GPRS 시스템

GPRS는 기존의 GSM 네트워크를 최대한 활용하지만 몇 가지의 새로운 프로토콜 및 인터페이스와 새로운 장비들이 필요하다. 이때 필요한 두 가지의 중요한 장비가 바로 SGSN(Serving GPRS Support Node)과 GGSN(Gateway GPRS Support Node)이다. 그 외에도 GPRS 서비스를 제공하기 위해서는 BSS가 업그레이드되어야 하며 PCU(Packet Control Unit)가 BSC에 추가되어야 한다. PCU는 사용자에게 무선 자원의 할당을 관리, 조절하는 역할을 한다. 다시 말하면, PCU는 패킷데이터 전송을 위하여 필요한 물리적/논리적인 데이터 인터페이스를 제공한다. PCU는 BTS, BSC 혹은 SGSN에 설치될 수 있다. 논리적으로 PCU는 BSC의 일부로 간주되며 실제로 PCU는 BSC와 결합되어 설치된다. BTS에서 BSC까지의 인터페이스는 GSM과 동일하지만 BSC에서 데이터의 종류에 따라 전송 경로가 나누어지는데, 음성호의 경우는 MSC로 전송되고 데이터호의 경우는 SGSN으로 전송된다.

 

 

SGSN은 해당 영역 내에 들어있는 이동 단말이 보내는, 또는 이동 단말로 보내어지는 패킷을 전달하는 역할을 담당한다. SGSN이 수행하는 기능에는 패킷 라우팅 및 전달, 이동성 관리(위치 관리), 논리적 링크 관리, 인증 및 과금 등이 포함된다. SGSN은 HLR과 연동되어 사용자의 프로파일이나 인증 정보 등을 가져온다. 또한 이동 단말의 상태를 추적하는 역할을 하며 이동 단말과 네트워크 간의 데이터 연결을 처리하기도 하며, 기지국에 직접 연결되어 액세스 제어, 다양한 보안 기능 제공의 역할도 한다. SGSN은 패킷 교환 기반의 MSC로 간주될 수 있다. MSC의 경우 회선 교환 방식이므로 패킷 데이터를 처리할 수 없으므로 SGSN이 필요하게 되는 것이다. SGSN은 다수의 BSC와 연결되며, BSC내의 PCU와 프레임릴레이를 통해 연결된다.

 

 

GGSN은 GPRS 네트워크와 다른 데이터 네트워크의 연결을 처리하며 QoS, 터널링, 로밍 등을 담당한다. GGSN은 PDU(Protocol Data Unit)를 SGSN으로 터널링하는데 필요한 라우팅 정보를 유지하는 역할을 한다. SGSN으로부터 전달된 패킷은 GGSN을 통해 적절한 PDP 형식으로 바뀌어 상대방 패킷 데이터 네트워크로 보내진다. GGSN은 외부 패킷 데이터 네트워크로부터 받은 패킷을 이동 단말에게 전달하기 위해 현재 이동 단말을 관리하는 SGSN을 알아야 한다. 따라서 GGSN이 보유한 데이터베이스는 사용자 프로파일과 함께 사용자의 현재 SGSN 정보도 같이 저장한다. SGSN과 유사하게 GGSN도 인증과 과금 기능을 수행한다. 하나의 GGSN은 다수의 SGSN을 지원하는데, 하나의 GGSN은 다수의 SGSN과 하나의 패킷 데이터 네트워크 사이의 인터페이스 지점으로 사용될 수 있다. 반대로 하나의 SGSN은 서로 다른 패킷 데이터 네트워크로 패킷을 보내기 위해 다수의 GGSN을 이용할 수 있다. SGSN과 GGSN은 Gn 인터페이스로 연결되는데 Gn 인터페이스는 시그널링과 사용자 데이터를 전달하는데 사용되는 IP 기반 인터페이스이며 GTP를 사용한다. GTP는 IP 백본 네트워크를 통해서 SGSN과 GGSN 사이의 데이터 통로 역할을 한다.

 

각각의 네트워크에는 APN(Access Point Name)이 주어지며, APN은 GPRS 사용자와 목표 네트워크(Destination Network) 간의 링크를 지정한다. 각 사용자는 GPRS 사용 신청에 관련된 레코드(Record)를 가지고 있는데, 이 레코드는 접속이 필요한 네트워크의 APN과 QoS(Quality of Service) 레벨, Static IP 어드레스 등을 포함하고 있으며 이러한 사용 신청을 통해 사용자는 GPRS 네트워크에 접속이 가능하게 된다. SGSN은 이와 같은 일련의 작업을 수행하며 연결이 설정된 순간부터 계속 사용자를 모니터링한다. PDP(Packet Data Protocol)의 실행은 SGSN에 의해 초기화되는데, 이 과정은 사용자로 하여금 원하는 네트워크에 접속하여 데이터 전송을 가능하게 해준다. SGSN은 DNS(Domain Name Server) 내에서 APN을 검색하고 GGSN에 접속을 시도한다. 만약 이 과정이 성공적으로 이루어지면 이동 단말과 GGSN 간에는 가상 회선 연결이 설정되고 데이터의 전송이 가능해진다. 즉, GGSN을 통하여 원하는 네트워크와의 물리적 연결이 가능해진다.

 

GPRS의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

- 사용자가 GPRS 단말기의 전원을 켜면 자동적으로 GPRS 채널을 스캐닝하게 된다.
- 단말기가 GPRS 채널을 잡은 다음에는 네트워크에 접속을 시도한다.
- SGSN은 단말기로부터 액세스 요청을 받게 되고 HLR에서 사용자 정보를 가져온다.
- SGSN은 HLR로부터 가져온 정보를 이용하여 사용자 인증 과정을 거친다.
- SGSN은 APN을 포함한 프로파일 정보를 이용하여 어느 GGSN으로 연결해야 할지를 결정한다.

- 선택된 게이트웨이는 RADIUS(Remote Authentication Dial-In User Service) 인증을 수행하고, 외부 망과 연결하기 전에 사용자에게 다이나믹 IP(Internet Protocol)를 할당한다. 이 과정을 패킷 데이터 프로파일 컨텍스트 활성화(Packet Data Profile Context Activation)라고 부른다.
- 단말기의 전원이 꺼지거나 또는 단말기가 GPRS 서비스 영역 밖으로 이동하면 네트워크로부터 접속이 끊어진다.

 

사용자가 데이터를 전송하게 될 경우는 SGSN이 패킷을 적절한 GGSN으로 라우팅하게 되는데 GGSN은 이 데이터를 현재 컨텍스트(Context)에 의해 라우팅 시킨다. 반대로 사용자에게 전송되는 패킷은 사용자의 IP 주소에 의해 GGSN으로 라우팅 된다. GGSN은 수신된 패킷을 확인하고 사용자가 속해 있는 SGSN으로 데이터를 라우팅한다. 그러면 SGSN은 패킷을 사용자가 위치한 BSS로 전송한다.

 

 

BSC와 SGSN간의 인터페이스는 Gb 인터페이스이다. Gb 인터페이스는 BSSGP를 사용하는 프레임 릴레이를 기반으로 한 인터페이스이다. 동일 PLMN에 위치하는 SGSN과 GGSN은 Gn 인터페이스를 사용하고 서로 다른 PLMN에 위치할 경우에는 Gp 인터페이스를 사용한다. 모든 GGSN은 IP 기반으로 GPRS 백본(Backbone)에 연결되는데 이것은 인터넷을 통해 서로 떨어져 있는 GPRS 네트워크를 연결하기 위해서이다. 이 백본 안에서 GGSN은 PDN(Packet Data Network) 패킷을 캡슐화(encapsulation)한 뒤 전달한다. 이와 같은 터널링 작업을 위해 GTP가 사용된다. GPRS 백본에는 다음의 두 가지 종류가 있다.

 

- intra PLMN 백본은 동일 PLMN에 위치하는 GGSN들을 연결하며 네트워크 운영자가 구성한 사설 IP 네트워크이다.
- inter PLMN 백본은 서로 다른 PLMN에 위치하는 GGSN들을 연결한다. 이 백본이 구성되기 위해서는 GPRS 네트워크 제공자들 사이에 로밍을 위한 협조가 이루어져야 한다.

 

PLMN과 inter PLMN 백본 사이에 위치하는 게이트웨이를 BG(Boarder Gateway)라고 부른다. BG는 인증 받지 않은 사용자의 접근으로부터 자신과 연결된 사설 망내 PLMN 백본을 보호하는 역할을 담당한다. 두 SGSN 사이에는 Gn과 Gp 인터페이스가 사용되며 SGSN은 이들 인터페이스를 통해 사용자 프로파일 정보를 교환한다. 이러한 정보 교환은 이동 단말이 현재 SGSN이 관리하는 영역에서 벗어나 새로운 SGSN의 관리 영역으로 이동한 경우에 발생한다. 이동 단말로부터 네트워크에 등록 요청이 들어오면 이 단말의 IMEI를 참조하기 위해 SGSN은 Gf 인터페이스를 사용한다. Gi 인터페이스는 PLMN과 공용 또는 사설 PDN을 연결한다. 현재는 IP와 X.25에 대한 인터페이스가 지원된다.

 

HLR은 PLMN 안에 들어있는 각 GPRS 사용자마다 사용자 프로파일, 현재 SGSN 주소, PDP 주소 등을 저장한다. Gr 인터페이스는 HLR과 SGSN 사이에서 이들 정보를 교환하기 위해 사용된다. 예를 들어 SGSN은 이동 단말의 현재 위치를 HLR에게 알려 주며, 이동 단말이 새로운 SGSN에 등록할 때 HLR은 이 단말에 대한 정보를 SGSN에게 알려 준다. Gr 인터페이스는 SS7을 기반으로 한 인터페이스이며 GPRS를 지원하기 위해 MAP을 사용한다. GGSN과 HLR 사이의 시그널링 경로(Gc 인터페이스)는 GGSN이 사용자의 현재 위치와 프로파일 정보를 얻고자 할 때 사용된다. Gc 인터페이스는 SS7을 통한 MAP를 사용한다. Gc 인터페이스는 GMSC가 모바일 종료 음성 호의 라우팅 정보를 HLR에 질의하는 방식과 유사하게, GGSN이 SGSN에게 현재 서비스 중인 가입자인지를 결정해야 할 때 사용된다. 그러나 한 가지 차이점은 특정 데이터 세션이 외부 네트워크보다는 항상 이동 단말에 의해 설정된다는 점이다. 만약 이동 단말이 데이터 세션을 설정한다면 SGSN을 통해 이동 단말로부터 GGSN으로 경로가 연결되므로 GGSN은 어떤 SGSN이 이동 단말에게 서비스를 제공하고 있는지 알게 된다. 그러므로 이러한 경우에는 GGSN은 HLR에게 질의를 할 필요가 없다. GGSN은 데이터 세션이 외부 데이터 네트워크에 의해서 개시될 때에만 HLR에게 질의한다. 많은 네트워크의 경우에 이러한 기능은 이동 단말이 고정된 패킷 프로토콜 주소(IP 주소)를 가져야 한다는 요구사항 때문에 구현되지는 않았다. 주소 공간이 한정된다면 각 이동 단말마다 고정 주소가 가능하지 않기 때문이다. MSC/VLR은 기존 GSM 회선 교환 서비스와 GPRS를 이용한 패킷 교환 서비스 사이에 효과적인 협력을 위해 그 기능을 확장할 수 있다. 예를 들어 위치 정보 갱신 작업을 하나로 합쳐 처리할 수 있으며 attach 절차도 같은 방식으로 통합해 운영하는 것이 가능하다. 또한 GSM 회선 교환 서비스의 호출도 SGSN을 통해 처리할 수 있다. Gs 인터페이스는 이러한 통합 처리를 위해 SGSN과 MSC/VLR 사이의 데이터베이스를 연결한다. 이는 SCCP를 사용하는 SS7 기반의 인터페이스이다. 여기서 SCCP는 BSSAP+로 알려진 프로토콜이다. BSSAP+는 MSC와 표준 GSM의 BSC 사이에 사용되는 BSSAP의 수정 버전이다. GPRS를 통해 SMS 메시지를 교환하기 위해 Gd 인터페이스가 정의되어 있는데 이 인터페이스는 SMS-GMSC와 SGSN을 연결한다. Gd 인터페이스는 MAP을 이용하는 SS7 기반의 인터페이스이다.