5G망을 위한 유무선 융합 네트워크 기술

1. FMC(Fixed Mobile Convergence)

2000년 초반까지 유무선 융합 기술은 상이한 네트워크 플랫폼을 통해 동일하거나 유사한 서비스를 전송하는 기술이나 이러한 서비스를 제공하는 단말기의 통합으로 정의되었다[2]. 이러한 유무선 융합 기술은 독립적은 액세스 네트워크를 구성하고 이를 서비스 수준에서 통합하여 사용자에게 접속하고 있는 액세스 기술에 관계없이 같거나 유사한 품질의 서비스를 제공하는 것을 목적으로 하였다.

초기의 유무선 융합 기술은 다양한 액세스 기술을 통하여 음성 서비스를 제공하는 것을 목적으로 하였으며 주로 유선망 사업자를 중심으로 진행되었다. 이동통신의 발전에 따라 회선망의 유선 가입자들이 이동통신으로 이동하게 되었고, 이에 따라 유선망 사업자들이 이동전화 서비스 영역으로 서비스 영역을 확장함으로써 고객을 확보하고 전화 트래픽을 유지하고자 하는 요구에서 FMC 기술이 등장하였다[3].

유무선 융합 기술은 유선통신 서비스와 무선 통신 서비스를 기술적인 연결 없이 단순 통합형태의 요금 결합형 상품에서 시작하였다. 이후, 이동통신 단말에 무선랜인터페이스를 추가하여 동일한 무선 단말로 실내에서는 무선랜을 통한 통신서비스를 제공하고 실외에서는 이동 통신망을 이용한 통신 서비스를 제공하는 FMC 서비스로 발전하였다. FMC의 특징은 무선랜과 이동통신망 사이에 핸드오버 기능까지는 지원함으로써 이기종간 무선 액세스의 변경 시에도 끊김 없는 통화가 가능하다는 점이다.

(그림 1)

UMA 방식의 유무선 융합 기술

FMC의 대표적인 기술로 (그림 1)의 UMA(Unlicensed Mobile Access) 방식은 이동전화, 데이터, IMS/SIP(IP Multimedia Subsystem/Session Initiation Protocol) 응용 서비스를 IP 네트워크를 이용해서 제공하는 사업으로 3GPP에서‘GAN(Generic Access to A/Gb interfaces)’란 이름으로 표준화를 진행하였으며 유럽에서 상용화된 대표적인 유무선 융합 기술이다[4]. GAN(Generic Access Network)의 대표적인 응용 서비스로는 GSM(Global System for Mobile Communications)/무선랜 이중 모드의 단말을 가지고 GSM 혹은 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)의 망을 이용해서 이동 통신 혹은 무선랜을 이용한 음성 및 데이터 서비스를 제공하는 것으로 이동통신과 무선랜 사이의 끊김 없는 서비스를 제공한다.

2. 3GPP 유무선 연동 기술

이동통신망에서도 유무선 융합을 위한 이종 액세스간 연동을 위한 표준화를 진행하고 있는데 3GPP에서는 3GPP 계열이 아닌 비3GPP망과의 이기종 간 연동을 위한 표준화는 Release 6부터 무선랜망과의 연동을 위한 작업이 이루어져 왔으며 3G LTE망과 무선랜을 포함한 비 3GPP와의 핸드오버에 대한 작업이 Release 8부터 이루어져 왔다[5][6]. 3GPP에서는 다른 무선 접속망과의 연동 시 다른 접속망이 신뢰성이 있는가의 여부에 따라 다른 연동구조를 가진다. 신뢰성이 있는 망이란 사용자가 서비스 접속 시 제공되는 네트워크 접속 보안, 무선 접속망들의 유선 구간에서의 네트워크 도메인 보안, 비 3GPP 액세스 망 내에서의 비 3GPP 도메인 보안, 사용자와 운용자간 응용 프로그램간의 응용 도메인 보안 및 이동 단말 내부에서 이루어지는 사용자 도메인 보안이 보장되는 망으로 정의할 수 있지만, 일반적으로 망운용자들의 결정에 따라서 신뢰성이 있는지에 대한 여부가 분류되기도 한다. 일반적으로 무선랜은 신뢰성이 없는 망으로 분류하며 3GPP는 무선랜과의 접속을 위하여 PDG(Packet Data Gateway)혹은 ePDG(evolved Packet Data Gateway)를 두어 신뢰성을 보장하도록 한다

무선랜 직접 IP 접근 방식인 경우 무선랜망에서 인증을 제외한 새로운 기능이 요구되지 않지만 무선랜 3GPP IP 접근인 경우 3GPP망의 자원을 이용하고 3GPP의 서비스에 접근하기 위해 새로운 망 요소와 기능들이 요구된다. 무선랜 3GPP IP 접근인 경우 신뢰성 있는 접근을 위해 이동 단말(이후 UE: User Equipment)과 3GPP망 사이에 보안 경로 설정 과정을 수행한다. UE는 무선랜망에 접속시 할당된 IP 주소를 이용해 IPSec 터널을 PDG와 설정하며 IPSec 터널 설정 과정의 마지막 절차에서 3GPP망 내 서비스 이용 시 사용될 IP 주소가 할당된다. 무선랜 연동을 위한 망 요소에 대한 간단한 설명은 다음과 같다.

무선랜 3GPP IP 접근인 경우 사용되는 WAG(WLAN Access Gateway)는 PDG로 패킷에 대한 라우팅을 수행하며 과금 정보를 수집하고 패킷에 대한 필터링을 담당한다. PDG는 UE가 이용하는 서비스의 종류에 따라 운용자의 홈망이나 방문망에 위치하며 UE에게 IP 주소를 할당하며 외부망과 UE 사이의 패킷에 대한 라우팅을 담당하고 UE에게 기본 라우터로 동작한다.

3GPP망과 비 3GPP망과의 핸드오버에 대한 연구는 3GPP에서 기존 3세대 시스템과 비교하여 고품질의 다양한 서비스를 제공할 수 있는 차세대 이동망에 대한 표준화를 위해 논의되었던 SAE(System Architecture Evolution)에서 시작되었다. SAE에서는 비 3GPP망과의 핸드오버를 위한 앵커 기능을 담당하는 노드로 SAE 앵커를 두고, 이 노드를 이용하여 신뢰성이 있는 비 3GPP IP 접속망 혹은 ePDG(evolved PDG, UTRAN의 PDG 기능)와 연결된 신뢰성이 없는 비 3GPP IP 접속망들과의 핸드오버를 제공한다.

비3GPP망과의 핸드오버에 대한 구체적인 논의는 TS23.402에서 이루어지고 있으며 현재 규격에 대한 마지막 정리 작업이 이루어지고 있다. 3GPP에서는 차세대 이동통신 기술인 3GPP LTE를 정의하였고 3GPP LTE를 위한 차세대 이동통신망 기술인 EPS(Evolved Packet System)를 정의하였다. 차세대 비 3GPP망과의 핸드오버는 EPS에서 정의되어 있으며 기본적으로 IETF의 이동성 방법을 이용하여 비 3GPP망과의 이동성을 제공하도록 설계되어 있다. EPS는 망기반의 이동성 제공 기법인 PMIP(Proxy Mobile IP)과 호스트 기반의 이동성 제공 기법인 MIP(Mobile IP) 혹은 DSMIPv6 (Dual Stack Mobile IPv6)를 지원한다. 기본적인 설계 목표는 망 접속 시 인증 및 권한 검증으로 인한 핸드오버 지연 시간을 줄이며 사용자 트래픽의 라우팅 경로를 최적화하기 위해서 라우팅 경로가 홈망을 경유하지 않아도 되는local breakout을 지원하도록 되어 있다. UE는 동시에 두 개 이상의 무선망에 접속하는 듀얼 라디오 방식과 한 순간에 하나만의 무선망에만 접속하는 싱글 라디오 방식을 가질 수 있고 두 가지 형태에서 핸드오버가 수행되어야 한다.

(그림 2)

비 3GPP 망과의 핸드오버를 위한 망구조

(그림 2)는 비 3GPP 망과의 핸드오버를 제공하기 위한 망구조를 보여준다. MME(Mobility Management Entity)는 UE의 이동성을 관리하기 위한 노드로 인증과 권한 검증을 전달 혹은 수행하며 유휴모드의 UE에 대한 위치 관리와 보안 협상들을 수행한다.

3. 3GPP와 BBF 연동 기술

3GPP와 브로드밴드 포럼(BBF: Broadband Forum)은 유무선 융합을 위해 2010년 워크숍 후 유무선 융합을 위해 요구사항, 구조, 보안 및 운영 보전에 대한 정의를 위해 3GPP에서 작업을 표준작업을 수행하였다. 표준화 작업으로 나온 시스템 구조는 BBF 액세스와의 연동을 위한 구조로 기본 연결, 이동성, 인증, 권한 검증, 서비스 품질, IP 플로 이동성, 데이터 오프로딩과 융합에 대한 부분을 정의하고 있다[7]. 이 유무선 융합 구조에서는 BBF 액세스 망을 통하여 무선랜 AP 혹은 H(e)NB (Home (evolved) Node B)를 연결할 수 있는 구조를 제안하며 무선 데이터 트래픽은 EPC(Evolved Packet Core)를 통하거나 데이트 오프로딩 시에는 BBF 액세스를 통하여 외부망과 연동된다.

(그림 3)

비 신뢰 BBF를 위한 EPC 연동 구조

(그림 3)은 3GPP EPC와 BBF와의 로밍이 아닌 망 참조모델로 데이터 트래픽은 EPC망을 경유하는 구조이다. Gxc는 S5 구조가 PMIP일 경우에만 사용되며 서비스 품질에 관련된 정보와 과금 정책에 관련된 정보를 전달한다. PGW(Packet Data Network Gateway)는 BBF 구조에서 BPCF(Broadband Policy Control Function)를 통하여 접속할 경우 S2b 인터페이스를 통하여 UE가 사용할 IP 주소를 할당한다. S9a는 3GPP의 PCRF(Policy and Charging Rules Function)와 BBF의 BPCF사이에 정의된 인터페이스로 같은 사업자 혹은 다른 사업자의 관계가 있으며 PCRF로부터 시작되는 세션에 대한 제어 인터페이스로 서비스 품질에 대한 제어 정책과 IP 터널 정보 및 BBF의 FQDN(Fully Qualified Domain Name)에 관련된 정보를 포함한다.

1. COMBO(COnvergence of fixed and Mobile BrOadband access/aggregation networks)

COMBO는 유선 및 이동 광대역 액세스를 통합하는 네트워크 구조와 기술을 연구하는 프로젝트로 에릭슨, 알카텔-루슨트, 오렌지 및 다수의 기업과 연구소가 참여하고 있다. 현재의 유선과 이동 네트워크는 여전히 구조적으로 분리되어 있으며 각각의 액세스 기술에 따라 서로 배타적인 표준화가 이루어져 오고 있으며 이 결과 유무선 융합 기술은 서비스 수준에서만 구현되는 문제점이 존재한다. 이를 해결하고자 COMBO는 유무선 융합을 네트워크 수준에서 처리하여 사용자에게 끊김 없는 최적의 서비스 체감을 제공하며 최적화된 유무선 네트워크를 구성함으로써 전체 네트워크의 성능을 향상시키고 비용을 줄이며 에너지 집약적인 네트워크 구조와 기술 제안을 목적으로 하고 있다.

(그림 5)

COMBO가 고려하고 있는 연구 범위

(그림 5)는 COMBO가 고려하고 있는 연구 범위의 영역이다. COMBO는 유선 액세스, 무선랜 등의 무선 액세스 및 2G/3G/4G 및 5G의 이동 액세스를 수용하는 것을 목적으로 하며 이동 코어망과 고정 액세스망의 기능들도 연구범위의 대상이다.

COMBO는 유무선 융합 네트워크를 위한 새로운 네트워크 개념으로 유선 액세스망과 이동 액세스망을 동시에 수용하는 NG-POP(Next Generation Point of Presence)을 제안하며 이 NG-POP에서 유무선 융합을 위한 필수적인 기능, 장비와 구조에 대한 정의를 하고 있다. 제안하는 FMC 네트워크 구조는 비용, 에너지 소비, 전송 성능, 지연, 서비스 품질에서 성능이 우수해야하며 부가적으로 네트워크 사업자와 서비스 제공자에게 개방성과 유연성을 목적으로 한다.

연구의 주요 사항은 다음과 같다

• CAPEX(Capital Expenditures) 및 OPEX (Operating Expenses)에 대한 비용 절약

• 급격히 증가하는 데이터 트래픽 및 다양하게 변경되는 응용 서비스에 대한 대처

• 유선과 이동 네트워크의 서로 상이한 요구사항에 대한 네트워크 구조 접목

• 네트워크의 지능화

• 멀티 네트워크 사업자와 멀티 제조사 환경 지원

• 네트워크의 지속적인 성능 추적 및 관리

• 에너지 절약

(그림 6)

COMBO 구조

(그림 6)은 COMBO에서 제안하는 구조이다. NG-POP은 유선망은 ONT/OLT의 PON(Passive Optical Network) 구조로 광노드들을 중앙집중적으로 수용하여 광가입자들을 제어하고, 이동기지국들은 RU-DU (Radio Unit-Digital Unit)의 구조를 이용해 NG-POP에서 DU 기능의 BBU 풀을 제공하여 무선 자원에 대한 할당 및 제어를 담당한다. NG-POP은 이종 액세스인 Wi-Fi와 이동 액세스 사이의 협력 기능을 제공하여 다양한 액세스 구간에 대한 집중화를 제공한다. 또한 이동통신망의 코어 노드들에 대한 기능을 분산 수용하고 인터넷망에 있는 콘텐츠를 NG-POP으로 지역화함으로써 처리 성능을 높일 수 있는 분산 구조를 제안하고 있다.

COMBO는 위와 같은 개념으로 무선랜과 이동망 사이의 유연한 핸드오버를 제공할 수 있으며 필요에 따라 데이터 오프로딩도 쉽게 제공할 수 있다. NG-POP은 다양한 이종 액세스를 하나의 네트워크 요소에 수용함으로써 유선 과 무선 액세스에 대한 단일한 접속 게이트 웨이를 제공할 수 있으며 모든 단말 사용자에게 최적화된 콘텐츠 전송을 가능하게 할 수 있는 장점이 있다.

2. CROWD(Connectivity management for eneRGy Optimised Wireless Dense network)

CROWD는 데이트 트래픽이 급격히 발생하는 핫스팟 지역에서 최적화된 연결 관리, 에너지 절약, 백홀 기술 및 IEEE 802.11과 3GPP LTE의 MAC(Media Access Control)의 수정을 통한 성능 향상을 목적으로 한다. CROWD는 매해 두 배씩 증가하는 무선 사용자의 수용에 대한 문제와 최상의 서비스 품질과 고속의 전송 속도 제공을 위하여 스몰셀의 밀도를 증가하고 이기종들의 무선전송 기술을 이용하여 해결하고자 하며 이 CROWD는 대용량의 트래픽을 수용하고 자원을 효율적으로 이용하는 기술을 연구한다.

(그림 7)

CROWD 네트워크 구성도

(그림 7)은 CROWD의 네트워크 구성도이다[10]. CROWD 셀은 광역 지역을 커버하는 매크로 셀과 스몰셀로 구성되며 네트워크 사업자가 관리할 수 없는 Wi-Fi를 포함한다. 또한 높은 밀집도를 가진 핫스팟 지역의 특성상 재구성이 가능한 동적 백홀의 문제도 다루고 있으며 액세스 노드와 코어 노드(게이트웨이) 사이에 정적구성 형태가 아닌 2계층의 기능 분담과 동적 기능이 기지국과 백홀 노드에 할당된다. 이동 단말이 초기 접속지점이 아닌 다른 셀로 이동할 때 발생하는 삼각 라우팅의 문제인 이동성 프로토콜의 특성상 중앙 집중적인 제어 방식이 필요한 문제와 단말 별로 이동성을 제공해야 되는 문제를 해결하기 위하여 분산 방식의 이동성 에이젼트를 두어 분산 제어와 연결 관리를 수행하는 방법을 연구하고 있다.

3. MCN(Mobile Cloud Networking)

MCN은 이동 네트워크, 계산 능력, 저장 기능들을 단일 서비스로 구성하여 사용자에게 일괄적으로 제공할 수 있는 기술을 목적으로 한다. 현재의 클라우드 컴퓨팅은 데이터 센터에서 주로 이루어지고 있으며 이동망에 적용하여 상용화 하기에는 이동망의 클라우드 기술이 부족한 상황이다. 이동망은 클라우드 서비스를 제공하기에는 신뢰성이 적으며 네트워크 인프라를 공유할 수 있는 기술이 부족해 가상 이동 사설망 사업자(MNVO:Mobile Virtual Network Operator)와 같은 모델을 적용하기가 힘든 문제가 있다. 또한, 이동 네트워크는 전형적인 회선서비스를 제공하는 IMS 기반의 서비스 외에 다른 신 서비스를 제공하지 못하고 있으며 인터넷 포털 서비스와 연동하지 못하는 문제로 단순 데이터 패킷의 전달 역할만을 수행하여 더 이상의 수익을 창출하지 못하는 문제에 직면하고 있다.

(그림 8)

이동 클라우드 네트워크 구조 개념도

MCN은 일관되고 단일한 이동 클라우드 컴퓨팅 서비스를 제공하기 위하여 이동통신 네트워크, 컴퓨팅 기술과 저장 장치들을 하나로 묶어 요구 시 번들 개념으로 제공할 수 있는 기술에 대한 연구를 수행하고 있다. 효율적인 이동 클라우드 컴퓨팅 서비스를 제공하기 위하여 이동 네트워크 구성 노드의 기능 분산화와 컴퓨팅 기능의 분산을 통하여 데이터 전송에 대한 지연 시간을 줄이고 이동 백홀에 대한 비용을 줄이는 동시에 저장 장치의 지능화를 통하여 필요 시 동적 구성이 가능한 이동 클라우드 네트워크 구조를 제안하고 있다. (그림 8)은 이동 클라우드 네트워크 구조에 대한 개념도이다[11].

MCN은 클라우드 기반 이동 네트워크 구조를 설계하고 이동 가입자에게 이동 클라우드 서비스를 제공할 수 있는 상용화가 가능한 사업 모델을 연구 목적으로 한다. 이동 네트워크는 3GPP LTE/EPC를 기반으로 BBU pool 기반 RAN(Radio Access Network) 가상화 서비스(RaaS: RAN as a Service), EPC 기반의 가상화 서비스(EPCaaS: EPC as a Service) 및 이동성에 대한 분산화까지를 연구 목표로 정하고 있다.