[LTE] LTE QoS / PCC 정리

QoS = Quality of Service
PCC = Policy and Charging Control
참고 자료는 모두 NETMANIAS입니다. (맨 아래 참고)
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QoS의 정의
- 돈을 많이 낸 가입자의 트래픽을 그만큼의 품질을 보장해 주겠다
- 중요한 서비스 트래픽은 그 품질을 보장해 주겠다 (ex) Voice > Internet
=> 어떤 종류의 망이든 표준에 기반해 상황에 따라 적합한 기능을 제공하겠다

망은 QoS 요구사항에 따라 사용자 트래픽 전송 경로를 설정하거나, 서비스 별 IP flow를 제어함

 
EPS Bearer = GTP 방식의 터널
= UE와 P-GW 사이에 생성되는 터널로, 이 터널을 통해 다양한 종류의 트래픽이 지나다닐 수 있음
 다양한 종류의 트래픽 = IP Flow *
UE당 하나만 생성되는 개념이 아님
서비스 특성(QoS)에 따라 여러 개 생성됨

생성되는 시점에 따라 2 type 존재
Default EPS Bearer = 단말이 LTE망에 접속하면 무조건 생성 – Detach 전까지 유지
=> Non-GBR (Non-Guaranteed Bit Rate) = Best effort 품질 보장 불가. 꼭 품질이 좋을 필요 없이 무조건 존재해야 한다는 것
Dedicated EPS Bearer = Default 생성 이후 추가적으로 필요 시 생성 
=> Non-GBR일수도 있고 GBR일 수도 있다

Why? 예를 들어, UE가 처음 망에 접속하면 Default EPS Bearer만 생성됨 (Internet)
근데 내가 Voice Call 하려고 하면, Internet보다 QoS 품질 좋아야 함
그러므로 이 Internet 용으로 생성된 EPS Bearer로 서비스 못함
=> on demand로 Voice Dedicated EPS Bearer 생성해야 하는 것!  이것은 품질 보장받기 위해 GBR로 생성되어야 함

* 여기서 IP Flow는 패킷의 5-tuple로 구분됨
예를 들어 어떤 UE가 네이버에 접속한다면 5-tuple은?  이 5가지 전부가 하나의 IP flow
- Source IP = UE IP 주소
- Destination IP = 네이버 서버 IP 주소
- Protocol ID = 6 (= TCP)
- Source port = Random number (= Ephemeral port number)
- Destination Port = 90 (=www) 

IP Flow와 SDF

UE는 네이버 접속만 하는게 아니죠? 다양한 서비스에 따라 그만큼의 IP flow가 존재하게 됩니다
이 IP flow는 P-GW의 5-tuple 기반의 classifier에 의해 SDF로 매핑이 됩니다
= 같은 서비스 품질을 가진 IP flow들은 SDF로 매핑이 됨. 
SDF = Service data flow = 사용자 정책을 반영한 QoS 규칙 적용 단위
= SDF로 서비스들이 매핑되면, P-GW는 SDF별로 QoS를 처리할 수 있게 됨
그러면 SDF가 EPS Bearer를 통해 UE까지 전달되는 것
 즉, 
P-GW에서 서비스 및 QoS 내용을 SDF 매핑함
그 SDF 를 기준으로 EPS Bearer에 매핑
EPS Bearer 를 통해 P-GW가 UE에게 QoS 전달

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사용자로 향하는 IP flow들은 서비스 특성에 따라 SDF template(classifier)을 통해 SDF로 filtering(분류)되고 SDF별로 QoS 정책(예, 대역폭 제어)이 적용되어 사용자에게 전달된다. EPS 전달망에서 QoS는 EPS 베어러에 의해 제공되므로 각 SDF는 자신의 QoS 요구사항을 만족해 줄 수 있는 EPS 베어러로 맵핑되어 전송된다. 

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LTE QoS parameter
 

적용 레벨에 따라 구분
SDF QoS 파라미터: QCI, ARP, GBR, MBR //서비스 레벨 = SDF 레벨
=> P-GW에 인스톨
EPS 베어러 QoS 파라미터: QCI, ARP, GBR, MBR, APN-AMBR, UE-AMBR //베어러 레벨 = SDF aggregate 레벨
=> EPS 엔터티들(UE, eNB, S-GW, P-GW)에 인스톨

Resource Type (GBR / Non-GBR)
= EPS 베어러가 대역폭을 보장받을 수 있나 없나?
있다 = GBR
없다 = Non-GBR
Dedicated EPS Bearer만이 GBR 타입이 될 수 있다 (GBR / Non-GBR 둘 다 가능)
Default는 무조건 Non-GBR
QCI (QoS Class Identifier) 
QoS 우선 순위를 정수값인 1-9로 표현한 것
 QCI 값에 따라 EPS Bearer 또는 SDF가 보장받을 수 있는 QoS 품질이 달라짐
표준에 근거하여 각 값마다 Resource Type / Priority / Packet delay Budget / Packet Error loss 값 내포
- Packet delay budget = 패킷 지연 허용치 (50ms – 300ms)
- Packet Error loss = 패킷 손실 허용치 (10^(-2)~10^(-6))

ARP (Allocation and Retention Priority)

LTE 망에 자원이 부족한 상황에서 새로운 EPS Bearer가 생성되어야 하는 경우
기존 EPS Bearer 삭제 /higher priority를 위해 low priority 삭제
새로운 EPS Bearer 생성 거절
=> 둘 중 하나를 판단하는 파라미터
새로운 EPS Bearer 생성 여부만 관여, 일단 생성된 이후에는 관여 안함
(ex) Emergency VoIP call= 119 긴급 VoIP 전화를 위한 EPS Bearer 생성을 위해서는 기존의 EPS Bearer를 삭제할 수 있음

GBR (UL/DL)
Resource Type이 GBR인 경우 LTE망에서 보장해야 하는 대역폭 명시
MBR (UL/DL)
Resource Type이 GBR인 경우 LTE망에서 허용된 최대 대역폭 명시
MBR에서 명시한 대역폭 이상으로 패킷 유입 시 폐기
APN-AMBR (UL/DL)
Non-GBR인 경우 모든 Non-GBR형 EPS Bearer를 합쳐서 대역폭 제한이 적용됨
UE-AMBR (UL/DL)
하나의 UE는 여러 PDN에 접속이 가능 (위 그림의 PDN Connection이 2개인 것처럼..)
(ex) PDN1은 인터넷용, PDN2는 IMS를 이용한 VoIP용..
각 PDN 접속마다 IP 주소를 가지게 됨
UE-AMBR은 PDN에 상관 없이 해당 UE가 송수신하는 모든 Non-GBR형 EPS Bearer에게 허용된 최대 대역폭 적용
                
                 정리
                하나의 IP 주소 = 하나의 Default Bearer = 하나의 APN = 하나의 EPS 세션 = 하나의 PDN 커넥션
                Dedicated Bearer는 없을 수도 여러개 있을 수도 있음. 상관 무
                
                우리는 주로 2개의 IP 사용함 = 2개의 PDN connection = IMS + Internet 

UE는 여러 개의 APN에 접속할 수 있고 APN 당 하나의 Default Bearer와 여러 개의 Dedicated EPS Bearer를 설정 할 수 있음
                최대 EPS Bearer 생성 11개까지 가능    

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UE가 LTE 망에 접속하면 IP 주소를 할당받고 PDN(Packet Data Network) 연결1을 생성하면서 동시에 default EPS 베어러가 생성된다. 
사용자가 default 베어러를 통해 서비스(예, Internet)를 이용하다가 default 베어러로는 QoS를 제대로 제공받을 수 없는 서비스(예, VoD)를 이용하게 되면 on-demand로 dedicated 베어러가 생성된다. 즉 dedicated 베어러는 이미 설정되어 있는 베어러와는 다른 QoS로 설정된다
               

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망에 초기 접속 시 어느 APN으로 어떤 QoS 적용해서 생성할 것인지는 사용자의 가입 정보로 HSS에 provisioning 되어 있음
                UE initial attach 시 MME는 HSS로부터 사용자 가입 정보(default APN, EPS subscribed QoS profile) 다운받아 가입자 QoS profile 이용하여 해당 PDN으로 default bearer 생성

QoS Flow = 하향 IP flow들이 EPS 거쳐 사용자에게 전달될 때

사용자 IP flow = PDN 거쳐 P-GW에 도착
SDF template 통해 SDF로 filtering 
IP flow 1 = SDF 1
IP flow 2 = SDF 2 …
각 SDF 별로 QoS 규칙 적용
TFT filtering (Traffic Flow Template) 규칙에 따라 EPS 베어러로 매핑
(ex) SDF1+SDF2 = Default 
SDF3+SDF4 = Dedicated 
해당 EPS Bearer 통해 UE에게 전달
                
SDF 및 EPS Bearer QoS 예

https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=10562
DL/ UL에서 1개의 PDN connection을 상정하여 어떻게 IP flow가 SDF 매핑이 되고, 그것이 EPS 베어러에서 QoS 적용이 되는 지 보여주는 예시 입니다
5번의 QoS flow를 자세히 풀어서 설명하고 있으니 5번이 이해되지 않으면 링크 클릭하여 읽어 보세요. 

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PCC
등장 배경
LTE 서비스를 이용하는 사용자는 서비스별 APN(Access Point Name)으로 EPS 세션(EPS session)을 생성 또는 변경한다. 
망은 사용자가 EPS 세션을 생성/변경 시 망 자원을 어떻게 할당하고 과금은 어떻게 제어할지 결정하여 세션이 유지되는 동안 적용한다.
 할당& 결정 기능 = PCC (Policy and Charging Control)
How? PCRF (Policy and Charging Control Function) , PCEF (Policy and Charging Enforcement Function)

PCRF
EPS 세션을 생성 또는 변경할 때 PCRF는 SDF(Service Data Flow) 별로 PCC 규칙을 결정
PCC 규칙은 사업자 정책(예, QoS 정책, gate status, 과금 방법)을 기반으로 결정
PCEF
PCEF(P-GW)는 SDF를 검출하여 사용자 패킷에 해당 SDF의 PCC 규칙을 적용
SDF QoS와 베어러 QoS를 바인딩하여 EPS 베어러에 반영
= EPS 엔터티들(UE, eNB, S-GW, P-GW, MME)에 EPS 베어러 context 값을 설정 및 변경

지금까지 배운 것들과의 관계
EPS 세션의 생성, 변경, 종료 <- PCC 절차에 의해 수행
EPS 세션 Context 처리 <- ESM 기능에 의해 지원 (NAS 계층)

PCC 규칙의 정의
• 목적: PCC 규칙은 SDF에 속한 패킷을 검출하고, 어떤 서비스인지 식별하고, SDF에 적용할 과금 파라미터를 제공하며, SDF에 대한 정책 제어를 제공한다.
• 적용 대상: PCC 규칙은 SDF 단위로 결정된다. PCEF(P-GW)에서 패킷 filters(SDF template)에 의해 분류된 IP 패킷들은 해당 SDF에 적용된 PCC 규칙을 적용 받는다.
• 종류: PCC 규칙은 동적 PCC 규칙(dynamic PCC rule)과 미리 정의된 PCC 규칙(pre-defined PCC rule)으로 구분된다. 동적 PCC 규칙은 EPS 세션 생성/변경시 PCRF에서 P-GW로 동적으로 제공되고, 미리 정의된 PCC 규칙은 P-GW에 미리 설정되어 있어 PCRF에 의해 활성화/비활성화 된다.
• 구성 요소: PCC 규칙은 정책 규칙명(policy rule name), 서비스 ID, SDF template, gate status, QoS 파라미터, 과금 파라미터 등으로 구성되며* 사업자 정책에 따라 결정된다.



PCC 규칙의 종류
미리 정해놓은 PCC 규칙
(ex) P2P 규칙

PCRF는 미리 정의된 PCC 규칙을 선택한 경우 P-GW로 PCC 규칙 구성 요소를 모두 전달할 필요 없이 정책 규칙명(policy rule name), 즉 “P2P”만 전달한다.

동적 PCC 규칙
(ex) 사용자가 인터넷 서비스와 음성 서비스를 이용할 때 동적 PCC 규칙이 P-GW에 설정되는 과정
• 사업자 정책 - 인터넷 서비스는 망 자원이 허용하는 한도만큼 액세스할 수 있고 음성 서비스는 음성 패킷의 전송률을 보장한다.
• APN - 인터넷 서비스와 음성 서비스는 서로 다른 APN, 즉 인터넷과 IMS 망으로 접속한다.
• PCC 규칙명 - 인터넷 서비스: “Internet”, 음성 서비스: “Voice-C”(SIP 시그널링)/”Voice-U”(음성 패킷)
 

** 여기서 Default Bearer가 2개인 걸 볼 수 있음
즉? 여긴 PDN 연결이 2개라는 거 = EPS 세션이 2개라는 것임 = APN 2개
APN = internet + IMS 두개고 APN으로 세션 구분 가능

=> 규칙별로 구분하면
“Internet” 규칙은 인터넷을 사용하는 모든 패킷 flow에 적용되며, MBR(UL/DL)을 무제한으로 하여 인터넷 접속을 위한 가용 용량 안에서 최대로 사용할 수 있게 한다. “Internet” 규칙은 인터넷으로 접속하는 default 베어러에 적용되는데, APN-AMBR(UL/DL)을 무제한으로 하여 다른 사용자가 없으면 최대 전송률까지 사용할 수 있고 사용자가 많으면 전송률은 줄어든다.
“Voice-C” 규칙은 SIP 시그널링에 적용된다. IMS 망으로 접속하는 default 베어러에 적용되어 APN-AMBR (UL/DL)이 100Kbps로 지원된다.
“Voice-U” 규칙은 사용자 음성 패킷인 미디어 패킷에 적용되며, GBR이 적용된다. 음성 세션이 유지되는 동안 항상 UL/DL 88Kbps로 전송할 수 있도록 망 자원이 할당되며, IMS로 접속하는 dedicated 베어러가 생성되어 GBR(UL/DL) 88Kbps로 전송된다.

EPS 세션 생성, 변경 시 서비스 종류에 따라 동적으로 PCC 규칙명 + 규칙에 해당하는 파라미터를 P-GW로 전달
 P-GW는 PCRF로부터 전달받은 정책 파라미터들을 베어러 속성에 맵핑 & IP 패킷별로 적용

** Resource type에 따라,
detach하지 않는 한 default 베어러를 유지하므로 P-GW에는 기본적으로 “Internet” 규칙과 “Voice-C” 규칙이 설정되어 있다. 
IMS APN 상의 dedicated 베어러는 음성 호 발생시 생성되어 통화가 끝나면 없어진다.

PCC 규칙 적용 후 EPS 엔터티에 있는 정보
- 인터넷 서비스

QCI 5 = default eps bearer (IMS)
+ QCI 9 = default eps bearer (Internet)
기본 initial attach flow와 유사

                - 음성 서비스
                IMS 초기 접속 후 default bearer 생성됨과 동시에 음성 호 발생한 경우
                 SIP signaling용 EPS default bearer QoS 설정 + voice-U용 Dedicated bearer QoS 추가로 설정
                

사용자가 음성 통화를 끝내면 P-CSCF는 PCRF로 이를 알린다. PCRF는 EPS 세션 변경 절차를 시작하여 dedicated 베어러가 종료되고, UE, eNB, S-GW, P-GW에서 dedicated 베어러 context가 삭제된다. 
SIP 시그널링을 위한 default 베어러는 음성 통화가 종료되어도 UE가 detach하지 않는 한 유지된다.



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참고 자료

1. LTE QoS (1편) - EPS Bearer와 SDF | NETMANIAS
2. LTE QoS (2편) - LTE QoS 파라미터 (QCI, ARP, GBR, MBR 등) | NETMANIAS
3. LTE QoS: SDF 및 EPS 베어러 QoS | NETMANIAS
4. LTE Policy and Charging Control (PCC) | NETMANIAS
5. 3GPP TS 23.203 – Policy and charging control architecture – TechSpec (itecspec.com)

Network Manias

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Example) 

LTE에서 음성 서비스는 두 개의 PDN 사용하므로 (인터넷 + IMS) Default bearer 또한 2개입니다 
음성 서비스에서는 IMS PDN이 꼭 필요합니다
> IMS PDN 
1. 음성 시그널링 – SIP 프로토콜 / default bearer 
2. 미디어 패킷 – RTP 프로토콜 / dedicated bearer 
일단 기본적으로 Initial attach 시 인터넷 서비스 사용자는 EPS 세션 설정하며 그에 해당하는 default bearer를 설정하고 // EPS registration
그 후에 음성 서비스를 이용하기 위해 IMS로 접속하며 또 EPS 세션을 설정/변경하게 됩니다 

우선 Attach하여 LTE 접속하면 
  음성 서비스를 위한 EPS 세션이 생성되면서 
 LTE 망에는 IMS 망으로 접속하기 위한 default bearer가 생성됩니다
이 과정에서 
1. 음성 서비스 시그널링을 위한 PCC 규칙 (Voice-C)이 적용되며
2. 이 default bearer를 통해 SIP 시그널링이 전달되고
3. 결국 사용자와 IMS 망 간 IMS 인증/등록이 수행됩니다
이렇게 IMS 등록을 해두면, 이후 음성 호가 발생했을 때 IMS 망이 이를 인지하여 PCRF로 알릴 수 있게 됩니다 
 PCRF는 음성 패킷을 전달하기 위한 PCC 규칙(Voice-U)을 결정하여 P-GW로 전달하고
 P-GW는 음성 미디어 패킷을 전달하기 위한 dedicated bearer를 생성하고, 이를 통해 음성 패킷을 전달합니다