1. 들어가며

스마트폰의 급속한 보급과 스마트폰 성능의 고도화는 무선 데이터 트래픽의 폭발적인 성장을 야기하고 있다. 이동통신사업자는 기존의 핵심 수익 모델이었던 음성, SMS 수익이 지속적으로 줄어듦에 따라 이를 극복하기 위한 방안으로 데이터 수익 확대를 위해 치열한 경쟁을 하고 있으며, 동시에 더 빠른 무선 광대역 네트워트(LTE, EPS 등)에 대한 투자 및 구축도 강화하고 있다. 하지만 코어 네트워크 용량 증설은 막대한 투자 비용이 필요하다. 


사용자의 데이터 트래픽 사용량 증가 속도를 맞추기 위해서는 패킷코어 네트워크에 대한 지속적인 용량 증설에 대한 투자가 필요하다. 물론 비용도 필요하다. 


이를 해결하기 위한 대안들 중 하나가 무선 엑세스망과 패킷코어망으로 몰리는 데이터 트래픽을 다른 네트워크로 분산시키는 기술들이 등장하였고, 이런 기술들에는 WLAN과 연동, 모바일 데이터 오프로딩(Offloading), ANDSF(Access Network Discovery and Selection Functions), MAPCON(Multiple Access PDN Connectivity), IFOM(IP Flow Mobility) 등이 있다. 


본 문서에서는 3GPP에서 2002년부터 표준화를 진행하였던 3GPP망과 WLAN간 연동 서비스에 대한 표준화 기술 동향과 관련 시장 동향에 대해서 살펴보도록 하겠다.  




2. 3GPP WLAN 연동 표준 기술 동향

앞서 말한 것처럼 3GPP망과 WLAN간 연동을 위한 표준화 기술에 대해서는 3GPP에서는 2002년 Rel- 6 기반으로 시작을 했으며, 현재는 Rel-11/Rel-12에 대한 관련 기술에 대한 표준화 작업을 지속적으로 진행하고 있다. 


하기 표는 3GPP Release 별로 WLAN 관련 표준 기술들을 정리한 것이다. 


표1. 3GPP Release 별 WLAN 관련 표준 기술




■ 2.1 초기 WLAN 연동 표준기술


3GPP에서는 Rel-6 스터디 초기 단계인 2002년부터 3GPP패킷망(GPRS)과 WLAN과의 연동을 위한 표준화 작업을 진행하였다.  다음 표는 TR 22.934에서 정의한 WLAN 연동을 위한 6가지 서비스 시나리오와 각 시나리오별 특징을 보여주고 있다.  

표2. TR 22.934 에서 정의한 WLAN 연동의 6가지 시나리오 [출처] 3GPP TR 22.934 v1.0.0




EPS 이전의 3GPP 패킷망(GPRS/EDGE/HSDPA 등)과 WLAN과 연동을 위한 네트워크 구조를 정의하였으며, 사용자 단말(WLAN UE)가 로밍한 경우와 로밍한 경우에 대한 시스템간 연동 인터페이스를 정의하고 있다. 또한 Untrusted Non-3GPP IP Access를 고려하여 WLAN AP와 PDN(Packet Data Network) 중간에 WAG(Wireless Access Gateway)라는 새로운 망 노드를 정의하였다. 

그림 1은 로밍을 하지 않는 경우에 대한 3GPP 시스템과 WLAN 연동 시스템 구조를 보여주고 있다. 



그림 1. 3GPP 시스템과 WLAN 연동 시스템 구조 (Roaming이 아닌 경우)



그림 2는 로밍을 한 경우이면서 Home Network에서 3GPP 패킷 데이터 서비스를 받는 경우에 대한 상호 연동 시스템 구조를 보여주고 있다. 



그림 2. 3GPP시스템과 WLAN 연동 시스템 구조– Roaming인 경우, 3GPP 패킷 서비스를 Home Network에서 제공받는 경우




본 정의에서는 WAG라는 새로운 망 요소를 정의하고 있는데, WAG는 WLAN UA/AP와 PDG 중간에 위치하여 WLAN UE에 대한 인증, 과금 데이터를 중계하며, 신뢰하지 않는 WLAN UE/AP가 접속하는 경우에 보안을 위하여 Access Point와 IP Tunneling을 제공한다. 이때 제공 가능한 IP Tunneling은 IPSec, IP-in-IP, GRE 터널링을 표준에서는 정의하고 있다.

또한 실제 상용망에서는 PDN에 대량의 데이터 트래픽을 집중되는 것을 방지하기 위한 Mobile Data offload 기능도 WAG의 중요한 기능 중 하나이다. 


각 망 요소들간 Reference Point는 다음과 같다. 


Point

Interface

개요

비고

Wa

AAA – WLAN Access N/W

WLAN UE 대한 Authentication, Authorization 과금 관련 데이터를 전송하는 인터페이스로 Diameter Radius 프로토콜 이용

 

Wz

PDG-CGF

PDG CGF(Offline Charging System)간에 Offline charging 관련 데이터 전송

Ga 인터페이스 적용

Wy

PDG - OCS

PDG OCS간에 Online Charging 관련 데이터 전송.

Wy 인터페이스는 PDG 사용자의 Home N/W 위치한 경우에만 사용되며, 사용자가 Visited N/W에서 3GPP 패킷 데이터 서비스를 이용하는 경우에는 Wm, Wd, Wo 인터페이스를 통하여 Online charging 데이터를 수신함.

Ro 인터페이스 적용

Wm

PDG - AAA

WLAN UE PDG 직접 접속하는 WLAN 3GPP IP Access 경우에 사용되는 인터페이스로 TS23.234 규격에서 정의한 Wm 기능 제공

TS 23.234 Wm 인터페이스 적용

Wo

AAA – OCS

온라인 과금 가입자 대한 온라인 과금 처리를 위한 정보 전송

Ro 인터페이스 적용

Wf

AAA-CGF

Offline charging 관련 데이터 전송

Rf 인터페이스 적용

Wd

AAA Proxy - AAA

로밍인 경우에만 사용.

Authentication, Authorization 관련 데이터 전송.

 





 2.2 EPS에서 WLAN 연동 표준기술


3GPP에서는 3GPP TS 23.402에서 LTE/EPS 망과 Non-3GPP Access Network간 연동 규격을 정의하였다. 본 규격에서는 WiMAX 등과 같이 신뢰할 수 있는 비3GPP 접속(Trusted Non-3GPP Access)와 WiFi 등과 같이 신뢰할 수 없는 비3GPP접속(Untrusted Non-3GPP Access)에 대해서 정의하고 있다. Untrusted Non-3GPP Access를 지원하기 위해서 기존의 WAG와 유사한 ePDG(evolved Packet Data Gateway)를 신규로 정의하였으며, 또한 3GPP AAA Server도 WLAN 연동을 위하여 추가로 정의되었다.

▶ System Architecture
그림 3은 EPS와 Non-3GPPS Access간 상호 연동 시스템 구조도이다.

그림 3. EPS와 Non-3GPP Access 시스템 구조도




ePDG는 3GPP TS 23.234에서 정의한 PDG 기능을 수행하며, 그 기능들은 다음과 같다.

  • P-GW가 할당한 P-GW와 UE간 접속할 Remote IP 주소를 UE로 전달 

  • UE와 ePDG간 IP Tunneling을 위한 Local IP 주소 전달 

  • UE와 P-GW간 데이터 전송 * PMIPv6 Tunneling 적용시 MAG(Mobile Access Gateway) 역할 

  • UE와 IP Tunneling (IPSec Tunneling) 

  • P-GW간 IP Tunneling (PMIPv6, GRE Tunneling) 

  • AAA로부터 수신한 정보에 기반한 QoS Policy 수행

각 망 요소들간 Reference Point는 다음과 같다. 


Point

Interface

개요

비고

S2a

Trusted Non-3GPP Access P-GW

Control Mobility 지원을 위한 User Plane 제공

 

S2b

ePDG - P-GW

Control Mobility 지원을 위한 User Plane 제공

 

S6b

P-GW – AAA

Authentication 관련 정보 전달

 

Gx

PCRF – P-GW (PCEF)

QoS Policy 정보 전달

 

Gxa

ePDG –

WLAN UE

QoS Policy 정보 전달

 

Gxb

P-GW – ePDG

규격에서 미정의

 

SWa

AAA – Untrusted Non-3GPP Access

Authentication, Authorization, Charging 관련 정보 전달

 

SWm

ePDG – AAA

AAA signaling 전달

 

SWx

AAA – HSS

인증, 등록 PDN connection 관련 정보 전달

 

SWu

ePDG –

WLAN UE

IPSec Tunneling 위한 인터페이스

 

ø Online Charging Offline Charging 위한 인터페이스는 3GPP TS 32.252에서 정의한 규격 준수 (Wo, Wf, Wz Reference Point )




▶ Protocol Stack


Control Plane

 - UE와 ePDG: IKEv2 (Internet Key Exchange version 2)

 - ePDG와 P-GW: PMIPv6 (Proxy Mobile IP version 6)


DataPlane

 - UE와 ePDG: IPSec Tunneling

 - ePDG와 P-GW: GRE Tunneling


그림 4. UE-ePDG-P-GW간 프로토콜 스택 [출처] 넷매니아즈 싸이트 (www.netmanias.com)




▶ 인증 및 보안

UE가 Untrusted Non-3GPP Access(WiFi)에 접속하는 경우에는 두 단계의 인증을 거치게 된다.


그림 5. UE와 AAA간 인증 절차 [출처] 넷매니아즈 싸이트(www.netmanias.com)




1) UE와 3GPP AAA간 EAP-AKA를 이용한 상호 인증

  • UE는 IKEv2 메시지에 EAP-AKA 메시지를 실어서 ePDG로 보내면, ePDG는 IKEv2 헤더를 제거 후에 EAP-AKA 메시지를 Diameter 메시지에 실어서 3GPP AAA로 전송
  • 3GPP AAA는 HSS로부터 인증 정보를 받아와 UE와 3GPP AAA간 상호 인증


2) ePDG에 의한 UE 인증

  • EAP-AKA 인증이 완료되면 UE는 AUTH parameter를 포함한 IKEv2 메시지를 ePDG로 전송하고, ePDG는 AUTH 정보를 기반으로 UE 인증 



▶ IP 주소 할당

EPS에 접속할 수 있는 IP 주소는 P-GW에 의해서 할당되며 UE는 P-GW로부터 수신한 (Remote) IP 주소와 DHCP로부터 수신한 (Local) IP 주소를 이용하여 IPSec Tunneling을 통해서 Payload 패킷을 전송한다. 


그림 6. IP 주소 할당 및 터널링 절차 [출처] 넷매니아즈 싸이트 (www.netmanias.com)




 2.3 WLAN 과금 관련 규격


3GPP TS 32.252에서는 3GPP 패킷망과 WLAN 상호 연동시에 Online Charging과 Offline Charging 기능에 대해서 정의하고 있다. 

▶ WLAN Online & Offline Charging Architecture

 Online Charging Architecture

 Offline Charging Architecture



▶ WLAN Online Charging Scenario

3GPP 표준에서는 Wa 인터페이스에 Radius와 Diameter를 모두 고려하고 있다.  하기 그림 7은 Diameter를 적용했을 경우에 Online Charging 메시지 처리 절차이다. 


 그림 7. Online Charging AA-Requests: Wa based on Diameter




하기 그림 8은 WLAN access network에서 Diameter Credit Control Application을 지원하는 경우에 3GPP AAA와 OCS간 Diameter 메시지 처리 절차를 보여주고 있다. 


그림 8. Wo Message Flow for Diameter Credit Control





▶ WLAN Offline Charging Scenario

3GPP 표준에서는 Wa 인터페이스에 Radius와 Diameter를 모두 고려하고 있다.  하기 그림 7은 Diameter를 적용했을 경우에 Online Charging 메시지 처리 절차이다. 


그림 9. Offline Charging AA-Requests: Wa based on Diameter



하기 그림 10은 WLAN Access Network에서 Radius나 Diameter accounting을 지원할 경우에 3GPP AAA와 CDF(Billing Domain)간에 과금 데이터 처리 절차를 보여주고 있다. 


그림 10. WLAN AN이 Accounting 기능 지원시 WLAN 세션을 위한 메시지 절차







3. 시장 동향

 3.1 국내 이동통신사의 3GPP WLAN 연동 서비스 현황 


3GPP WLAN 상호연동 솔루션(WAG, ePDG) 개발사를 통해서 확인한 바에 의하면 국내 이동통신사 중 WLAN과 3GPP 망간 상호 연동을 위해 WAG 및 ePDG 시스템을 도입한 회사는 LG U+만 도입을 준비 중인 것으로 알려져 있다. 

LG U+에는 인스프리트가 2011년 11월에 ePDG를 시험용으로 공급하였으나 상용화 단계까지 나아가지 못했으며 엔텔스에서 ePDG를 LG U+에 공급[각주:1]하였다고 발표하고 있다. 


현재 국내 이동통신사들이 제공하고 있는 WiFi Zone 서비스는 WAG 및 ePDG 장비없이 WiFi Zone AP에서 바로 Public Internet 망으로 접속하도록 네트워크를 구성한 것으로 추정되며, 제3자 패킷 서비스(예: 구글 검색, 유투브 서비스 등) 외에 이동통신사의 자체 패킷망 서비스(예 : KT olleh TV now 등)을 이용하기 위해서는 P-GW/GGSN을 통해서 통신사 내부망에 위치한 서비스 서버를 접속하는 것으로 추정된다. 



그림 11. KT WiFi Zone 서비스 망 구조


*본 망 구조는 관련 업계들의 설명을 토대로 작성한 것으로 실제 KT망구조와는 다를 수 있음)





 3.2 국내외 WAG/ePDG 제품 개발 현황


글로벌 모바일 네트워크 솔루션벤더들, 예를 들어 Ericsson, Cisco, Lucent-Alcatel 등은 기존의 PDN 솔루션인 GGSN, P-GW 플랫폼을 기반으로 WAG와 ePDG 기능을 구현하여 영업 활동을 진행 중이다. 

국내에서는 인스프리트, 엔텔스, SMEC(舊 New Grid)에서 ePDG를 개발하였다고 발표하고 있다. 이중 SMEC는 WAG 제품도 보유하고 있다고 홈 페이지에서 홍보하고 있다. 


하기 그림 12,13 은 SMEC의 WAG와 ePDG 망구성도이다. 


그림 12. SMEC의 WAG

WAG Applications

  • ŸClientless WLAN Interworking

  • Data offload/Local Breakout



그림 13. SMEC의 ePDG 구성도

Applications

  • 3GPP LTE ePDG

  • WiMAX ePDG





4. 맺음말

최근 ICT 시장에 스마트폰의 보급률 증가, 이동통신사업자들의 네트워크 진화 그리고 사업자간 무제한 WiFi 요금제 등의 경쟁 심화로 사용자들의 패킷 데이터 트래픽은 점점 증가할 것이다. 이처럼 데이터 트래픽의 증가에 따라 통신사업자들은 패킷망 확장 및 효율적인 관리에 관심을 가질 수 밖에 없다. 


대규모의 투자비가 요구되는 패킷 데이터망 확장을 위한 투자를 최소화기 위한 방안으로 WLAN 망과의 상호 연동성을 적극적으로 검토하고 있으며, 3GPP망과 WLAN간 이동성 지원 및 서비스 연속성 뿐만 아니라 패킷 망으로 몰리는 패킷 데이터 트래픽을 외부 Public Internet망으로 분산시키는 Data Offload 기능도 중요하게 부각될 것이다. 


또한 동시에 통신사업자들은 WLAN 망을 통한 사용자들의 접속에 대하여 요금관리를 희망하고 있다.  인도네시아 Telkomsel의 경우에는 Quota 기반의 요금제, Volume 기반의 요금제, Time 기반의 요금제, 선불/후불 요금제 등 다양한 WiFi Zone 요금상품을 제공하고 있다. 


WLAN과 상호 연동 기술은 기존의 모바일 단말기 중심의 빌링 시스템에서도 WLAN 단말과의 연동 및 다양한 WiFi Zone 요금상품 설계와 과금 기능을 제공하여야 할 것이다. 





참고자료

  • 3GPP WLAN 상호 연동 관련 규격들 

- TR 22.934 : Feasibility study on 3GPP system to WLAN interworking

- TS 22.234 : Requirements on 3GPP system to WLAN interworking

- TS 23.234 : 3GPP system to WLAN interworking; System description

- TS 23.402 : Architecture enhancements for non-3GPP accesses

- TS 32.234 : Telecommunication management; Charging management; WLAN charging

  • TTA 저널 Vol.133 “3GPP의 WLAN 연동 기술”
  • Juniper 홈페이지 중 “3GPP WLAN Interworking” 설명문
  • 넷매니아즈 “LTE와 Wi-Fi 네트워크 연동 구조”
  • Cisco Whitepaper “Architecture for Mobile Data Offload over Wi-Fi Access Networks”
  • Ericsson Review “Achieving carrier?grade Wi-Fi in the 3GPP world”
  • SMEC 홈 페이지


  1. 엔텔스 홈페이지 참조(www.ntels.com) [본문으로]
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Posted by 유엔젤 테크니컬라이터 손대리
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