송평중┃5G포럼 네트워크기술위원회 부위원장, ETRI 5G 기가서비스연구부문 책임
구연상┃5G포럼 네트워크기술위원회 간사, LGU+ 부장
박중신┃5G포럼 네트워크기술위원회 부위원장, 삼성전자 수석
김중섭┃5G포럼 네트워크기술위원회 부위원장, LGU+ 팀장
김대희┃5G포럼 네트워크기술위원회 위원장, LGU+ 상무
4G 대비 5G 네트워크의 대표적 차별화 기술은 Service‐Based Architecture, Data Storage Architectures, Mobile Edge Computing 및 Network slicing 기술을 들 수 있다. 특히 이들 새로운 기술의 총체적 집약기술이라 할 수 있는 ‘네트워크 슬라이싱’ 기술은 ‘IT concept 기반 Revolution approach’를 취하고 있고, 미래에 출현할 다양한 융합산업 인프라를 저비용 고효율로 실현할 수 있는 솔루션인 동시에 이들 산업 인프 라의 활성화를 촉진시키는 중요기술로 기대되고 있다.
NGMN, 5GPPP를 비롯하여 IMT-2020 PG, 5G America 및 5GMF 등에서 각종 백서를 통해 밝힌 바와 같이, 5G 시스템이 추구해야 할 기본 방향은 ‘무선전송분야의 New radio 기술과 네트 워크 분야의 Virtualization/Network slicing 기술’로 집약될 수 있으며, 이 양대산맥기술이 잘 조화, 결합되면, 최근 미래 융합산업의 비전으로 인식되고 있는 4차산업혁명의 실체적인 네트워크 인프라로서의 큰 역활을 할 수 있을 것으로 기대된다.
5G 네트워크 아키텍처 표준은 2015년 11월 Study Item(NextGen)을 시작하여 그 결과문서인 TR23.799 기술보고서를 2016년말 완성하고, 2017년말 TS23.501/ TS23.502 공식 표준규격 (5GS_phase 1, Stage2)을 1차 완료할 계획이다.
5G 네트워크 개요
5G 네트워크은 4세대까지의 이동통신 고유의 인프라 역할뿐 아니라, 미래의 융합 산업 전반에 필요한 기반 인프라를 제공할 것으로 기대되고 있 다. 이에 부응하여 ITU, ETSI 및 3GPP 등의 세계표준기관은 5G 유/무선 네트워크 분야를 망라한 표준기술 개발에 주력하여, 미래의 다양한 버티칼 산업을 저비용 고효율로 실현할 수 있는 현실적 솔 루션을 도출하기 위한 표준작업을 진행하고 있다. 본 이슈 리포트에서는 5G 네트워크 아키텍처를 개발하고 있는 대표 실무 그룹인 3GPP SA2의 표준 규격서를 바탕으로 5G 네트워크의 설계 원칙, 아키텍처 Model 및 네트워크 Features 에 대한 주요 표준이슈를 살펴본다.
[그림 1] 5G 네트워크 아키텍처의 주요 이슈
현재 3GPP SA2 그룹에서 고려하고 있는 코어 네트워크 아키텍처의 주요이슈는 그림 1과 같이 서비스 기반 아키텍처(SBA), 데이터 스토리지 아키텍처(DSF) 등을 5G 네트워크 아키텍처 모델과, ‘On demand 방식’의 Mobility/Session/QoS 관리, 네트워크 슬라이싱 및 엣지 컴튜팅 등의 네트워크 Features 등을 포함한다. 그림 1의 점선 분 야는 프로토콜 스택 및 프로시져에 관한 세부기술에 해당되며, 본 이슈 리포트에서는 제외하였다.
5G 네트워크 설계 원칙
5G 네트워크 아키텍처는 ‘네트워크의 소프트웨어화 및 가상화’를 실현할 수 있도록 NFV/SDN/Cloud 기술을 본격 도입하고, 서비스 기반 인터페이스 (Service-Based Interface) 및 네트워크 슬라이싱(Network slicing)등의 개념을 추가하는 등 새로운 네트워크 설계 원칙하에 표준화를 진행하고 있다. 현재 3GPP SA2에서 채택된 네트워크 설계 원칙은 아래와 같다.
네트워크의 확장성과 유연성을 강화하기 위해 사용자평면(UP)과 제어평면(CP)의 완전 분리
효과적 Network slicing을 위한 네트워크 기능(NF)의 모듈화
임의 네트워크 기능(NF)이 다른 네트워크 기능(NF)과 직접 통신하는 인터랙션 기능 을 제어평면에 수용
액세스 네트워크 기술(AN)에 무관하게 코아 네트워크을 설계할 수 있도록 두 네트워크 간의 의존성 최소화
모빌리티관리(AMF)와 세션관리(SMF) 기능 간의 완전 분리를 위해 통합된 인증기능 지원
임의 NF 상태 정보를 Cloud DB에 저장함으 로써 각 NF가 State 정보를 유지할 필요가 없도록, NF의 동작(Operations)과 상태 정보(State machine)를 분리하여 별도 관리
인터랙션하고자 하는 타겟 NF을 쉽게 Discovery & Selection하고, API 활용을 편하게 하는 네 트워크 래파저터리(NRF: Network Repository Function) 및 네트워크 익스포우져(NEF: Network ExposureFunction) 기능 추가
단말이 로컬 서비스와 센트럴 서비스를 동시에 받을 수 있도록 동시 액세스 기능 수용 (Local & Centralized services)
저지연 서비스를 지원할 수 있도록 코아 네트워크의 사용자 평면기능을 액세스 네트워크에 가까이 위치(MEC, LADN)
로-밍(Roaming) 기능 지원
상기한 설계원칙은 이하 절에서 설명하는 5G 네트워크 Model 및 Features 설계에 직접 반영되고 있다.
5G 네트워크 아키텍처 Model 주요 이슈
◎ 서비스 기반 아키텍처(SBA)
Service-based Architecture 모델은 LTE에 없던 새로운 개념이며, ‘네트워크 기능의 모듈화 및 이들 NFs간의 인터랙션’을 통해, 아키텍처의 유연성과 확장성을 보다 강화하기 위해 도입되었다. 이 모델의 기본 개념은 두 네트워크 기능간 인터랙션을 ‘Provider-Consumer 관계’ 기반으로 동작하게 함으로써, 네트워크 기능(Network Functions, 이하 NF)의 추가, 변경 및 재활용을 자유롭게 설계할 수 있게 한 것이다.
5G 네트워크 아키텍처의 초기단계인 TR (Technical Report) 단계에서는 시스코, 화웨이, 노키아, 도이치 텔레콤 등에서 후보 솔류션을 제안하였고, 수차례의 논의, 통합과정을 거쳐 그림 2와 같은 모델이 산통끝에 도출되었다. 이 모델의 동작원리는 다음과 같다. 먼저 5G 코어 네트워크(Core Network, 이하 CN) 기능을 적정 사이즈의 네트워크 기능(NF)으로 모듈화하고 이 들 NF간의 인터랙션을 정의한다. 이후, 특정 서비스 응용에 필요한 서비스 체이닝 시나리오에 따라 표준화된 인터페이스(Nxxx)를 통해 관련 NFs Set를 상호 연결시키고 ‘Provider-Consumer 관계’ 기반으로 동작시키는 것이다. 이 모델은 제어 평면(CP)내의 NF간에만 적용되고 사용자 트래픽 평면(UP)에는 적용되지 않는다.
SA2에선 NF간 인터페이스 방법으로는 SBA외 에도 P2P(Point-to-Point)도 함께 고려하기로 하였고, Stage 3 규격엔 SBA를 우선 적용하고 P2P는 보조 표기 수단으로 규격에 병용하기로 합의하였다. 그림 1에서 ‘Nxxx’(예: Namf) 표시는 특정 네트워크 기능(NF)인 ‘xxx’(예: AMF)가 상 대 NF와 통신하기 위한 서비스 기반 인터페이스 (Service-based Interface)를 의미한다.
[그림 2] 5G 시스템의 기본 아키텍처(SBI 기반)
◎ 데이터 스토리지 아키텍처
데이터 스토리지 기능(Data Storage Function, 이하 DSF)은 네트워크 가상화 환경에서 각 네트워크 기능(NF)의 보유 데이터를 클라우드 DB 개 념으로 운용하기 위해 도입되었다. 이에 따라, 각 네트워크 기능(NF)의 고유 데이터는 제어평면 (CP) 상에서 ‘구조화된 데이터 형식(DSF)과 비구조화된 데이터 형식(UDSF)’으로 분류 정의되었다.
UDSF의 경우, 임의 NF는 자신의 보유 데이터 를 UDSF DB에 저장할 수 있고, 자신의 위치에서 가장 가까운 UDSF를 공유 혹은 자체 보유가 가능하도록 하였다.
DSF의 경우, 특정한 네트워크 기능(UDM, PCF 및 NEF)은 자신의 보유 데이터를 구조화된 형태로 UDR(Unified Data Repository) DB에 저장할 수 있다. UDR은 가입자등록데이터(Subscriber data), 정책 데이터(Policy data) 및 응용 데이터 (Application data)를 포함하도록 하였다. NEF 는 응용 데이터와 단말의 위치 정보를 이용하여 특정 응용서비스를 탐색, 요청할 수 있다.
[그림 3] 비구조화된 데이터를 위한 데이터 스토리지 아키텍처
[그림 4] 구조화된 데이터를 위한 데이터 스토리지 아키텍처
◎ Non-3GPP 액세스 지원
무선액세스 방식에 무관하게 5G 코어 네트워크를 실현하기 위해 ‘Untrusted non-3GPP accesses’ 을 수용하는 아키텍처가 정의되었다. 이를 위해 3GPP 와 Non-3GPP 시스템 중간에 LTE의 ePDG에 해 당하는 인터워킹 기능(N3IWF)이 추가되었다. 이 인터워킹 기능을 통해 제공되는 인터페이스는 3GPP access용 인터페이스(N1/N2/N3)를 변경없이 사용하도록 하였다. 이에 따라 와이파이와 고정 광대역 계열의 Non-3GPP access가 New Radio와 함께 사용될 수 있게 되었다.
현재, 주요이슈로 Non-3GPP 액세스 지원을 위한 Mobility/Session 관리 및 Security 이슈 등에 대한 표준화가 진행중이다.
[그림 5] Non-3GPP 액세스 지원을 위한 5G 코어네트워크 아키텍처
5G 네트워크 Fatutes 주요 이슈
◎ Mobility & Session 관리
5G 네트워크의 확장성과 유연성 개선 및 UP/CP 간의 완전 분리를 위해, 4G-EPC 기능 구조가 개편되었다. 일례로, LTE의 MME기능과 SGW 일부 기능은 5G AMF로 통합되고, LTE의 PGW 기능은 5G제어평면(SMF)과 사용자평면(UPF)으로 분리시켰다[그림 6]. 하지만, 시스템 상위레벨 관점에선 여전히 LTE EPC의 기본틀을 유지하고 있는 것으로 보인다. 이를테면, 그림 6의 우측과 같이 패킷호 처리 순서에 따라 위치 등록, 시그널링 연결, 이동성관리 및 PDU 세션 설정 등을 제어평면에서 차례로 수행하고 이후, 사용자 평면으로 넘어가 패킷 트래픽을 전달하도록 되어 있다.
[그림 6] 5G 코어 네트워크의 기본 기능 구성
특히, Mobility 관리의 경우, 5G CN에선 단말의 소요 전력 및 시그널링 오버헤드 개선을 위해 ‘Demand on Mobility’을 제공하도록 하였다. 이를 위해 정지상태의 센서나 주행중인 자동차와 같이 단말의 특성에 따라 Mobility 특성 및 Mobility 레벨을 분류하고, 이를 통해 단말과 코어 네트워크 간 페이징 사이즈 및 단말의 모니터링 범위를 최소화할 수 있게 하였다. Mobility 레벨은 3등급을 고려하고 있다. Unlimited mobility(Unlimited TAs for eMBB), Low mobility(5 TAs for Nomadic campus), No mobility(1 TA for Sensor)
현재, 모빌리티 관리에 필요한 프러시져 및 파라미터 등에 대한 표준화가 논의, 진행중이다.
◎ Uplink Classifier & Branching Point
트래픽 다이버시티를 지원하기 위해 한 단말이 멀티 데이터 경로를 통해 여러 데이터 네트워크(DNs)과 접속할 수 있도록 두 가지 방안이 정의되었다. 먼저, 업링크 분류 방식(Uplink Classifier)의 경우, 단말의 업링크 트래픽을 두 경로를 통해 보낼 수 있도록 하였다. 그림 7과 같이 UPF(트래 픽 포워딩 기능; User Plane Function with UL CL)는 업링크 분류 기능(UL CL)을 이용하여 두 경 로를 통해 트래픽을 분리하여 보낼 수 있다. 이를 위해 SMF(세션관리기능)는 설정된 데이터 경로 상에 위치한 UPF에 업링크 분류 기능(UL CL)을 삽입할 수 있으며, 이를 통해 트래픽 일부를 로컬 노드로도 전환시킬 수 있도록 하였다.
[그림 7] Uplink Classifier를 위한 사용자 트래픽 평면의 아키텍처
둘째로, 분기점 방식(Branching point)의 경우, 한개 PDU 세션이 여러 IPv6 prefixes와 연계되는 ‘멀티 홈 PDU 세션(multi-homed PDU session)’ 환경에서는 단말의 업링크 트래픽이 UPF의 분기점(Branching point)에서 분기된다. 이후, 둘 이상의 PDU(IPv6) 세션 앵커를 통해 복수 데이터 네트워크(DN)로 포워딩된다. 역으로 다운 링크 트래픽은 단말에서 병합될 수 있다. 단말 자체가 여러 데이터 네트워크(예; Local or Central DN)의 IP 주소를 보유할 수 있고, 이들 IP 주소 에 따라 UPF가 분기점(Branching point)에서 여러 DN으로 트래픽을 분기시킬 수 있다. 이를 위해 SMF가 UPF에 ‘분기 기능’을 삽입 혹은 제 거할 수 있다.
현재, IPv6 multi-homing과 Uplink Classifier에 대한 SSC mode적용, 특수 지역을 고려한 중 계용 SMF/UPF의 도입 여부 및 이에 따른 세션 관리 절차 등에 관해 표준화가 논의중이다.
◎ N2 Persistence Control
가상화 환경 기반의 5G네트워크에서는 네트워크 기능(AMF)의 과부하 및 유지보수 등으로 N2 인터페이스(기지국과 코어 네트워크 사이)가 새로운 트랜잭션을 맺을 때마다 동적으로 변경될 수 있다. LTE환경에선 N2에 해당하는 S1인터페이스가 일단 정해지면 고정된다. 이를 가능하도록 새로 도입된 기능이 N2 persistence control이며, 이로써 5G-RAN에 접속되어 서비스 중인 네트워크 기능 (AMF)은 상황에 따라 다른 네트워크 기능(예; AMF1 AMF2)으로 변경될 수 있게 되었다. N2 persistence control은 한때 ‘Stickiness’란 별칭으로 불리기도 하였고, ‘Stateless NF’와 함께 사용되기도 하였다. 현재, N2 persistence control 을 위한 구체적인 프러시져가 표준화중이다.
[그림 8] AMF/xNB pair간 복수인터페이스(TNL)를 허용하는 구성도
◎ 서비스 연속성 모드(SSC)
5G 시스템에선 단말이 이동함에 따라, 단말이 수많은 UPF(User Plane Function)을 거치게 되면서 ‘세션 및 서비스 연속성(SSC: Session and Service Continuity)’ 보장에 대한 문제가 제기되었고, 이를 지원하는 3가지 방안이 합의되었다.
SSC 모드 1 : 단말이 이동하여도 UE-DN을 연결하는 Anchor UPF는 고정되며, 사용하던 IP 주소도 보존됨.
SSC 모드 2(Make after break) : 단말의 이동에 따라 기존 UPF를 먼저 끊고 이후 새로운 UPF와 연결되며, 사용하던 IP 주소는 해제됨
SSC 모드 3(Make before break) : 새로운 UPF와 연결한 이후 이전 UPF를 해제하며, 단말의 이동에 따라 서비스 연결두절로 인한 패킷 손실은 없음.
그림 9와 같이 Multi-homing의 경우, 첫번째 PDU 세션 앵커는 SSC 모드 1을, 추가되는 IP prefix의 PDU 세션 앵커는 SSC 모드 3을 적용하기로 하였다. 단, PDU 세션이 유지되는 기간중 PDU 세션 앵커와 연관된 SSC 모드는 변경되지 않도록 하였다.
◎ QoS 모델
5G QoS 모델은 QoS flow를 기반으로 하는 프레임워크을 원칙으로 수용하였다. 5G CN에선 트래픽을 EPC의 Bearer 단위에서 IP flow 단위로 보다 세분화한 반면, 5G RAN에선 기존의 DRB (Dedicated Radio Bearer) 개념을 그대로 유지함으로써 유･무선 구간사이에 디커플링이 발생하게 되었고, 이를 완충하기 위해 무선구간에 새로운 계층(SDAP: Service data adaptation protocol, 일명 QoS layer)을 추가하였다. 또한, 5G QoS 모델은 GBR QoS flows과 Non-GBR QoS flows 이외에 LTE에 없던 ‘Reflective QoS’를 추가로 수용하였다. Reflective QoS의 도입으로 수신한 DL 패킷을 기준으로 UL 패킷QoS를 바로 세팅할 수 있게 되어, 별도의 제어신호가 필요없게 되었고 따라서 시그날링 오버헤드를 일정부분 감소시킬 수 있게 되었다.
QoS flow는 PDU 세션에서 QoS를 식별하는 최소의 단위이며, QFI(QoS flow ID)는 5G 시스템에 서 QoS flow를 식별하는 최소식별자로 정의하였다. 동일한 QFI를 갖는 사용자 트래픽은 PDU 세션 내에서 동일한 스케줄링 및 자원수락제어 (Admission control) 지침을 적용받는다.
그림 10은 사용자 트래픽을 QoS flow 기준으로 마킹, 매핑 및 분류하는 원칙을 보인다. 그림 10에 서 UPF 측의 DL 패킷은 먼저, SDF(Service Data Flow)의 우선 순위에 따라 SDF 템플릿 기반으로 분류된다(53 → QoS flows). 이후, UPF는 동일 QFI로 마크된 QoS flows를 N3 인터페이스를 통해(R)AN으로 전달한다. (R)AN은 SDAP 계층을 통해 QoS flows를 (R)AN 무선자원(DRB)으로 매핑하고 바인딩시킨다(3 → 2 DRBs).
현재, 표준값으로 지정된 5QI(5G QoS Identifier; 1~79)와 5G QoS 특성간 매핑이 정의되어 있고, QoS 성능 특성은 4가지 파라미터로 정의되었다. 자원 타입(GBR 또는 Non-GBR), 우선 순위 레벨 (5~90), 패킷 지연(50~300), 패킷 오류율(10⁻² ~ 10⁻⁶) 등.
[그림 10] QoS flow 마킹, 매핑 및 분류 원칙
◎ Edge Computing 지원
네트워크 구간에서의 지연시간과 트래픽 부하를 줄여 저지연 서비스를 지원할 수 있도록, 단말에 가장 근접한 데이터 네트워크(Local Data Network)를 찾아 단말과 연결시키는 엣지 컴퓨팅 이슈가 논의되었다. 이를 위해, 5G CN은 단말에 가까운 UPF 를 선택하고 UPF에서 N6 인터페이스(UPF-DN)를 통해 로컬 데이터 네트워크(Local DN)로 트래픽 라우팅을 전환시키는 시나리오가 정의되었다. [그림 11] 이들은 단말의 등록정보 및 위치, 응용기능 (AF; Application Function) 정보, 정책 등에 기초하여 검토되었다. 또한, 엣지 컴퓨팅을 지원하기 위해 엣지 서버로 세션을 연결하는 시나리오로, 지역기반의 LADN 방식과 AF 기반의 라우팅 방식이 논의되어 채택되었다.
현재, 엣지 컴퓨팅을 지원하기 위한 QoS 및 과금, PCF와 NEF를 통한 UPF 선택 및 트래픽 라우팅 이슈 등에 대한 표준화가 진행중이다.
◎ 네트워크 슬라이싱
4G까지에선 없던 새로운 기술이며 4G 네트워크와 가장 차별화되는 이슈로 보인다. 이슈가 새 로운 만큼 네트워크 슬라이스에 대한 용어/개념을 비롯하여 구조, 기능 및 절차 등의 관점이 기관별로 달라 많은 혼선과 격론이 있었으며, 최근 회의에서 주요 골격은 어느 정도 마무리되는 단계로 접어들었다.
네트워크 슬라이싱(Network Slicing) 정의는 사업자/업체 등 기관별로, ETSI/ITU-T/3GPP 등 표준그룹별로 조금씩 상이하지만, 5G 네트워크 표준 그룹의 선도주자인 3GPP SA2 그룹을 인용하면 다음과 같다.
[그림 11] Edge Computing 지원 구성도
[그림 12] 5G 코어 네트워크 슬라이싱의 개념적 구성도
Network Slice: A logical network that provides specific network capabilities and network characteristics.
Network Slice instance: A set of Network Function instances and the required resources (e.g. compute, storage and networking resources) which form a deployed Network Slice.
즉, 네트워크 슬라이싱이란 서비스 타입(Service types)에 따라 해당 KPI를 만족시킬 수 있는 ‘필요한 만큼의 네트워크 자원세트’와 ‘필요한 종류 의 네트워크 기능(Network Functions; NFs) 세트’를 하나로 묶은 일종의 논리적 네트워크이며, 여기에 서비스 맞춤형(Customization) 속성 및 슬라이스 타입간의 독립성(Isolation) 보장 등을 함께 만족시킬 수 있도록 하는 기술이다.
3GPP Rel-15 단계에서 RAN은 공유(sharing)되고 CN은 슬라이싱(slicing)되는 가정하에 네트워크 슬라이싱의 구성도를 개념적으로 도시하면 그림12와 같이 될 수 있다.
지난 5월 SA2 실무회의에서는 네트워크기능 (NSSF/ NRF)간의 분리 여부, 파라미터와 슬라이스간 매핑관계(S-NSSAI/AMF/NSI), SST/SD 파라미터 표준화 이슈 등을 논의한 바 있다. 그동안 논란이 많았던 네트워크 슬라이스 ID 정보인 SST/SD 파라미터는 아래와 같이 합의되었다.
SST(Slice/Service Type): 8bits(0-255); (필수사항: e.g, URLLC)
SD(Service Differentiation): 24bits(사업자 선택 사항; e.g, Toyota, Kia, MCPTT)
단말이 동시 접속 가능한 슬라이스 최대수 (N) : 8
현재 네트워크 슬라이싱 구조에 따른 등록관리 및 세션관리 세부 절차, (e)DECOR와의 인터워킹, Slice coexistence, NF 선택에 대한 임팩트 등이 표준화 중이다.
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