전세계적으로 이동통신망의 기반 구조가 “LTE + IMS” 라는 All-IP로의 전환이 계속적으로 이루어지고 있으며, 또한 Wi-Fi 기술 역시 비면허 대역을 이용한 무선 통신 기술이라는 장점을 가지고 802.11n을 필두로 해서 802.11ac로의 Gbps급 전송 기술로의 고도화도 이루어짐에 따라 LTE와 Wi-Fi를 병합하는 여러가지 솔루션들이 시도되고 있습니다. 

 

본 문서에서는 “광역적인 이동성”을 제공한다는 기본 전제하에서 LTE와 Wi-Fi간의 결합을 통한 시너지를 내기 위한 3GPP의 표준화 방법 및 그 외의 현재 시도되고 있는 몇 가지 방법들의 구조 및 특징 등을 살펴보고자 합니다. 

 

 본 문서에서 다루고자 하는 “LTE와 Wi-Fi간의 병합”이라는 주제는 “병합의 주체”로 구분을 한다면, 3GPP 기반 (LTE 네트워크 인프라를 이용한 방법)과 Non-3GPP 기반 (단말이 LTE망과 독립적으로 병합 수행)으로 분류할 수 있고, “병합의 효과”라는 측면에서 본다면 LTE와 Wi-Fi를 동시에 사용하여 LTE와 Wi-Fi간의 Carrier Aggregation과 Wi-Fi를 LTE의 RAN에 대한 Offload으로 구분할 수 있습니다.  

 

본 문서에서는 “병합의 효과”에 따른 구분보다는 “병합의 주체”를 기준으로 기술하며, 개별 방법 별로 해당 기술에서 “병합의 효과”가 어떻게 나타나는지를 설명하도록 하겠습니다. 1편에서는 3GPP 기반 병합을 다루고 2편에서는 Non-3GPP 기반 병합을 다루도록 하겠습니다.

 

3GPP 기반 (LTE 네트워크 인프라를 이용한 LTE/WLAN의 병합) 

 

LTE 네트워크 인프라를 이용하여 LTE와 WLAN을 병합하는 방안은 LTE로 대표되는 이동성 인프라의 제반 구조를 정의하고 있는 3GPP에 의해 제안되는 아래와 같은 방법들에 대해 설명합니다. 

• 3GPP 표준상의 ePDG (Evolved PDN Gateway) 
• 3GPP 표준상의 TWAG (Trusted WLAN Access Gateway) 
• 3GPP 표준상의 IFOM (IP Flow Mobility) 

1. ePDG (Evolved PDG)를 이용한 LTE/WLAN 병합 

LTE 표준의 시작이라고 할 수 있는 3GPP Rel-8에서부터 정의된 방법으로 단말이 LTE 네트워크 인프라와 직접적인 연동을 통해 Wi-Fi 액세스망을 경유하여 LTE 코어망을 접속하는 구조를 제시하고 있습니다. 

 

그림 1. 3GPP ePDG (Evolved PDN Gateway) 구조

 

UE는 WLAN을 경유하여 LTE Core망과 접속하기 위해 MOBIKE (시그널링)과 IPsec (베어러)를 사용하여 ePDG와 연동합니다. ePDG는 UE와의 MOBIKE, IPSec 프로토콜의 정합을 수행하며, UE에 대한 LTE 연동을 위해 P-GW 및 AAA와 연동하며, 인터페이스 구성 옵션에 따라서는 PCRF와도 연동할 수 있습니다. 

 

ePDG 구조에서 P-GW는 WLAN UE에 대해 APN별로 LTE와 WLAN간의 Inter-RAT Handover를 제공하며, UE와 ePDG는 IPsec 암호화 터널을 이용하여 3GPP에서 요구하는 End-to-End Trusted network를 구성합니다. 

 

 

이 방법은 단말은 단일 APN에 대한 트래픽을 LTE 또는 WLAN 중 하나만을 사용하여 전달하므로 “병합의 효과” 측면에서는 WLAN을 LTE의 RAN에 대한 Offload 용으로 사용하기 위한 방법으로 구분할 수 있습니다. 

 

하지만, 3GPP Rel-10에서 정의된 MAPCON이 LTE 네트워크에서 사용되는 경우에는 UE는 2개 이상의 APN을 단일 P-GW을 통해 서비스를 받을 수 있으며, 이 경우에는 APN 별 서비스 트래픽을 LTE 및 WLAN으로 분산하여 수용할 수 있습니다. 

그림 2. MAPCON 적용시 트래픽 경로 (동시 전송: 전화하면서 파일 다운로드 받기)

 

ePDG를 이용한 LTE/WLAN 병합 방법은 UE내에 MOBIKE와 IPsec 프로토콜을 사용하여 LTE 노드와 직접 통신을 함으로써 개인용 WiFi AP를 비롯하여 Outdoor AP등의 WLAN 인프라의 형태에 관계없이 다양하게 구축되어 있는 기존의 WLAN 인프라를 LTE의 RAN으로 병합용 인프라로서 활용할 수 있다는 장점이 있으나, 단말에 MOBIKE 및 IPSec 프로토콜이 탑재되어 있어야 한다는 “단말 의존성”이 제약 사항으로 작용합니다. 

(주 : MOBIKE는 IKEv2를 이용하여 단말이 WLAN AP간을 이동하는 경우 AP로부터 할당 받은 IP 주소를 IKE 서버인 ePDG로 통보하기 위한 방법을 제공하며 iOS의 경우 iOS7까지는 IKEv1만 지원하고 있습니다) 

 

ePDG의 추가적인 기술 사항에 대해서는 여기를 참고하시기 바랍니다.  

 

2. TWAG (Trusted WLAN Access Gateway) 를 이용한 LTE/WLAN 병합 

3GPP Rel-11에서 정의된 방법으로 Rel-8에서 ePDG가 정의된 이후 “단말 의존성”이 서비스의 중대한 걸림돌로 부각됨에 따라, 단말 의존성을 제거하기 위한 방안으로 단말 의존성을 제거하기 위해 WLAN 인프라와 LTE 인프라가 연동하여 WLAN을 LTE에 접목시키는 구조를 제시하고 있습니다. 

 

그림 3. TWAG (Trusted WLAN Access Gateway) 구조

 

UE는 WPA2 Enterprise 방식의 802.1x 인증 절차를 이용한 WLAN 접속 기능만 필요합니다. TWAG는 WLAN 네트워크와의 시그널링/베어러 종단을 수행하며, P-GW 및 AAA와 연동하며, 인터페이스 구성 옵션에 따라서는 PCRF와도 연동할 수 있습니다.

 

TWAG의 구조는 표준상에서 SaMOG (S2a Mobility using GTP)라고 부르고 있으며 SaMOG의 노드 구성은 

• TWAG (Trusted WLAN Access Gateway) : Trusted WLAN과의 트래픽 터널인 Tn을 종단 
• TWAP (Trusted WLAN AAA Proxy) : Trusted WLAN과의 인증 경로인 Ta를 종단 

의 두 가지로 분리되어 있으나 일반적으로 TWAP 노드의 기능은 TWAG 내의 부분으로 포함되는 형태가 되기 때문에 본 문서에서는 편의상 TWAG로 통칭합니다 (TWAG/TWAP간의 연동 인터페이스도 존재하나 명칭만 정의되어 있고 상세 규격은 정의되어 있지 않음). 

 

TWAG에서의 서비스 형태는 ePDG의 구조와 유사하게 P-GW는 WLAN UE에 대해 APN 별로 LTE와 WLAN간의 Inter-RAT Handover를 제공하며, TWAG와 WLAN 네트워크는 상호 연동을 통해 UE에 대한 이동성 및 End-to-End Trusted network의 구성을 제공합니다. 

 

 

TWAG 구조는 ePDG와 동일하게 단일 APN에 대한 트래픽을 LTE 또는 WLAN 중 하나만을 사용하여 전달하므로 “병합의 효과” 측면에서는 WLAN을 LTE RAN에 대한 Offload 용으로 사용하기 위한 방법으로 구분할 수 있습니다. 

또한, 3GPP Rel-10에서 정의된 MAPCON 표준이 LTE 네트워크에 사용되는 경우에는 ePDG와 유사하게 UE는 APN별 서비스 트래픽을 LTE 및 WLAN으로 분산하여 구성할 수 있습니다.

 

단, ePDG의 경우에는 단말이 사용하는 APN 정보를 IKE 시그널링 과정에서 전달하므로 WLAN을 통해 1개 이상의 APN을 접속할 수 있으나 TWAG의 경우에는 단말이 TWAG와의 직접적인 통신을 하지 않기 때문에 다수의 APN을 구성하지 못한다는 제약이 있습니다. 

 

TWAG 구조는 단말 의존성을 제거하기 위해 

• WLAN 네트워크 자체를 “Untrusted Network”가 아닌 “Trusted Network”로 전환하고 WLAN과 TWAG간에 트래픽 터널을 사용함으로써 단말에 필요했던 IPsec 암호화 터널의 필요성을 제거
• 단말이 WPA2 Enterprise 접속을 위해 사용하는 RADIUS 인증 및 DHCP 표준 절차를 TWAG (TWAP 기능 노드)에서 정합하고 단말의 이동성 여부를 판단하여 적절히 LTE 노드들과 시그널링을 함으로써 단말에서 LTE 접속 및 이동성 제어를 위해 필요했던 MOBIKE 프로토콜의 필요성을 제거 

하였고, 3GPP 표준상의 “Trusted WLAN Network”과 TWAG간의 인터페이스인 Tn, Ta에 대한 상세 규격이 명시가 되어 있지는 않으나 일반적인 WLAN 인프라의 구조 및 3GPP의 “Trusted Network”에 대한 요구사항을 만족하는 방안으로는 대략 그림 3.(b)와 같은 구성 중 하나가 사용될 수 있습니다. 

 

TWAG를 이용한 LTE/WLAN 병합 방법은 ePDG 방법에서 단점으로 작용하던 단말에 대한 의존성을 제거하고 최적의 단말 사용 환경을 만들 수 있다는 장점이 있으나, TWAG와 WLAN 네트워크간의 연동성 제공을 위해 기존에 구축된 WLAN 인프라에 대한 개선이 필요하다는 단점이 있습니다. 

 

(주 : TWAG에 대한 설명은 3GPP Rel-11을 기준으로 하며, Rel-12와는 내용이 다소 상이할 수 있습니다)  

 

3. IFOM (IP Flow Mobility)를 이용한 LTE/WLAN 병합 

3GPP Rel-10에서 TWAG (SaMOG)와 같이 구체화된 방법으로 ePDG 또는 TWAG 네트워크를 통해 단말과 DSMIPv6 Home Agent (P-GW 내에 포함되거나 별도 노드로 구성)간에 직접 S2c 인터페이스를 구성하여 WLAN과 LTE를 동시에 데이터 경로로 사용하여 WLAN과 LTE간의 Carrier Aggregation 효과를 제공하기 위한 구조를 제시하고 있습니다. 

 

그림 4. IFOM (IP Flow Mobility) 기반 병합 전송

 

UE는 WLAN을 경유하여 LTE Core망과 접속하기 위해 ePDG 또는 TWAG와 연동한 후, IKEv2 시그널링을 통해 DSMIPv6 HA와 IPsec 암호화 세션을 구성하고 IPsec 세션을 통해 DSMIPv6 (시그널링) 및 IPinIP (베어러) 프로토콜을 이용하여 DSMIPv6 HA와 연동합니다. 또한 트래픽 제어의 유연성을 확보하기 위해서는 ANDSF와도 연동할 수 있습니다. 

DSMIPv6 HA는 UE와의 DSMIPv6 및 IPinIP 프로토콜 종단을 수행하며, WLAN을 통해 단말이 접속하는 경우에는 DSMIPv6 시그널링의 보안을 위해 IKEv2/IPSec 종단 기능을 수행하고 외부 IP 네트워크와의 종단 기능을 제공합니다. 

ePDG 및 TWAG는 단말이 IFOM 서비스 APN에 접속하는 경우, P-GW로부터 단말의 IP 주소를 할당받지 않고 ePDG 또는 TWAG가 보유한 IP중 하나를 할당합니다. 

 

IFOM 구조에서 DSMIPv6 HA는 WLAN UE에 대해 IFOM 서비스용 APN에 대한 서비스 플로우 (IP/Protocol/Port의 조합) 단위로 LTE/WLAN간의 Inter-RAT Handover를 제공하며 DSMIPv6 시그널링에 대한 단말 ~ DSMIPv6 HA간의 암호화도 제공합니다. 

 

 

IFOM을 이용한 LTE/WLAN 병합 방법은 단일 APN 서비스 트래픽을 LTE와 WLAN을 모두 이용하여 전송할 수 있으므로 “병합의 효과” 측면에서는 WLAN과 LTE를 동시에 데이터 경로로 사용하여 WLAN과 LTE간의 Carrier Aggregation을 할 수 있는 방법으로 구분할 수 있습니다 

 

IFOM를 이용한 LTE/WLAN 병합 방법은 UE와 DSMIPv6 HA간에 직접 통신을 하고 기존의 WLAN을 병합하기 위한 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있으나 단말에 MOBIKE와 IPsec 프로토콜뿐만 아니라 DSMIPv6 프로토콜등의 다양한 기능이 추가되어야 한다는 단점이 있습니다. 

 

IFOM 구조에서 DSMIPv6 HA는 LTE의 경우 기본적으로 P-GW에서 기능을 수행하는 것으로 되어 있으나 과도한 단말 의존성 및 시그널링 및 베어러 오버헤드, P-GW의 과도한 부하등으로 인해, 

• 3GPP Rel-12에서는 PMIPv6를 이용한 Network 기반의 Aggregation 방안에 대한 검토가 진행 중 (본 문서에서 언급한 IFOM 방식은 Rel-11까지 정의된 DSMIPv6를 이용한 Host 기반 Aggregation 방식임) 
• DSMIPv6 HA를 P-GW와 분리된 독립 노드로 구성하고 단말과의 시그널링을 간소화하여 보안성보다는 LTE/WiFi Aggregation에 집중한 비표준 방식의 솔루션 모색  

등이 진행되고 있습니다. 

 

참고로 KT가 2013년말에 개발한 이종망간 주파수 묶음 기술이 IFOM 방식입니다.

 

다음 편에서는 Non-3GPP 기반 병합 기술 (3GPP 표준과 상관없이 주로 단말에서 병합을 수행하는 기술)을 다루도록 하겠습니다.