WCDMA 라디오 액세스 기술을 기반으로하는 3GPP 3세대 이동통신 시스템은 전세계에서 광범위하게 전개되고 있다. WCDMA의 첫번째 진화단계로 정의되는 HSDPA와 EUL은 중기적인(mid-term) 미래에서 있어 높은 경쟁력을 가지는 라디오 액세스 기술을 3GPP에게 제공한다. 그러나 사용자와 사업자의 요구사항과 기대가 계속적으로 증가하고 경쟁되는 라디오 액세스 기술개발이 계속 진행되고 있으므로 향후 10년 또는 그 이후까지 경쟁력을 유지하기 위해서는 3GPP에서의 새로운 기술진화가 요구된다. 이에 따라 3GPP는 고품질의 서비스를 제공하면서도 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 무선 전송기술 개발을 목적으로 ‘Evolved UTRA and UTRAN’이라는 연구과제를 2004년 말에 착수하였다. 그래서 본고에서는 ETRI의 자료를 참고로 3GPP에 대하여 설명하려고 한다.
글 / 이봉주,신연승
3세대 모바일 시스템의 미래 장기 진화(LTE)에 대한 3GPP의 작업은 지난 2004년 11월 캐나다 토론토에서 개최된 RAN Evolution Workshop에서 시작되었다. 워크숍에서는 향후 10년 또는 그 이상에서 사용자의 요구를 만족시키기 위해 커버리지 확장 및 시스템 용량 개선뿐만 아니라 데이터 전송률과 지연 감소를 통해 사용자와 사업자의 비용을 줄이고 제공되는 서비스 품질을 개선하는 3G LTE 목표 달성을 위한 다음과 같은 상위 레벨 요구사항을 정의하였다.
? 비트 당 비용 감소
? 서비스 가용성 증대 보다 다양한 서비스를 저 비용에 제공
? 융통성 있는 주파수 밴드의 사용
? 단순 구조와 개방형 인터페이스
? 터미널의 적절한 파워 소모
2004년 12월 3GPP TSG RAN 26차 회의에서 승인된 UTRA-UTRAN LTE 연구과제(Study Item)는 높은 데이터 전송률, 낮은 지연, 그리고 패킷 최적화된 라디오 액세스 기술을 만들기 위한 3GPP 라디오 액세스 기술 진화 프레임워크 개발을 목적으로 하고, 2006년 6월까지 새로운 무선접속 규격과 아키텍처의 레이아웃을 선택하여 타당성을 조사(SI)하였다.
3GPP는 SI 단계를 마치고 3GPP 워크플랜에 E-UTRA(Evolved UTRA)와 E-UTRAN을 포함시키기 위하여 LTE 표준과제(Work Item)를 생성하고 2007년 6월까지 기본 규격을 작성하는 것으로 계획하고 있다.
(그림 1)은 3GPP LTE/SAE의 SI/WI스케줄을 보여준다.
요구사항
3GPP RAN WG들은 2005년 세 번의 합동 회의를 개최하여 E-UTRA와 E-UTRAN의 요구사항을 기술하는 연구과제 보고서 TR 25.913을 작성하였다.
워크 그룹별 표준화 작업
■ E-UTRAN의 프로토콜 아키텍처
E-UTRAN은 UE에게 E-UTRA의 사용자 평면(RLC/MAC/PHY)과 제어 평면(RRC) 프로토콜의 종단점을 제공하는 eNB(evolved NodeB)와 UE의 세션 및 이동성관리(SM/MM) 기능의 종단점을 제공하는 aGW(access GateWay)로 구성되며, 이들은 S1 인터페이스를 통해 연결된다.
(그림 2)는 E-UTRAN의 전체 프로토콜 아키텍처를 보여준다. E-UTRAN 아키텍처에서 eNB는 aGW선택, RRC 활성화 시에 aWG로의 라우팅, 페이징 메시지의 전송 및 스케줄링, BCCH 정보의 전송 및 스케줄링, 상향/하향 링크의 동적 자원 할당, eNB측정의 설정과 구성, 라디오 베어러 컨트롤, 라디오 어드미션 컨트롤(RAC), 그리고 LTE_ACTIVE 상태에서의 모빌리티 컨트롤 등의 기능을 수행한다.
aGW는 페이징 시작, LTE_IDLE 상태 관리, 사용자 평면 데이터 ciphering, PDCP, SAE 베어러 컨트롤, 그리고 NAS 시그널링의 ciphering과 무결성(integrity) 보호 등의 기능을 수행한다. 사용자 평면 프로토콜 스택에서 eNB에 위치한 RLC와 MAC 계층은 스케줄링, ARQ, HARQ 등의 기능을 수행하며, aGW에 위치한 보안 계층은 ciphering을 수행하고 PDCP 계층에서는 헤더 압축 기능을 수행한다.
한편 PDCP 계층과 관련한 보안 계층의 위치와 보안 계층에서의 무결성 보호 기능의 수행은 아직 합의되지 않아 계속 연구가 요구된다. (그림 2)에서 점선으로 표시된 제어평면의 기능 블록인 ‘Inter-Cell RRM’의 위치는 아직까지 확정되지 않았다. (그림 2)에서 eNB에 위치한 RRC는 브로드캐스트, 페이징, RRC 연결 관리, RB 제어, 모빌리티, UE측정 등의 기능을 수행한다. 한편 aGW에서 종단되는 NAS는 SAE 베어러 관리, 인증, 유휴 모드 모빌리티 관리, LTE_IDLE 상태에서의 페이징 시작, aGW와 UE 사이의 시큐리티 제어 등의 기능을 수행한다.
■ E-UTRAN의 Layer 1
RAN WG1은 LTE를 위한 새로운 무선 접속기술을 검토하고 이를 바탕으로 기술 보고서 TR 25.814를 작성하였다.
TR 25.912에 따르면 LTE의 하향링크는 FDD와 TDD 모두 OFDM 기반의 전송 기법을 기본으로 사용하며, 10ms의 라디오 프레임을 구성하는 20개 부 프레임별로 채널에 따른 스케줄링과 링크 어댑테이션(link adaptation) 기능을 수행한다. 상향링크는 수신 측에서의 효율적인 주파수 영역 등화(frequency-domain equalization)와 사용자간 직교성(inter-user orthogonality)을 유지하기 위하여 FDD와 TDD 모두 SC-FDMA 기반의 전송 기법을 기본으로 사용하며, 하향링크와 동일하게 10ms의 라디오 프레임을 구성하는 20개 부프레임 레벨에서 스케줄링 한다.
RAN WG1은 하향링크 전송에 Broadcast Channel(BCH), Downlink Shared Channel(DL-SCH), Paging Channel(PCH), Notification Channel (NCH)을 구분하여 사용하기로 하였으며, Multicast Channel(MCH)의 사용에 대하여 토의중이다. 한편 상향 링크 전송에서는 Uplink Shared Channel (UL_SCH)와 Random Access Channel (RACH)을 구분하여 사용한다.
■ E-UTRAN의 Layer 2
RAN WG2 또한 E-UTRAN의 무선 인터페이스 프로토콜의 연구를 수행하고 있으며, 자세한 사항들은 물리계층의 영향을 받지만 작업 초기에 기본 사항을 도출했다.
MAC 부계층은 논리채널과 전송채널의 매핑, PDU의 다중화와 역다중화, 전송 트래픽 보고, HARQ, UE와 논리 채널의 우선순위 관리, 전송 포맷 선택, 액세스 클래스와 액세스 서비스 클래스의 매핑 등을 수행한다. 한편, MAC 부계층에서 padding과 흐름 제어 등의 수행은 아직 합의를 도출하지 못하였다. 그림 3은 현재까지 정리된 논리 채널과 전송 채널 사이의 매핑 관계를 보인다.
RLC 부계층은 AM, UM 또는 TM 모드에서 PDU 전송, ARQ, segmentation, concatenation, 전송 순서 보장, 중복 데이터 탐지, 프로토콜 오류탐지 및 복구 등을 수행한다. 한편 SDU 폐기, 초기화 등의 수행과정은 아직 합의를 도출하지 못하였다. PDCP 부계층은 ROHC에 의한 헤더 압축과 복구, 사용자 데이터 전송 등의 기능을 수행하는 것으로 합의되었으나 사용자 데이터의 ciphering과 같은 보안 관련 이슈에 대해서는 계속 논의를 진행중이다.
■ E-UTRAN의 Layer 3
RAN WG3는 무선 액세스 아키텍처와 인터페이스 관점에서 연구를 수행하여 연구과제 보고서 TR R3.018을 작성하고 있다. TR R3.018은 이전과 비교하여 LTE 액세스 네트워크에서 새롭게 만들어지는 기능과 기존 기능들의 진화 등 E-UTRAN 개발을 위해 요구되는 기능을 도출하여 기술하고 있다.
3GPP LTE에서 핸드오버의 수행은 LTE RRC_CONNECTED 상태에서 다양한 DRX/DTX 사이클이 지원되며 UE가 보조하고 네트워크가 제어 방법을 기본적으로 사용한다.
E-UTRAN 내에서의 핸드오버를 위해서 RRC_CONNECTED 상태일 때는 핸드오버 준비를 위한 시그널링을 사용하면서 UE가 보조하고 네트워크가 제어하는 핸드오버를 수행하는 것으로 하고, RRC_IDLE 상태에 있는 경우 셀 재 선택이 수행되며 SRX가 지원된다. 유사하게 EUTRAN과 UTRAN 사이의 모빌리티, 즉 EUTRAN RRC-CONNECTED 상태와 UTRAN CELL_DCH 상태 사이의 핸드오버는 UE가 보조하고 네트워크가 제어하는 핸드오버 방법을 사용한다.
① LTE_IDLE 모드에서의 모빌리티 관리
상향/하향링크 상에 데이터를 전송하지 않는 상태인 LTE_IDLE 모드는 UE에 파워 소모를 줄일 수 있으나 네트워크에서 단말의 위치를 지속적으로 관리하여야 한다. LTE_IDLE 모드에서의 UE 모빌리티 관리는 다음과 같은 두 가지 방안이 고려되고 있다. 첫번째, TA 내에서의 등록, 컨텍스트와 사용자 평면 터널 관리, TA 내의 페이징, 라디오 관련 컨텍스트, 서브 스크립션 정보 운용 등을 eNB에서 담당하고 이를 바탕으로 eNB에서 UE의 모빌리티를 관리한다.
두번째, UE/사용자의 접속 상태, 모빌리티, 시큐리티, 그리고 IP 베어러 상태 등을 관리하는MME와 하향링크에서 사용자 평면의 종단점 역할을 수행하며 페이징을 트리거하는 UPE를 eNB 상위에 두고, MME에서 UE 컨텍스트, 서브스크립션 정보 등을 저장하여 UE의 모빌리티를 관리한다.
MME 간의 모빌리티 경우는 현재까지 컨텍스트 전송 또는 연결 재설정을 기반으로 하는 기법을 고려하고 있으나 아직 합의되지 않았다. 또한 MME가 LTE_IDLE 모드의 UE 모빌리티를 담당하는 경우, 진화된 시스템 아키텍처에서 MME의 위치(라디오 액세스 네트워크 또는 코어 네트워크)와 MME와 관련한 UPE의 위치는 많은 논의를 통해 결정될 예정이다.
② LTE_ACTIVE 모드에서의 모빌리티 관리
RAN WG3, WG3, 그리고 SA WG2는 2006년 2월 합동회의에서 LTE_ ACTIVE 모드의 UE를 위한 LTE 액세스 네트워크 내에서의 모빌리티에 있어 제어 평면의 정보 흐름을 포함하는 기본 절차를 합의하였다. LTE_ACTIVE 모드의 모빌리티는 그림 4와 같이 UE부터 보고받은 측정 정보를 기반으로 소스 eNB에 위치한 RRC가 핸드오버 결정, 타깃 eNB에서의 무선자원 준비, UE로의 핸드오버 명령, 소스 네트워크의 무선자원 해제 등의 절차를 통하여 제공된다.
한편 LTE_ACTIVE 모드의 UE를 위한 LTE 액세스 네트워크 내에서의 모빌리티에 있어 사용자 평면의 운용 방법은 2006년 4월 개최된 RAN WG3의 51-bis 회의에서 결정되었다. RAN WG3는 사용자의 데이터 손실을 고려한 무결절/무손실 서비스를 위해 지금까지 논의 되어온 aGW에서의 바이케스팅기법, 소스 eNB에서 타깃 eNB로 데이터 포워딩 기법, 그리고 aGW에서 패스 스위치 기법 중에서 실시간 서비스뿐만 아니라 비실시간 서비스를 위해서 데이터 포워딩을 사용하는 것에 합의하였다.
데이터 포워딩은 핸드오버 준비 단계에서 소스 eNB에서 타깃 eNB 사이에 설정되는 사용자 평면 터널을 통하여 수행된다. 또한 데이터 전송 순서의 보장을 위해 aGW에 위치한 PDCP가 데이터의 전송 순서를 재배열하는 기능을 갖는 것으로 결정하고 이에 관련한 협조 문서를 RAN WG2에 송부하였다. 한편 데이터 포워딩 단위는 outer ARQ SDU 또는 SDU/PUE를 고려하고 있는데 이는 RAN WG2에서 결정하게 될 것이다.
System Architecture Evolution
SAE 표준화 연구는 LTE에서 정의하는 목표 실현을 위해 네트워크 구조를 결정하고 이종 네트워크간 핸드오버를 지원하기 위한 기술을 SA WG2에서 연구중이며, 2004년 11월 캐나다 토론토에서 개최된 RAN Evolution Workshop에서는 UTRA 라디오 인터페이스와 더불어 3GPP 전체 시스템 아키텍처의 기술적 진화를 토의하였다.
이후 2004년 12월 TSG SA 26차 회의에서는 성능과 비용 면에서 3G모바일 네트워크의 장기적인 경쟁력을 유지하기 위하여 3GPP 액세스 기술의 장기적 진화, 패킷 스위칭 기술 수용, 시스템의 최적화와 지속적인 진화 등을 고려한 SAE SI가 승인되었다.
당초 SAE SI는 2006년 6월까지 3GPP 시스템 진화의 타당성을 조사하는 것으로 예정되었으나 TSG SA 31차 회의에서 연구 진행 상황을 고려하여 2006년 9월에 완료하는 것으로 계획이 변경되었다. 이후 SAE는 SI 단계를 마치고 3GPP 워크플랜에 진화된 시스템 아키텍처를 포함시키기 위하여 SAE WI를 생성하고 2007년 6월까지 기본 규격을 작성하는 것으로 계획하고 있다.
SA WG2는 높은 데이터 전송률과 작은 전송 지연을 보장하면서 다양한 라디오 액세스 기술을 지원하는 패킷 최적화된 시스템으로의 진화를 위한 프레임워크 개발과 이에 대한 적합성 검토를 목적으로 표준규격을 작성하고 있으며, 연구과제 보고서 TR23.882를 작성하고 있다.
SAE 연구는 음성 서비스를 패킷 스위칭 도메인에서 지원하는 것을 기본으로 가정하고 표준화 되어야 하는 기능 엔티티와 이들 사이의 인터페이스를 포함하는 구조적인 다이어그램, 이들 특성의 상위 수준 기술, 타이밍과 지연을 포함한 시그널링 플로 다이어그램, 그리고 중요 이슈들에 대한 해법 제시 등에 포커스를 맞추어 진행되고 있다.
■ 요구사항
SAE는 연구 진행 초기 회의들을 통해서 아키텍처 진화에 대한 주요 요구사항들을 도출하고 상위수준의 시스템 구조 진화의 개념들을 선정하였다.
■ 표준화작업
TR 23.882 표준규격 작성은 SA WG2를 중심으로 작성하고 있으며 이슈에 따라 RAN WG들과 SAWG1/3/4 등의 의결 사항을 반영하는 형태로 진행되고 있다.
가. 상위수준의 논리적 아키텍처
(그림 5)는 2005년 12월 일본에서 개최된 SAWG2 49차 회의에서 상위수준으로 작성된 SAE의 논리적 아키텍처를 보인다. 상위수준의 논리적 아키텍처는 SA WG2가 시스템 진화의 중요 이슈들을 토론하는 데 기본 바탕으로 사용하려는 목적으로 작성되어 시스템에 필요한 모든 기능과 인터페이스를 포함하지는 않는다. 따라서 진행되고 있는 중요 이슈의 토의 결과에 따라 기능과 인터페이스의 추가 및 변경이 요구된다.
SA WG2는 상위 수준의 논리 아키텍처에서 서로 다른 액세스 시스템 간의 모빌리티를 담당하는 사용자 평면의 앵커인 ‘Inter AS Anchor’의 기능 및 구조 등에 대해서 논의를 진행하고 있다. 또한 진행중인 RAN과 CN의 기능 분리 표에 따른 MME/UPE의 위치와 이들의 물리적 분리 등에 대한 논의가 진행중이다.
나. RAN WGs 연구내용 반영
SA WG2는 SAE와 관련한 RAN WG들의 연구 결과 즉, 상향링크에서 MDC를 고려하지 않는 것과 2006년 3월 TSG RAN 31차 회의에서 결정된 전체 RAN 아키텍처에 대한 개념을 SAE SI에 반영하고 있다. 또한 RAN WG들은 2006년 5월까지 LTE_IDLE과 LTE_ACTIVE 모드 이외의 추가적인 상태의 필요성 검토 결과를 포함하여 E-UTRA에서의 LTE_IDLE과 LTE_ACTVE 모빌리티 관련된 합의 결과, LTE 내 모빌리티와 UMTS와 LTE 간 모빌리티의 일관성을 검토하여 SAE에 반영할 예정이다.
다. SA WG1/3/4 연구내용 반영
SA WG1은 SAE의 기본 고려사항인 AIPN의 요구사항에 대한 적합성 검사 연구를 수행하고 있으며, SA WG2의 협조 요청에 따라서 연구에 반영하였다.
SA WG2는 SA WG3가 2006년 1월 완료한 제어평면과 사용자평면에서의 시큐리티 기능의 위치에 대한 검토 결과를 바탕으로 인증과 인증관련 시그널링 플로를 작성할 예정이다. 또한 SA WG3는 SAE에서 적법한 도청에 관련한 요구사항을 정리하였으며 USIM의 사용 방안을 확인할 예정이다.
한편 SA WG4는 E-UTRA와 GSM CS 사이의 핸드오버 등을 위한 음성 호 단절시간에 대한 요구 사항으로 음성에 대한 20ms의 손실이 단음절과 중요한 콘텐트 인지에 영향을 준다는 내용 등을 정리한 협조 문서를 작성하여 SAE에 반영하였다.
