LTE 계층들의 데이타 흐름 (LTE Layers Data Flow) 개요

아래는 다양한 계층을 통한 데이터 흐름을 묘사한 E-UTRAN 프로토콜 계층의 논리적 다이어그램입니다.

계층에서 수신한 패킷을 서비스 데이터 단위 (SDU)라고 하며 계층의 패킷 출력은 PDU (Protocol Data Unit)라고 합니다. 위에서 아래로의 데이터의 흐름을 보면 아래와 같습니다.

● IP 계층은 PDCP SDU (IP 패킷)를 PDCP 계층에 전송합니다. PDCP 계층은 헤더 압축을 수행하여 이들 PDCP SDU에 PDCP 헤더를 추가합니다. PDCP 계층은 PDCP PDU (RLC SDU)를 RLC 계층에 전송합니다.

PDCP 헤더 압축 : PDCP는 PDU에서 IP 헤더 (최소 20 바이트)를 제거하고 1-4 바이트의 토큰을 추가합니다.

● RLC 계층은 이러한 SDU들을 분할하여 RLC PDU를 만듭니다. RLC는 RLC 작동 모드에 기반한 헤더를 추가합니다. RLC는 이들 RLC PDU (MAC SDU)들을 MAC 계층에 전송합니다.

RLC 분할 : RLC SDU가 크거나, 이용가능한 무선 데이터 속도가 낮으면 (작은 전송 블록을 발생시킴), RLC SDU는 몇몇 RLC PDU들로 분할될 수 있습니다. RLC SDU가 작거나 이용가능한 무선 데이터 속도가 높으면, 다수의 RLC SDU들이 하나의 PDU로 결합될 수 있습니다.

● MAC 계층은 TTI에서 이 MAC SDU에 맞게 헤더를 추가하고 패딩을 수행합니다. MAC 계층은 물리 계층으로 MAC PDU를 전송하기 위해 물리 계층에 MAC PDU를 전송합니다.

● 물리 채널은 이 데이터를 서브 프레임의 슬롯으로 전송합니다.

LTE 무선 프로토콜 아키텍처 (LTE Radio Protocol Architecture) 개요

LTE 용 무선 프로토콜 아키텍처는 아래와 같이 Control Plane 아키텍처와 User Plane 아키텍처로 구분할 수 있습니다.

User Plane 측에서, 애플리케이션은 TCP, UDP 및 IP와 같은 프로토콜에 의해 처리되는 데이터 패킷을 생성하고, Control Plane에서, RRC (Radio Resource Control) 프로토콜은 기지국과 기지국 사이에서 교환되는 시그널링 메시지를 담당합니다. 두 경우 모두 정보는 전송을 위해 물리 계층에 전달되기 전에 패킷 데이터 컨버전스 프로토콜 (PDCP), 무선 링크 제어 (RLC) 프로토콜 및 매체 액세스 제어 (MAC) 프로토콜에 의해 처리됩니다.

User Plane

e-Node B와 UE 사이의 User Plane 프로토콜 스택은 다음의 하위 계층들로 구성됩니다 :

● PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

● RLC (radio Link Control)

● Medium Access Control (MAC)

User Plane에서, 코어 네트워크 (EPC)의 패킷은 특정 EPC 프로토콜로 캡슐화되고 P-GW와 eNodeB간에 터널링됩니다. 인터페이스에 따라 다른 터널링 프로토콜이 사용됩니다. GPRS 터널링 프로토콜 (GTP)은 eNodeB와 S-GW 간의 S1 인터페이스와 S-GW와 P-GW 간의 S5/S8 인터페이스에서 사용됩니다.

수신 패킷은 서비스 데이터 유닛 (Service Data Unit, SDU)라고 불리는 반면, 출력 패킷은 프로토콜 데이터 유닛 (Protocol Data Unit, PDU)에 의해 참조되고 IP 패킷은 User Plane에서 위에서 아래로 이동합니다.

Control Plane

Control Plane은 하위 계층을 구성하는 역할을 하는 무선 자원 제어 계층 (RRC)을 추가적으로 포함합니다.

Control Plane은 유휴 상태 (Idle Mode) 또는 연결 상태 (Connected Mode)의 두 가지 상태를 포함하는 사용자 장비의 상태에 의존하는 무선 특정 기능을 처리합니다.

● Idle Mode : 사용자 장치는 무선 링크 품질, 셀 상태 및 무선 액세스 기술과 같은 요소가 고려되는 Cell Selection 또는 Cell Reselection 프로세스 후에 셀에 Camp On합니다. UE는 또한 페이징 채널을 모니터링하여 착신 호출을 검출하고 시스템 정보를 획득합니다. 이 모드에서 Control Plane 프로토콜에는 Cell Selection 및 Cell Reselection 절차가 포함됩니다.

● Connected Mode :

UE는 E-UTRAN에 다운 링크 채널 품질 및 인접 셀 정보를 제공하여 E-UTRAN이 UE에 가장 적합한 셀을 선택할 수 있게 합니다. 이 경우, Control Plane 프로토콜은 무선 링크 제어 (RRC) 프로토콜을 포함합니다.

UE와 MME 사이의 Control Plane에 대한 프로토콜 스택은 아래와 같습니다. 스택의 회색 영역은 액세스 계층 (Access Stratum, AS) 프로토콜을 나타냅니다. 하위 계층은 Control Plane에 대한 헤더 압축 기능이 없다는 점을 제외하고는 User Plane과 동일한 기능을 수행합니다.

LTE 프로토콜 스택 계층 (LTE Protocol Stack Layer)

E-UTRAN 프로토콜 스택에서 사용 가능한 모든 레이어를 자세히 살펴보면 아래의 다이어그램과 같습니다.

물리 계층 - Physical Layer (Layer 1)

물리 계층은 공중 인터페이스를 통해 MAC 전송 채널로부터 모든 정보를 운반합니다. RRC 계층에 대한 링크 적응 (AMC), 전력 제어, 셀 검색 (초기 동기화 및 핸드 오버 목적) 및 기타 측정 (LTE 시스템 내부 및 시스템간)을 담당합니다.

매체 액세스 계층 - Medium Access Layer (MAC)

MAC 계층은 논리 채널들과 전송 채널들 간의 매핑을 담당하고, 하나 또는 다른 논리 채널로부터 전송 채널상의 물리 계층으로 전달되는 전송 블록 (TB)으로의 MAC SDU의 다중화, 하나 또는 다른 논리 장치로부터의 MAC SDU의 다중화 스케줄링 정보보고, HARQ를 통한 오류 정정, 동적 스케쥴링에 의한 UE들 간의 우선 순위 처리, 하나의 UE의 논리 채널들 간의 우선 순위 처리, 논리 채널 우선 순위화 (logical channel prioritization)를 담당합니다.

무선 링크 제어 - Radio Link Control (RLC)

RLC는 Transparent Mode (TM), Unacknowledged Mode (UM) 및 Acknowledged Mode (AM)의 세 가지 작동 모드로 작동합니다.

RLC 계층은 상위 계층 PDU의 전송, ARQ (AM 데이터 전송 전용)를 통한 오류 정정, RLC SDU의 Concatenation, 세그먼트화 및  재구성 (UM 및 AM 데이터 전송에만 해당)을 통한 오류 수정을 담당합니다.

RLC는 또한 RLC 데이터 PDU의 재분할 (AM 데이터 전송 전용), RLC 데이터 PDU의 재배열 (UM 및 AM 데이터 전송 전용), 중복 검출 (UM 및 AM 데이터 전송 전용), RLC SDU 폐기 (UM 및 AM 데이터 전송에만 해당), RLC 재구성 및 프로토콜 오류 감지 (AM 데이터 전송에만 해당)도 담당합니다.

무선 자원 제어 - Radio Resource Control (RRC)

RRC 부계층의 주된 서비스 및 기능은 Non-Access Stratum (NAS)에 관련된 시스템 정보의 브로드 캐스트, Access Stratum (AS)과 관련된 시스템 정보의 브로드 캐스트, UE 및 E-UTRAN사이의 RRC 연결의 페이징, 설정, 유지 보수 및 릴리스, 종단간 무선 베어러의 키 관리, 설정, 구성, 유지 및 릴리스를 포함하는 보안 기능을 담당합니다.

패킷 데이터 컨버전스 제어 - Packet Data Convergence Control (PDCP)

PDCP 계층은 IP 데이터의 헤더 압축 및 압축 해제, 데이터 전송 (User Plane 또는 Control Plane), PDCP 시퀀스 번호 유지 (SN), 하위 계층의 재구성시 상위 계층 PDU의 순차 전달, 복제 RLC AM에 매핑된 무선 베어러에 대한 하위 계층의 재설정시 하위 계층 SDU의 중복 제거, User Plane 데이터 및 Control Plane 데이터의 암호화 및 풀기, Control Plane 데이터의 무결성 보호 및 무결성 검증 등을 담당합니다.

Non Access Stratum (NAS) 프로토콜

Non Access Stratum (NAS) 프로토콜은 사용자 장비 (UE)와 MME 사이의 Control Plane의 최상위 계층을 형성한다.

NAS 프로토콜은 UE와 PDN GW 간의 IP 연결을 설정하고 유지하기 위해 UE의 이동성과 세션 관리 절차를 지원합니다.