셀룰러 네트워크: 4G, 5G

 

 

셀룰러(cellular)라는 용어는 셀룰러 네트워크의 영역이 전파 도달 능력에 따라 여러 개의 지리적 영역, 즉 셀(cell)로 나뉜다는 사실에서 비롯되었다.
각각의 셀은 셀 영역 안의 이동 장치(mobile device)와 신호를 주고받는 기지국(base station)을 갖고 있다.
하나의 셀이 담당하는 영역의 넓이는 여러 요소에 의해 영향을 받는다.
: 기지국과 단말기의 송신 강도, 셀 내의 방해가 되는 건물, 기지국 안테나의 설치 높이와 종류

 

 

7.4.1 4G LTE 셀룰러 네트워크: 구조 및 요소

 

 

 

1) 이동 장치(mobile device)

: 셀룰러 통신 사업자의 네트워크에 연결되는 스마트폰, 태블릿, 랩톱 또는 IoT 장치 등이며, (ex. 고정된 온도 센서 또는 감시 카메라) 웹 브라우저, 지도 앱, 음성 및 화상회의 앱, 모바일 결제 앱 등이 실행되는 곳이다.

 

UE(User Equipment) : 이동장치의 공식적인 4G LTE 전문용어

 

전체 5계층 인터넷 프로토콜 스택을 구현한다.

 

NAT을 통해 얻을 수 있는 IP 주소를 갖고 있는 네트워크의 종단점이다.

 

전 세계적으로 고유한 IMSI(International Mobile Subscriber Identity)라는 64비트의 식별자가 있다. 그리고 이는 SIM(Subscriber Identity Module) 카드에 저장된다.

가입자가 속한 국가 및 홈 네트워크를 포함하여 전 세계의 셀룰러 사업자 시스템에서 가입지를 식별한다. (MAC 주소와 유사)

SIM 카드는 가입자가 접속할 수 있는 서비스에 대한 정보와 해당 가입자의 키 정보를 암호화한다.

 

 

2) 기지국(base station)

: 셀룰러 통신 사업자 네트워크의 가장자리에 위치하며, 무선 전파 자원 및 담당 영역에 속한 이동 장치를 관리할 책임이 있다.

 

이동 장치는 기지국과 상호작용함으로써 사업자의 네트워크에 접속된다.

무선 접속 네트워크에서 장치의 인증 및 자원(무선 채널)의 할당 기능을 조정한다.

 

무선 랜의 AP와는 다르게, 셀룰러 기지국에서만 수행하는 역할들은 다음과 같다.

AP 이동 장치에서 게이트웨이까지 장치 고유의 IP 터널을 생성하고, 셀 간의 장치 이동성을 처리하기 위해 상호작용한다.

인접한 기지국들은 셀 사이의 간섭을 최소화하기 위해 무선 스펙트럼을 관리하기 위한 상호 조정 기능을 수행한다.

 

eNode-B : 기지국의 공식적인 4G LTE 전문용어

 

 

3) 홈 가입자 서버(Home Subscriber Server, HSS)

: HSS의 네트워크를 홈 네트워크로 사용하는 이동 장치에 대한 정보를 저장하는 데이터베이스

 

제어 평면의 요소

이동 장치의 인증을 위해 이동성 관리 개체(MME)와 함께 사용된다.

 

 

S-GW(Serving Gateway), P-GW(Packet data Network Gateway)

: 이동 장치와 인터넷 사이에 위치하는 2개의 라우터

4) PDN 게이트웨이(P-GW)

: 이동 장치에 NAT IP 주소를 제공하고 NAT 기능을 수행한다.
외부 세계에서 P-GW는 다른 게이트웨이 라우터와 마찬가지로 보인다.
셀룰러 사업자의 LTE 네트워크 안에서의 이동 노드의 이동성은 P-GW 뒤에 있는 바깥 세상에는 감추어진다.

 

이러한 게이트웨이 라우터 외에도 셀룰러 사업자의 all-IP 코어에는 전통적인 라우터 기능을 수행하는 라우터들이 존재한다.

 

 

5) 이동성 관리 개체(Mobility Management Entity, MME)

: 제어 평면의 요소

 

HSS와 함께 네트워크에 접속하려는 장치를 인증하는 데 중요한 기능을 수행한다.

 

이동 장치와 PDN 인터넷 게이트웨이 간의 데이터 경로에 터널을 설정하고, 사업자의 셀룰러 네트워크 안에서 활성화된 이동 장치의 셀 위치 정보를 유지 관리한다.

그러나 이동 장치의 데이터그램이 인터넷으로 전송되거나 들어오는 전달 경로상에 있지 않다. (아래 그림에서 확인 가능)

 

LTE 데이터 평면과 제어 평면의 요소

 

 

 

-인증(authentication)

네트워크와 네트워크에 부착된 이동 장치 간의 상호 인증
네트워크는 부착된 장치가 실제로 주어진 IMSI와 연관된 장치라는 것을 알아야 한다.
이동 장치는 자신이 부착하고 있는 네트워크가 또한 합법적인 셀룰러 사업자 네트워크라는 것을 알아야 한다.

 

MME가 이동 홈 네트워크에서 이동 장치와 홈 가입자 서버 HSS 사이의 중재자 역할을 한다.
로컬 MME는 이동 장치로부터 접속 요청을 수신하고, 이동 장치의 홈 네트워크 HSS에 접촉한다.
이동 장치의 홈 HSS는 로컬 MME에 암호화된 정보를 충분히 반환한다.

 

 

-경로 설정(path setup)

: 이동 장치로부터 게이트웨이 라우터로의 데이터 경로는 이동 장치와 기지국 사이의 무선 첫 번째 홉(first hop), 기지국과 서빙 게이트웨이(S-GW) 사이의 연결된 IP 터널, 서빙 게이트웨이, PDN 게이트웨이로 구성된다.

 

터널은 MME의 제어하에 설정된다.
장치가 다른 기지국으로 이동했을 때에 기지국에서 종료하는 터널 종단점만 변경되며, 다른 터널 종단점 및 터널과 관련된 서비스 품질은 변경되지 않는다.

 

 

-셀 위치 추적(cell location tracking)

이동 장치가 셀들 사이를 이동함에 따라, 기지국들은 이동장치의 위치에서 MME를 갱신할 것이다.

하지만 이동 장치가 수면 모드에 있지만 그럼에도 불구하고 셀 사이를 이동하는 경우, 기지국은 더 이상 해당 장치의 위치를 추적할 수 없다.

이 경우 페이징이라고 하는 프로세스를 통해 깨어난 장치를 찾는 것은 MME의 책임이다.