위성/이동 통신 시스템에서의 가상화 기술 동향

가상화 기술을 소개하려면 관련된 다른 기술의 이해가 요구된다. 흔히 클라우드(Cloud), 소프트웨어 정의 네트워크(SDN: Software Defined Network) 등의 개념과 가상화 개념이 일반적으로 혼용되어 이해되고 있으나, 개념의 출발과 속성은 엄연히 다르다. 여기에서는 각각의 원천적 정의를 기술하고 현재 왜 결합하여 사용되고 있는가에 대하여 설명한다.

클라우드 개념을 한마디로 설명하자면, 중앙과 로컬의 분리(Decoupling)이다. 통신 시스템의 기능을 하나의 노드 혹은 지역에 수용하지 않고 집중된 중앙에서 처리할 기능과 분산된 로컬에서 처리할 기능을 분리하고, 이 두 기능을 네트워크로 연결하는 개념이다. 중앙의 처리 유닛을 CU(Central Unit)라고 하며, SW 처리에 적합하고 컴퓨팅 자원이 풍부한 서버로 구성됨이 일반적이다. 로컬의 처리 유닛을 DU(Distributed Unit) 혹은 RU(Radio Unit)라고 하며, SW 처리와 함께 로컬의 특수한 상황을 반영하는 HW 디바이스로 구성된다(그림 1). 클라우드 기술을 통하여, 시스템은 공통 기능 적용에 따른 리던던시 최소화, 트렁킹 게인(Truncking Gain)을 통한 자원 사용 최대화 등의 장점을 누릴 수 있게 된다[1].

그림 1

클라우드 개념

소프트웨어 정의 네트워크를 앞서와 같은 방식으로 설명하면, 데이터(Data)와 제어(Control)의 분리라고 할 수 있다. 패킷 네트워크상의 라우터나 스위치는 크게 데이터 평면(Data Plane)과 제어 평면(Control Plane)의 두 가지 평면으로 구성된다. 제어 평면은 패킷의 헤더를 분석하여 정의된 내용에 따라 어떻게 패킷을 처리할 것인가를 결정하는 부분이며, 데이터 평면은 결정된 내용에 따라 패킷의 경로를 바꾸어주는 역할을 담당하는 부분이다. 예전의 라우터는 CPU가 제어 기능과 데이터 기능을 모두 처리하였으나, 네트워크가 점점 고속화됨에 따라 데이터 기능이 고속의 스위칭을 담당하는 전문 HW로 분리되게 되었다. 프로그램 가능 스위치(Programmable Switch)라고 하는 이 장치는 중앙화, 표준화에 기반한 제어 프로그램의 변경이 기능하도록 함에 따라 네트워크 장비의 유연한 기능 변경과 형상 변경이 가능해지고, 최적화된 네트워크 리소스 사용이 가능해진다(그림 2).

그림 2

소프트웨어 정의 네트워크 개념

가상화 개념의 핵심 원리는 SW와 HW의 분리이다. 가상화 구조는 그림 3에서와 같이 HW와 SW 사이에 하이퍼바이저(Hypervisor) 혹은 컨테이너 엔진(Container Engine)이라고 하는 가상화 계층을 둠으로써 SW가 HW를 직접적으로 사용하지 않고 오직 가상 HW만을 사용하도록 추상화한다. 본 개념이 적용되면 SW는 CPU, 스토리지, 네트워크 디바이스 등 기반 HW 환경과 무관하게 어디에나 포팅이 가능하므로 시스템의 유연성이 획기적으로 증대된다. 최근의 서비스들은 그 종류가 매우 다양하며 라이프 사이클이 길지 않을 것으로 예상되는데, 가상화 기술은 이러한 새로운 환경에 대응하여 하드웨어의 변경 없이 다양한 서비스들을 수용할 수 있도록 한다.

그림 3

가상화 개념

지금까지 기술한 바와 같이 클라우드, 소프트웨어 정의 네트워크 그리고 가상화는 그 속성이 다름에도 불구하고 종종 같은 개념으로 이해되곤 한다. 그 이유는 이들이 공통적으로 가지고 있는 “공유”라는 속성 때문이다. 클라우드는 중앙의 공통된 기능을 로컬이 공유하여 사용한다. 다양한 로컬의 요구사항을 중앙에서 공유 형태로 제공하기 위해서는 HW 환경과 독립적인 SW 수행이 요구되며 가상화 개념의 도입이 필수이다. 또한, 제어와 데이터를 분리하고 중앙에서 제어 SW를 쉽게 프로그래밍하여 변경할 수 있는 소프트웨어 정의 네트워크는 수많은 종류의 라우터 HW에서 공통의 제어 SW를 공유하여야 하므로 이 또한 가상화 개념의 도입이 필수적이라 할 수 있다.

따라서 NFV/SDN, Cloud-Native와 같은 용어는 가상화와 같은 개념으로 인식해도 무방할 것이다. 이는 세 가지 개념이 별도로 사용되는 것이 아니라 상호 보완적으로 결합하여 사용되는 것이 일반적이기 때문이다. 예를 들어, 쿠버네티스(Kubernetes)라고 하는 가상화 관리 도구를 배포한 CNCF라는 오픈소스 커뮤니티 단체의 이름은 Cloud Native Computing Foundation의 약칭으로 네이밍된 것은 그런 이유라고 볼 수 있다.

여러 사용자가 자원을 사용하는 방법에는 그림 4에서와 같이 크게 공유(Sharing)와 분할(Isolation)의 두 부류가 존재한다. 공유는 자원에 대하여 사용자별 영역을 구분하지 않고 하나의 풀(Pool)로 두고 사용하는 방식이고, 분할은 사용자별로 자원을 할당하고 구분하여 사용하는 방식이다. 공유방식에서는 자원의 효율적이고 경제적인 사용을 꾀할 수 있으나, 사용자 간 상호 영향을 주는 단점이 존재한다. 반면, 분할방식에서는 사용자 간 독립적인 자원 사용을 꾀할 수 있으나, 단편화(Fragmentation)에 따른 자원 낭비라는 단점이 있다.

그림 4

공유와 분할

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가상화는 공유와 분할이라는 두 가지 개념을 모두 수용한(Sharing with Isolation) 방식이다. 즉, 공유라는 효율적인 자원 사용방식을 취하면서도 사용자 간 상호 영향을 최소화할 수 있도록 한다. 상호 대립되는 두 가지 방식이 동시 수용된다는 것이 어떻게 보면 모순일 수도 있으나, 가상화에서는 하이퍼 바이저 혹은 컨테이너 엔진이라고 하는 추상화 계층에 의하여 적절하게 자원을 매핑함으로써 해결한다. 가상화 개념을 다른 말로 쉽게 표현하자면 스마트 공유(Smart Sharing) 혹은 제어된 공유(Controlled Sharing)라고 할 수 있다(그림 5).

그림 5

스마트 공유, 제어된 공유

가상화 방식은 게스트 OS의 유무에 따라서 크게 하이퍼바이저 방식과 컨테이너 방식으로 나뉜다. 하이퍼바이저 방식은 호스트 OS상에 사용자별로 독립된 게스트 OS를 둘 수 있으며, 완전한 사용자 분리를 장점으로 한다. 반면 OS를 두 번이나 거치는 데 따르는 성능 저하, I/O 디바이스의 실시간 성 상실 등의 단점이 존재한다. 컨테이너 방식은 게스트 OS 없이 호스트 OS의 커널을 사용자들이 공유한다. 사용자들 간의 독립성은 ID 분리 및 매핑(Isolation & Mapping)에 의하여 실현된다. 이 방식은 성능의 저하 없이 호스트 OS를 직접 사용하는 것과 같은 효과를 가지는 장점이 있다. 하지만 다른 사용자의 고장이나 보안에 취약하다는 단점이 있다.

가상화 기술이 제공하는 분할은 물리적으로 하나의 서버가 마치 여러 개의 서버인 것처럼 동작 가능하게 한다. 이를 네트워크 기능 및 노드에 적용하면, 하나의 노드에 다양한 네트워크 기능 및 서비스를 수용할 수 있게 된다. 이러한 개념은 네트워크 기능을 서비스별로 분할하여 사용한다는 점에서 네트워크 슬라이싱(Network Slicing)이라고 한다. 그러므로 가상화는 네트워크 슬라이싱 개념의 선행 조건이라 할 수 있다.

가상화 기술은 SW와 HW를 분리함으로써 자원 사용 효율을 높이고 동시에 독립성을 최대한 보장하는 기술이다. 서비스 특성에 따라 특별한 하드웨어를 요구하지 않으므로 그림 6에서와 같이 유연한 노드 구성을 통해 하나의 인프라 내에 다양한 서비스를 수용할 수 있는 이른바 “One Network, Multiple Industries”를 꾀할 수 있다[2]. 가상화 기술은 4G, 5G 등 이동통신 시스템의 중요한 플랫폼 구성 기술로 자리 잡고 있으며, 이는 6G와 같은 미래 이동통신에서도 계속 요구될 것으로 예상된다.

그림 6

네트워크 슬라이싱

이동통신 시스템에서 가장 먼저 가상화가 도입된 영역이라 할 수 있다. 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC: Mobile Edge Computing)(그림 7)은 이동통신 사용자 정보를 사용자 가까운 곳인 기지국 단에서 처리하도록 하여, 지역화, 저 지연화, 지능화를 특징으로 하는 다양한 신규 서비스를 제공하는 멀티밴더 지원 컴퓨팅 플랫폼이라 할 수 있다[3].

그림 7

모바일 엣지 컴퓨팅

MEC에서는 기지국 내에서 혹은 기지국 인접 서버에서 사용자의 응용 프로그램이 처리된다. 만일 이동국의 로밍 혹은 핸드오버로 인하여 서빙 기지국이 변경되면, 사용자의 응용 프로그램을 처리할 컴퓨팅 서버도 같이 변경되어야 한다. 그러므로 MEC에서의 응용 프로그램은 높은 수준의 이식성(Portability)이 보장되어야 한다. 이에 HW 환경에 무관한 SW의 동작을 보장하는 가상화 기술은 MEC의 필수 기술이라고 할 수 있다.

MEC는 일찍이 ETSI 내에 표준화 그룹을 결성하여(2014. 12.), 관련 요구사항, 망 구조, 인터페이스 정의 등 단체표준을 진행한 바 있으며, 국내 통신 사업자 3사 및 화웨이, 노키아, 인텔, 보다폰, IBM, NTT DOCOMO 등이 조기 시장 선점을 위하여 서로 경쟁하고 있다.

코어 네트워크(CN: Core Network)는 전통적인 컴퓨팅 자원인 CPU, 메모리, 네트워크 자원을 주로 사용하는 속성을 가진다. 또한, 기지국에 비하여 엄격하지 않은 실시간 요구사항을 가지고 있다. 그러므로 가상화 기술에 기반한 컴퓨팅 자원의 분할을 통하여 쉽게 가상화 및 슬라이싱이 이루어질 수 있다.

5G 이동통신의 3가지 서비스 목표인 EMBB(Enhanced Mobile Broadband), URLLC(Ultra Reliable and Low Latency Communications), MMTC(Massive Machine Type Communications)를 효율적으로 처리하기 위해서는 각 서비스별로 별도의 코어 네트워크 플랫폼을 두어야 하나, 가상화 기술을 기반으로 한다면, 그림 8에서와 같이 서비스 특징별로 서버의 컴퓨팅 자원을 분할한 뒤, 필요한 기능들을 차별적으로 수용하는 방법으로 처리 가능하다. 또한, 처리 용량의 스케일 업 및 스케일 다운이 가능하므로 망 요구사항에 따른 손쉬운 구성/재구성이 가능하고, 운영 중, 요구 부하에 대응하여 적응적 용량 변경이 가능하다.

그림 8

코어 네트워크 가상화 및 슬라이싱

코어 네트워크 가상화는 기술적인 난관이 크게 없고, 가상화에 따른 컴퓨팅 자원의 낭비가 크지 않아 SKT, KT, LGU+, KDDI, T-Mobile, Verizon 등 다수의 국내외 통신 사업자들과 삼성, Huawei, NSN, Ericsson 등의 국내외 밴더들의 5G 상용망에서 활발히 도입이 진행되고 있다. 또한, 특정 지역 및 산업 영역에서 이동통신 네트워크를 전용으로 사용하는 이른바 사설 네트워크(Private Network)를 위한 코어 네트워크 구축에도 적용이 진행되고 있다.

기지국은 무선 자원 사용과 무선 모뎀 사용이라는 특징을 가지고 있어 코어 네트워크와는 다르게 엄격한 실시간 처리를 필요로 하는 이동통신 노드이다. 따라서 기지국 가상화는 공유와 분할을 지원하면서도 요구되는 실시간성은 최대한 보장해야 하는 기술적인 난제를 포함하고 있다.

기지국 가상화는 실시간성이 비교적 크지 않는 부분인 VNF(Virtual Network Function) 혹은 O-RAN O-CU(Central Unit) 등 기지국의 백 앤드 부분 위주로 가상화를 적용하는 연구가 주로 진행되고 있다. 그림 9에서와 같이 프로토콜 계층상 RLC(Radio Link Control) 이상을 대상으로 하며, 코어 네트워크의 경우와 같이 컴퓨팅 자원의 적절한 분할 및 공유를 통하여 목표 달성이 가능하다.

그림 9

기지국 가상화 및 슬라이싱

반면, MAC, 모뎀과 같이 엄격한 실시간 부분을 포함하는 PNF(Physical Network Function) 혹은 O-RAN O-DU(Distributed Unit), O-RU(Radio Unit) 등과 같은 기지국 프론트 앤드 부분의 가상화는 도전적 분야로 상용망 적용은 비교적 적극적이지 않은 상태이다. 하지만, 이동통신 기지국이 사용자의 최종적이고 직접적인 액세스를 처리하는 이른바 라 트마일(Last-Mile) 처리장치이므로 진정한 단-대-단(End-to-End) 네트워크 슬라이싱을 이룩하기 위해서는 이 부분의 기지국 가상화가 필수적으로 요구될 것으로 예상한다. 무선 자원 가상화라고도 할 수 있는 이 분야는 기존의 컴퓨팅 자원의 가상화를 넘어 그 대상을 무선 자원까지 확대함으로써 그림 10에서와 같이 하나의 물리적인 셀상에 다수의 가상셀이 존재하도록 하여 서비스별로 특화된 무선 자원을 지원하는 이동통신 셀을 손쉽게 구성할 수 있도록 한다.

그림 10

무선 자원 가상화 및 가상 셀

기지국 가상화 및 슬라이싱은 인텔의 FlexRAN, OSA/OAI의 Mosaic5G, O-RAN Allience의 RIC, 에딘버러 대학의 ORION, ONF의 SD-RAN, EURECOM의 Network Store 등 다양한 기관에서 다양한 방향으로 연구가 진행되고 있으며, RAN 시스템의 슬라이싱 능력을 극대화하여 단-대-단 네트워크 슬라이싱의 완성도를 높이려는 목표를 가지고 있다.

최근 발사체 기술과 위성 제작 기술의 혁신적인 발전으로 인하여 기존의 고도 35,826km의 정지위성을 사용한 통신방식에서 벗어나 고도 500~2,000km의 저궤도 위성을 이용한 통신으로의 전환을 시도함으로써 본격적인 비 지상 네트워크(NTN: Non-Terrestrial Network) 시대가 도래하게 되었다. 저궤도 위성을 이용한 이동통신은 정지궤도 위성에 비해 현저히 작은 지연시간과 손실률, 그리고 넓은 서비스 커버리지를 장점으로 미래 통신 시장에 매력적으로 어필되고 있다. 반면, 짧은 연결 지속 시간으로 인하여 다수의 위성으로 군집을 형성하고 이들 간의 연결 기술과 핸드오버 기술을 통하여 서비스 연속성을 보장하고 있다[4,5].

현재 저 궤도 위성을 운영 현황을 살펴보면, 미국 스페이스 X의 스타링크(Starlink), 미국 아마존의 카이퍼(Kuiper), 영국의 원웹(One Web), 캐나다의 텔레셋(Telesat LightSpeed) 등이 있으며, 이중 스타링크는 이미 전 세계를 대상으로 상업용 이동통신 서비스를 활발히 진행하고 있다. 우리나라는 한화 시스템이 원웹에 지분 참여를 한 상태이다.

저궤도 위성통신은 릴레이 방식에 따라 크게 두 가지 방식으로 구분된다. 첫째는 Transparent 위성으로, 지상에서 발생하는 모든 시그널을 바이패스 형태로 증폭 및 포워딩(AF: Amplify and Forwarding)하는 방식이다. 위성의 구조가 단순하며 전력 소모가 적은 장점이 있지만, 신호 링크의 지연이 커지는 단점이 존재한다.

두 번째 방식은 위성에 이동통신 기지국의 일부 혹은 전체기능을 탑재하는 Regenerative 방식이다. 지상망과 위성들 간의 통신은 ISL(Inter Satelite Link)을 이용한 다중홉 통신을 통하여 연결된다. 보통은 모뎀의 프론트 앤드 부분인 RU(Radio Unit) 정도가 탑재되는 것이 일반적이다. 하지만 일부 연구에 따라서는 기지국 전부, MEC 서버 심지어는 코어망까지 탑재하자는 주장도 전개되고 있다. 첫 번째 방식보다는 지연시간이 줄어들고, 위성의 부가가치를 극대화할 수 있는 장점이 있으나, 구조가 복잡해짐에 따라 고장의 가능성이 증가하고, 소비전력 증가로 인해 위성의 무게 및 사이즈가 증가하는 등의 단점이 있다[6,7].

저궤도 위성은 우주 공간에서 운영되는 통신장치로서 고장에 대한 복구에 많은 제약이 존재한다. HW 고장에 대한 대처는 거의 불가능하다고 볼 수 있고, SW 고장에 대한 대처는 지상국과의 통신을 통해 가능할 수 있다. 전술한 바와 같이 Regenerative 위성은 위성 내에 이동통신 노드의 고유 기능을 수용함으로써 위성의 부가가치를 높이고, 다양한 위성 기반 신규 서비스를 창출할 수 있다는 점에서, 궁극적으로 저궤도 위성통신이 나아갈 방향이라고 생각된다. 하지만 유지보수의 불가능 혹은 불편함은 반드시 해결해야 하는 요소로 존재한다.

Regenerative 위성의 HW 부분은 고장에 대비하여 설계되고 제작되어야 한다. 고신뢰의 부품과 소자들을 이용함은 물론이고, 이중화, 삼중화를 통하여 물리적 리던던시를 갖추어야 한다. 그리고 SW 부분은 응용 프로그램의 로딩/언로딩, 시작/중단, 고장탐지/보고/복구 등 라이프사이클을 관리할 검증되고 체계적인 프레임워크가 지원되어야 한다. 또한, 우주에 배치된 위성의 HW 업그레이드는 불가능하고, 발사 시기의 차이에 따라 다양한 버전의 HW가 존재할 수 있으므로 위성의 응용 프로그램은 기반 HW 환경에 무관하게 수행할 수 있도록 지원되어야 한다.

가상화 플랫폼은 이러한 Regenerative 위성의 SW 요구사항을 효율적으로 지원할 수 있을 것으로 예상된다. 우주에 분산된 다양한 버전의 위성의 HW 실행환경에 동일한 SW를 적용할 수 있다. 또한, SW의 기능 변경 요구사항에 대처하여 유연하게 재구성이 가능하게 되어 위성 기반 신규 서비스 개발에도 유리한 면이 있다.

5G PPP의 위성통신 프로젝트인 SaT5G에서는 SDN/NFV 개념을 기반으로 전 위성통신 네트워크를 구현하고 통합 네트워크의 관리와 오케스트레이션이 가능하도록 하는 주제를 Research Pillar로 지정하여 연구를 진행하고 있다[8]. 아직 Regenerative 위성의 단계까지 고려하고 있지는 않으나, 프로젝트 내 모든 시스템을 가상화 기반으로 구축하고 통합 관리하고자 하는 기본 철학은 계승될 것으로 전망한다.

ETRI에서는 “컴퓨팅이 융합된 가상화 기반 5G 이동통신 액세스 플랫폼 기술 개발” 과제를 통하여 기지국 가상화에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 통신 기능이 수용 가능한 가상화 플랫폼을 구축하고 5G 이동통신의 액세스 기능을 가상화하여 실시간으로 동작하는 가상화 기지국 시스템을 개발하는 것을 목표로 하였다.

2016년부터 2020년의 총 5개년도의 수행기간 동안 서비스 가상화, 프로토콜 가상화, 모뎀 가상화, MEC 가상화, 하이브리드 가상화 등 단계적으로 가상화의 수준을 높이는 작업을 진행하였으며, 최종적으로 상위 프로토콜은 물론, 모뎀까지 모두 SW로 구성되고, 중앙 기능과 지역 기능이 분리된 클라우드 개념을 적용하였으며, 하이퍼바이저 및 컨테이너를 복합 적용한 가상화 기지국을 선보였다(그림 11) [9,10].

그림 11

ETRI 가상화 기지국 시스템

출처 Reprinted with permission from [10]

최근 3GPP에서는 네트워크 제어 리피터(NCR: Network Controlled Repeater)라는 주제의 연구가 진행되었다. 스마트 리피터라고 하는 이 주제는 기존의 IAB(Integrated Access Backhaul)와 다르게, 기능이 복잡하지 않고 구축 비용이 저렴한 형태의 리피터이다. 그림 12에서와 같이 NCR에서는 기지국과 사용자 단말 사이의 링크에 있어서 제어 영역과 데이터 영역을 분리한 후, 데이터 영역에 대해서는 단순 증폭/포워딩/빔포밍만을 진행하고, 오직 제어 영역에 대하여만 리피터가 개입하여 시그널의 인코딩 및 제어 결정을 진행한다[11].

그림 12

네트워크 제어 리피터(NCR)

NCR은 그 구조에 있어서 제어 영역과 데이터 영역이 분리(Decoupling)되었다는 점에서 유선 네트워크의 소프트웨어 정의 네트워크(SDN)와 매우 유사한 면이 있다. 또한 NCR은 SDN의 라우터와 같이 필드에 배치될 장비의 수가 매우 많을 것으로 예상되므로, 제어 영역을 담당할 SW의 유연한 업데이트와 중앙화된 라이프사이클 관리 등이 중요한 이슈로 대두될 것으로 전망한다.

ETRI에서는 현재 “5G-Advanced 표준 기반 네트워크 제어 중계기(NCR) 기술 개발” 과제를 통하여 3GPP NCR 연구개발을 진행하고 있다. 본 연구에서는 제어 영역을 담당하는 NCR-MT의 L2/L3 부분을 가상화 기반으로 구현할 계획을 갖고 있다. 이를 통해 추가의 하드웨어 변경 없이 NCR의 기능 변경 및 기능 추가가 가능하고, 중앙화된 고장관리, 로그 관리기능을 갖추도록 하여 네트워크 유연성을 갖추고 낮은 CAPEX, OPEX를 갖는 NCR을 개발하는 것을 목표로 하고 있다(그림 13).

그림 13

NCR 가상화