 지원

3GPP는 음성 통화를 위해 두 가지 솔루션을 정의했다.^[1]

'''IMS''': IMS VoIP 솔루션은 릴리즈 7에서 정의되었다.^[1]
'''회선 교환 폴백(CSFB)''': 사용자 장비(UE)는 통화를 걸거나 받기 위해 무선 접속 기술을 LTE에서 회선 교환 서비스를 지원하는 2G/3G 기술로 변경한다.^[1] 이 기능은 2G/3G 커버리지가 필요하다.^[1] 이동성 관리 개체(MME)와 MSC 사이에 새로운 인터페이스(SGs라고 함)가 필요하다.^[1] 이 기능은 릴리즈 8에서 개발되었다.^[1]

5. 2. SMS 서비스 지원

3GPP는 SMS를 위해 세 가지 솔루션을 지정했다.^[4]

'''IMS''': IP를 통한 SMS 솔루션은 Rel-7에서 지정되었다.
'''SGs를 통한 SMS''': 이 솔루션은 CSFB 작업 중에 도입된 SGs 인터페이스가 필요하다. SMS는 LTE를 통해 비접속 계층에서 전달된다. SMS를 보내거나 받기 위한 시스템 간 변경은 없다. 이 기능은 Rel-8에서 지정되었다.
'''SGd를 통한 SMS''': 이 솔루션은 MME에 SGd Diameter 인터페이스가 필요하며, 기존 MSC가 CSFB를 수행하는 완전한 시그널링이나 IMS 시그널링 및 관련 EPC 베어러 관리에 관련된 오버헤드를 요구하지 않고 LTE를 통해 비접속 계층에서 SMS를 전달한다.

CSFB 및 SGs를 통한 SMS는 임시 솔루션으로 간주되며, 장기적인 솔루션은 IMS이다.^[4]

6. 다중 액세스 네트워크

UE(사용자 기기)는 3GPP 액세스 (GPRS, UMTS, EDGE, HSPA, LTE, LTE Advanced) 및 비-3GPP 액세스 (cdma2000, 와이파이, 고정 네트워크 등)를 포함한 다양한 액세스 기술을 사용하여 EPC(Evolved Packet Core)에 연결할 수 있다.

3GPP는 서로 다른 보안 메커니즘을 가진 두 가지 종류의 비-3GPP 액세스 기술, 즉 네트워크 사업자가 보안 측면에서 신뢰할 수 있다고 간주하는 '신뢰할 수 있는 액세스'(예: cdma2000 네트워크)와 그렇지 않은 '신뢰할 수 없는 액세스'(예: 공용 와이파이 핫스팟을 통한 연결)를 지정한다. 신뢰할 수 있는 비-3GPP 액세스는 네트워크와 직접 인터페이스하는 반면, 신뢰할 수 없는 비-3GPP 액세스는 ePDG(evolved Packet Data Gateway)를 통해 네트워크에 연결되며, ePDG는 추가 보안 메커니즘(IPsec 터널링)을 제공한다.

비-3GPP 액세스 기술의 신뢰 여부는 네트워크 사업자가 결정하며, 이러한 신뢰/신뢰할 수 없음 범주는 3GPP 액세스에는 적용되지 않는다.

7. 3GPP 릴리스

3GPP는 일관된 사양 및 기능 세트로 구성된 병렬 릴리스로 표준을 제공한다.^[5] 각 릴리스는 새로운 기능 추가 및 성능 개선을 포함한다. EPC는 릴리스 8에서 처음 소개되었다.

버전^[5]	출시^[6]	정보^[7]
릴리스 7	2007년 4분기	모두 IP 네트워크(AIPN)의 타당성 연구
릴리스 8	2008년 4분기	EPC의 첫 번째 릴리스. SAE 사양: 높은 수준의 기능, LTE 및 기타 3GPP 액세스 지원, 비 3GPP 액세스 지원, 시스템 간 이동성, 단일 무선 음성 통화 연속성(SRVCC), CS 폴백. 지진 및 쓰나미 경보 시스템(ETWS). 홈 노드 B / 홈 eNode B 지원.
릴리스 9	2009년 4분기	EPS용 LCS 제어 평면. GPRS 및 EPS를 통한 IMS 긴급 통화 지원. 홈 노드 B / 홈 eNode B 개선. 공공 경고 시스템(PWS).
릴리스 10	2011년 1분기	기계 유형 통신을 위한 네트워크 개선. 다양한 오프로드 메커니즘(LIPA, SIPTO, IFOM).
릴리스 11	2012년 3분기	기계 유형 통신에 대한 추가 개선. IMS에서 USSD 시뮬레이션. 가입자 지출 한도 기반의 QoS 제어. LIPA 및 SIPTO에 대한 추가 개선. 단일 무선 비디오 통화 연속성(vSRVCC). UTRAN/GERAN에서 HSPA/E-UTRAN으로의 단일 무선 음성 통화 연속성(rSRVCC). 광대역 포럼 액세스와의 상호 작용 지원.
릴리스 12	2015년 1분기	향상된 스몰 셀 작동, 캐리어 어그리게이션(2개의 업링크 캐리어, 3개의 다운링크 캐리어, FDD/TDD 캐리어 어그리게이션), MIMO(3D 채널 모델링, 고도 빔포밍, 매시브 MIMO), MTC - UE Cat 0 도입, D2D 통신, eMBMS 향상.
릴리스 13	2016년 1분기	LTE-U / LTE-LAA, LTE-M, 고도 빔포밍 / 풀 디멘션 MIMO, 실내 포지셔닝, LTE-M Cat 1.4 MHz & Cat 200 kHz 도입
릴리스 18		3GPP 릴리스 18

참조

_[1] 간행물 3GPP TS 23.002: Network architecture http://www.3gpp.org/[...] 3GPP
_[2] 문서 LTE White Paper
_[3] 간행물 3GPP TS 24.301: Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3 http://www.3gpp.org/[...] 3GPP
_[4] 웹사이트 Dispelling LTE Myths http://www.3gpp.org/[...] 3GPP
_[5] 웹사이트 3GPP releases http://www.3gpp.org/[...] 3GPP
_[6] 웹사이트 3GPP Specifications - Releases (and phases and stages) http://www.3gpp.org/[...] 3GPP
_[7] 웹사이트 3GPP release descriptions http://www.3gpp.org/[...] 3GPP

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