재난안전통신을 위한 3GPP의 표준화 동향

1. NPSTC 권고 사항

미국의 NPSTC의 권고사항(2009. 9. 4.)[2]은 반드시 필요한 일반적인 권고사항, 운영 권고사항, 기술 권고사항으로 나누어 권고하였다.

가. 일반 권고사항

일반 권고사항은 아래와 같다.

나. 운영 권고사항

NPSTC는 11개 항목에 대한 권고사항을 발표하면서 필요 요구사항으로 7개 항목, 선택 요구사항으로 4개 항목을 발표하였다.

• 필요 사항

• 선택 사항

다. 기술적 권고사항

NPSTC는 3GPP의 PS-LTE를 지정해서 권고사항을 발표하였다. 주요 내용은 아래와 같다.

• 단말기 인식

PS-LTE 시스템은 3GPP 표준에 준수해야 하므로, 시스템은 PLMN(Virtual Private Network) ID로 지역 및 통신사에서 제한됨. PS-LTE로 로밍되는 경우에 대한 단말기 인식에 대한 권고사항을 규정하고 있음.

• 최소 애플리케이션

인터넷 접근, 승인된 네트워크사업자 VPN 접근이 요구되며, 로밍 중에도 공통된 웹 페이지, 문자 메시지나 정보를 수신하는 애플리케이션을 가짐. 애플리케이션의 IP 문자 서비스도 가능하지만, 3GPP 표준의 SMS(TS 23.204, Short Message Service)를 권고함.

• 보안

PS-LTE의 보안은 3GPP의 표준(TS 33.401)에 따름. 또한 VPN은 인터넷 접근을 위한 네트워크 계층(Layer)이 가능하도록 권고하고 있음.

2. 국내 요구사항

우리나라에서도 재난안전무선 통신망에 대한 요구사항이 2011년 3월에 행정안전부(현 안전행정부)에서 재난안전무선통신망 요구사항으로 공고된 바 있다[3].

가. 필수기능

필수 기능은 재난관련 필수기관 등의 의견수렴 결과, 재난안전무선통신망의 특성상 필요하다고 판단되는 기능이다.

첫 번째, 생존/신뢰성에 대해서 단말 간 직접통화 및 단말의 중계기능, 단말의 이동성, 호 폭주 대처에 대한 요구사항을 정의하고 있다. 두 번째, 재난 대응성에 대해서 개별통화, 그룹통화, 지역선택 호출, 통화 그룹 생성/삭제/편성 기능, 가로채기, 비상통화, 단말기 위치확인에 대한 요구사항을 정의하고 있으며, 세 번째, 보안성에 대해서 단말기 사용 허가 및 금지, 암호화, 인증, 보안 규격 통합 보안 관제 기능에 대해서 요구사항을 정의 하고 있다. 마지막으로 운용, 효율성에 대해서 시스템 관리기 및 단말기에서 문자 혹은 데이터 등을 이용 상황 전파 메시지 및 재난안전통신망 운영에 필요한 가입자 용량 확보에 대해서 대한 요구사항을 정의하고 있다.

나. 부가기능

부가기능은 재난관련 필수기관 등의 의견수렴 결과, 효과적인 재난안전무선통신망의 특성상 필요하다고 판단되는 기능이다.

첫 번째, 생존 신뢰성에서 기지국 전송로 및 교환기 장애 발행 시 기지국 단독으로 통화로를 제공, 내부에서 개별/그룹 통화를 제공, 회선의 이중화 및 전송 매체를 위성이나, 기타 IP 회선 등의 이중 전송매체를 운영해서 극한 상황에 대처하는 기능, 만족할만한 통화품질 제공, 장애 시 주요 데이터 백업 및 복원에 대한 요구사항을 정의하고 있다.

두 번째, 재난 대응성으로 개별 혹은 그룹으로 영상통화 기능, 단말기의 주변상황을 관리 기기에서 청취할 수 있는 기능, 1개의 단말기에서 2개 이상의 통화 그룹과 통신에 대한 요구사항을 정의한다.

세 번째, 상호 운용성으로 국내외 개방형 표준 준수 및 제조사와 연동할 수 있는 인터페이스 제공을 해야 하며, 다양한 시스템 간 연동 가능토록 접속시간 및 전송지연 최소화, 기존 UHF/VHF/TRS 통신망과 연동에 대한 요구사항을 정의한다.

마지막으로 운영 효율성으로 다자 간 전이중 통화, 통화 중 데이터통신, 통화내용 녹음/녹화, 발신번호 표기, 원격 망 관리, 망 관리시스템, 보고서 생성, 통화 용량 확장, 광대역 통화권 확보, 주파수 다중화에 대해서 요구사항으로 정의하고 있다.

1. 재난경보시스템 구축현황

우리나라는 초기에 경찰, 소방과 같은 기관에서 PTT(Push-to-talk)와 같은 음성통신 위주의 VHF/UHF를 시작으로 재난안전통신망을 구축하기 시작했다. 이후 아날로그 TRS, 디지털 TRS를 보급하면서 2003년 12월에 중앙안전대책위원회에서 무선통신망을 일원화하는 ‘통합지휘무선통신망 구축사업 기본계획’으로 디지털 TRS 방식의 TETRA(Terrestrial Trunked Radio)로 확정하고 2007년 12월까지 서울, 경기지역, 5대 광역시에 추진하였다. 이후 감사원에서 기술 독점성 및 종속성 등의 문제점이 지적되어 전면 재검토되었으며, 무선 통신망 증설이 중지되었다[4].

<표 2>에서 볼 수 있듯이 이용기관별 다양한 무선통신 방식을 보여주고 있다. 가장 대표적인 재난안전통신망으로 TETRA(47%)를 사용하고 있고, VHF/UHF(38%)를 사용하며, 일부 기관들은 WiBRO, iDEN(Integrated Digital Enhanced Net-work)도 같이 사용하고 있다.

<표 2>

재난안전통신망 구축현황(KT)

2. 최근 재난안전통신망 진행현황

요구사항에 확인했듯이, 행정안전부에서는 국가 재난안전통신망에 대한 요구사항[3]을 발표하고 최적의 기술 방식을 선정하려고 하고 있지만, 아직까지 우리나라는 전국적인 재난안전통신망이 마련되어 있지 않은 상태이며, 다양한 통신망을 연동할 수 있는 통신 방식에 대한 논의가 지속적으로 논의되고 있다.

2014년 7월까지 차세대 재난안전통신망에 대한 기술검증 과정을 수행하였는데, 전문가들은 비용대비 효율성과 주파수 활용, 인프라 구축 등을 고려해서 PS-LTE를 재난안전통신망에 사용할 기술 방식으로 정했다. 이후 미래부에서 재난안전통신망에 필요한 요구사항에 기술검증이 이루어 졌으며, 도달거리가 긴 700MHz 주파수 대역을 재난안전통신망에 사용하기로 결정하였다. 이후 검증과정에서 국가 재난안전통신망 서비스에 대한 시연을 통해서 기술검증 노력을 하고 있다. 우리나라보다 먼저 PS-LTE를 재난안전통신망으로 결정하고, 진행 중인 미국의 통신정보관리청 NTIA(National Telecommunications and Information Administration) 내 독립기관인 FirstNet(First Responder Network Authority)에서도 서비스를 시연하였다[5].

1. 공공 경보 시스템(PWS)

재난통신의 대표적인 방송서비스로 경고문자 방송서비스이다. 3GPP 표준에 적용되고 상용화되고 시행되고 있는 시스템이다.

가. PWS 개요

PWS는 재난 혹은 경고상황을 감지하고, 이동통신사업자에게 경고정보, 제공자를 전달하고, 이동통신사업자는 제공된 정보를 단말에게 전달하는 경고문자 통지 시스템이다. 3GPP에서는 LTE 초기에 일본의 지진 조기 경보시스템을 바탕으로, ETWS(Earthquake and Tsunami Warning System)가 규격화가 이루어졌고, 이를 바탕으로 미 FCC에서 도출한 요구사항을 바탕으로 CMAS를 추가한 PWS 표준인 3GPP TS22.268 규격이 승인되었다[6]. PWS 요구사항 중에서 일반적이 요구사항은 아래와 같다[7][8].

나. PWS 종류

1) ETWS(지진과 쓰나미 경고시스템)

LTE 초기(Rel. 8)에 표준화된 ETWS는 지진, 쓰나미에 대한 고유한 경고시스템으로, 특정 상황에 맞는 1차 감지, 2차 감지 등과 같은 고유의 요구사항을 갖고 있다. (그림 1)은 PWS와 ETWS의 관계를 보여주고 있다. PWS 중에서 지진, 쓰나미에 해당하는 경고시스템이 ETWS이다. ETWS는 3GPP TS 22.168 규격으로 승인되고, 이후 Rel. 9부터는 PWS에서 표준화가 진행되고 있다.

(그림 1)

PWS와 ETWS 관계(3GPP TR 22.968)

2) CMAS

미국 FCC에 의해 규제 및 요구사항이 완성되고, 3GPP 규격에 반영되어 ETWS를 기반으로 CMAS(Commercial Mobile Alert System) 표준이 진행되었다. PWS의 기본 요구사항을 만들고, CMAS 추가 요구사항으로 메시지 타입을 “Presidential”, “Imminent Thread”, “Child Abduction Emergency”로 나누어 알려주는 추가 요구사항이 있다. 표준은 3GPP TS 22.268(Rel. 9) 규격에 승인되었다.

3) EU-Alert

유럽지역의 시스템으로 PWS의 일반적인 요구사항을 기반으로 유럽 국가별 별도 요구사항을 갖는 경고시스템이다. 자체 요구사항으로 메시지를 3개의 클래스로 지원하도록 하고 있다. PWS 표준에 Rel. 10과 Rel. 11에서 승인되었다. EU-Alert는 GERAN(GSM EDGE Radio Access Network), UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network), E-UTRAN에서도 지원한다. 앞 EU-Alert에서 앞 2개의 문자는 유럽지역 국가를 지칭하며 UK-ALERT는 영국, NL-ALERT는 네덜란드 경보시스템을 표현한다.

4) KPAS (Korean Public Alert System)

한국의 경보시스템으로 TTA에서 제안되었으며, PWS 표준에 별도 요구사항을 지원한다. 별도 요구사항은 메시지를 2개의 클래스로 구분하며, 메시지 크기를 최대 180byte까지 지원하며 한글은 90자까지 지원한다. 한글 인코딩은 TS 23.038에 정의한 UCS2(Universal Multiple-Octet Coded Character-2)의 0x58을 사용한다[9]. 2011년 12월 3GPP PWS 규격에 Rel. 10과 Rel. 11 표준에서 승인되었다.

KPAS의 구조는 (그림 2)와 같은 구조를 갖는다. 재난문자를 보내는 재난문자를 발송하는 소방방재청과 중앙안전관리시스템과 이동사업자 블록으로 구분하며, 각각을 인터페이스는 A부터 E까지를 정의하고 있다. KPAS는 인터페이스 C부터 E에 대한 인터페이스를 규정하고 있다.

(그림 2)

KPAS 네트워크 구성도(TTA)

다. 절차

PWS 메시지는 3GPP TS 23.041 CBS(Cell Broadcast Service)에 정의된 표준규격으로 단말에게 전달된다. (그림 3)은 PWS를 위한 3GPP 아키텍처이다. CBE(방송상황 인지)에서 CBC(셀 방송관리)로 전달되고, 비상방송 정보 메시지를 등록된 단말에 보내기 위해서, MME를 거쳐 eNodeB에서 단말에게 방송정보로 전송하게 된다. CBC와 MME는 3GPP TS 29.168 규격에서 기술된 SBc(SCTP(Stream Control Transmission Protocol) Broadcast control) Interface를 가지며, TS 36.413 규격에서 기술된 S1-MME Interface를 갖는다. CBE와 CBC와 인터페이스는 PWS 규격에서 정의하지 않는다[6].

(그림 3)

PWS 메시지 전달 구조(3GPP TS 23.041)

2. High Power Terminal

가. 개요

단말은 최대 송신출력을 정의하고 있는데, PS-LTE 서비스에서 더 넓은 커버리지를 위해서 Band14에서 단말의 송신출력을 Class 3(+23dBm) 외 그 이상 +31 dBm으로 증가시켜 PS-LTE에 사용할 수 있도록 하고 있다.

나. 표준화

Rel. 11에서 3GPP TS 36.101(UE radio transmission and reception) 규격이 2013년 9월에 승인되었으며, 3GPP TR 36.837(High Power UE for band 14) 문서로 기존 단말에 미치는 영향에 대한 연구활동이 있었다.

3. IOPS(독립기지국)

3GPP에서 PS-LTE 서비스를 위한 독립기지국(IOPS: Isolated E-UTRAN Operation for Public Safety) 동작에 대한 연구활동이 진행되고 있으며, 이전까지 기지국 복구(Resilient E-UTRAN)에 대한 연구활동으로 진행되었으며, 올해부터 독립기지국 연구항목으로 진행되고 있다. 관련된 항목은 FS_ProSe, ProSe(Proximity Service), GCSE(Group Call Enabler)_LTE에 대한 연구가 함께 진행되고 있다.

가. 개요

주요 연구항목으로 기지국의 백홀 연결이 사라지는 경우 동작에 대해서 연구되고 있다. 백홀 연결을 잃은 기지국을 NeNB(Nomadic eNB)로 표현하고 있으며, 주위 기지국과 연계하는 동작을 정의하고 있다.

나. 요구사항

독립기지국에 대한 요구사항은 인식/동작/종료/보안으로 나누어 요구사항을 기술하고 있다[10].

1) 인식단계

기지국이 백홀 링크를 잃어버렸을 때 동작에 대해서 요구사항을 기술하고 있다. 사라진 백홀 관리, 주변에 존재하는 독립기지국 검색 또는 독립기지국을 생성하고 운영하는 단계에 대한 요구사항을 기술하고 있다. 또한 로컬 라우팅(Local-Routing)을 통해 기지국 내부의 사용자 간 통신을 가능하게 하며, PS-LTE를 지원하는 사용자에 동작상태를 알려주도록 기술하고 있다.

2) 동작단계

독립기지국으로 동작하면서, 기지국과 기지국 연결, 기지국을 통해 릴레이 하는 동작, 미약한 연결이 있을 때, 제한적인 동작에 대해서 기술하고 있다.

3) 종료단계

독립기지국으로 동작 중 백홀 연결이 복구되었을 때, 백홀 연결을 재설정하는 과정, 연결되어 있던 사용자들에 대한 정책, 또한 기지국에 연결되었던 사용자에게 복구에 대한 상태정보를 알려주도록 기술하고 있다.

4) 보안

독립기지국으로 동작하면서, 기지국과 단말의 보안관리 및 독립기지국에 접속하기 위한 단말의 동작에 대한 요구사항을 기술하고 있다.

다. 진행사항

3GPP의 PS-LTE 항목으로 실현 가능성을 위한 기술 보고서 및 가능한 경우에 대한 연구활동을 진행하고 있으며, 3GPP TR 22.897(Study on isolated E-UTRAN operation for public safety) 문서에서 기술 내용이 진행되었으며, 3GPP TS 22.346(Isolated E-UTRAN Operation for Public Safety) 규격으로 2014년 6월에 승인되었다.

4. ProSe(단말 간 직접 통신)

ProSe는 근접된 단말 간 직접 통신에 대한 동작을 표준화하고 있으며, 일반 사용자를 위한 개념으로 네트워크의 부하를 줄이고, 주어진 Bandwidth에서 용량 증대를 표준화하는 부분과 기지국과 연결이 없는 구조에서 직접통신으로 PS-LTE 통신에 대한 표준화를 진행하고 있다.

가. 개요

ProSe는 크게 동기화, 탐색, 통신 3가지로 정리해서 진행되고 있다[11].

1) 동기화(Synchronization)

ProSe 또한 통신을 위해서 단말은 동기를 획득해야 한다. 정상적인 상황에서는 ProSe를 위해서 기지국의 동기 신호를 사용하나, PS-LTE 통신을 위해서 한 개의 단말이 동기 신호를 발생하는 방안에 대해서도 연구되고 있다.

2) 탐색(Discovery)

주변에 다른 단말 존재를 확인하는 과정이 탐색이다. 기지국이나 다른 서버 등에 등록하고, 서버에서 찾는 방법, 단말이 자신의 존재를 알리는 방법이 연구되고 있다.

3) 통신

직접 통신을 위해서 그룹(1:N), 방송(1:ALL), 단일 통신(1:1)으로 구분할 수 있으며, 통신을 위한 자원 할당을 기지국에서 하는 방법, 단말이 할당하는 방법, 혼용해서 사용하는 방법 등이 연구되고 있다.

나. 진행사항

ProSe는 3GPP TR 22.803 ‘Feasibility study for Proximity Services(FS_ProSe)’ 문서를 제안하고, 3GPP TR 36.843 ‘Study on LTE Device to Device Proximity Services’ 문서를 만들었다. 이 후 ProSe 워크 아이템을 시스템 Network 구조에서는 3GPP TR 23.703 ‘Study on architecture enhancements to support Proximity-based Services(ProSe)’ 문서를 제안했으며, TS 22.115(Charging and billing), TS 22.278(Service Requirements for Evolved Packet System) 규격이 2013년 6월에 RAN에서 승인되었다. 또한 2014년 6월에 3GPP TS 23.303(Proximity based services - Stage 2) 규격이 승인되었다. 과금이나 코어 네트워크 이슈들이 주로 진행되고 있으며, 2015년 6월에 ProSe(Rel. 12)를 완료될 예정이다.

3GPP에서 eProSe(Enhancement ProSe)는 Rel. 13에서 이루어지고 있으며, 주요 요구사항은 Rel. 12에서 제거된 항목 위주로 진행되고 있다. 3GPP TR 23.713(Study on extended architecture support for proximity services) 문서에서 기술하고 있으며, 2015년 9월에 완료될 예정이다. eProSe에서 PS-LTE를 위한 항목은 아래와 같다[12].

5. GCSE

가. 개요

3GPP에서 GCSE(Group Call Service Enablers for LTE)는 동일한 콘텐츠를 빠르고 효과적으로 보내기 위한 서비스를 제공하려고 하고 있으며, PS-LTE 서비스를 위한 요구사항 항목 PTT를 지원하기 위한 수단이 되었다. 특히 PTT를 위해서 음성 및 영상을 그룹단위로 전송하기 위한 기술로 표준화가 진행되고 있다[13].

나. 요구사항

GCSE에서 기능 요구사항으로 전체적인 요구사항, 그룹 처리(Handling), 그룹 통신으로 나누고 있다. 전체적인 요구사항으로는 단말 및 시스템은 GCSE 가능 여부를 알려주어야 하며, 음성/영상과 같은 서비스를 제공해야 하며, 그룹 통신을 위한 통신 절차는 300ms 보다 같거나 작도록 요구하고 있다. 또한 그룹 통신 중에 셀간 이동에 대해서 연속성을 제공해야 하며, 효과적으로 데이터를 분배해야 하며, 어떤 지역에서도 수신자가 제한되지 않고 가변적으로 수용해야 한다. 그룹 처리(Handling)에 대해서는 애플리케이션 부분과 논의가 진행되고 있다. 그룹 통신은 통화, 종료, 변경 등과 같은 서비스뿐만 아니라, QoS를 갖는 서비스를 제공하도록 하고 있다.

다. 진행사항

3GPP에서는 GCSE Group 통신 및 PTT 통신 지원을 위해서 3GPP TS 22.468(Rel. 12) ‘Group Communication System Enables for LTE’ 규격을 승인하였으며, 3GPP TR 23.768(Rel 12) ‘Architecture enhancements to support GCSE for LTE’, 3GPP TR 33.888(Rel. 12) ‘Security for GCSE for LTE’ 문서 활동을 진행하였다. 2014년 12월에 GCSE(Rel. 12)를 완료될 예정이며, 코어 네트워크와 eMBMS 관련된 이슈가 표준화 중이다.

6. MCPTT

3GPP에서 PS-LTE 서비스를 위한 임무 수행을 위한 긴급 통신에 대한 연구활동이 진행되고 있으며, 이전까지 그룹 통신(GCSE_LTE)에 대한 추가 연구활동으로 진행되었으며, 올해부터 MCPTT(Mission Critical Push To Talk) 연구항목으로 진행되고 있다.

가. 개요

MCPTT는 임무 수행에서 발생할 수 있는 모든 통신을 지원해 줄 수 있어야 한다. 일반 상황에서도 통신이 가능해야 하며, 기지국이 없는 상황에서 ProSe가 가능해야 하며, 그룹 통신도 가능해야 하며, 단독 기지국에서도 가능해야 한다. 그러므로 PS-LTE에서 임무 활동을 위해서는 꼭 필요한 항목이라고 할 수 있다.

나. 요구사항

MCPTT는 3GPP망에서 개별 통신뿐만 아니라, 개인 간 통신에 대한 PTT 서비스를 지원해야 한다. PTT에서 제어, 우선순위, 우선권을 줄 수 있어야 한다. 또한 임무수행 중 음성통신을 위한 상대방 식별, 위치정보, 긴급경보를 위한 서비스를 제공해야 하며, 서비스가 가능해야 한다. 음성 및 영상서비스를 제공해야 하며, 특별한 경우 가로채기, 모니터링, 강제 종료와 같은 예외 핸들 가능해야 한다.

MCPTT는 기존 그룹통신을 위한 연구활동인 GCSE_LTE를 사용한다. 또한 근접 통신으로 만들어진 ProSe를 사용한다. 기존 통신망(TETRA, Project 25, TETRAPOL, GSM-R)과 연계 서비스를 제공할 수 있어야 하며, 관리, 추가적으로 과금, 보안에 대한 연구가 진행되고 있다. MCPTT는 기존에 표준화된 기능을 사용하려고 하고 있다[14].

다. 진행사항

3GPP에서는 PS-LTE를 위한 Group 통신 및 PTT 통신 지원을 위해서 3GPP TS 22.179(Rel. 13) ‘Mission Critical Push to Talk’, 3GPP TS 23.179(Rel. 13) ‘System Architecture Enhancements for Mission Critical PTT over LTE’ 규격을 승인하였고, 3GPP TR 23.779(Rel. 13) ‘Study on System Architecture Enhancements for Mission Critical PTT over LTE’ 문서 활동을 진행하고 있다.

또한, 3GPP에서는 2014년 9월에 Rel. 13에서 MCPTT(중요 임무 수행)에 애플리케이션 수행을 위한 표준화 진행을 위해서 새로운 워킹그룹(SA6)을 만들어 진행할 예정이며, 2015년 6월까지 MCPTT(Rel. 13) 표준을 공개할 예정이다.