LTE Identification II: NE, Location 및 PDN 식별자

목 차

I.        들어가는 글
II.        망 장비 식별
III.        위치 식별 및 PDN 식별
IV.        요약

LTE Identification에 대한 두 번째 문서로 망 장비(NE;Network Equipment), 단말 위치 및 PDN (Packet data Network)에 대한 식별자를 기술하였다. 망 장비 식별로는 MME, eNB 및 P-GW에 대한 식별자를 기술하고, 단말 위치 식별로는 TA(Tracking Area) 식별자들을 기술하였다. PDN 식별로는 APN(Access Point Name)을 설명하고 마지막으로 이들 식별자들의 특성을 요약 정리하였다.

2011년 2월 9일
NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
APN        Access Point Name
C-RNTI        Cell Radio Network Temporary identifier
DNS        Domain Name Server
DRB        Data Radio Bearer
ECGI        E-UTRAN Cell Global Identifier
ECI        E-UTRAN Cell Identifier
eNB        Evolved Node B
EPC        Evolved Packet Core
E-RAB        E-UTRAN Radio Access Bearer
E-UTRAN        Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
FQDN        Fully Qualified Domain Name
GUMMEI        Globally Unique MME Identifier
GUTI        Globally Unique Temporary Identifier
IMEI        International Mobile Equipment Identity
IMSI        International Mobile Subscriber Identity
LBI        Linked EPS Bearer Identity
MME        Mobility Management Entity
MMEC        MME Code
MMEGI        MME Group Identifier
MMEI        MME Identifier
M-TMSI        MME Temporary Mobile Subscriber Identity
OCS        Online Charging System
OFCS        Offline Charging System
PCRF        Policy and Charging Rule Function
PDN        Packet Data Network
P-GW        PDN Gateway
PLMN        Public Land Mobile Network
S1AP        S1 Application Protocol
S-GW        Serving Gateway
SPR        Subscriber Profile Repository
S-TMSI        SAE Temporary Mobile Subscriber Identity
TAC        Tracking Area Code
TAI        Tracking Area Identity
TEID        Tunnel Endpoint Identifier
X2AP        X2 Application Protocol
 
I. 들어가는 글
LTE identification 첫 번째 문서[1]에서 LTE identification 중 UE ID와 ME ID를 다루었다. 본 문서는 LTE Identification 두 번째 문서로 첫 번째 문서에 이어 NE(Network Equipment) ID, Location ID 및 PDN (Packet Data Network) ID에 대하여 설명한다. II 장에서 NE ID를 기술하고 III 장에서 Location ID와 PDN ID를 기술하고 IV 장에서는 이들을 요약 정리한다.

본 문서에서 기술될 LTE Identification 범위와 종류를 그림 1과 표 1에 다시 나타내었다. 그림 1에서 점선으로 표시된 식별자는 사업자의 정책 규칙(policy rule)이 UE의 위치를 보고하도록 설정되어 있는 경우 eNB에서 PCRF(Policy and Charging Rule Function)로 전달되는 식별자이다.

그림 1. LTE Identification[1]

표 1. LTE Identification 분류[1]
구분        LTE 식별자        관련 문서
UE ID        IMSI, GUTI, S-TMSI, IP 주소(PDN 주소), C-RNTI, UE S1AP ID, UE X2AP ID        LTE Identification I
ME ID        IMEI        
NE ID        GUMMEI, MMEI, Global eNB ID, eNB ID, ECGI, ECI, P-GW ID        LTE Identification II
Location ID        TAI, TAC        
PDN ID        APN        
Session ID        EPS Bearer ID, E-RAB ID, DRB ID, LBI, TEID        LTE Identification III

II. 망 장비 식별
이 장에서는 LTE 망 장비(NE) 식별과 관련된 식별자들을 설명한다. 대상이 되는 망 장비는 MME, eNB 및 P-GW이다. eNB 식별자를 설명할 때는 셀 식별자에 대해서 같이 설명한다. 망 장비 식별자는 크게 사업자 망 안에서 고유하게 식별되는가 사업자 망 밖에서도 고유하게 식별되는가(전세계적으로 고유하게 식별되는가)에 따라 PLMN ID를 포함하지 않는 식별자와 PLMN ID를 포함하는 식별자로 구분할 수 있다.

2.1 MME를 식별하기 위한 ID: GUMMEI, MMEI, MMEGI 및 MMEC
MME는 E-UTRAN과 EPC 사이에 위치하여 UE 및 UE의 가입 정보를 갖고 있는 HSS와 제어신호를 교환하며 UE에게 네트워크 접속을 제공하는 핵심 제어 장비이다. MME ID는 MME가 설치될 때 사업자에 의해 할당된다. UE가 망에 접속하여 MME에 등록하면 MME는 HSS에 사용자 등록을 알린다.

MME에 대한 식별은 사업자 망 안에서 식별되는 경우 MMEI(MME Identifier)로 식별되고 사업자 망 밖에서 식별하는 경우 PLMN ID와 MMEI가 결합된 GUMMEI(Globally Unique MME Identifier)로 식별된다. 사업자의 망 구성 형태에 따라 그룹을 구성할 수 있으므로 MMEI는 MME 그룹을 나타내는 MMEGI와 MME 그룹 안에서 개별 MME를 식별하는 MMEC로 구성된다. 그림 2는 MME 관련 식별자 및 포맷을 나타낸다.

그림 2. MME 관련 식별자

2.2 eNB를 식별하기 위한 ID: eNB ID 및 Global eNB ID
eNB에 대한 식별은 사업자 망 안에서 식별되는 경우 eNB ID로 식별되고 사업자 망 밖에서 식별하는 경우 PLMN ID와 eNB ID가 결합된 Global eNB ID로 식별된다. 그림 3은 eNB/셀 관련 식별자 및 포맷을 나타낸다. eNB를 구성하는 셀에 대한 식별자는 eNB ID와 Global eNB ID에 Cell ID가 붙어서 구성된다.

eNB ID들은 eNB가 설치될 때 사업자에 의해 할당된다. UE가 망에 접속하면 eNB는 MME에게 UE가 어느 셀을 통해 접속했는지 알린다.

그림 3. eNB 및 셀 관련 식별자

2.3 P-GW를 식별하기 위한 ID: P-GW ID
UE가 LTE 네트워크에 접속하고자 하면 LTE 네트워크는 UE에게 PDN 연결을 제공한다. PDN 연결을 설정하는 제어 주체는 MME로 MME가 UE와 PDN 간에 PDN 연결을 설정하기 위해서는 첫째 어느 PDN으로 접속할 것인가와 둘째 어느 P-GW를 통해 접속할 것인가를 정해야 한다. UE가 접속할 PDN은 가입 정보로 HSS에 provisioning 되어 있으므로 MME는 HSS로부터 가입 정보를 다운로드 받아 이를 사용한다. P-GW 할당 방법은 가입 정보로 HSS에 provisioning 하는 정적 할당 방법과 MME가 P-GW 선택 정책을 사용하여 결정하는 동적 할당 방법이 있다. 정적 할당인 경우 HSS는 UE가 PDN 접속시 사용할 P-GW를 MME에게 알려줌으로써 MME가 해당 P-GW를 통해 PDN 연결을 설정하도록 한다.

P-GW ID는 P-GW를 식별하기 위하여 사용되는 식별자로 IP 주소 또는 FQDN(Fully Qualified Domain Name) 형태를 갖는다. 그림 4는 정적 P-GW 할당 정책을 적용한 경우로 P-GW ID 및 포맷을 나타낸다. UE의 default PDN이 PDN 1(인터넷)이라 하자. UE가 LTE 네트워크에 초기 접속한 경우 MME는 HSS에게 UE의 가입 정보를 요청하고 HSS는 UE의 default PDN인 인터넷과 인터넷으로 접속하기 위한 P-GW는 P-GW 1임을 MME로 전송한다. MME는 P-GW 1을 통하여 인터넷으로 UE와 인터넷 간에 PDN 연결을 설정한다. P-GW ID가 FQDN으로 주어진 경우에는 MME는 DNS Query를 통해 P-GW IP 주소를 얻은 후 PDN 연결을 설정한다(PDN 연결 및 EPS 베어러는 Session ID 문서를 참조). DNS가 P-GW list를 주는 경우 MME는 P-GW 선택 정책에 따라 그 중 하나를 선택한다.

그림 4. P-GW 식별자

III. 위치 식별 및 PDN 식별
LTE 네트워크에서 단말의 위치는 어느 셀에 있는지와 어느 TA(Tracking Area)에 있는지에 의해 파악된다. 셀 식별자는 II 장에서 다루었으므로 III 장에서는 위치 식별자로 TA 식별자만을 기술한다.

3.1 단말의 위치를 식별하기 위한 ID: TAC 및 TAI
TA는 UE의 등록 단위이자 MME가 휴지 상태(idle state)에 있는 UE의 위치를 파악하는 단위로, TAC (Tracking Area Code)와 TAI(Tracking Area Identifier)는 TA를 식별하는 식별자이다. 그림 5는 TA 식별자 및 포맷을 나타낸다. TAC는 사업자 망 안에서 TA를 식별하는 식별자이고 TAI는 PLMN ID와 TAC가 결합하여 전세계적으로 고유하게 TA를 식별하는 식별자이다.

UE가 LTE 네트워크에 접속할 때 UE 등록은 MME에 의해 수행된다. MME는 자신에게 등록된 UE가 어디에 위치하는지 tracking하여 UE로 향하는 데이터가 발생하면 UE에게 전송해 주어야 한다. MME는 UE가 망과 연결되어 있을 때에는 어느 셀에 있는지 알 수 있지만 망과 연결되어 있지 않는 휴지 상태일 때에는 어느 셀에 있는지 알지 못한다. 따라서 UE는 등록 영역을 벗어나면 MME에게 어느 등록 영역에 있는지 알려야 하는데 이러한 등록영역을 TA로 나타낸다. MME는 UE가 휴지 상태에 있는 경우 UE가 가장 최근에 보고한 등록영역에서 UE를 찾는다.

UE는 TA가 바뀌면 MME에게 새로운 TA를 알림으로써  자신의 위치를 알려야 하고 MME는 UE의 위치를 갱신한다. UE가 휴지 상태에 있을 때 UE로 향하는 데이터가 발생하면 MME는 UE가 가장 최근에 보고한 TA에 속한 모든 기지국으로 페이징 메시지를 전달하여 UE에게 수신할 데이터가 있음을 알린다. TA 크기가 클수록 UE를 빨리 찾을 확률이 높지만 페이징으로 인한 시그널링 오버헤드가 증가하므로 TA 크기는 최적화 파라미터 중 하나이다.

그림 5. TA 식별자 용도

MME는 UE가 망에 등록할 때 UE에게 TAI list라 불리는 일련의 TA를 할당한다. UE는 현재 TA에서 TAI list에 있는 TA로 이동하는 경우에는 TA 갱신 요청을 하지 않는다. TAI list에 없는 TA로 이동하거나 TA 갱신 주기가 경과한 경우에는 MME에게 TA 갱신 요청을 한다. MME는 TAI 할당 정책에 따라 UE별로 다른 TAI list를 할당할 수 있다.

eNB는 설치시 provisioning 정보에 의해 자신이 어느 MME에 속해있고 어떤 TA에 속해 있는지 알 수 있다. eNB의 각 셀은 셀 ID(ECI 또는 ECGI)와 TA 값(TAC 또는 TAI)을 시스템 정보로 방송한다. 새로운 셀로 접속하려는 UE는 그 셀이 방송하는 시스템 정보를 듣고 자신이 속해 있는 TA가 변경될 것인지 동일한 TA 안에 있는지 파악한다.

TAI list를 할당 받은 UE의 동작을 그림 5를 예로들어 다음에 성명한다. 그림 5에서 eNB1는 TA1, eNB2는 TA2, eNB3와 eNB4는 TA3에 속해 있다(TA는 셀 단위로 할당할 수 있으나 여기서는 eNB 단위로 표시하였다). UE1은 MME1에 등록되어 TAI list로 {TAI1, TAI2}를 할당 받고 UE2는 MME2에 등록하여 TAI list로 {TAI2, TAI3}를 할당 받은 경우이다. eNB1에서 망에 접속한 UE1이 휴지 상태가 된 후 점선을 따라 eNB1  eNB2  eNB3로 이동할 때 UE1의 동작은 다음과 같다(TA 확인은 셀 단위로 이루어지나 여기서는 eNB 안에서 셀 변경시 동작은 생략하였다).

        eNB1에 있을 때: UE1의 현재 TA는 TA1이다.
        eNB1 eNB2로 이동할 때(그림 5에서 ①): UE1은 새로 접속하려는 셀의 시스템 정보를 듣고 새로운 TA가 TA2임을 인지한다. TA2가 TAI list에 있는지 확인하고 TA2는 TAI list에 있는 TA이므로 위치 갱신을 하지 않는다.
        eNB2  eNB3로 이동할 때(그림 5에서 ②): UE1은 새로 접속하려는 셀의 시스템 정보를 듣고 TA가 TA3임을 인지한다. 새로운 TA가 TAI list에 있는지 확인하고 TA3는 TAI list에 없는 TA이므로 UE1은 MME로 TAU(Tracking Area Update) 메시지를 전송하여 위치 갱신을 하게 된다.
 
3.2 PDN 식별
PDN 식별은 APN(Access Point Name)에 의해 이루어진다. APN은 PDN ID라고도 불리며 사용자가 통신하기 원하는 IP 망 즉 PDN을 식별하기 위한 식별자이다. 그림 6은 APN을 나타낸다. APN은 네트워크 ID와 사업자 ID로 구분된다. 네트워크 ID는 인터넷이나 cooperate VPN 같이 PDN을 식별하거나 IMS와 같이 PDN이 제공하는 서비스를 식별하는데 사용된다. APN은 가입자 등록시 등록정보로 HSS에 provisioning되며 UE가 초기 접속시 HSS로부터 MME로 다운로드되어 PDN 연결이 설정되면서 MME, S-GW, P-GW, PCRF에 저장된다. MME는 APN에 의해 정의된 PDN으로 (그림 6에서 PDN 1) UE를 연결해 줄 gateway(그림 6에서 P-GW1)를 찾는데 APN을 사용한다.

그림 6. APN 식별자 및 포맷

IV. 요약
표 1에 분류한 LTE 식별자들 중 [1]에서 기술한 UE ID와 ME ID에 이어서 본 문서에서는 망 장비 식별자(NE ID), 위치 식별자(Location ID)와 PDN 식별자(APN)에 대해 살펴보았다. 표 2에 이들 식별자의 특성을 식별 범위, 할당 주체 및 속성으로 분류하여 정리하였다. 표 1의 LTE 식별자 중 아직 설명되지 않은 Session ID는 이어지는 LTE Identification III 문서에서 기술하도록 한다.

표 2. LTE 식별자: NE, Location 및 PDN
구분        LTE 식별자        식별 범위        할당 주체        속성(고정/임시)
NE ID        GUMMEI        전세계        사업자        고정값
        MMEI        사업자 망         사업자        고정값
        Global eNB ID        전세계        사업자        고정값
        eNB ID        사업자 망        사업자        고정값
        ECGI        전세계        사업자        고정값
        ECI        사업자 망        사업자        고정값
        P-GW ID        전세계        사업자        고정값
Location ID        TAI        전세계        사업자        고정값
        TAC        사업자 망        사업자        고정값
PDN ID        APN        전세계        사업자        고정값

참고문헌
[1]        넷매니아즈 기술문서, “LTE Identification I”, January 2011
[2]        넷매니아즈 기술문서, “LTE 네트워크 구조”, September 2010
[3]        NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
[4]        3GPP TS 23.003, “Numbering, Addressing and Identification”.