재난 안전 기술 및 재난 안전 망을 위한 LTE 기반 Push To Talk 기술

LTE Push-To-Talk for safety and emergencies

July 05, 2016 | By 조성연 @ Samsung (songyean.cho@gmail.com), 원성환 @ Nokia (sung.won@nokia.com)

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삼성전자의 조성연님과 노키아의 원성환님이 보내주신 기고글입니다. 시간을 내어 기고글을 보내주신 두 분께 감사드립니다.

"재난 안전 망을 위한 주파수가 할당되었다, 재난 안전 망 서비스 시연이 있었다" 등의 뉴스를 본 적이 있을 것이다.

재난 안전 망이란 무엇일까?

재난 안전 망을 이야기하기에 앞서 재난 안전 망과 흔히 혼동되고 개인적으로 질문도 많이 받는 재난 안전 관련 기술 세 가지인 재난문자, 응급 콜, 재난 안전 망을 먼저 구별해 보겠다. 이 세 가지 서비스의 가장 큰 차이점은 누구를 대상으로 하는 가와 누가 발신하는 서비스인가 이다.

재난 문자와 응급 콜은 일반 사용자를 대상으로 하는 서비스이고 재난 안전 망은 재난과 안전에 관련된 공무를 하시는 분들을 대상으로 하는 서비스이다. 그리고, 재난 문자는 정부에서 국민들에게, 응급 콜은 일반 사용자가 응급콜 센터로 발신하는 서비스이다. 각각을 구체적으로 살펴보겠다.

첫 번째로 살펴볼 재난 문자는 전국민을 대상으로 알려야 하는 긴급 상황을 90자내의 짧은 단문으로 전달하는 서비스로, 사용되는 폰의 종류 (스마트폰 or not), 가용 데이터 용량의 유무와 관계 없이 전달하기 위하여 cell broadcasting 기술을 사용한다. cell broadcasting 기술의 핵심은 IP 데이터 패킷을 통하여 정보를 단말로 전달하는 것이 아니라 단말이 주기적으로 이동 통신 망을 사용하기 위하여 읽는, 기지국이 주기적으로 송신하는 제어 정보, 즉 system information block을 이용한다는 것이다.

따라서, 이동 통신 기능을 가진 모든 폰은 가입 유무, 데이터 가용 용량의 유무와 관계 없이 재난 문자 송출 유무를 확인하고 기지국의 제어 정보 일부 영역을 읽음으로써 긴급 문자를 아래 그림1과 같이 디스플레이 하게 된다. 이러한 재난 문자 정보의 전달을 위해서 이동 통신 사업자 망내의 모든 기지국들은 아래 그림2와 같이 사업자 망 내의 cell broadcast center와 연결되어 이 center는 재난 문자 전송 정부 서버와 연동되어 있다.

[그림 1] 재난 문자 display 화면

[그림 2] LTE 기반 cell broadcasting 간략 구성도

두 번째는 살펴볼 서비스는 응급 콜이다. 재난 문자와 마찬가지로 응급 콜도 일반 사용자를 대상으로 하는 서비스로, 그림 3과 같이 응급 상황에 놓인 사용자의 119 콜 등의 응급센터와의 연결 요청을 지원하는 서비스이다. 응급 콜 역시 재난 문자와 유사하게 사용되는 폰의 종류 (스마트폰 or not), 가용 데이터 용량의 유무, 심지어 USIM의 존재 유무와 관계 없이 빠른 통신 연결을 지원하기 때문에 아래 그림 4과 같이 emergency용 특수 프로시져들을 통하여 emergency 용 attach/PDN connection 생성/bearer 생성을 수행한다.

즉, 응급 콜에 해당되는 번호¹⁾를 대상으로 전화를 걸거나 응급콜 메뉴를 선택한 후 전화를 걸면, 해당 폰은 기지국으로 접속하는 순간부터 응급 콜임을 나타내는 태그를 이용하고 이러한 응급 콜 태그가 있는 발신 요청에 대해서 이동 통신망은 인증 절차 생략, 리소스 할당 최우선 등의 특별 처리를 한 후 응급 센터들만 연결되는 특수 연결을 만들고, IMS 레벨에서도 emergency Call session control function을 통하여 콜을 제어하여 응급콜 센터와 통화가 가능하게 한다.

1) 국가별로 응급 콜에 해당하는 번호(한국 119, 미국 911 등)들이 다르기 때문에 로밍폰에 대하여 그 지역 응급 번호를 수신하여 매핑하는 등의 기술들이 존재합니다.

[그림 3] 응급콜 발신 화면

[그림 4] LTE와 IMS 기반 emergency Call 발신 구성도 (note : 위치 정보 관련과 일부 IMS entity는 생략되었음)

마지막으로 살펴볼 기술은 재난 안전망이다. 앞에서 설명한 재난 문자나 응급 콜과 달리 재난 안전망은 일반 사용자들에게 또는 일반 사용자들의 재난/응급 상황을 알리는 서비스가 아니라 재난과 안전에 관련된 공무를 수행하는 사람들을 지원하기 위한 서비스이다. 따라서, 특수한 서비스와 특수한 상황을 위한 기능을 지원해야 한다.

대표적인 특수한 서비스로 일반적인 통화에 사용되는 1:1 full duplex 통화가 아닌 half duplex 그룹 통신이 있다. 다시 말하면 나와 친구가 1:1로 통화 중 둘 중 누구나 언제든지 말할 수 있는 통화와 달리 발언권을 제어하는 메커니즘이 있는 다자 통화로, 작전 지시 및 보고를 하는 발언권을 허락 받은 사람만 발언이 가능하고 그 이외 사람들을 청취만 가능한 그룹 통화이다. 보통 이러한 그룹 통화의 발언권은 워키-토키와 비슷하게 버튼을 눌러서 발언권을 요청하기 때문에 Push To Talk 기술이라고 부른다.

위에서 설명한 특수한 서비스가 사용되는 특수한 상황은 긴급 재난으로 한 지역에 갑자기 수백/수천의 공무 수행자들이 몰리는 상황 또는 자연 재해 또는 사고로 이동 통신망의 일부 또는 전체가 붕괴되는 상황이다.

첫 번째로 한 지역에 갑자기 수백/수천의 공무 수행자들이 몰릴 때의 문제점은 크리스마스 때 강남 역에 다수의 사용자가 몰려서 통화가 안 되는 상황과 같다. 각 셀의 용량이 제한되어 있는데 그 용량 이상의 통화 요청이 몰리면서 무선 자원 리소스가 부족한 상황이 발생할 수 있다.

이러한 문제는 Push To Talk 그룹 콜이 한 명의 발언자가 말하고 나머지는 청취한다는 특징을 이용하여 uplink 메커니즘과 downlink 메커니즘을 분리함으로써 극복한다. 즉, uplink는 발언 시 리소스를 할당 받는 unicast로 지원하고 downlink는 동일 그룹내의 모든 그룹멤버들이 동일 리소스를 공유하는 multimedia broadcast multicast system(MBMS)로 지원함으로써 수천명의 청취 인원을 수용할 수 있도록 한다.

두 번째로 이동 통신망의 일부 또는 전체가 붕괴되는 상황의 문제점은 기지국와 게이트 웨이 등을 포함한 코어 망의 연결 인터페이스만 붕괴되었을 때는 기지국만을 이용하여 그 지기국을 이용하는 폰들의 통신을 가능하게 하는 단독 기지국 모드 기능으로, 기지국까지 사용이 불가능한 상황에서는 폰과 폰이 직접 연결되어 통신하는 Device to Device 통신 기능으로 해결한다.

위에서 설명한 재난 안전망을 위한 특별 서비스와 재난 안전망이 이용되는 상황을 정리하면 다음과 같다.

- Push To Talk Service + 수백/천 사용자 몰림 상황
- Push To Talk Service + 통신망 붕괴 상황

이러한 특별 서비스와 재난 안전망 이용 상황을 LTE 통신 기반으로 지원하기 위한 표준 기술은 이동 통신 표준 단체인 3GPP를 통하여 2011년 6월부터 시작하여 2016년 3월에 완성되었다.

특정 상황을 지원하기 위한 기술인 수백/천 사용자 몰림 상황을 해결하는 공유하는 multimedia broadcast multicast system(MBMS)기반 group communication system enabler와 망이 붕괴되었을 때 폰과 폰 사이의 직접 통신을 지원하는 device to device communication이 2015년 3월에 3gpp release 12로 먼저 표준화되었고, 그 기능을 이용하는 클라이언트/서버 구조의 망이 존재하는 상황을 위한 on-net mission critical push to talk 프로토콜과 peer 구조의 망이 붕괴된 상황을 위한 offnet -net mission critical push to talk이 2016년 3월에 3gpp release 13으로 표준화되었다.

다음 시간에는 클라이언트/서버 구조의 망이 존재하는 상황을 위한 on-net mission critical push to talk 프로토콜과 수백/천 사용자 몰림 상황을 해결하는 multimedia broadcast multicast system(MBMS) 기반 group communication system enabler와 device to device communication의 기술을 살펴보고,

그 다음 시간에는 peer 구조의 망이 붕괴된 상황을 위한 off-net mission critical push to talk 프로토콜과, 폰과 폰 사이의 직접 통신을 지원하는 device to device communication 기술을 살펴보겠다.