LTE와 5G에서의 handover 및 tunneling
1. Base station association: 단말의 초기 연결
모바일 장치가 새로운 지역에 진입하거나 전원이 켜지면, 가장 먼저 주변 **기지국(eNode-B)**과 연결을 시도한다. 이때 단말은 **IMSI(국제 이동 가입자 식별자)**를 통해 자신을 식별하고, 어느 home network 소속인지 네트워크에 알린다. 이 단계는 이미 WiFi, 3G에서도 존재했던 기본적인 연결 성립 과정이며, 사용자의 “정체성”이 네트워크에 전달되는 최초 접점이다.
2. Control-plane configuration: 제어 정보 구성
기지국은 사용자의 소속을 기반으로 해당 사용자의 **home network의 HSS(Home Subscriber Server)**와 통신하여 인증과 초기 제어 상태 설정을 수행한다. 이 작업은 **MME(Mobility Management Entity)**가 주도하며, MME는 이동성 관리 전담 노드로서 사용자 인증, 위치 등록, 핸드오버 조정 등을 수행한다. 이 단계에서 “이 사용자가 현재 이 visited network에 존재한다”는 정보가 home network에 등록된다. 이로써 제어 평면(control plane) 상의 연결 상태가 완성된다.
3. Data-plane configuration: 데이터 터널 구성
제어 평면이 설정된 후, **데이터 전달 경로(data plane)**가 설정된다. MME는 이를 위해 S-GW(Serving Gateway) 및 **P-GW(PDN Gateway)**와 연동하여, 사용자의 트래픽이 외부 인터넷(예: 스트리밍 서버)과 주고받을 수 있도록 IP 터널링 구조를 설정한다. 특히 GTP(GPRS Tunneling Protocol)를 사용하여, 사용자 데이터는 home network의 P-GW부터 단말까지 IP 터널을 통해 전달된다. 이 과정은 사용자가 이동하더라도 IP 주소가 바뀌지 않고, 세션이 유지되도록 보장한다.
4. Mobile handover: 이동 중 기지국 변경
사용자가 걸어 다니거나 차량 등을 통해 물리적으로 움직이면, 다른 기지국의 커버리지로 진입하게 된다. 이 경우 handover 절차가 발생하며, 기존 기지국에서 새로운 기지국으로 무선 링크가 전환되고, 필요시 데이터 터널 경로도 새로운 S-GW와 연동하여 다시 설정된다. 이때도 MME가 중심이 되어 새로운 base station과의 연결 설정, 기존 세션 유지, 터널 재조정을 담당한다.
LTE에서 control-plane 요소 구성 과정은 다음과 같다. 모바일 단말(UE)은 기지국(Base Station)과 연결되면, 제어 채널(control-plane channel)을 통해 해당 지역의 **MME(Mobility Management Entity)**와 통신을 시작한다. 이는 단말이 네트워크에 “자신이 누구인지”를 알리는 첫 단계다.
이때 단말은 **IMSI(International Mobile Subscriber Identity)**를 제공하며, MME는 이를 기반으로 사용자의 **home network에 있는 HSS(Home Subscriber Server)**와 연결을 시도한다.
MME는 HSS로부터 다음과 같은 정보를 받아온다:
- 사용자 인증 정보
- 암호화 및 보안 키
- 가입된 서비스 설정 (예: 데이터/음성 사용 허용 여부, QoS)
이 과정을 통해 home HSS는 사용자가 현재 visited network에 머물고 있다는 사실을 공식적으로 인지하고, 제어 상태를 업데이트한다.
이후 base station과 단말은 협상을 통해 무선 데이터 채널 설정에 필요한 파라미터들을 선택한다. 예를 들어, modulation 방식, 주파수 대역, 시간 슬롯 배정 등이 이에 포함된다.
모바일 단말이 네트워크에 접속하면, 우선 **기지국(Base Station)**과 S-GW(Serving Gateway) 사이에 데이터 터널이 설정된다. 이 터널은 단말의 위치가 바뀌더라도 연결을 유지할 수 있게 설계되어 있으며, 단말이 다른 기지국으로 이동할 경우에도 전체 터널을 다시 설정하는 것이 아니라, 기존 터널의 종단점 IP 주소만 업데이트하면 되도록 구성된다. 이는 handover 중에도 세션이 끊기지 않게 해주는 핵심 메커니즘이다.
그다음, S-GW와 P-GW(PDN Gateway) 사이에도 또 다른 터널이 설정되는데, 이는 home network와의 연결을 지속적으로 유지하는 indirect routing 구조의 실현이다. 단말의 데이터는 항상 home network를 통해 외부 인터넷으로 나가기 때문에, 이 구간의 터널은 모바일 IP에서의 home agent 역할을 수행하는 구조와 같다.
이러한 터널링은 **GTP(GPRS Tunneling Protocol)**을 기반으로 이루어진다. 실제로는 단말이 스트리밍 서버와 통신하려는 데이터그램을 **GTP로 캡슐화(encapsulation)**한 후, 다시 UDP로 감싸고, 마지막으로 일반적인 IP 데이터그램 형태로 전송된다.
즉, 최종적으로 스트리밍 서버까지 도달하는 데이터는 다음과 같은 캡슐 구조를 갖는다:
[IP 헤더] → [UDP 헤더] → [GTP 헤더] → [원래의 모바일 데이터그램]
이 layered encapsulation 덕분에, 사용자가 기지국을 바꾸거나 심지어 네트워크 간을 이동하더라도, data-plane 경로는 터널 단위로 유연하게 조정될 수 있으며, IP 주소는 그대로 유지되고 애플리케이션 레벨의 연결도 끊김 없이 유지된다. 이 구조가 바로 LTE의 고속 데이터 서비스와 seamless mobility를 가능하게 하는 핵심 기반이다.
1. 현재 연결된 Source BS는 단말의 위치나 품질 정보 등을 기반으로 적절한 Target BS를 선택하고, 해당 BS에게 Handover Request 메시지를 보낸다.
2. Target BS는 요청을 수신한 뒤, 단말과 통신할 수 있도록 필요한 무선 자원(예: 타임 슬롯)을 미리 예약하고, 이 정보를 담아 Handover Request ACK 메시지로 응답한다.
3. Source BS는 단말에게 새로운 기지국(Target BS)에 대한 정보를 전달한다. 이로 인해 단말은 Target BS를 통해 데이터를 송수신할 준비를 하게 되며, 단말 입장에서는 핸드오버가 완료된 것처럼 보인다.
4. 실제로는 아직 코어 네트워크의 터널링 경로가 변경되지 않았기 때문에, Source BS는 단말에게 직접 데이터를 전송하는 것을 중단하고, 대신 받은 데이터그램을 Target BS로 전달한다. Target BS는 이를 무선 채널을 통해 단말에게 전송한다.
5. Target BS는 코어 네트워크 상의 MME에게 자신이 이제 단말의 새로운 기지국임을 알린다. MME는 이를 바탕으로 S-GW에게 단말과의 데이터 터널 종단점을 기존 Source BS에서 새로운 Target BS로 변경하도록 지시한다.
6. 이후 Target BS는 Source BS에게 핸드오버가 완료되었음을 통지하고, Source BS는 관련 자원을 해제한다.
7. 이제부터 단말의 모든 데이터는 P-GW에서 S-GW를 거쳐 새로 설정된 터널을 통해 Target BS로 전달되며, 이로써 데이터 경로도 완전히 새로운 기지국 기반으로 전환된다.
management: practice (mobile IP)
Mobile IP는 약 20년 전에 RFC 5944를 통해 표준화된 아키텍처로, 오늘날의 스마트폰과 4G 기반 인터넷 통신이 일반화되기 훨씬 이전에 제안되었다. 당시에는 WiFi를 통해 인터넷에 접속하고, 2G/3G 휴대폰을 통해 음성 통화를 하는 방식이 충분히 실용적이었기 때문에 Mobile IP는 실제로 널리 배포되거나 사용되지는 않았다.
이 아키텍처의 핵심 아이디어는 **간접 라우팅(indirect routing)**을 사용하는 것이다. 즉, 모바일 노드가 이동 중일 때도 항상 고정된 홈 네트워크를 경유해서 데이터를 전달받는다. 이를 위해 터널링(tunneling) 기술이 활용되며, 모바일 노드가 어느 네트워크에 있든지 간에 패킷은 먼저 홈 네트워크로 전송된 후, 거기서부터 터널을 통해 모바일 노드에게 전달된다.
Mobile IP에서의 home agent는 4G 아키텍처의 HSS(Home Subscriber Server)와 home P-GW(Packet Gateway)의 역할을 모두 통합한 것으로 볼 수 있다. 이 에이전트는 모바일 노드의 “영구 주소”를 관리하고, 현재의 위치 정보를 바탕으로 터널을 통해 데이터를 전달한다.
반면, 모바일 노드가 방문한 네트워크에서 동작하는 foreign agent는 4G의 MME(Mobility Management Entity)와 S-GW(Serving Gateway)의 역할을 통합한다. 이 에이전트는 모바일 노드가 접속한 현지 네트워크에서 그를 대신해 통신을 중계하고, 홈 에이전트와 협력하여 터널을 설정한다.
이러한 동작을 위해, Mobile IP는 ICMP 확장을 기반으로 한 프로토콜을 사용하여 방문한 네트워크 내에서 에이전트를 검색하고, 자신의 위치를 홈 네트워크에 등록하는 절차를 수행한다. 이 등록을 통해 홈 에이전트는 모바일 노드가 현재 어느 foreign agent를 통해 접근 가능한지를 파악하고, 그에 맞게 터널을 구성하게 된다.
결국 Mobile IP는 오늘날의 LTE와 유사한 기능을 초기에 구현하려 했던 시도로 볼 수 있지만, 시대적 기술 환경이나 사용자 요구와의 괴리로 인해 대중적인 채택에는 이르지 못했다.