표준기술동향 3GPP 에서의 Machine Type Communications 표준화동향 신재승 ETRI 이동통신기술연구부이동단말기술연구팀책임연구원 박애순 ETRI 이동통신기술연구부이동단말기술연구팀팀장 1. 머리말최근들어우리주변의모든사물들을네트워크를통해연결함으로써언제,

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남희 양
4 years ago
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1 3GPP 에서의 Machine Type 표준화동향 신재승 ETRI 이동통신기술연구부이동단말기술연구팀책임연구원 박애순 ETRI 이동통신기술연구부이동단말기술연구팀팀장 1. 머리말최근들어우리주변의모든사물들을네트워크를통해연결함으로써언제, 어디서나필요한정보를쉽게획득하고전달할수있으며, 이를기반으로다양한서비스제공과이용을가능하게하는 M2M/ IoT(Machine-to-Machine/Inter Of Things) 가차세대통신시장을위한주요이슈로부각되고있다. M2M은주로국소지역을대상으로하는센서및 RFID 네트워크에서출발했으나, 점차응용의목적및특성이다양해짐에따라각종유 / 무선네트워크가이용될수있다. 최근에는사물의이동성, 도서, 산간, 해양등을포함하는광범위한서비스지역, 네트워크의운영및유지보수의용이성, 신뢰도높은데이터전송을위한보안, 그리고서비스품질보장등을고려하여이동통신네트워크를기반으로하는 M2M 에대한관심이고조되고있다. 이를반영하듯유럽의대표적인이동통신표준화단체인 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 에서도 2005 년 M2M을위한타당성연구를시작으로, 2008 년부터 (Machine Type ) 라는이름으로본격적인표준화작업을진행하고있다. 본고에서는 3GPP 에서현재진행하고있는 의표준화동향에대해간략히소개하고자한다. 2. 개요 2.1 정의 3GPP 관점에서의 machine 이란, 사람의직접적인조작이나개입을필요로하지않는개체를의미하며, 는이러한 machine 하나또는그이상포함된데이터통신의한형태로정의된다. 그러나최근들어사용자의위치또는상황에따라자동으로네트워크와통신을할수있는스마트폰등의등장으로이들과 machine 의구분이모호해지는경향도있다. 2.2 Architecture 3GPP에서정의하는 는 [ 그림 1] 에서와같이 device, RAN(Radio Access Network) & CN(Core Network), server, user 등과같은요소들로구성된다. device 는 기능을가진이동단말이며, TTA Journal Vol

Indirect Model : Service Provider controlled SMS-MC IP-SM-GW HSS/ HLR Indirect Model : Operator controlled User Server sms sp Proxy (TBD) Core Network SGSN/ Device M2M Application Direct Model i

2 Indirect Model : Service Provider controlled SMS-MC IP-SM-GW HSS/ HLR Indirect Model : Operator controlled User Server sms sp Proxy (TBD) Core Network SGSN/ Device M2M Application Direct Model i Gi/SGi GGSN/ PGW/ PDG RAN Um/ Uu/ LTE-Uu M2M Application 3GPP Boundary Application Domain Network Domain Device Domain 출처 : TR v.1.2.0[1] 참조 [ 그림 1] 3GPP 의 구조 Um, Uu 등과같은기존의셀룰러인터페이스를통해네트워크에접속한다. RAN 및 CN은이동네트워크의엑세스망과핵심망을의미한다. server 는이동네트워크자체와통신을하거나이동네트워크를통해 device 와통신을하는서버로, user 에게접근을위한인터페이스를제공하며, 서비스플랫폼에해당한다. user 는 응용서버에해당한다. 서버와이동네트워크간에는기존 3GPP 베어러, IMS(IP Multimedia Subsystem) 를통한연결또는단문메시지서비스 (SMS: Short Message Service) 등을통한연결이가능하다. [ 그림 1] 에서볼수있듯이 3GPP 의표준화범위에이들구성요소들이모두포함되는것은아니며, device 에서부터 RAN 및 CN으로구성된이동네트워크까지의구간이기본적인표준화범위에포함된다. server 와이동네트워크사이의인터페이스는 server 가제3 의운영자에의해운영될경우 3GPP 의범위를벗어나게되지만, 3GPP 운영자의해운영되는경우에는내부인터페이스로고려될수있다 GPP 규격및참여그룹 표준화를위해 [ 그림 2] 와같이 SA(Service & System Aspects), CT(Core Network & Terminals), RAN(Radio Access Network), GERAN(GSM EDGE RAN) 등의 TSG(Technical Specification Group) 내에여러 WG(Working Group) 들이참여하고있다. TSG SA 내의 WG1(SA1) 은 를위한기본적인요구사항등을정의하는그룹으로, 2005 년부터 2007 년까지 M2M 을위한타당성연구를통해 [2] 문서를작성했으며, 이후 2008 년부터 서비스요구사항정의를위해 [3] 규격을작성중이다. SA2 그룹은 를위한구조모델을정의하고, SA1 그룹에서정의된요구사항들을만족하기위해 device 와 CN이제공할수있는여러가지기능들을기술한 [1] 문서를작성중이다. 이기능들중비교평가를거쳐선정된것은구현을위한규격에반영된다. SA3 그룹은 를위한보안에관련된 [4] 문서를작성중이며, TSG CT 내의여러그룹들은주로 SA2 에서선정된기능들을실제 UMTS(Universal Mobile /

3 SA1 SA2 SA3 CT1/3 /4/6 (GE)RAN 2/3 Stage 1 TR Study on facilitating M2M Communication in 3GPP Systems TS Service requirements for machine-type communications TR Study on Enhancement for TR Alternatives to E.164 for Stage 2 TR System improvement for machine-type communications TR M2M Security Aspects for Remote Provisioning and Subscription Change TR Security aspects of System Improvements for TR RAN improvement for machine-type communications Stage 3 Updated Stage 3 Spec e.g , , , , , etc. Updated Stage 3 Spec e.g , , , , etc. [ 그림 2] 3GPP 의 관련규격및참여그룹 Name Acronym Release Resource_Names Start_Date Finish_Date P.C. Impacted_TSs_and_TRs System Improvements to Machine-Type SI Rel-11 S1,S2,S % - Stage 1 for System Improvements to Machine-Type SI Rel-11 S % TR on Stage 2 for System Improvements to Machine-Type SI Rel-11 S % new TR TR on Security aspects of System Improvements to Machine-Type Stage 2 on SA2 part for System Improvements to Machine-Type Stage 2 on Security part for System Improvements to Machine-Type SI Rel-11 S % new TR 33.8xy SI Rel-11 S % Depends on the outcome of the Stage 2 TR SI Rel-11 S % [ 그림 3] 3GPP 의 관련 Work Plan Depends on the outcome of the Stage 2 Security TR Study on Alternatives to E.164 for Machine-Type FS_A Rel-11 S % Study on enhancements for Machine-Type () FS_e Rel-11 S % Study on GERAN improvements for Machine-Type FS_NI_GERAN Rel-11 G1,G % GERAN Study on RAN improvements for Machine-Type FS_NI_RAN Rel-11 R2,R1,R3,R % UTRA, LTE Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 S1,S2,C1,C4,C3,C6,G2,R2,R % - Stage 1 for Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 S % , new Stage 2 for Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 S % , , CN part of Stage 3 for Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 C1,C4,C3,C % Stage 3 CT1 part of Stage 3 for Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 C % , , , new CT3 part of Stage 3 for Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 C % , , CT4 part of Stage 3 for Network Improvements for Machine-Type CT6 part of Stage 3 for Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 C % NI Rel-10 C % , , , , , , , , Charging for Network Improvements for Machine-Type Communication NI-CH Rel-10 S % , , GERAN part of Network Improvements for Machine-Type NI Rel-10 G % , (Stage 3) RAN mechanisms to avoid CN overload due to Machine-Type N I M T C - R A N _ Rel-10 R2, R % UTRA, LTE , , , overload Telecom System), LTE(Long Term Evolution) 시스템 등의구현에반영하기위한규격작업을진행중이다. device 는기본적으로기존의셀룰러인터페 이스를통해네트워크에접속함을가정하므로, TSG RAN 내무선인터페이스의물리계층을다루는 RAN1 그룹의활동은없으며, RAN2 그룹은 요구사항들 TTA Journal Vol

4 을만족하기위해 RAN 이제공할수있는여러가지기 능들을기술한 [5] 문서를작성하고있다. e(enhancement for ) 및 A(Alternative to E.164 for ) 등과같은 Study Item 에대한논의 도진행중이다. 2.4 표준화상황및일정 를위한표준화는 [ 그림 3] 에나타난바와 3. Release 10 NI 같이크게 Release 10 을위한 NI (Network Improvements for ) 와 Release 11을위한 SI(System Improvements to ) Work Item 으로구분된다. Release 10 NI 에서는주로 요구사항의정의와구조모델의정의, 그리고다수의 device 가 3.1 요구사항정의 3GPP 에서 를위해정의된요구사항에앞서, 가기존의 3GPP 이동네트워크서비스와다른점에대해살펴볼필요가있다. 3GPP [3] 규격에따르면, 그차이점은다음을포함한다. 네트워크에동시에접속함으로인해발생하는 RAN 과 CN의과부하제어를위한표준화가주된내용이었다. Release 11 SI 에서는 Release 10 에서다루지못한많은요구사항들을위한기능정의와이를위한표준화를진행하는것이주된목표이며, 이와별도로 Release 10 의범위에있지않았던 device 간의통신, gateway 형태의 device, 다수의 Different market scenario Data communications lower costs and effort a potentially very large number of communicating terminals with to a large extent, little traffic per terminal device 사용으로인한식별자체계변경등을다루는 Common Service Req. 3GPP SA Service requirement device triggering Addressing Identifier Charging requirement Security requirement Remote device management Server와의통신시작을위한 device의트리거링 Public address 도메인의 server와 Private address 도메인의 device 간통신을위한 device의주소획득 ME와 subscription 식별 device 또는 device의그룹단위의과금 communications을위한보안원격에설치된 Device의관리 (e.g. OMA DM) Specific Service Req. < Features > Low mobility Time controlled monitoring Time tolerant Packet Switched (PS) only Small data transmission Mobile originated only Infrequent mobile terminated Priority alarm message Secure connection Location specific trigger Network provided destination for Uplink data Infrequent transmission Group based feature 고정되거나, 이동하는빈도수가낮거나, 한정된지역만을이동하는 device 고려정해진시간동안에만 data 를송 / 수신하는 application 을고려 Device 와관련된 event 들의모니터링 Data 의실시간전송이아닌, 지연전송이가능한 Device 고려 Packet switched service 만을사용하는 device 고려적은양의 data 만을전송하는 Device 고려발신전용 device 고려수신이별로없이주로발신을위한 device 고려비상상황에서긴급알람메시지를전송하는 Device 고려 Device 와 Server 간에보안된연결설정을요구하는 device 고려 application 이 device 의위치를파악하여특정지역에위치한 device 를트리거링 device 로부터전송되는모든 data 가 network 이제공하는특정주소로전달되는형태의 application 고려 Data 송 / 수신이거의없는 Device 고려그룹을형성한 device 고려 [ 그림 4] 를위한요구사항 /

5 따라서소량의데이터를송 / 수신하는무수히많은 device 를수용하기위해이동네트워크는기존과는다른식별자및주소체계등의고려가필요하며, 통신방식및비용측면을고려한새로운메커니즘이필요할수있다. 이를위해 3GPP SA1 그룹은 [3] 규격을통해 를위한요구사항을정의하고있으며, 이들은 [ 그림 4] 와같이응용특성과관계없는식별자, 주소체계, 과금, 인증등을위한공통요구사항 (common service requirement) 과응용의특성및목적에따라 특유의 device 또는네트워크가갖는특성을고려한요구사항 (Specific Service Requirement) 로구성된다. 3.2 NI 주요내용초기에는 SA2와 RAN2 그룹을중심으로 요구사항들중일부선호항목들을위한기능정의및표준화가목표였으나, 3GPP 회원사들사이에다수의 device 가네트워크에동시에접속하기에발생하는 RAN 및 CN의장애방지와해결이 를위해시급히해결해야할선결과제로부각되면서, 요구사항에명시되어있지는않으나 RAN 및 CN의과부하제어가 NI 의핵심사항이되었다 과부하제어 3GPP 의관점에서대부분의 device 는망에미치는영향을줄이기위해, 네트워크와의통신이외에는접속을종료한상태를유지한다. 따라서다수의 device 로인해발생하는네트워크의과부하는 device 로부터의과도한데이터트래픽보다는, 데이터전송이전에선행되는망접속및연결설정을위한신호메시지의수신및처리가주된원인이된다. 따라서, SA2 그룹에서는이러한신호메시지수신및처리로인해발생할수있는 CN의과부하제어를위해, [ 그림 5] 와같이 CN의 (Mobility Management Entity), S-GW(Serving GW), 또는 PGW(PDN-GW) 등에서연결설정을위한신호메시지를거절하는방법, CN의과부하상태를기지국에알려기지국에서연결설정을위한신호메시지를거절하는방법, 기지국자체가과부하이거나 CN의모든요소가과부하인경우등을위해기지국에서방송되는정보를이용하여 device 의접속을사전에방지하는방법등을고려하고있다. 이중메시지거절을통한과부하제어방법은해당신호메시지가 device 로부터인지, device 로부터라하더라도응용별, 지역별, 형태별로차별적인거절을가능하게하기위한구분자의정의및사용이중요이슈가되며, 거절후에해당 device 가빠른시간내에다시연결을시도하지못하도록거절타이머의연장도고려사항중의하나이다. 이상에서언급된방법중, 기지국에의한거절및접속방지방법은 RAN2 그룹내의 CN 과부하방지를위한 RAN의메커니즘인 'NI_RAN_OVERLOAD' work item 의주요내용이기도하다. 이외에도, RAN2 그룹에서는 3GPP [5] 문서에기지국자체의과부하방지를위해다음과같은방법들을정의하고있다. Access Class Barring: 기지국에서방송되는정보를통해 단말의접속방지 Separate RACH resources for : device 의접속을위해사용되는접속자원을구분 Dynamic Allocation of RACH Resources: device 를위한접속자원의유동적인할당 Specific Backoff: device 의접속실패로인한재접속시, backoff time 의연장 Slotted Access: 사전에정의된접속시점및주기에만 device 의접속을허용 Pull Based Scheme: device 에의한임의접속이아닌, server 의트리거링에의한접속 TTA Journal Vol

6 RRC Conn. Req RRC Conn. Reject RRC Conn. Release Overload Start System Info. <Access Barring> Overload Start device device e-utran e-utran <Rejection by RAN> Overload Start <Prevention by RAN> Service Req Service Req Reject Reject device device SGW/PGW e-utran e-utran <Rejection by > <Rejection by SGW/PGW> SGW/PGW [ 그림 5] CN 의과부하제어 기타과부하제어이외에 [ 그림 4] 의일부 요구사항항목들을위한기능들이제안되고논의되었으나규격반영단계까지는진행되지못했다. 그중몇가지를살펴보면다음과같다. Addressing: 범용 IP 도메인에위치한 server 가사설 IP 도메인에위치한 device 로연결을설정하고자하는경우, 주소획득및데이터전달을위해 DNS 및 NAT(Network Address Translation)/NATTT(NAT Traversal through Tunnel) 의이용등 Low Mobility: 최소화된범위의 device 페이징등 Monitoring:, P-GW, HSS(Home Subscriber Server) 에서 device 의접속상태, 접속위치등의이벤트감지및보고등 Small Data transmission: SMS 를이용한데이터전송등 Time Controlled: device 의접속허용시간, 금지시간, 접속기간등에대한정보를, HSS 등이관리하며, 이를이용해 device 의접속시점제어등 Requirements for: Handling large numbers of identifiers including, addressing inside a private IP space and no MSISDN Device triggering (excluding: Location Specific Trigger) Feature Small Data Transmissions Efficiently maintain connectivity for a large number of Devices Feature Packet Switched (PS) Only Common requirement on lower power consumption Handling groups, group ID, group based charging Feature Secure Connection Feature Monitoring Feature Low Mobility Feature Time Controlled Group Based Features Operator policies and application requirements on Device state when not communicating Charging requirements (excluding group based charging) Feature Priority Alarm Feature Network Provided Destination for Uplink Data Restrict USIM to specific MEs/ Devices Feature Time Tolerant (excluding what has been implemented already in overload control) Feature Location Specific Trigger Feature Mobile Originated Only Feature Infrequent Transmission Feature Infrequent Mobile Terminated [ 그림 6] SI 우선순위 Priority TOP Priority HIGH priority MEDIUM priority LOW priority VERY LOW priority NEGLIGIBLE priority /

7 4. Release 11 SI 4.1 SI Work Plan Release 10 NI 에서는과부하제어가주된이슈가되었으므로, 요구사항의많은부분이 Release 11 SI 에서다루어질예정이다. 그러나, 이들항목들을모두다룰수없기때문에 SA1 과 SA2 그룹에서는 [ 그림 6] 에서와같이향후 를위해논의할항목들을재정리하고우선순위를부여했으며, 상위우선순위 2개의그룹이 SI 의주요이슈가될전망이다. 면 E.164 기반의 MSISDN 대체를위한궁극적인방안은 IPv6 주소체계를사용하는것이다. 하지만, 이것은단시간내에성취되기어렵기때문에기존의 MSISDN 을공유하거나, 분할하여 전용으로사용하는방법등이단기적인방법이될수있다. 또한 MSISDN 을사용하지않는 SMS 전송방법, MSISDN 를대신하여 UICC(Universal IC Card) 에저장된 20 디지트의 ICCID(IC Card ID) 를사용하는방법, SMS 전송시다수의 device 들이하나의 MSISDN 을공유하는방법등이 SA2 그룹에서고려중이다. 4.2 Alternatives to E.164(FS_A) device 수가급속히증가하다보면, 현재 15 디지트인 MSISDN(Mobile Subscriber ISDN) 등과같은식별자의표현공간이부족한시점에이를수있기때문에, 궁극적으로는 MSISDN 등을대체할수있는새로운식별자를고려해야한다. 하지만 MSISDN 은 device 와 server 간에 SMS 를이용한통신시필수식별자로사용되기때문에대체를위해많은부분을고려해야한다. SA1 의 [6] 문서에의하 4.3 Enhancement for (FS_e) 기존 요구사항에포함되지않은내용중, 향상에필요한항목들이 SA1 그룹을중심으로논의되고있다. 3GPP [7] 문서에따르면, 셀룰라인터페이스가없는주변장치 (local access device) 와이동네트워크사이에중계역할또는주변 device 를위한프록시역할을수행하는 Gateway device 의사용, 그리고기존 통신모델이 device 와 server 간의연결만을포함하던것과는달리 Device SGSN/ HLR/HSS S-CSCF SMS-SC CBC SIP/IMS SMS CBS Network-Requested PDP Context request C/Sh ISC AS SME CBE DNS device trigger sp PDN Device PDP/PDN connection Gn Status(Radius/Diameter) GGSN/ P-GW Gi/SGi pre-established PDP/PDN connection forwarding Gi/SGi Device Trigger Gateway (DT-GW) pre-established or new PDP/ PDN connection Gi/SGi [ 그림 7] Device Triggering GW 의구조 TTA Journal Vol

8 이동네트워크를통한 device 들간의통신등이 향상을위한항목에포함된다. 4.4 Device Triggering SI 를위해현재논의되고있는주요이슈중하나는 device 와 server 간의통신이 device 가아닌 server 로부터의트리거링 (Triggering) 에의해시작되는 Device 트리거링이다. 이는폴링 (polling) 형태의응용을위한것뿐만아니라, device 의통신에대한제어를 server 가수행함으로써다수의통제되지않은 device 가동시다발적으로네트워크에접속하므로인해발생하는문제점을해소할수있는이점을가진다. Device 트리거링을위해서는 server 의 device 주소획득, device 로트리거링지시의전달방식, 비접속상태인 device 의위치파악등의고려해야할사항들이있으며, 이를위한하나의해결책으로 [ 그림 7] 과같이 server 와기존이동네트워크사이에 DT-GW(Device Triggering GW) 같은새로운노드의사용도고려하고있다. [ 참고문헌 ] [1] 3GPP TR , System Improvements for, v [2] 3GPP TR , Study on Facilitating M2M Communication in 3GPP Systems, v [3] 3GPP TS , Service Requirements for, v [4] 3GPP TR , Security Aspects of, v [5] 3GPP TR , Study on RAN Improvements for, v [6] 3GPP TR , Study on Alternatives to E.164 for, v [7] 3GPP TR , Study on Enhancements for, v 맺음말 3GPP 표준화의궁극적인목표는 를위해정의된요구사항에맞게, 일반사용자에게미치는영향을최소화하는범위내에서, 기존의이동네트워크를개선하고향상시켜 를위해최적화된이동네트워크를만들어가는것이다. 그러나 Release 10 NI 에서는네트워크의과부하제어라는선결문제때문에다른요구사항에관해서는별다른진전이없었다. 따라서 Release 11 SI 부터는다양한요구사항항목들에관한논의와규격작업이보다활발히진행되어야할것이다 /

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1ºÎ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 X1 TTC Comm MPMHAPT TTCouncil AIC PHS ARIB MoU CIAJ MITF MMAC INSTAC JEIDA OITDA JISC GMM CG APT ASTAP Trade Associations EP TC 1