LTE Identification I: UE 및 ME 식별자


목 차
I.        들어가는 글
II.        LTE Identification 분류
III.        UE ID
IV.        ME ID
V.        요약

LTE Identification에 대한 첫 번째 문서로 LTE Identification을 종류별로 분류하고 UE(User Equipment)와 ME(Mobile Equipment) ID에 대해 설정 과정과 포맷을 기술하였다. UE ID로 IMSI, GUTI, S-TMSI, IP 주소, C-RNTI를 기술하고 S1 및 X2 제어 평면에서 식별되는 UE ID들을 기술하였다. ME ID로는 IMEI를 설명하고 마지막으로 UE ID와 ME ID 특성을 요약 정리하였다.

2011년 1월 19일
NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
APN        Access Point Name
CD        Check Digit
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
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
MCC        Mobile Country Code
MME        Mobility Management Entity
MMEC        MME Code
MMEGI        MME Group Identifier
MNC        Mobile Network Code
MSIN        Mobile Subscriber Identification Number
M-TMSI        MME Temporary Mobile Subscriber Identity
NE        Network Equipment
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
SRN        Serial Number
S-TMSI        SAE Temporary Mobile Subscriber Identity
TAC        Type Allocation Code
TAC        Tracking Area Code
TAI        Tracking Area Identity
TEID        Tunnel Endpoint Identifier
TIN        Temporary Identifier used in Next update
TMSI        Temporary Mobile Subscriber Identity
UE        User Equipment
USIM        UMTS Subscriber Identity Module
X2AP        X2 Application Protocol
 
I. 들어가는 글
사람도 각자 고유한 이름이 있고, 회사 내부 및 외부에서 사용하는 호칭이 있으며(예를들어 김과장 및 Netmanias 김과장), 상대방에 따라 관계를 나타내는 여러 호칭이 있듯이(예를들어 아들, 아버지, 남편, 삼촌) LTE 네트워크에서도 다양한 identification이 정의되어 있다. LTE 기술을 이해하는데 있어 이들에 대한 이해는 [1]에서 정의된 EPS 엔터티들과 더불어 가장 기본이 되는 사항이다.

LTE 분야 첫 번째 문서인 LTE 네트워크 구조[1]에 이어 LTE 분야 두 번째 문서의 주제는 LTE identification으로 앞으로 3회에 걸쳐 기술한다. 첫 번째 문서는 본 문서로 사용자 단말(UE)을 중심으로 기술하고 두 번째 문서에서는 망 장비(NE)를 중심으로 마지막 문서에서는 Session ID를 중심으로 기술한다.

본 문서는 먼저 II 장에서 LTE identification을 종류별로 분류하고 III 장에서 UE ID를 IV 장에서 ME ID를 기술한다. V 장에서는 III 장과 IV 장에서 설명한 ID들을 정리한다.

II. LTE Identification 분류
LTE identification들의 종류와 이들이 LTE 네트워크에서 어느 엔터티와 인터페이스에서 정의되고 사용되는지를 LTE 네트워크 참조 모델[1]을 기반으로 그림 1에 나타내었다. LTE identification 값들의 특성을 이해하기 위하여 생성 시점, 속성(고정/임시) 및 식별 범위 관점에서 설명한다.

그림 1. LTE Identification
 
생성 시점: 생성되는 시점은 다음과 같이 분류할 수 있다.

        장비 설치 시에 commissioning
        서비스 운영 전에 또는 운영 중에 사업자에 의하여 provisioning
        UE가 망에 접속하거나 사용자가 서비스를 이용함에 따라 생성

Commissioning 또는 provisioning되는 ID들은 그림 1에서 해당 EPS(Evolved Packet System) 엔터티에 파란상자로 표시하였다 .

속성: 설정값이 변하지 않고 고정값일 수 있고 새로 설정될 때마다 할당받는 임시값일 수도 있다. Commissioning되거나 provisioning되는 경우에는 고정값을 갖고 망에 접속하거나 서비스를 이용함에 따라 생성되는 경우에는 임시값을 갖는다.

식별 범위: 전세계, 사업자 망, 엔터티, 연결, 채널 등에서 고유하게 식별된다.

설명의 편의를 위하여 그림 1에 나타나있는 identification을 표 1과 같이 분류하고 category별로 해당 문서에서 기술하도록 한다. 먼저 [1]에서 정의되었던 EPS 엔터티들을 UE와 NE로 구분하였다. 이들은 구분되는 위치(계층, 인터페이스, 식별 영역 등)에 따라 다른 identification을 갖는다. UE에 대한 identification으로 IMSI, GUTI, S-TMSI, IP 주소, C-RNTI, UE S1AP ID, UE X2AP ID가 있다. UE를 구성하는 요소 중 하나인 ME에 대해서는 따로 category를 분류하여 설명한다. NE identification에서 대상이 되는 NE는 MME, eNB 및 P-GW로 하고 eNB를 설명할 때 셀도 같이 설명한다. 사용자 트래픽 전달과 관련된 identification들은 Session ID로 분류한다. Session ID에서 대상이 되는 ID들은 EPS 베어러와 관련된 ID들로 EPS 베어러 ID, E-RAB ID, DRB ID, LBI, TEID를 대상으로 한다.

LTE identification 문서의 첫 번째 문서로서 본 문서에서는 표 1에 회색으로 표시된 UE ID와 ME ID에 대하여 기술하고 본 문서 다음에 이어지는 두 번째 문서에서는 NE ID, Location ID 및 PDN ID를 기술하고 세 번째 문서에서는 Session ID를 기술한다.

표 1. LTE Identification 분류
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
 
III. UE ID
LTE 네트워크에서 UE들은 UE 별로 자원을 할당받기도 하지만 같은 망 자원(예를들어 채널, connection 등)을 공유하여 사용하기도 한다. 이 경우 해당 네트워크 엔터티와 인터페이스에서는 UE를 식별하기 위하여 UE 식별자를 할당한다. 자원을 공유하는 계층이 다르므로 UE를 식별하는 식별자는 다양하게 존재한다. 이동통신망에서 ID를 정의할 때 가장 기본이 되는 것은 사업자 망을 나타내는 PLMN(Public Land Mobile Network) ID로, UE ID에 대한 설명을 PLMN ID부터 시작하도록 한다.

3.1 가입자가 가입한 통신망을 나타내는 ID: PLMN ID
PLMN은 개인들에게 이동통신 서비스를 제공할 목적으로 구성된 망으로 통신사업자가 개설하고 운영한다. PLMN ID는 이동통신 가입자가 가입한 이동통신망을 나타내는 ID로 그림 2와 같이 MCC(Mobile Country Code)와 MNC(Mobile Network Code)로 구성된다. 모바일 국가 코드(MCC)는 이동통신 가입자가 속한 나라를 나타내고 나라별로 하나 또는 여러 개의 고유한 값을 갖는다. 나라별 코드는 ITU-T E.212[4]에 정의되어 있으며 한국에는 450이 할당되어 있다. 이동통신망 코드(MNC)는 각 나라에서 할당하고 통신사업자의 통신망을 나타낸다. 한국은 KT, SK 텔레콤 및 LG U+가 있으며 그림 2와 같이 할당되어 있다.

그림 2. 한국 MCC 및 MNC

3.2 가입자가 영구적으로 갖는 ID: IMSI
IMSI(International Mobile Subscriber Identity)는 전세계적으로 이동통신 가입자를 유일하게 식별하는 값으로 그림 3은 LTE 가입자의 IMSI 값이 설정되는 과정 및 IMSI 포맷을 나타낸다. IMSI 포맷은 가입자가 가입한 이동통신망을 나타내는 PLMN ID와 이동통신사업자로부터 할당받은 모바일 가입자 번호(MSIN)로 구성되며 최대 15-digit을 넘지 않는다.

사용자가 단말을 구매하고 LTE 서비스에 가입하면 IMSI 값은 UE에 있는 USIM 카드에 install되고 사업자 는 가입 등록 정보를 IMSI와 함께 HSS(Home Subscriber Server)와 SPR(Subscriber Profile Repository)에 provisioning한다. 이 후 UE가 LTE 망에 접속하면  MME는 UE로부터 수신한 IMSI를 통해 가입자의 이동통신망을 식별하고 가입 등록 정보를 갖고 있는 HSS(Home Subscriber Server)를 선택하여 등록 정보를 다운로드 받아옴으로써 LTE 망의 기본 연결인 default EPS 베어러 설정을 시작한다(EPS 베어러 설정 절차는 다른 문서를 참조).

USIM, HSS 및 SPR에 설정되어 있는 IMSI 값은 영구적으로 저장되어 지워지지 않는 값이고, 단말의 초기 접속시 default EPS 베어러 설정 과정에서 MME, S-GW, P-GW 및 PCRF에 저장되는 IMSI 값은 default EPS 베어러 종료시 제거된다.

그림 3. IMSI 할당 및 포맷

3.3 MME에서 사용되는 ID: GUTI, S-TMSI 및 M-TMSI
IMSI는 이동통신 가입자를 고유하게 식별하는 영구적인 값으로 무선 링크 상에서 빈번히 노출될 경우 보안 문제가 야기될 수 있다. GUTI(Globally Unique Temporary Identifier)는 UE가 망에 접속했을 때 MME가 할당하는 값으로 IMSI를 대신하여 가입자를 고유하게 식별할 수 있는 역할을 한다. 그림 4는 GUTI 할당 과정 및 포맷을 나타낸다.

GUTI 할당: UE가 LTE 네트워크에 처음 접속할 때는 IMSI 값으로 접속 요청을 하여 MME로부터 GUTI 값을 할당 받고(초기접속 과정은 Initial Attach 절차 문서를 참조) 이 후 재접속할 때에는 IMSI 대신 GUTI 값을 사용한다. 재접속시 UE ID로 IMSI를 사용할 것인지 GUTI를 사용할 것인지는 UE에 TIN(Temporary Identifier used in Next update) 값이 어느 값으로 setting되어 있는가에 따라 결정된다.

UE가 초기 접속 또는 등록 갱신 에 성공하면 MME는 GUTI를 할당하여  UE에게 전송하고 UE는 TIN을 GUTI로 setting한다. 이 후 UE가 망에 접속하거나 등록 갱신을 요청할 때에는 IMSI 대신 GUTI가 사용된다.

GUTI 포맷: LTE 사업자는 여러 MME로 구성되는 MME 그룹을 여러 개 가질 수 있으므로 한 사업자 안에서 MME ID는 MME 그룹을 나타내는 MMEGI(MME Group Identifier)와 MME 그룹 안에서 하나의 MME를 나타내는 MMEC(MME Code)로 표시된다. 여기에 PLMN ID가 붙으면 전세계적으로 고유한 MME ID인 GUMMEI(Globally Unique MME Identifier)를 나타낸다. 각 MME는 자신에게 등록한 가입자에게 해당 MME 안에서 유일한 값인 M-TMSI(MME Temporary Mobile Subscriber Identity)를 할당한다.

GUTI는 GUMMEI와 M-TMSI로 구성되어 전세계적으로 고유한 값을 갖는다. IMSI를 대신하여 UE를 식별하는데 사용할 수 있고 고정값을 갖는 IMSI와 달리 UE가 LTE 네트워크에 등록할 때마다 MME로부터 할당받는 임시값이므로 무선 링크에서 노출되더라도 보안에 대한 부담을 덜 수 있다. S-TMSI는 하나의 MME 그룹 안에서 UE를 고유하게 식별하고자 할 때 사용되는 값으로 MMEC와 M-TMSI로 구성되어 GUTI보다 짧은 길이를 갖는다. 여러 MME 그룹을 구성하지 않는 사업자 망 안에서는 S-TMSI를 사용할 경우 무선 링크 전송 효율을 높일 수 있다.

그림 4. GUTI와 S-TMSI 할당과 포맷

3.4 PDN 접속을 위해 필요한 ID: IP 주소
UE가 PDN(IP 망)에 접속할 때 UE를 유일하게 식별하는 값으로 네트워크 ID와 호스트 ID로 구성된다. 다른 말로 PDN 주소라고 부른다. UE에게 IP 주소를 할당하는 방법은 고정 IP 주소 할당 방법과 동적 IP 주소 할당 방법이 있다. 고정 IP 주소 할당인 경우 사용자는 가입할 때 사업자로부터 고정 IP 주소를 할당받고 사업자는 UE IP 주소를 HSS에 provisioning함으로써(그림 1 HSS 참조) UE가 망에 초기 접속시 접속 장소에 상관없이 고정 IP 주소가 할당된다. 동적 IP 주소 할당인 경우 P-GW는 IP pool을 갖고(그림 1 P-GW 참조) UE가 망에 초기 접속시 마다 P-GW가 가용한 IP 주소를 할당한다(IP 주소 할당 방법에 대한 상세 내용은 IP 주소 할당 문서 참조).

그림 5는 동적 IP 주소 할당의 예로 UE가 초기 접속시 P-GW가 IP 주소를 할당하면서 default EPS 베어러가 설정되는 과정과(EPS 베어러 설정에 대한 상세 내용은 Initial Attach 문서 참고) IP 주소를 할당받은 UE가 인터넷 서비스를 이용하는 과정을 간단히 보여준다(인터넷 트래픽 흐름은 [1] 참조).

그림 5. IP 주소 할당 및 포맷

3.5 셀 안에서 UE를 구별하기 위해 필요한 ID: C-RNTI
C-RNTI(Cell Radio Network Temporary Identifier)는 eNB가 무선링크 접속구간인 셀에서 UE에게 할당하는 값으로 해당 셀 안에서만 적용되며, 셀 안에 있는 UE들은 C-RNTI 값으로 유일하게 식별된다. UE가 현재 접속해 있는 셀을 떠나 다른 셀로 접속하면 해당 셀에서 랜덤접속과정을 통해 새로운 C-RNTI를 할당받는다. 그림 6은 C-RNTI 할당 과정 및 적용 계층을 나타낸다.

eNB는 상향 및 하향링크에서 UE에 대한 무선자원 할당을 관리하는데 다음 상향 및 하향 프레임에서 어느 UE가 자원을 사용할 수 있는지를 PDCCH(Physical Downlink Control Channel) 상에 C-RNTI를 방송하여 알린다. UE들은 접속해 있는 셀의 PDCCH를 듣고 자신의 C-RNTI가 있으면 다음 상향 또는 하향 프레임에서 자원을 사용할 수 있음을 알게 된다.  

그림 6. C-RNTI 할당 과정 및 적용 계층

3.6 S1-MME에서 UE를 구별하기 위해 필요한 ID: UE S1AP ID
S1-MME 인터페이스에서 S1AP 계층은 eNB와 MME 간 제어 메시지를 처리한다. 동일 eNB에 접속한 모든 UE는 동일한 S1 링크를 이용하여 MME와 통신하므로, UE S1AP ID는 S1-MME 상에서 UE들을 구별하는데 사용된다. MME는 여러 eNB와 통신하므로 상향(eNB  MME)으로는 eNB에서 eNB UE S1AP ID가 할당되고 하향으로는 MME에서 MME UE S1AP ID가 할당되어, S1-MME 상의 사용자 제어 메시지는 (eNB UE S1AP ID, MME UE S1AP ID) 쌍으로 통신한다. 그림 7은 UE S1AP ID 할당 과정 과정 및 적용 계층을 보여준다.

그림 7. UE S1AP ID 할당 과정 및 적용 계층

3.7 X2에서 UE를 구별하기 위해 필요한 ID: UE X2AP ID
X2 인터페이스에서 X2AP 계층은 eNB와 eNB 간 제어 메시지를 처리한다. eNB에 접속한 UE 중 동일한 이웃 eNB와 통신하는 UE들은 같은 X2 connection을 이용하므로, UE X2AP ID는 X2 인터페이스 제어 평면에서 UE들을 구별하는데 사용된다. eNB 간 사용자 제어 메시지 통신시 소스 eNB는 Old eNB UE X2AP ID를 할당하고 타겟 eNB는 New eNB UE X2AP ID를 할당하여, X2에서 사용자 제어 메시지는 (Old eNB UE X2AP ID, New eNB UE X2AP ID) 쌍으로 통신한다. 그림 7은 UE X2AP ID 할당 과정 및 적용 계층을 보여준다.

그림 8. UE X2AP ID 할당 과정 및 적용 계층

IV. ME ID
이 장에서는 ME(Mobile Equipment) 식별자에 대해 기술한다. ME 식별자를 설명하기에 앞서 먼저 UE와 ME 관계를 살펴본다. UE는 ME와 USIM(UMTS Subscriber identity Module)으로 구성되고, ME는 MT(Mobile Terminal)와 TE(Terminal Equipment)로 세분화 될 수 있다. MT는 무선 접속 프로토콜이 동작하는 부분(예를들어 USB dongle)이고 TE는 MT 제어 기능이 동작하는 부분이다. 그림 9는 UE와 ME 구성 예를 보여준다. 이동전화의 경우 MT와 TE는 통합되어 있고 노트북의 경우는 MT와 TE가 분리되어 있다.

그림 9. UE와 ME 관계

4.1 ME가 영구적으로 갖는 ID: IMEI, IMSI/SV
IMEI(International Mobile Equipment Identity)는 ME를 전세계적으로 고유하게 식별하는 식별자이다. 제조시 생성되는 값으로 어느 회사에서 만들었고 어떤 모델이며 시리얼 번호가 어떻게 되는지를 나타낸다. 그림 9는 IMEI 적용 예를 보여준다. TAC(Type Allocation Code)와 SNR(Serial Number)로 구성되며 CD(Check Digit)가 붙는 형태인 IMEI와 SVN(Software Version Number)이 붙는 형태인 IMEI/SV가 있다. TAC는 RBID(Reporting Body Identifier)와 Type ID로 구성된다. RBID는 승인기관을 나타내고 Type ID는 제조사 및 모델명을 나타낸다. 시리얼 번호는 제조사에서 할당한다. 사업자는 IMEI 정보를 갖는 DB 를 갖고 사용자 단말이 분실 또는 도난된 경우 망 접속을 거절할 수 있다.  
 
그림 10. IMEI 적용 예

IV. 요약
본격적인 LTE 기술에 대해 논하기 전에 LTE 식별자들에 대해 살펴보고 있다. 본 문서는 먼저 UE ID와 ME ID를 살펴보았고 표 2에 해당 식별자의 특성을 식별 범위, 할당 주체 및 속성으로 분류하여 정리하였다. 표 1에서 분류한 나머지 ID들에 대해서는 이어지는 LTE Identification II와 LTE Identification III 문서에서 기술하도록 한다.

표 2. LTE 식별자: UE 및 ME
구분        LTE 식별자        식별 범위        할당 주체        속성(고정/임시)
UE ID        IMSI        전세계        사업자        고정값
        GUTI        전세계        MME        임시값
        S-TMSI        MME 그룹        MME        임시값
        IP 주소
(PDN 주소)        전세계(공인 IP 주소)
사업자 망(사설 IP 주소)        사업자(고정 IP 주소)
P-GW(동적 IP 주소)        고정값(고정 IP 주소)
임시값(동적 IP 주소)
        C-RNTI        셀         eNB        임시값
        eNB UE S1AP ID        eNB        eNB        임시값
        MME UE S1AP ID        MME        MME        임시값
        UE X2AP ID        eNB        eNB        임시값
ME ID        IMEI        전세계        제조사        고정값

참고문헌
[1]        넷매니아즈 기술문서, “LTE 네트워크 구조”, September 2010
[2]        NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
[3]        3GPP TS 23.003, “Numbering, Addressing and Identification”.
[4]        ITU-T E.212, “The international identification plan for public networks and subscriptions”.