작년 7월에 발간된 안드로이드 하드웨어 서비스를 준비하면서 준비했던 원고중 이동통신 네트워크에 대한 간략한 소개가 들어 있는 부분은 최종 원고에 포함되지 않았습니다. 원래 의도는 책을 이해하는데 기초적으로 도움이 될 정보를 알려주기 위해서 기획했지만, 막상 책을 편집하는 과정에서 다른 장들과의 연결이 어색했기 때문에 최종본에는 포함시키지 않았던 것입니다.
이 문서가 문득 떠올라서 정리를 해서 제 블로그에 올려봅니다. 작성시기에서 일년이 조금 더 지난 사이에 예상했던 것보다 더 많은 기술들이 적용되었거나 적용되고 있는 상태이기 때문에 설명한 내용의 시의성이 적절하지 않을 수도 있지만, 이동통신의 발전 과정을 이해하는데 어느 정도 도움이 될 수 있을 거라 생각합니다.
참고로 여기에 사용된 그림들은 대부분 제가 직접 작성한 그림들입니다.
4. 이동통신 네트워크
이 문서가 문득 떠올라서 정리를 해서 제 블로그에 올려봅니다. 작성시기에서 일년이 조금 더 지난 사이에 예상했던 것보다 더 많은 기술들이 적용되었거나 적용되고 있는 상태이기 때문에 설명한 내용의 시의성이 적절하지 않을 수도 있지만, 이동통신의 발전 과정을 이해하는데 어느 정도 도움이 될 수 있을 거라 생각합니다.
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4. 이동통신 네트워크
4. 이동통신 네트워크
4.1. 이동통신 서비스의 진화
1979년 일본에서 최초로 1세대(1G) 아날로그 방식의 이동통신 서비스가 시작된 이후로, 전세계에
아날로그 방식의 이동통신 서비스가 시작되었다. 우리나라의 경우도
1984년 한국이동통신(SK텔레콤의 전신)을
시작으로 본격적으로 이동통신 서비스가 도입되었다.
이후, 디지털 방식의 2세대(2G) 이동통신 방식인 GSM과
CDMA가 개발되어 각각 유럽과 북미를 주축으로 사용되었으며, 우리나라에는 CDMA가 사용되었다.
WCDMA와 CDMA2000으로
대표되는 3세대(3G) 이동통신 서비스가 도입되면서 본격적으로
데이터 통신이 사용되기 시작하였다. 휴대 전화를 통해 이동통신 사업자에서 제공되는 데이터 통신 서비스를
사용하기 시작했으며, WAP(Wireless Application Protocol) 등의 휴대 전화를
위한 서비스 프로토콜을 이용한 웹 페이지 등이 제공되었다. 이후, 아이폰을
시작으로 개발이 본격화된 스마트폰의 등장으로 데이터 통신은 이동통신 서비스의 핵심 기능으로 부상하게 된다. 이에
따라 데이터 전송 속도에 대한 이용자의 요구 사항은 점점 높아졌고, 3세대 이동통신 기술은 데이터 전송
속도를 높이는 방향으로 HSDPA, HSUPA, HSPA+, EV-DO/Rev.A, EV-DO/Rev.B 등으로
발전하게 된다.
4세대(4G) 이동통신
서비스인 LTE에서는 다중 송수신 안테나(MIMO Multi
Input Multi Output), 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDM Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) 등의 기술을 이용하여 데이터 전송 속도를 향상시켰다. 더불어 음성 통신을 위한 회선 기반 네트워크와 데이터 통신을 위한 회선 기반 네트워크를 패킷 기반 네트워크로
통합하기 위하여 VoLTE(Voice over LTE)를 도입하고 있다.
LTE의 차세대 버전인
LTE-Advanced에서는 현재 LTE의 전송속도인 상향 최대 50Mbps, 하향 최대 100Mbps를 각각 1.5Gbps, 3Gbps로 높이는 것을 목표로 하고 있다.[1]
4.2. 2G GSM (Global System for Mobile communications)
GSM은 우리나라에서 상용화된 2G 이동통신 기술인 CDMA와 함께 유럽을 비롯한 전세계 대부분에서
사용하고 있는 대표적인 2G 이동통신 기술이다. 유럽을 주축으로
하는 전세계 대부분의 지역에서는 2G 이동통신 표준에 GSM을
채택하여 사용하고 있다. 반면, 미국과 우리나라를 포함하여
몇몇 국가들은 2G 이동통신 표준으로 CDMA를 채택하여 사용하였다.
4.2.1. GSM의 소개
GSM은 1991년 핀란드에서
최초의 상용서비스 시작되었다. 이전에 사용되던 1세대(1G)의 이동 통신 기술은 아날로그 방식이었으나, 2G부터 디지털
방식의 기술로 변화되었다. GSM은 이러한 2G 이동통신의
가장 대표적인 기술이며, 향후 3G와 4G 이동통신들의 기초가 되는 기술이기도 한다.
GSM은 주파수를 일정한 시간을 기준으로 나누어 사용하는 이동통신
기술인 TDMA(Time Division Multiple Access)를 사용한다. 일반적으로 900MHz와 1800MHz의
대역을 사용하며, 이에 8개의 타임슬롯으로 이루어진 TDMA 프레임에 데이터를 넣어 통신에 사용한다. 이와 같은 방법으로 8개의 채널이 동작하게 된다.
그림 1 SIM 카드
또한, 가입자 정보가 휴대 전화에 저장되는 1G 방식과 달리 GSM에는
SIM(Subscriber Identity Module)이 처음으로 사용되었다. 스마트
카드의 일종인 SIM은 내부에 연산장치와 메모리, 컨트롤러로
구성되어 있으며 사용자와 관련된 정보 및 GSM 네트워크와의 연결에 필요한 정보를 저장하고 있다. 따라서 이동통신 사업자에 정상적으로 등록된 SIM이 있으면, GSM을 지원하는 휴대 전화에 장착하여 GSM 네트워크에 접속하여
사용할 수 있을 뿐만 아니라 전화번호부, 최근 다이얼 번호, SMS 등의 SIM에 저장된 정보를 사용할 수 있다. 또한, SIM의 교체를 통해, 새로운 휴대 전화로 SIM에 저장되어 있던 전화번호부나 수신된 SMS를 확인할 수 있으며, 쓰던 전화번호를 사용할 수 있다.
4.2.2. GSM 아키텍처
GSM의 구성을 이해하기 위해서
GSM 네트워크를 구성하는 요소들을 알아보고 각 요소들 사이의 상관관계를 살펴보자.
GSM 네트워크는 [그림 2]와
같은 기본 요소들로 구성되어 있다. 각 요소들이 어떤 역할을 하는지 알아보고, GSM 네트워크의 동작에서 각 요소들이 어떤 역할을 하는지 알아보도록 하자.
MS(Mobile
Station)
MS는 무선 이동 통신이 시작되는 출발점이다. 우리가 흔히 말하는 휴대 전화가 이에 해당하며, 무선 네트워크를
사용하는 PC용 모뎀이나 무선 네트워크를 사용하는 카드 결제기 등도 포함된다. 사용자는 MS를 이용하여 GSM 네트워크에
접속하여 전화를 걸거나, 특정 서비스에 접속하는 등의 원하는 작업을 진행할 수 있다.
BTS(Base
Transceiver Station)
BTS는 흔히 기지국이라고 말하는 장치에 해당한다. 사용자가 MS를 통해서 전화를 걸게 되면, 그 요청은 연결되어 있던 BTS로 전달된다. 무선 네트워크를 사용하기 위해서 MS에서 데이터가 전달될 때 디지털
방식의 데이터를 변조(Modulation) 작업을 통해 아날로그 방식인 주파수의 형태로 변환하여 전송하는데, 이를 받아서 다시 역변조(Demodulation) 작업을 통해 디지털
데이터를 만들어내는 작업이 BTS에서 진행된다.
BSC(Base
Station Controller)
BSC는 몇 개의 BTS를
묶어서 관리하는 역할을 한다. 근접해 있는 BTS들을 제어하여 BTS사이의 핸드오버나 BTS에서
MS로부터 전달 받은 데이터를 목적지에 해당하는 MS로 전달하는 역할을 한다.
MSC(Mobile
Switching Center)
MSC는 몇 개의 BSC와
연결되어 있다. GSM 네트워크에는 이러한 MSC가 여러
개 존재하며, 각각의 MSC는 서로 다른 MSC들과도 연결이 되어 있다. MSC는 MS에서 BTS와 BSC를
거쳐 전송된 통신 요청들을 확인하여, 해당하는 MS나 유선전화망
등으로 연결을 해준다. 유선통신에서 통화가 필요한 각각의 상대를 연결하는 것을 스위칭이라 하는데, MSC는 이동통신에서 스위칭 역할을 수행한다고 할 수 있다.
EIR(Equipment
Identity Register)
일반적으로 휴대 전화가 유통되는 경로는 제조사가 개발/생산하고, 이동통신 사업자가 이를 구매하여 일반 사용자에게 판매하는 형태를 가진다. 이때, 제조사로부터 구매한 휴대 전화의 고유번호인 IMEI(International
Mobile Equipment Identity)를 이동통신 사업자의 DB에 저장하게 되는데
이 DB를 EIR(Equipment Identity Register)이라
한다. IMEI는 각 휴대 전화마다 전세계에서 고유한 번호가 부여된다.
이동통신 사업자는 IMEI를 이용하여 해당 휴대 전화가 도난을 당했거나, 해당 이동통신 사업자에서 사용할 수 없는 휴대 전화인지 확인하여 이동통신 네트워크에 대한 연결을 제한한다. 이를 IMEI 화이트리스트라 부르며, 전세계 대부분의 이동통신 사업자가 시행하고 있다. 우리나라의 경우
등록되지 않은 IMEI를 제외한 모든 휴대 전화의 이동통신 네트워크 사용을 막는 IMEI 블랙리스트 제도를 실시하고 있었으나 2012년 5월 1일부터 폐지되어, IMEI 화이트리스트
제도를 실시하고 있다.
HLR(Home
Location Register)
앞서 살펴본 EIR이 휴대 전화를 구별하기 위한 정보를 보관하는 데이터베이스라고
한다면 HLR(Home Location Register)는 해당 이동통신 네트워크에 가입한 사용자들의
정보를 저장하는 데이터베이스이다. 사용자 정보는 SIM에
저장되어 네트워크를 통해 이동통신 네트워크로 전달되는데, HLR은 이때 전달되는 정보들을 인증하기 위한
데이터들이 미리 저장되어 있다. 사용자 고유 구별 번호인
IMSI(International Mobile Subscriber Identity)를 비롯하여 인증에 필요한 키 값 등이 저장되어
있다.
AuC(Authentication
Center)
AuC는 HLR에 저장되어
있는 사용자 인증을 위한 키 값을 이용하여 사용자를 인증하며 이 과정에서 해당 이동통신 네트워크를 이용할 수 있는 적합한 사용자인지 판단을 한다.
VLR(Visitor
Location Register)
광범위한 이동통신 네트워크 구축에는 MSC가 하나 이상 존재할 수
있으며, 지역적인 거리의 문제나 대역폭의 문제가 존재하기 때문에 필요할 때마다HLR에 접근하여 사용자 정보를 가져오는 것이 비효율적이다. 따라서
한번 HLR에 접근하여 가져온 사용자 정보를 이후에도 참조하기 위해
VLR(Visitor Location Register)를 각 MSC마다 두어서 VLR에 정보를 복사해두고 접근하여 사용한다. 일종의 캐싱 서비스
역할을 하는 것이다.
그림 4 GSM내의 데이터 베이스
NSS(Network
and Switching System)
MSC는 각자 요청 받은 연결 요청을 다른 MSC와 함께 동작하면서 처리하는데, 이런 MSC의 집합을 NSS라 한다.
NSS는 이동통신에서 핵심적인 역할을 하며, 요청 받은 연결을 위해 다른 MSC나 기존의 유선통신 네트워크를 이용하여 연결을 처리하는 역할을 한다. 그리고 BSC와 BTS로 구성된
BSS(Base Station Subsystem) 사이의 핸드오버나 과금, 사용자 인증, 로밍 등의 작업들을 수행한다.
4.2.3. GPRS (General Packet Radio Services)
GPRS(General Packet Radio Services)는
무선 통신 서비스에서 패킷 데이터 통신을 지원하기 위해서 만들어졌다. GPRS는 2G 이동 통신이 3G, 4G 이동 통신으로 발전하기 위한 징검다리로써
중요한 역할을 한다. 무선 네트워크에서의 패킷을 이용한 데이터 통신에 관한 기술은 GPRS를 통해서 정립되었으며, 향후
3G 통신으로 발전된다. 그리고 최근에 이르러서는 4G 통신
기술인 LTE로 계승되었다.
GPRS를 통해서 무선 통신 서비스에서 IP(Internet Protocol)를 기반으로 하는 데이터 통신 시스템을 사용할 수 있게 되었다. 이는 향후 3G 통신에서 발전된 형태로 사용되고 있는 데이터 통신의
중요한 요소이다. IP 기반의 데이터 통신을 통해서 인터넷을 구성하고 있는 WWW(World Wide Web)과의 연동이 진행되었다. 그리고
LTE에 이르러서 휴대 전화는 인터넷을 이용할 수 있는 중요한 단말기 중 하나로 사용되고 있다.
4.2.4. GPRS 아키텍처
GPRS는 GSM에 기반으로
데이터 서비스를 제공하는 기술로 9.6~171kbs의 속도를 지원하며,
동시에 여러 명의 사용자가 동일한 이동통신 네트워크를 공유할 수 있다. GPRS는 또한
GSM의 기본적인 구조에 GPRS 관련 시스템을 추가하여
확장하는 형태로 패킷 데이터 통신을 제공한다.
GPRS는 GSM의 네트워크
구성요소들을 최대한 재활용하는 형태로 설계되어 있다. 이를 위해 패킷 데이터 통신을 지원하기 위한 몇몇
요소들이 추가되었다. 다음 [표 1]은 GPRS 지원을 위해 추가되거나 변경되는 네트워크 구성요소들을 나타내고 있다.
GSM 네트워크 구성요소
|
GPRS 지원을 위한 변경 사항
|
휴대 전화
|
GPRS를 지원하는 새로운 휴대 전화가 필요
|
BTS
|
소프트웨어 업그레이드 필요
|
BSC
|
소프트웨어 업그레이드와 PCU(Packet Control Unit)라는 새로운 하드웨어가
필요
|
Database (HLR, VLR, etc.)
|
GPRS 지원을 위한 데이터베이스 업데이트가
필요
|
SGSN (Serving GPRS Support Node)
|
BSC와 연결되는 GPRS Core Network의 구성요소이다. BSC로부터 전달
받은 데이터 패킷을 GGSN으로 전달하고, 반대로 GGSN으로부터 전달 받은 데이터 패킷을 BSC로 전달하는 역할을
한다.
추가적으로 사용자 인증, 과금 관련 기능
및 연결되어 있는 BSC들에 관한 정보들, 해당 SGSN에 연결된 사용자의 IMSI 등의 정보를 저장하고 있다.
|
GGSN (Gateway GPRS Support Node)
|
GPRS 내부의 패킷 스위칭과 인터넷과 같은
외부 패킷 네트워크와의 연결을 담당한다.
|
GSM에 비해 GPRS에서
추가되는 핵심 구성요소는 SGSN과 GGSN으로 [그림 5]은 GPRS가 포함된 GSM 네트워크의 구조를 보여준다.
SGSN(Serving
GPRS Support Node)
SGSN은 기존 GSM 네트워크의 BSC와 연결되어 있다. BSC는
MS로부터 패킷 데이터를 받으면 이를 SGSN으로 전송한다. SGSN은 전송 받은 패킷 데이터에 따라 목적지가 인터넷과 같은 외부 패킷 네트워크일 경우 GGSN으로 전송한다. 반면, 다른 MS가 목적지일 경우 해당 MS가 속해있는 BSC와 연결되어 있는 SGSN으로 패킷을 전송하여 목적한 MS로 패킷이 전송되도록 한다.
GGSN(Gateway
GPRS Support Node)
GGSN은 인터넷과 같은
PDN(Packet Data Network)와 연결되어 있으며, SGSN에서 전달 받은
패킷을 PDN으로 전달하거나, PDN으로부터 전달 받은 패킷을 SGSN으로 전달하는 역할을 한다. 이를 위해 GGSN은 각 휴대 전화로 전송하기 위한 라우팅 정보를 SGSN으로부터
전달 받아 활용한다.
[그림 6] 에서는
3개의 패킷 진행 흐름을 표시하고 있다.
l
1번 경로: 휴대
전화에서 외부 호스트를 도착지로 전달되는 패킷
l
2번 경로: 외부
호스트에서 홈 네트워크의 휴대 전화로 전달되는 패킷
l
3번 경로: 외부
호스트에서 로밍 네트워크의 휴대 전화로 전달되는 패킷
4.3. 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
UMTS는 2G GSM을
계승하는 3G 통신 기술이다. 따라서 GSM의 구성 요소나 구성 방식 등은 대부분 계승하고 있다. 하지만, GSM의 기본 원리인 TDMA대신,
경우 좀 더 많은 사용자와 넓은 대역폭을 지원하기 위해 W-CDMA[3]를
채택하여 사용하고 있다.
GPRS에서 패킷 통신을 지원하면서 시작된 데이터 서비스는 UMTS에서 본격적으로 발전되었다. UMTS는 GPRS와 같이 패킷 기반의 데이터 통신 시스템으로 설계되어 있으며, 데이터
통신은 인터넷과 같은 IP기반의 네트워크에 연동되어 동작한다. 이와
같은 데이터 통신을 통해 사진이나, 동영상 등의 멀티미디어 데이터를 전송할 수 있도록 설계되어 있다.
4.3.1. UMTS 아키텍처
그림 7 UMTS 아키텍처
UMTS가 기존 2G 통신인 GSM에 비교하여 크게 변경된 부분은 다음과 같다. 첫 번째, 사용자의 휴대 전화는 UMTS를 지원하도록 바뀌었으며, 이에 따라 SIM대신 USIM을 사용하게 되었다.
두 번째, BTS와 BSC대신 UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network)란 형태의 기지국 시스템을
사용하게 되었다.
그림 8 UTRAN 아키텍처
UTRAN은 기지국의 역할을 하는 Node
B와 이를 제어하는 RNC(Radio Network Controller)로 구성되어 있다. 기존의 GSM과는 달리 UMTS는
단말과 기지국간의 통신에 W-CDMA 기술을 사용하여 좀 더 많은 사용자와 높은 데이터 전송 대역폭을
지원하게 된다.
UTRAN은 2G 이동통신인 GSM과 3G 이동통신인 UMTS를
구별하는 핵심 요소이다. UTRAN을 구성하는 두가지 요소인 RNC와 Node B에 대해서 좀 더 자세히 살펴보도록 하자.
4.3.2. RNC (Radio Network Controller)
RNC의 역할은 연결되어 있는
Node B들을 통제하는 것과 기지국에서 전달된 데이터를 MSC나 SGSN에 전달하는 것이다. 또한 RNC는
핸드오버나 이동통신 네트워크 혼잡 관리 등의 기능도 수행한다.
아래는 RNC가 담당하고 있는 주요 기능들이다.
l 라디오 자원
제어 (Radio resource control)
l 승인 제어 (Admission control)
l 통신 채널
할당 (Channel allocation)
l 핸드오버
제어 (Handover control)
l 암호화 (Ciphering)
l 브로드캐스트
신호 (Broadcast signaling)
l 데이터 분할과
재조합 (Segmentation and reassembly)
4.3.3. Node B
Node B는 RNC와
연결되어 있으며 GSM/GPRS에서의 BTS와 동일한 역할을
담당하는 UTRAN의 구성요소다. 셀을 구성하는 단위로 휴대전화와
데이터를 주고 받는 역할을 담당한다.
Node B의 주요 기능은 휴대전화와 통신하는 과정의 송수신 데이터를
변환하는 것이다. 이 기능에는 무선 통신 과정에서의 에러 보정이나 속도 제어 등도 포함되어 있다. 또한, 휴대전화에서 전송되는 데이터의 에러 비율을 계산하고 연결의
강도나 품질을 관찰한다. 그리고 이러한 정보들을 RNC에
제공하는 역할을 수행한다.
Node B에서 수행되는 주요 역할은 다음과 같다.
l 무선 통신을
위한 전송과 수신 (Air interface transmission and reception)
l 신호 변조과
복조 (Modulation and Demodulation)
l CDMA 물리적 채널 코딩 (CDMA physical channel
coding)
l 에러 처리 (Error handling)
4.4. 4G LTE (Long Term Evolution)
4세대 이동 통신 프로토콜인 LTE는
기존의 GSM/UMTS의 구조를 최대한 재활용하면서, 데이터
전송 속도를 향상시키는 방향으로 설계되었다. 최대의 제약사항이었던 데이터 전송 속도의 문제는 새로운
방식의 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing) 방법과 데이터의 변조(Modulation)를 통해서 극복하였다.
기존의 UMTS 표준을 주관한 단체인 3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)에서 LTE의 표준을 정의하였으며, 2008년에 3GPP에서 정의한 LTE 규약인
3GPP Release 8을 기준으로 현재의 LTE 네트워크가 구현되어 있다.
l 높은 전송
속도와 서비스의 품질에 대한 사용자의 기대를 충족
l 패킷 스위칭에
최적화된 시스템
l 서비스 구축을
위한 투자 및 유지 비용이 적도록 설계
l 낮은 복잡도
위에서도 알 수 있는 것과 같이 LTE는 완전히 새로운 방식의 데이터
통신이 아니라, 기존의 GSM/UMTS에서 부족했던 부분이나, 필요성이 생긴 부분에 대한 보완 형태의 통신 프로토콜이다. 특히, 데이터 통신의 중요성이 높아짐에 따라 빠른 전송속도에 대한 요구를 충족하기 위한 변화들이 대부분이다.
4.4.1. LTE 아키텍처
LTE는 설계 단계부터 기존 이동통신 네트워크와의 연계를 고려하였다. 또한, 기존 3G 이동통신에
비해 향상된 데이터 전송 속도와 좀더 완벽한 IP 기반의 데이터 네트워크를 제공하는 것을 목표로 한다. 이를 위해서 단말기에 해당하는 휴대 전화, 중계기, 데이터를 라우팅 하기 위한 장비가 다시 설계되었다. 하지만, 음성 통신이나 SMS 등의 회선 교환방식 기반의 통신은 당분간 기존 UMTS나 CDMA2000을 이용하여 동작하게 된다. 향후 기존의 회선 교환방식 기반의 통신을 VoLTE와 같은 패킷
교환방식으로 통합하는 작업이 진행될 것이다[5].
LTE는 EPS(Evolved
Packet System)라 불리는 LTE 관련 데이터 통신 관련 부분과 기존의 3G 회선 교환 네트워크와 패킷 교환 네트워크로 구성되어 있다. EPS는
다시 E-UTRAN(Evolved-UTRAN)와 EPC(Evolved
Packet Core)으로 나뉘어진다.
E-UTRAN(Evolved
UTRAN)
기지국 역할을 담당하는 E-UTRAN은 UMTS의 UTRAN과 다르게
RNC와 Node B로 나누어져 있는 형태가 아니라
eNode B(Evolved Node B)만으로 구성되어 있다.
eNode B는 사용자의 휴대 전화와 통신하는 중계기 역할을 한다. 휴대전화와 통신하는데 필요한 MAC(Medium Access Control),
RLC(Radio Link Control), PDCP(Packet Data Control Protocol)등을 제공하며, RNC의 역할이었던 RRC(Radio Resource Control)도
제공하고 있다.
이외에도 무선 자원 관리나 승인 제어, 스케줄링, QoS(Quality of Service[6]),
셀 정보 브로드캐스트, 데이터 암호화, 데이터
패킷 압축 등의 역할을 수행한다. eNode B는 3G 이동통신
네트워크에서 계층으로 구성되어 있던 시스템을 하나의 단계로 개선하고, 기존의 기능들을 종합하여 수행하는
역할을 한다.
EPC(Evolved
Packet Core)
E-UTRAN과 통신하면서 중앙처리 역할을 하는 EPC은 SGW, MME, PDN GW로 구성된다. 각각의 역할에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
SGW(Serving
Gateway)
SGW는 사용자의 이동으로 인해 발생하는 eNode B 사이의 핸드오버나 LTE와 2/3G 사이의 통신에서 eNode B로부터 전달받은 사용자의 데이터
패킷을 라우팅 하는 역할을 한다. 또한, 휴대전화 관련 데이터를
관리, 저장하는 역할을 한다. 휴대전화 관련 데이터는 IP 기반 서비스에 사용되는 파라미터나 네트워크에서의 내부 라우팅 정보 등이 있다.
MME(Mobility
Management Entity)
MME는 주로 대기(Idle) 상태의
휴대 전화를 추적하는 역할을 한다. 그리고 휴대전화가 구동되었을 때나,
LTE 내부의 네크워크 노드 재할당과 같은 핸드오버가 발생했을 때, 접속할 SGW를 선택한다. 또한, DB역할을
하는 HSS(Home Subscriber Server)와의 연결을 통해서 사용자를 인증하는 역할을 수행한다. 더불어 로밍 인증을 수행한다..
PDN
GW(Packet Data Network Gateway)
PDN GW는 휴대전화가 외부 패킷 데이터 네트워크에 접속할 수 있는
역할을 담당한다. eNode B를 통해서 SGW로 전달된
패킷 데이터는 PDN GW를 통해 외부 패킷 네트워크로 전달 된다. 패킷
데이터 네트워크는 일반적으로 우리가 많이 사용하는 인터넷을 비롯하여 WiMAX[7]나 CDMA, EvDO[8]
등이 존재한다.
4.4.2. LTE에서의 음성 통신
LTE는 데이터 서비스를 제공하기 위해 LTE 기반의 기술을 사용하고 있지만, 음성 통신이나 SMS와 같은 회선 교환 네트워크를 이용하는 서비스는 기존의 시스템을 그대로 사용하고 있다. 이에 따라LTE를 지원하는 휴대 전화는 기본적으로 UMTS, GSM, CDMA2000과 같은 기존의 2G나 3G 통신들을 지원하며, 음성 전화나
SMS등의 기능은 이를 이용하여 동작하게 된다.
Release 8 기반의 LTE는
음성 통신을 지원하기 위해 CS Fallback이나 SVLTE 과도기적인
기술들을 사용한다. 하지만, 빠른 시일 안에 패킷 교환 방식의
VoLTE를 통해 LTE 네트워크를 통해 음성 통신이 지원
될 것이다.
4.4.3. CS(Circuit Switched) Fallback
Release 8 기반의 LTE는
음성 통신을 위해 CS Fallback이라는 기능을 제공한다. 국내에서는 SKT와 KT가 CS
Fallback 기능을 통해 음성 통신을 제공하고 있다. CS Fallback의 원리는 데이터 통신에서는 LTE 네트워크를 통해 동작하다가, 음성 통신이 진행될 때, 회선 교환(CS)방식으로 후퇴(Fallback)하여
동작하게 되는 것이다. 이때 이용되는 회선 교환 방식은 기존에 이동통신 사업자에서 3G 이동통신을 위해 구축해둔 회선 교환 네트워크를 사용하게 된다.
[그림 10]은 LTE 네트워크에서 3G 네트워크로 전환되어 음성 통신이 진행되는지
과정을 나타내고 있다. 각 과정들에 대한 설명은 다음과 같다.
(1)
휴대 전화가 착신 전화(MT Call)를 수신
(2)
LTE네트워크에서 3G 네트워크로 전환
(3)
착신 전화에 응답
(4)
3G 네트워크를 통해서 음성 통신 데이터 전송
이와 같은 작업을 통해서 휴대 전화는 기존 방식과 같이 회선 교환 네트워크를 이용하여 음성 통신을 진행하게 된다. 이후 통화가 종료되면 휴대 전화는 다시 LTE 네트워크로 전환한다.
용도에 따라 사용하는 네트워크를 전환하는 특징상 CS Fallback에서는
음성 통신과 LTE 기반의 데이터 통신을 동시에 사용 할 수 없는 기술적 한계를 가지고 있다. 그리고 음성 통신을 위해 LTE 네트워크에서 3G 네트워크로 전환하는데 추가적인 시간이 소모되기 때문에 통화 연결에 필요한 시간이 늘어난다.
4.4.4. SVLTE (Simultaneous Voice and LTE)
CDMA2000을 기반으로 하는
LTE에서는 음성 통신을 위해 일반적으로 SVLTE라는 기술을 사용한다. SVLTE는 음성 통신을 위한 네트워크와 LTE 네트워크에 동시에
연결하여 사용하는 방식이다. 따라서 CS Fallback과
달리 음성과 LTE 기반의 데이터 네트워크를 동시에 사용할 수 있다.
국내에서는 U+에서 SVLTE를 통한 음성 통신을
제공하고 있다.
SVLTE는 서로 다른 네트워크에 동시에 연결하기 위해 추가적인 안테나와 RF수신기를 필요로 한다. 따라서,
휴대 전화 설계가 복잡해지고, 이로 인한 발열이나 전력소모 등의 문제들이 발생 할 수 있다.
4.5.4. VoLTE: Voice over LTE
앞서 설명한 바와 같이 Release 8 기반의 LTE는 패킷 기반의 데이터 통신을 위한 표준만을 포함하고 있으며, 음성
통신을 위한 표준은 포함하고 있지 않다. 하지만, 회선 교환
네트워크와 패킷 교환 네트워크를 패킷 교환 네트워크로 통합하며 두 개의 네트워크를 운영해야 하는 비용이 줄고, 시스템
구성이 단순화 되기 때문에 향후 유지 비용 및 관리가 용이해지는 이점이 있다. 이동 통신 사업자들은
이와 같은 이유로 패킷 교환 네트워크 기반의 음성 통신을 도입하려고 한다.
이를 위해 만들어진 기술이 Voice over LTE, 즉 VoLTE라 불리는 기술이며, 음성이나, 문자를 비롯하여 영상, 채팅, 멀티미디어
데이터를 SIP(Session Initiation Protocol[10])을
활용하여 전송한다.
VoLTE는 현재 LTE 커버리지나
안정성, 수익 등의 문제로 본격적으로 도입하고 있지 않다. 하지만, 앞서 설명한 것과 같이 유지 비용이나 관리의 용이성으로 인해 VoLTE를
도입하는 회사들이 점점 늘어날 것으로 보인다. 이미 미국
Verizon 등에서는 VoLTE의 상용화를 준비하고 있으며[11], 국내에서는 2012년 현재 SK텔레콤, KT, U+ 통신 3사에서 모두 상용화가 시작되었거나 진행 중에
있다.
4.5.5. LTE Advanced
그림 11 3GPP Release 로드맵
LTE Advanced는 3GPP
Release 10에서 정의된 이동 통신 표준이다. 현재 상용화된 Release 8에 기반을 하고 있는 LTE를 3.9G(3G 이후 기술이지만 정확하게 4G는 아니라는 의미에서)라 말하는 경우도 있다. 이는 4G
이동통신 기술이 따로 있다는 것을 의미하는데, 4G에 해당하는 기술이 LTE Advanced이다.
1G 이동통신에서 2G로의
전환이 아날로그에서 디지털 통신으로의 전환이었고, 3G로의 전환은 패킷 기반의 데이터 통신이었던 것에
비해서 4G의 경우 따로 규정할 만한 기술의 전환은 없다. 이론적으로 4G에 해당하는 LTE 등의 통신의 기술적인 토대는 이미 3G에서 정립된 것과 유사하며, 따라서 세대를 명확하게 구분하기 위한
기준이 애매하다고 할 수 있다.
4G에 해당하는 이동 통신의 기준을 ITU(International Telecommunication Union)에서는 IMT-Advanced[12]라는
이름으로 요구사항을 정의하고 있다. 이 요구사항의 주된 기준은 데이터 전송속도이다. 4G에 대한 IMT-Advanced의 데이터 속도 기준은 정지 상태에서는 1Gbit/s, 이동 상태에서는 100Mbit/s의 지원이다. LTE의 경우 해당 기준에는 충족하지 않으나 3G 통신과의 세대적인
구분을 위해서 4G 이동통신으로 부르고 있다. LTE를 기반으로
만들어진 LTE-Advanced의 경우 IMT-Advanced의
요구사항을 충족할 예정이다.
LTE Advanced는 아직 실용화되지 않았지만, 현재 LTE를 구성하는 시스템과 호환되는 구조로 설계되어 있다. 따라서 향후 상용화 된다면 현재 LTE 네트워크를 구성하고 있는
장비들이 최대한 재사용 되는 수준으로 작은 변경만 존재할 것이다.
[3] W-CDMA는 Wideband Code Division Multiple
Access 즉 광대역 부호 분할 다중 접속의 약자이다. CDMA는 여러 사용자가 전송하고자
하는 데이터를 고유한 코드를 이용해 변환하여 동일한 범위의 주파수에 함께 전송하는 기술이다. W-CDMA는
CDMA를 좀 더 넓은 범위의 주파수 대역에서 사용할 수 있도록 하여 더 많은 사용자와 전송 속도를
제공하고 있다.
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