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최성구 (Choi S.G.) 무선응용연구1실 책임연구원
유병한 (Ryu B.H.) 무선응용연구1실 책임연구원
이찬용 (Lee C.Y.) 무선응용연구1실 책임연구원
김응배 (Kim E.B.) 무선응용연구1실 책임연구원
나지현 (Na J.H.) 무선응용연구1실 실장

Ⅰ. 서론

소셜 네트워킹, 미디어 공유, 태블릿 같은 공유공간에서 혁신적인 애플리케이션(Innovative applications)들은 거대한 데이터양을 사용하게 된다. 모바일 IP 데이터의 급격한 증가는 네트워크의 폭주를 야기하게 된다. 시스코가 2013-2018년 시스코 비주얼 네트워킹 인덱스 글로벌 모바일 데이터 트래픽 전망 보고서를 통해 전 세계 모바일 데이터 트래픽이 향후 4년간 약 11배 증가해 2018년에는 연평균 190엑사바이트에 달할 것이라고 밝혔다[1]. 모바일 트래픽의 증대는 개인 단말기, M2M 등 모바일 인터넷 연결 수가 꾸준히 증가해 2018년에는 전 세계 인구 수의 1.4배에 달하는 100억을 넘어설 것이기 때문으로 분석됐다. 모바일 데이터 사용량의 급격한 증가는 셀룰러 네트워크의 용량 한계치에 거의 도달한 상황에서 운용되는 오버로드 문제점을 야기하며 이를 해결하기 위해서 네트워크 사업자들은 꾸준히 아이디어와 방법을 찾고 있다. 여러 가지 방안 중의 하나가 특정 룰이나 조건에 기반을 둔 사용자의 일부 데이터의 지능적인 redi-rected를 활용하는 데이터 오프로딩 기술기법이며 이는 오버로딩을 극복하고 성능을 개선하는 효과를 가져온다.

셀룰러 망에서 데이터 오프로딩은 처음에는 모호한 측면이 있었다. 대부분의 경우에 타깃 네트워크가 다른 프로토콜을 사용하는 Wireless Fidelity(WiFi) 네트워크(IEEE802.11 계열의 프로토콜을 사용)를 이용하기 때문에 오프로딩은 3rd Generation Partnership Project (3GPP)에 접속하기 위해서 복잡도가 높아지는 등의 많은 제약사항이 있었지만 이를 해결하고자 3GPP Rel. 8에서는 매크로셀과 유사한 개념의 펨토셀을 공식적으로 정의하였다[2]. 데이터 오프로딩은 2가지 중요한 관점에서 3GPP LTE-A(3GPP Rel. 10)와 관련이 있다. 즉, 3GPP LTE-A는 3GPP Rel. 8이나 Rel. 9보다 데이터 전송률이 높기 때문에 Evolved Packet Core(EPC)의 데이터 용량 수요가 잠재적으로 증대될 것이다. 3GPP Rel. 10에서는 Local IP Access(LIPA), Selected IP Traffic Offload(SIPTO), IP Flow Mobility(IFOM)기법에 대해서 작업을 하고 있다. 3GPP에서 LIPA와 SIPTO는 LIPA_SIPTO 워크 아이템에서 다루어지고 있고 IFOM은 Multi Access PDN Connectivity and IP Flow Mobility(MAPIN) WI에서 다루어지고 있다. LIPA는 residential/enterprise IP네트워크용으로 실내 펨토셀과 피코셀에 유용한 반면 SIPTO는 펨토셀과 macrocell을 설정할 때 인터넷 액세스 망에 유용한 기술이다.

본고에서는 3GPP Rel. 10 규격에 정의된 Long Term Evolution(LTE) 네트워크의 LIPA와 SIPTO에 대해서 상세하게 기술하고 네트워크 구조와 네트워크 요소들에 미치는 영향 등의 LIPA와 SIPTO 기술의 특징에 대해서 살펴보고자 하며, 특히 LIPA와 SIPTO 기술이 3GPP 규격의 여러 버전에 광범위하게 기술되어 있으나 본고에서는 주로 Rel. 10과 Rel. 11 그리고 그 이후의 관점에서 다루고 LIPA와 SIPTO 구현 시 고려해야 하는 이슈에 대해서 기술한다.

II. 데이터 오프로딩 기술

1. 오프로딩 기술개요

본 절에서는 효율적인 오프로딩을 수행하기 위해 LIPA, SIPTO 그리고 IFOM의 3가지 유형의 오프로딩 기술에 대해서 정의하였다[3][4]. 여기서는 이 3가지 기술에 대한 각각의 특징에 대해서 살펴본다.

LIPA는 (그림 1)처럼 Home eNodeB(HeNB)에 연결된 사용자를 매크로셀을 경유하지 않고 동일한 HeNB에 연결된 로컬 네트워크로 데이터를 전달하는 방법이다. 또한, LIPA는 사용자를 로컬 네트워크에 연결된 임의의 외부 네트워크로 연결하는 기능을 한다. 등록과 Packet Data Network(PDN) 설정 시그널링 등은 사용자가 선택한 Public Landline and Mobile Network(PLMN)에서 이루어진다. LIPA는 HeNB에서 가능하고 매크로셀에서는 불가능하다. 트래픽 오프로드는 Access Point Network(APN)과 Closed Subscriber Group(CSG) 단위로 이루어진다. LIPA는 3GPP Rel. 9에서 도입되었으며 Rel. 10과 Rel. 11에서 계속 워킹활동이 진행되고 있다. 용도로는 IP기반 무선 네트워크에 Laptops, Tablets, printers, Servers, Video conferencing unit와 인터넷에 IP기반의 전화가 연결되었을 때 네트워크는 이들을 모두 연결하기 위해서 셀 게이트웨이와 Private 게이트웨이를 사용하여 구축할 수 있다. 사용자가 Laptop으로부터 출력하기를 원한다면 LIPA는 내부적으로 출력을 요청하는 라우팅을 할 수 있다.

(그림 1)
LIPA 구조 예[3]

SIPTO는 (그림 2)와 같이 시스템 부하를 줄이기 위하여 HeNB나 셀룰러 망의 IP트래픽 점유율을 local 망으로 오프로드하는 방법이다. 타깃 망은 셀룰러 망에서 사용자에 보다 가까운 HeNB나 다른 게이트웨이가 될 수 있다. SIPTO는 일반적으로 사용자의 이동에 의해서 발생되지만 트래픽의 집중과 또는 망의 운용규정(Rule)에 따라서 발생된다. SIPTO는 3GPP Rel. 10에서 도입되었다.

용도로는 공연장에서 망 운용자는 공연장에서 발생하는 모든 트래픽을 로컬 게이트웨이로 오프로드하기 위하여 선택하여 오프로딩 함으로써 잠재적인 네트워크의 오버로드를 피할 수 있으며 사용자는 보다 고품질의 서비스를 받을 수 있다.

(그림 2)
SIPTO 구조 예[3]

IFOM은 (그림 3)처럼 사용자가 동일한 PDN에서 3GPP 네트워크와 WiFi 네트워크에 동시에 데이터 세션을 갖게 하는 방법이다[5]. 시나리오에 따라서 사용자는 오프로딩을 원활하게 하기 위해 데이터 세션을 추가하거나 삭제할 수 있다. 데이터 오프로드가 LIPA나 SIPTO에 비해 많이 전송할 수 있지만 오프로드 데이터는 사용자 중심으로 이루어지거나 Radio Access Network(RAN)측으로 보다 많은 전송이 이루어지는 문제점이 있으며 3GPP Rel. 10에서 도입되었다.

(그림 3)
IFOM 구조 예[9]

용도로는 LTE 망에서 IMS서비스를 받는 사용자가 공항에서 WiFi 통신환경 내에서 선물코너를 지나가고 있을 때 사용자가 WiFi를 발견하고 WiFi를 통해서 먼저 설정하고 데이터를 전송한다[6]. 이것을 유지하는 동안에도 LTE를 통한 IMS 서비스를 계속 유지하게 될 경우에 사용된다. LIPA는 Private 망에서만 가능하지만 SIPTO는 Private뿐만 아니라 매크로 망에서 적용할 수 있다. 3GPP는 Breakout 관점에서 크게 2가지 Architecture 유형으로 구분한다. LIPA/SIPTO 관점에서 Breakout은 데이터 오프로딩이 발생하는 지점을 의미하며 Breakout은 Private 망이 될 수도 있으며 또한 (at/above RAN) RAN이나 RAN상위단이 될 수 있다.

IFOM은 전혀 다른 Architecture를 가지고 있으며 사용자로부터 서로 다른 병렬연결을 통해 분리되어 있어서 IFOM에는 Breakout 지점이 존재하지 않는 특징이 있다.

2. 기술별 요구사항

가. LIPA 기술 요구사항

3GPP에는 다음과 같은 Key 요구사항이 정의되어 있다[3][4]. (그림 2)처럼 LIPA 데이터 플로우는 Private 망을 반드시 거쳐야 하며 연동된 셀룰러 망 요소들을 경유하면 안 된다. 데이터 경로는 Private 망의 다른 장치에서 종료되거나 또는 공중 인터넷(Private 망이 연결된 경우) 장치에서 종료되어야 한다. 사용자는 동시에 Private 망과 Public망에 동시에 연결할 수 있어야 한다. 액세스 제어는 사용자 정보, Dedicated APN/through User Equipment(UE) signaling, Network configured enable/ disable, Proprietary solution과 같은 선택사항에 의해서 수행되어야 한다.

Local GateWay(L-GW)는 논리적으로 HeNB에 존재하며 Private 망에 연결되고 SGi 인터페이스를 통해서 Public 네트워크에 연결된다. 또한, S5를 통해서 Serving Gateway(S-GW)에 연결된다. 주요기능은 사용자의 IP할당, Direct Tunnel with HeNB 그리고 Packet filtering기능을 한다. LIPA 연결은 기존 3GPP 기능으로 이루어지고 LIPA Data Folw는 Separate된 APN, Quality of Service(QoS) 등에 따라서 다르게 처리된다. Home Subscriber Server(HSS)는 LIPA 정보를 포함하기 위해 APN에서 CSG ID별 LIPA 접근여부 정보, 로밍 시 사용자 접근할 수 있는 LIPA의 PLMN 리스트 정보, LIPA가 APN에 dedicated 접속/prohibited/conditional접속여부 정보 그리고 로컬 APN에 대한 QoS marking/treatment가 local LAN 망에 매핑 가능여부 정보가 포함되어 있다.

나. SIPTO 기술 요구사항

SIPTO는 Macro와 펨토셀(HeNB)에 대해서 적용되며 이들에 대한 공통적인 UserCase 요구사항과 각각의 요구사항에 대해서 살펴보면 SIPTO기능(특정 UE/APN Combination에 대해서)은 여러 가지 메커니즘을 통해서 다이나믹하게 조정 가능하게 된다. 즉, 모바일 운용자, HeNB 운용자 그리고 사용자 요소들에 따라서 다이나믹하게 동작하게 된다. 즉, SIPTO는 User의 의지와 무관하게 작동되어야 하고 SIPTO를 통한 오프로딩은 네트워크 운용자의 Security 메커니즘을 구성하지 않는다. 또한, macro 내에서 또는 macro와 micro네트워크 간의 이동 시에 IP플로우의 서비스 연속성 지원은 기존의 3GPP 절차에 따라서 수행된다. 그리고 SIPTO는 사용자 로밍 시에도 지원되어야 하며 이를 위해서는 HSS로부터 SIPTO관련 정보가 Home PLMN(HPLMN)과 Visited PLMN(VPLMN)사이에 교환되어야 한다. SIPTO Macro네트워크에서의 SIPTO 역할은 선택한 PS 트래픽을 Directed IP네트워크로 오프로드 하는 것이다. 즉, 어떤 데이터 플로우가 오프로딩 없이 계속해서 서비스가 제공되는 동안에 오프로딩이 제공되어야 한다는 것이다. 다시 말하면 기존 서비스 중에 오프로딩이 동시에 발생한다는 것이다. SIPTO 펨토에서의 오프로드 데이터 트래픽은 macro 셀룰러 네트워크를 거치지 않고 전송되어야 한다. SIPTO macro 구조에서 SIPTO의 기본개념은 S-GW와 PDN GateWay(P-GW) 조합을 토플로지 상으로/지정학적으로 무선 네트워크나 Mobile Management Entity(MME)에 더 가까운 곳에서 데이터를 오프로드 하는 것이다. 구조와 관련된 몇몇 이슈로는 HSS는 SIPTO가 지원되는 IMSI에 대한 APN리스트를 갖고 있어야 한다.

다. IFOM 기술 요구사항

IFOM은 Dual Stack Mobile IP(DSMIP)v6프로토콜에 기반하고 있으며 3GPP와 non 3GPP 간의 오프로딩에 사용된다. PDN 연결에서 특정 데이터 플로우에 대한 3GPP와 Wireless Local Area Network(WLAN)액세스 네트워크 사이의 데이터 트래픽의 선택적인 오프로드를 지원하고 3GPP와 WLAN 액세스 기반의 데이터 플로우도 동시에 제공할 수 있어야 한다. 그리고 데이터 세션을 seamless하게 처리하기 위해 Evolved Packet System(EPS)와 WLAN사이에 핸드오버를 지원해야 하며 IFOM 형상은 Access Network Discovery and Selection Function(ANDSF) 같은 메커니즘을 사용하거나 Static 또는 Preconfigured 방식을 사용하여 네트워크 운용자에 의해서 지원되어야 한다. Configuration은 APN/ Data flow 레벨에서 가능해야 한다. CDMA, WiMAX, WLAN 같은 non 3GPP Access 관점에서 EPC는 non 3GPP 액세스 네트워크와 인터페이스 역할을 한다. 3GPP 규격에 EPC와 연동되는 non-3GPP 규격을 Trusted와 non-trusted으로 구분하여 정의하였다[7]. Trusted 액세스 네트워크는 P-GW에 직접 연결되는 반면 non-trusted 액세스 네트워크는 ePDG(evolved Packet Data Gateway)을 통해서 P-GW와 연결되어 추가로 Security와 Authentication을 수행하여야 한다. DSMIPv6는 IETF 프로토콜에 3GPP와 non-3GPP 네트워크 간에 mobility를 관리하기 위해 정의하였다[8]. 3GPP 네트워크 상의 어떤 연결도 홈 링크와 non-3GPP의 foreign 링크가 있으며 홈 링크에서의 사용자의 IP주소를 Home of Address(HoA)라고 하고 foreign 링크에서의 사용자 주소를 Care of Address(CoA)라고 한다. 서로 다른 CoAs를 관리하고 데이터를 올바르게 라우팅하기 위해 Home Agent(일반적으로 P-GW)는 binding과 라우팅 필터개념을 사용하고 DSMIPv6에서 mobility는 PDN 연결레벨에서 이루어져야 한다. IFOM은 보다 상당한 수준의 데이터 플로우를 처리하는 것으로 동일한 PDN연결에 포함된 선택된 데이터 플로우는 다른 유형의 액세스 망으로 오프로드가 될 수가 있으며 이들은 동시에 병행하여 이루어져야 한다.

III. LIPA/SIPTO 기술 및 UseCase

본 절에서는 LIPA와 SIPTO의 특징과 각각의 기술에 대한 UseCase에 대해서 언급한다. 둘 다 IP트래픽의 오프로딩을 제공하고 비슷해 보이지만 각각의 기술은 나름대로 고유한 UseCase를 가진다. 여기서는 특히 Evolved Universal Terrestrial(E-UTRAN)-HeNB구조에서 여러 네트워크 요소들에 미칠 영향에 대해서 기술한다. 비록 3GPP Rel.10에서 네트워크 구조를 제시하였지만, 여전히 LIPA와 SIPTO에 대해서는 연구 중이고 LIPA, SIPTO기술에 대한 트래픽 오프로딩에 대해서는 2가지 유형의 관점에서 Breakout 구조를 제안하였다.

1. LIPA collocated L-GW

우선, ‘residential/enterprise IP망’에 breakout을 갖는 구조를 살펴보면 코어 네트워크가 바이패스되고 사용자 트래픽이 residential/enterprise IP network에 위치하는 L-GW를 통해서 라우팅된다. 이런 구조는 LIPA와 일부 펨토셀 SIPTO 시나리오를 커버한다. 그리고 ‘at or above Radio Access Network(RAN)’에 breakout을 갖는 구조에서는 코어 네트워크에 분기점이 있으며 Serving GPRS Support Node(SGSN)같은 네트워크 노드 중 하나를 바이패스하여 데이터 경로의 홀(Hole) 수를 줄이거나 가급적 사용자 측에 가까운 게이트웨이 조합(S-GW, P-GW)을 선택하여 최적의 데이터 경로를 선택함으로써 서비스품질이 개선된다. 이들 구조는 매크로와 일부 펨토셀에 대한 SIPTO시나리오를 커버한다. L-GW가 HeNB에 위치하는 LIPA 구조를 (그림 4)에 나타냈으며 3GPP는 HeNB와 L-GW를 갖는 HeNB 기반의 LIPA를 정의하였다. 여기서는 LIPA토플로지를 구성하는 노드들의 기능과 메시지 플로우에 대해서 기술한다. HeNB 서브시스템은 S-GW와는 L-S5 인터페이스를 가지며 Local IP네트워크와는 SGi 인터페이스를 가진다. L-S5 인터페이스는 GPRS Tunneling Protocol-Control plane(GTP-C) 프로토콜 처리하는 인터페이스이다. 이 인터페이스는 S5 인터페이스에서 정의된 리스트로부터 일부 제한적인 절차를 지원한다. SGi 인터페이스는 L-GW와 Local IP망 사이에 존재하는 인터페이스로써 외부 IP망 관점에서 보면 L-GW는 일반적인 IP라우터로 보인다. 현재 기존의 HeNB에 비해서 LIPA의 추가적인 기능은 L-GW의 IP주소 할당과 L-S5 Internet Protocol Security(IPSEC) 터널 설정, L-GW의 IP주소를 MME로 전달하고 오프로드 트래픽에 대한 HeNB와 L-GW사이의 내부 Direct User Plane 경로관리, Release of LIPA bearers before Handout 기능들이 있다. 또한, L-GW는 P-GW의 서브셋 기능으로는 사용자 IP주소 할당, SGI 인터페이스 지원, L-S5 인터페이스 지원, HeNB와 residential/corporate IP망 사이의 DL and UL 데이터 전송기능, 페이징 트리거 기능, QoS 강화기능, Lawful Interception(LI), 과금 기능들을 지원해야 한다[10][11].

(그림 4)
PDN 연결을 활용한 LIPA 인터페이스 구조[3]

HSS는 LIPA 서비스 요청이 오면 가능한 LIPA APN에대한 CSG로 사용자 인증을 관리한다. 사용자에 대한 정보는 HPLMN뿐만 아니라 VPLMN에서 관리되고 있다.

MME는 기존 기능에서 추가적으로 CSG에서 LIPA서비스를 요구하는 사용자 인증에 대한 검증을 수행하고 L-GW의 IP주소를 S-GW로 전달한다. HeNB와 L-GW사이의 Direct User Plane 관리를 위하여 초기 컨텍스트 설정절차나 Enhanced Radio Access Bearer(E-RAB)설정절차에서 Correlation ID(HeNB에 대한 L-GW S5 PGW Tunnel Identifier(TEID))를 전달, LIPA PDN연결이 S1기반 핸드오버 준비과정에서 해제되었는지 확인 및 등록된 사용자의 HeNB서브 시스템 영역을 벗어남으로써 무선 연결없는 LIPA PDN 연결에 대해서 해제기능을 수행해야 한다.

S-GW는 기존기능에서 추가적으로 L-GW로부터 dummy패킷을 수신하면 MME로 페이징 트리거 및 L-GW와의 L-S5 인터페이스 관리기능을 수행해야 한다.

2. SIPTO above RAN

(그림 5)는 SIPTO에 대해서 매크로 네트워크와 HeNB 서브시스템 각각에 대해서 보여주며 여기서 Breakout은 above RAN이다. GW 조합(S-GW/P-GW) 선택은 사용자관점에서 최단경로를 선택하기 위해 토플로지 상으로 가까운 것으로 선택된다.

이 절에서는 (그림 5)에서 매크로와 펨토셀에 대해서 동시에 네트워크 노드에 영향을 미치는 것에 대해서 살펴 본다[12]. HeNB에는 아무런 영향이 없으며 HSS는 사용자 데이터를 저장하고 있다. HPLMN에서 APN별로, 그리고 사용자별로 오프로드가 허용되어있는지 금지되어있는지 정보를 저장하고 있다. 유사하게 각 VPLMN에서도 로밍 동의를 위해서 사용자 정보를 저장하고 있다.

(그림 5)
매크로/펨토셀을 위한 SIPTO 개념도[12]

사용자에 토플로지 상으로 가까운 최적의 GW 조합(S-GW/P-GW)을 선택하며 HSS로부터 받은 사용자 정보를 활용하여 사용자별/APN별 SIPTO 허용 또는 금지한다. 또한, 사용자의 접근관점에서 S-GW와 P-GW 선택하는 기능을 갖는다. 또한, 사용자에게 SIPTO 사용이 허용되고 나중에 사용자가 SIPTO 연결을 요청했을 때 GW 재설정을 방지하기 위한 SIPTO 정책을 사용하여 non-SIPTO에 대한 연결을 위한 GW선택이 역시 수행된다. MME는 사용자 이동에 따른 GW 재설정에 대한 판단을 한다. 사용자 이동은 같은 APN의 연결에 대해 ‘reactivate’를 요청함으로써 SIPTO 베어러의 해제를 내포하지만 사용자에 가장 가까운 새로운 접근관점에서 GW를 활용하게 된다. 마지막으로 사용자가 S-GW의 커버러지를 벗어나게 되면, MME는 P-GW의 변경이 필요한지 여부에 따라서 처리하게 된다. 만약에 변경이 필요하면, SIPTO PDN 연결에 대해서 ‘해제 후 재설정 요구’를 수행하거나 사용자의 베어러의 일부 또는 전부 해제 되었는지 여부에 따라서 절차를 수행한다. MME는 이러한 절차들을 활용하여 SIPTO 세션들의 이동성과 세션 연속성을 보장하게 된다.

3. Call Flows for Data Offloading

본 절에서는 데이터 오프로딩 기술 관련하여 메시지 플로우에 대해서 살펴본다. 다만, 현재 3GPP에서 LIPA기술에 대한 표준화가 진행되고 있어서 우선 LIPA 기술에 대해서 메시지 플로우를 살펴보고 기존 절차대비 LIPA 기술이 적용됨으로써 추가적으로 영향을 주는 주요 이슈와 각 노드별 주고받는 주요 Information Ele-ment(IE)s에 대해서 살펴본다[13].

(그림 6)과 같은 UE requested PDN 설정절차에서 주요 이슈는 절차 3, 절차 4에서 사용되는 S5 PGW TEID가 HeNB의 내부 User path 관리를 위해서 Correlation ID로써 교환된다. 그리고 절차 14와 15에서는 L-GW와 HeNB사이에 오프로딩을 위한 UL/DL터널링이 실제적으로 설정된다.

(그림 6)
LIPA 연결을 위한 UE 요청 PDN 연결절차[4]

(그림 7)과 같은 S1 해제절차에서 주요 이슈는 절차 4 즉, HeNB에서 L-GW로 사용자가 해제되었다고 통보하는 과정과 L-GW가 페이징 과정에서 S5를 enable하는 절차를 제외하고는 아무런 영향이 없다.

(그림 7)
LIPA 연결에 대한 S1 해제절차[4]

(그림 8)과 같은 사용자 triggered service request절차에서 RRC 연결모드에서 LIPA PDN 연결이 activated되어있을 때 MME는 S1AP메시지에서 Setup된 E-RABs리스트에 각각의 E-RAB에 대한 S5 PGW TEID를 포함하고 있다.

(그림 8)
LIPA PDN 연결에 대한 UE요청 Service 접속 절차[3]

(그림 9)와 같은 네트워크 triggered service request 절차에서 주요 이슈 절차들은 다음과 같다. 절차 1에서는 L-GW에 도착하는 DL 패킷은 L-GW에 버퍼링되며 절차 2에서는 L-GW는 페이징을 트리거 하기 위하여 ‘dummy’ 패킷을 S-GW로 전달한다.

(그림 9)
LIPA PDN 연결에 대한 L-GW요청 Service 접속절차[3]

그리고 절차 3에서는 일단 UE-triggered service request 절차에 따라서 LIPA PDN 연결 설정완료되면 S-GW는 S1-U로 패킷을 포워딩한다. Dummy 패킷은 절차 7a에서 HeNB에 의해서 인터셉트되어 버려지게 된다. 이와 동시에 절차 7b에서 L-GW에 버퍼링된 DL 데이터는 Direct 경로로 간다.

IV. 데이터 오프로딩 기술동향

1. 표준 기술동향

3GPP SA2 그룹에서 표준화가 진행되고 있으며 LIPA Mobility and SIPTO at the Local Network(LIMONET)은 2010년 11월부터 표준화 논의가 시작되었으며 현재는 Rel.12버전까지 진행되고 있다[4]. LIMONET은 Rel.10의 Work Item인 LIPA-SIPTO의 확장된 Work Item이라고 할 수 있다. Rel. 10 LIPA에서는 HeNB를 통해 접속된 단말의 데이터 트래픽이 이동통신 사업자 망인 코어 망으로 전달되지 않고 직접 L-GW를 통해 집안의 다른 기기들 또는 기업 망으로 전달될 수 있도록 정의하여 HeNB에 L-GW가 합쳐져 있는 아키텍처를 정의하였다.

LIMONET은 일종의 기술보고서 문서인 Technical Report를 작성하고 있는데 로컬 네트워크 이동성 및 이동에 따른 SIPTO 세션 연속성 시나리오와 아키텍처 요구사항이 정의되어 있고, 이러한 요구사항을 만족시키기 위한 주요 이슈들과 솔루션인 아키텍처, L-GW 선택 및 어드레싱, LIPA 이동성 지역발견, LIPA 비활성화, 로컬 네트워크에서의 SIPTO에 대해 정의되어 있다. 로컬 네트워크의 SIPTO에 경우, 로컬 네트워크에서의 SIPTO 시나리오, 로컬 네트워크에서 APN당 SIPTO 솔루션, 로컬 네트워크에서 SIPTO를 위한 LIPA 허가 등이 채택되어 반영되었다. LIPA와 SIPTO관련 작업들이 3GPP Rel. 10, 11, 그 이후 버전에 언급되어있으며 Rel. 10은 collocated L-GW의 LIPA에 대한 표준을 정의하였다.

매크로와 팸토셀에 대한 RAN 상의 breakout을 갖는 SIPTO에 대한 지원 언급은 Rel. 10의 4.2절에 언급되어있지만 팸토셀 환경에서 residential/corporate IP네트워크 상의 분기점을 갖는 SIPTO 지원에 관한 언급은 Rel. 10 에서 제외되어있다. Rel. 11의 Work와 Study Items에서는 Rel. 11은 HeNB 간의 LIPA mobility를 지원하게 되었으며 multiple LIPA PDN을 동시에 연결하는 것을 지원하게 되었다. Rel. 11은 Local 네트워크에서 이동성을 포함한 SIPTO를 지원하게 되며 사용자가 로컬 네트워크에서 매크로 네트워크 사이로 이동할 때 SIPTO데이타 세션에 대한 연속성을 지원하게 된다는 것이 4.3절에 언급되어 있다. 또한 Managed Remote Access (MRA)/ LIPA mobility에서는 HeNB는 사용자가 PLMN을 통한 Home네트워크에 있을 때 CSG멤버에 대해서 원격접근을 허용하는 기능을 추가하였으며 사용자별로 접근을 제한 할 수도 있다는 것이다. Rel. 11은 MRA와 LIPA사이의 mobility 관점에 대해서 연구하고 있으며 HeNB와 eNB사이에 핸드오버 발생할 때 LIPA세션이 MRA세션으로서 연속성을 유지해야 할 때 mobility 관점에서 연구가 진행되고 있다.

2. 연구 개발동향

데이터 오프로딩 관련하여 많은 연구가 진행되고 있으며 주로 표준규격에 맞추어 기술적 분석과 새로운 방안을 연구하고 있다. Aeroflex에서는 현재 진행 중인 데이터 오프로딩의 표준화 관점에서 기술적인 분석을 통해 각각의 기술에 대해서 장단점을 정의하였다[14]. 즉, LIPA, SIPTO 그리고 IFOM과 같이 3가지 유형에 대해서 요구사항과 구조 및 고속 메시지처리 플로우에 대해서 기본적인 개념과 핵심기술에 대해서 기술했고 구현 시 복잡성이나 적응성에 대해서 분석하였다. NEC에서는 모바일 트래픽 오프로딩을 위해 Rel. 12에 정의된 ‘SIPTO at the Local Network with L-GW function collocated with the eNB’를 기반으로 연구를 진행하고 있다[15]. 특히 UE mobility와 Charging에 대한 솔루션을 제시하고 QoS, RTT, 네트워크 리소스 효율증대 및 Total Cost of Ownership(TCO)를 줄이는 것을 목표로 연구개발 중이다.

Radisys에서는 인터넷 오프로딩관점에서 노드별 TCO를 분석하였으며 크게 무선망부분과 네트워크 부분에 대해 연구하였다[16]. 무선망 부분에서는 WiFi와 펨토셀을 액세스하였을 때 실내에서는 커버리지 문제나 용량증대 및 서비스 강화차원에서 필요성을 언급하였으며 네트워크 측면에서는 Capital Expenditure (CAPEX)/OPe-rational Expenditure(OPEX) 절감 및 네트워크 최적화기술, Caching, 지연문제 및 이동성과 과금 관점에서 기술적인 분석을 수행하였다.

Aricent에서는 데이터 오프로딩을 위해 IPR관점에서 LIPA용 HeNB 소프트웨어 프레임웍(L2/L3 Call Control포함)을 연구하였다. 그리고 LIPA 지원은 L-GW을 구현함으로써 제공되어지며 Differentiated Services Code Point(DSCP), QoS와 트래픽 Shaping, Network Add-ress Translation(NAT)를 지원하기 위한 IP백홀 요구사항도 연구하였다[17]. 특히 stand alone L-GW를 갖는 LIPA와 Selected IP Traffic Offload at Local Network(SIPTO@LN) 구조에서 Rel. 11을 좀더 업그레이드시키는 IPR 로드맵에 따른 연구개발을 진행 중이다.

V. 결론

본고에서는 데이터 오프로딩의 개요, 요구사항 및 기능에 대해서 살펴보았다. 각각의 기술에 대해서 각 노드에서 기존의 시스템에 대해서 오프로딩 기술이 도입됨으로써 영향을 받게되는 기능이나 메시지 절차에 대해서 분석하였다. LIPA는 Local 네트워크에 아주 적합하고 심플한 구조이고 네트워크 제어되는 기능(Network controlled function)이며 매크로 네트워크에는 적용 불가하며 추가적으로 L-GW가 필요하며 SIPTO는 펨토나 매크로 네트워크에 적용가능하며 기존의 절차에 최소의 영향을 갖도록 최상위에 정의되었으며 네트워크 제어되는 기능으로 네트워크 오버로드를 해결할 수 있는 기술이다.

IFOM은 Radio와 네트워크의 Congestion에 도움을 주는 오프로딩기술로 DSMIPv6와 WiFi같은 non 3GPP 액세스 네트워크가 필요하며 LIPA나 SIPTO기술보다 구현하는 것이 복잡한 것을 특징으로 한다. 이들은 데이타 오프로딩을 목적으로 하는 기술들이지만 각각 뚜렷한 차이점이 있기 때문에 이들이 상호 보완관계를 갖는다. 또한, 3GPP에서는 이들 기술에 대한 개선 및 최적화에 초점을 맞추어 연구가 진행되고 있으며 향후, 3GPP Rel.12 이후 버전에서는 이들 작업에 대한 활발한 워킹활동이 이루어질 것으로 보여진다. 데이터 전송률과 모바일 데이터의 이용이 증가함에 따라 펨토셀과 Public 역할을 하는 소형셀의 결합된 수요가 광범위하게 확대될 것으로 예상되며, 오프로딩 기술은 무선망 개발환경에서 핵심영역으로 부상할 것으로 예상된다.

약어 정리

3GPP

3rd Generation Partnership Project

ANDSF

Access Network Discovery and Selection Function

APN

Access Point Name

CAPEX

Capital Expenditure

CoA

Care of Address

CSG

Closed Subscriber Group

DSCP

Differentiated Services Code Point

DSMIP

Dual Stack Mobile IP

E-RAB

Enhanced Radio Access Bearer

EPC

Evolved Packet Core

ePDG

evolved Packet Data Gateway

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UE

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VPLMN

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WiFi

Wireless Fidelity

WLAN

Wireless Local Area Network

References

[1] Cisco®, “Future Technology Trends of Terrestrial IMT Systems,” Nov. 2014.
[2] 3GPP TS 22.220 v11.2.0, “Service Requirements for Home Node B (HNB) and Home eNode B (HeNB),” Release 11, 2012.
[3] 3GPP TR 23.829 v10.0.0, “Local IP Access and Selected IP Traffic Offload (LIPA-SIPTO),” Release 10, 2011.
[4] 3GPP TR 23.859 v12.0.1, “LIPA Mobility and SIPTO at the Local Network,” Release 12, 2013.
[5] 3GPP TR 23.859 v12.0.1, “IP Flow Mobility and Seamless Wireless Local Area Network (WLAN) Offload,” Release 10, 2012.
[6] 3GPP SA2 TS 23.327 v10.2.1, “Mobility between 3GPP—Wireless Local Area Network (WLAN) Interworking and 3GPP Systems,” Release 10, 2011.
[7] 3GPP TS.23.402 v10.4.0, “Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses,” Release 10, 2011.
[8] Mobile IPv6 Support for Dual Stack Hosts and Routers, http://tools.ietf.org/html/rfc5555
[9] Traffic Offloading: WiFi to Rescue, https://wirelesse2e. wordpress.com/2010/09/27/traffic-offloading-wifi-to -rescue/
[10] 3GPP TS 33.106 v11.1.1, “Lawful Interception Requirements,” Release 11, 2011.
[11] 3GPP TS 23.203 v11.8.0, “Policy and Charging Control Architecture,” Release 11, 2012.
[12] K. Samdanis, T. Taleb, and S. Schmid, “Traffic Offload Enhancements for eUTRAN,”IEEE Commun. Surveys & Tutorials, vol. 14, no. 3, Sept. 2012.
[13] 3GPP TS 23.401 v10.4.0, “General Packet Radio Service(GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access,” Release 10, 2011.
[14] http://blog.3g4g.co.uk/2010/11/lipa-sipto-and-ifom-comparison.html
[15] Mobile Traffic Offload, “NEC’s Cloud Centric App-roach to Future Mobile Networks,” NEC Corporation, 2013.
[16] G. Brown, “Internet Offload for Mobile Operators,” Heavy Reading, White Paper, Sept. 2011.
[17] R. Gupta and N. Rastogi, “LTE Advanced—LIPA and SIPTO,” Aricent, 2012.

(그림 1)

f001

LIPA 구조 예<a href="#r003">[3]</a>

(그림 2)

f002

SIPTO 구조 예<a href="#r003">[3]</a>

(그림 3)

f003

IFOM 구조 예<a href="#r009">[9]</a>

(그림 4)

f004

PDN 연결을 활용한 LIPA 인터페이스 구조<a href="#r003">[3]</a>

(그림 5)

f005

매크로/펨토셀을 위한 SIPTO 개념도<a href="#r012">[12]</a>

(그림 6)

f006

LIPA 연결을 위한 UE 요청 PDN 연결절차<a href="#r004">[4]</a>

(그림 7)

f007

LIPA 연결에 대한 S1 해제절차<a href="#r004">[4]</a>

(그림 8)

f008

LIPA PDN 연결에 대한 UE요청 Service 접속 절차<a href="#r003">[3]</a>

(그림 9)

f009

LIPA PDN 연결에 대한 L-GW요청 Service 접속절차<a href="#r003">[3]</a>