SDN 및 Cloud 기반 5G 이동통신기술

1. 수정된 OpenFlow 프로토콜의 적용

최근의 Ericsson 연구에서는 클라우드 환경과 SDN 기반의 이동통신 EPC 구조를 적용하고 있다. EPC 구조에서 대표적인 MME, PCRF, HSS, SGW 그리고 PGW 제어 기능들을 IDC 즉, 클라우드 기반 데이터 센터 환경으로 이동하고 클라우드 가상 컴퓨팅 자원을 이용하여 SDN controller 중심으로 제어 계층을 구성하고 가상 스위치(vSwitch) 형태로 트래픽 계층을 처리하는 SDN 스위치를 구성하고 있다. 개략적인 구성을 (그림 3)에 나타냈다[5]. SDN 기반의 EPC 환경을 구성하기 위해서 SDN 스위치 및 OpenFlow 프로토콜 등의 기능을 부분적으로 확장하여 시험한다.

(그림 3)

클라우드 환경의 EPC

확장된 OpenFlow 프로토콜을 적용한 GTP 기반의 패킷 전달 기능이 분리되기 때문에 SGW 및 PGW 기능 중 GTP 제어 평면이 일종의 SDN 제어장치의 응용 서비스 형태로 SDN 제어장치에 구성된다.

그리고 PCRF 기능과 SDN OpenFlow 제어장치 사이의 정보 교환에 의해서 패킷의 전달 관련 정보를 사전에 결정하고 이를 트래픽 계층을 처리하는 SDN 스위치로 전송하여 패킷이(SGW 또는 PGW) 제어 평면에서 처리되지 않도록 절차를 구성한다. 이를 위해서 클라우드 환경으로 통합된 SGW 및 PGW 제어 계층의 기능과 SDN OpenFlow 제어장치의 응용 계층 사이에 RPC 절차를 적용한 개략적 상호 연동 예제를 (그림 4)에 나타냈다.

(그림 4)에서는 통합된 SGW 및 PGW 제어 계층 기능과 SDN 제어장치 사이에서 진행되는 초기 new bearer 설정 및 이와 관련된 GTP tunnel 설정 절차를 EPC 프로토콜, OpenFlow 프로토콜 그리고 RPC 절차를 이용하여 정의하고 있다.

(그림 4)

OpenFlow 기반 GTP 제어

2. 기존 네트워크와 SDN 방식 혼합 적용

현재 SDN 구조와 방식은 주로 enterprise data cen-ter 또는 campus 네트워크 등의 중소 규모 네트워크에서 소프트웨어 기반 패킷 전달을 제어하는 환경으로 구축하는 것이 일반적인 상황이다. 그러나 플로우 단위의 패킷 전달 제어 특징으로 대표되는 SDN 구조의 장점 때문에 통신사업자들과 같은 상대적으로 대규모 통신 네트워크에서의 SDN 방식 적용에 대한 논의가 활발하게 진행되고 있다.

대규모 통신 네트워크에 SDN 방식을 적용하기 위해서 MME, SGW 그리고 PGW 제어 기능을 SDN 제어장치에 구성하고 패킷 전달을 위한 트래픽 계층 기능을 GTP 기능이 포함된 SDN 스위치에 구성하는 구조((그림 5) 참조)를 검토하고 있다[6].

(그림 5)

SDN 제어장치 기반 EPC

Bell Labs & Alcatel-Lucent 연구 내용은 SDN 구조와 개념을 대규모 통신 네트워크에 적용하기 위해서 기존 SDN 방식 이전의 패킷 스위치 또는 라우터 구조와 장치들을 수용하고 한편 플로우 단위의 처리가 가능하도록 네트워크 종단(edge) 또는 필요한 네트워크의 위치에 SDN 스위치를 구성하는 일종의 non SDN legacy 네트워크 및 SDN 네트워크 구조가 혼합된 형태의 구조를 적용한다.

따라서 SDN 스위치 규모가 상태적으로 급격하게 증가하지 않기 때문에 SDN 제어장치의 확장성 문제를 해소할 수 있는 대안으로 검토되고 있다. 그리고 기존 통신 네트워크 특히 이동통신 네트워크에서 이동성 서비스 등을 처리하기 위해서 도입한 기존 다양한 형태의 터널링 프로토콜들을 SDN 스위치에 수용하면 터널링 프로토콜 차원에서 게이트웨이(gateway) 역할을 수행하기 때문에 이동성 서비스를 포함하여 사용자 또는 서비스 단위로 특정한 서비스 정책의 적용이 용이하다.

3. SDN 구조의 RAN

이동통신 액세스 네트워크 분야에 대한 새로운 구조로써 기지국에 SDN 개념을 적용하는 연구들이 최근 시작되고 있다. 이러한 연구들의 주요 내용 중에 하나는 SDN 개념과 동일하게 액세스 네트워크에서 집중화된 제어 기능을 구성하기 위한 구조와 방식에 대한 연구들이다. 패킷 전달을 제어하는 기능과 분리된 집중화 제어 기능은 액세스 네트워크 즉, 다수 기지국의 무선자원 할당과 배분, 전력 제어가 포함된 간섭(interference) 회피, 이동성을 지원하기 위한 핸드오버(handover) 처리 그리고 일관된 가입자 인증 등의 보안체계들을 관리한다.

기존 액세스 네트워크의 제어 방식은 일종의 분산 제어 방식으로써 일정범위 내에서 각각의 기지국들이 독립적으로 분산된 구조에서 무선자원, 보안, 신호 간섭 등을 관리하고 있다. 이러한 방식은 지리적으로 광범위한 공간에 소수의 기지국들을 구성하여 운용하는 경우 효과적인 적용과 관리가 가능하지만, 가입자 용량과 성능 증대를 위해서 밀집된 기지국 구성이 진행되는 네트워크는 기지국 관리의 최적화가 어려워진다. 따라서 새롭게 연구되고 있는 집중 제어 기능은 기존 방식과 비교할 때 전체 기지국들을 집중관리할 수 있기 때문에 일관되고 통합된 무선자원 할당, 보안, 간섭 회피 등의 과정을 처리할 수 있다.

진행 중인 Stanford & Bell Labs & Alcatel-Lucent 연구에서는 제어 계층 측면에서 복수의 기지국을 하나의 가상 대규모 기지국으로 논리적 통합하는 구조를 제안한다[7].

즉, 복수 기지국들은 최소한의 제어 기능과 무선전송을 위한 최소 기능 구조로 제한하고 각 기지국의 제어 계층이 집중된 통합 제어 기능을 (그림 6)과 같이 새로 구성하며 이들 사이의 정합은 개방형 인터페이스 방식을 적용한다.

(그림 6)

SDN 제어 기반 RAN(기지국) 구조

각각의 기지국에 포함되는 최소 제어 기능은 집중된 제어 기능이 기지국을 제어할 경우 발생하는 지연의 영향이 큰 기능들을 각 기지국에 분산 배치한 것이며 일반적으로 무선접속 방식의 물리 계층에 해당할 수 있다. 통합 제어 기능은 최적의 액세스 네트워크 상태를 제공하기 위해서 핸드오버, 기지국 또는 단말기에 대해서 간섭을 고려한 적절한 무선자원 할당과 전송 전력 조정 등의 제어 계층 역할을 수행한다.

액세스 네트워크의 제어 계층 관점에서 논리적으로 단일 제어 기능을 구성하여 각각의 기지국을 관리하기 때문에 이를 가상의 대규모 기지국으로 표현(abstract-tion)할 수 있다. 따라서 무선자원의 통합관리가 가능하고 이를 위해서 Stanford & Bell Labs & Alcatel-Lucent 연구에서는 3차원 모델을 제시한다. 즉, 각각의 기지국 공간정보 그리고 주파수 및 시간 변수들을 기준으로 무선자원을 기지국 또는 가입자에게 할당하는 통합관리를 수행하며 이를 위해서 적절한 무선자원 관리 알고리즘을 적용한다. 그리고 이러한 자원 관리가 수행되는 각 기지국의 신호 간섭 상태, 무선전송이 진행되는 정보에 대한 상태 등을 일정 주기로 기지국이 수집하여 SDN 구조의 제어장치로 전송하여 반복되는 무선자원 관리 과정에 활용한다.

이와 같이 Stanford & Bell Labs & Alcatel-Lucent 연구는 고밀집 상태의 다수 기지국들이 구성하는 일정 규모의 액세스 네트워크를 하나의 가상 대규모 기지국(domain)으로 통합하고 SDN 제어장치 형식으로 제어 계층의 기능들을 통합 구성한 방식이 특징이다. 이 연구에서는 추후 제어 계층 중심의 연구 이외에 패킷 전송 계층에 대한 추가 연구가 필요하다.

4. SDN 구조의 EUTRAN/EPC

최근 차세대 이동통신 네트워크로써 확산이 급속히 증가되고 있는 LTE 및 LTE-A 시스템에 대한 Bell Labs & University of Michigan-Princeton 연구에서는 다른 연구들에서도 유사 형태의 문제점에 대해서 연구를 진행하고 있는 것과 같이 (그림 7)에서 나타내고 있는 제어 계층과 트래픽 계층의 분리가 체계적으로 적용되지 않는 문제 그리고 트래픽을 처리하는 계층이 과도하게 집중되었다고 판단하여 이러한 문제를 해결하기 위한 연구를 진행하고 있다[8].

(그림 7)

기존 제어 및 트래픽 계층 구조

특히 트래픽 계층의 집중은 내부 트래픽의 경우도 게이트웨이 중심으로 처리되어야 하고 특정한 운용 조건 상태에 종속되기 때문에 확장성 또는 새로운 서비스 도입과 시스템 구성에 많은 제약을 받는다.

이러한 문제들을 해결하기 위해서 SDN 구조에 확장된 개념을 적용하고 있다. 확장된 SDN 환경과 기능을 EUTRAN 및 EPC 구조에 적용한 차세대 이동통신 네트워크의 개념적 형태는 (그림 8)과 같다. 가입자 정보에서 추출한 변수들을 이용하여 SDN 제어장치는 서비스 또는 패킷 전달을 제어하고 각 SDN 스위치에 분산된 로컬 제어기능(cell agent)를 이용하여 실시간 제어가 필요한 부분적인 제어 기능을 수행한다.

(그림 8)

SDN 기반의 제어 계층 분리 구조

또한 OpenFlow 기반의 패킷 처리 기능을 이용하여 패킷 전달 이외에 필요한 경우 보안 측면에서의 패킷 처리가 가능하고 SDN 환경에 가상화 기술을 적용하여 가상적으로 분리 및 구분된 SDN 제어장치의 가상 자원을 다양한 서비스 환경 구축에 이용할 수 있다.

즉, 로밍 서비스 또는 feature phone, 스마트 폰 등과 같이 특정 단말기의 특성을 고려한 별도의 단말기 그룹 단위 서비스 등을 가상 서비스 환경 기반으로 제공 가능하다. 이와 같이 확장된 SDN 개념과 구조가 적용된 새로운 EUTRAN 및 EPC 시스템은 기존 구조와 다른 형태의 시스템 특성을 나타낸다.

5. SDN 기반의 WLAN 및 WiMAX

SDN 기반의 이동통신 구조 연구 중 Stanford & NEC & Deutsche Telecom Lab 연구에서는 SDN 방식과 WLAN 및 WiMAX 구조를 통합하기 위하여 이종 네트워크 사이의 연동 중 핸드오버 서비스와 통합 SDN 제어장치에 의한 제어 기능을 (그림 9)와 같이 구성한다[9].

(그림 9)

SDN 기반 WLAN/WiMAX 연동 구조

이러한 연구의 배경은 OpenFlow 프로토콜 방식을 무선 즉, WLAN 또는 WiMAX 등과 같은 이동통신 환경으로의 확장하여 적용하는 것을 목적으로 진행되었다.

SDN 기반의 계층 구조와 기능들이 적용된 WLAN 액세스 포인트 및 WiMAX 기지국은 SDN 제어장치와 OpenFlow 방식으로 연동하기 위해서 트래픽 계층의 패킷 전달을 제어하는 플로우 테이블(flow table) 정보를 포함한다.

이런 환경에서 WLAN 및 WiMAX 사이의 이동성 즉, 핸드오버 기능 검증을 위해서 hard, informed, n-casting(bicaseing/tricasting) 그리고 hoolock 형태의 네 가지 핸드오버 처리 경우를 적용하여 상호 연동을 시험한다.

다양한 핸드오버 방식을 SDN 제어장치와 SDN 스위치 사이의 연동 그리고 OpenFlow 방식을 이용하여 처리하도록 이동성 제어 기능을 개발하고 두 개의 WLAN 액세스 포인트와 한 개의 WiMAX 기지국을 활용하여 WLAN 액세스 포인트 사이의 핸드오버 그리고 WLAN 액세스 포인트와 WiMAX 기지국 사이의 수직(vertical) 형태의 핸드오버 상황을 적용하여 트래픽의 경로 변경을 시험한다.

6. 클라우드 구조의 EUTRAN/EPC

SDN 구조 이외에 새로운 구조로써 클라우드 및 가상화 기술을 적용하는 연구가 다양하게 진행되고 있으며 FP7 중심의 MCN(Mobile Cloud Networking) 연구가 (그림 10)과 같이 클라우드 환경의 확장을 배경으로 추진되고 있다[10].

(그림 10)

클라우드 구조의 EUTRAN/EPC 적용

이동통신 네트워크와 시스템을 클라우드 환경 내에 구축하기 위해서 RAN, EPC, IMS & CDN, OSS(Ope-ration Support System) & BSS(Business Support System) 등을 포함한 전체 기능에 가상화 및 클라우드 기술을 적용하고 각각의 기능들을 서비스 즉, XaaS 형태로 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 가상화 환경으로 RANaaS, EPCaaS, IMSaaS, DSSaaS(Digital Signage as a Service), ICN(Information Centric Network) /CDNaaS 그리고 LBaaS(Load Balance as a Service), DBaaS(Data Base as a Service), DNSaaS(Domain Name Resolution as a Service), MaaS(Monitoring as a Service), AaaS(Analytic as a Service), MOBaaS (Mobility and Bandwidth Availability prediction as a Service), SLAaaS(Service Level Agreement as a Ser-vice), RCBaaS(Rating, Charging and Billing as a Service), AAAaaS(AAA as a Service) 플랫폼 구성이 가능하고 이들의 조합으로 IaaS 및 NaaS 또는 MVN- OaaS 또는 MNOaaS(Mobile Network Operator as a Service) 플랫폼을 서비스 형태로 제공할 수 있다.

앞에서 살펴본 다른 연구의 경우와 같이 이동통신 네트워크 구조에서 EPC 및 IMS 부분에 일차적으로 클라우드 및 가상화 환경을 적용하며 최종적으로는 EU-TRAN 즉, 기지국에 대한 클라우드 및 가상화 환경을 적용하기 위한 RANaaS 환경 연구를 포함하고 있다.

EPC 및 IMS 네트워크에 대한 클라우드 및 가상화 기술 적용은 일반적 형태와 동일하게 일반적인 하드웨어 플랫폼 환경에 대한 가상화를 기반으로 다양한 가상 머신 즉, VM을 구성하여 각각의 VM 환경에 EPC 또는 IMS 기능들을 할당한다. 이러한 클라우드 및 가상화 기술은 기존 IT 영역에서 활용되는 방식과 원론적으로 동일하다.

EPC 및 IMS 기능들의 일부분은 패킷 트래픽을 처리하는 사용자 평면을 포함하고 있기 때문에 (그림 11)과 같이 신호 및 트래픽이 통합된 상태에서 가상 머신과 클라우드 환경에 구성되는 경우와 신호 및 트래픽이 분리되어 SDN 구조에서 클라우드 및 가상화 기술이 적용되는 형태의 진화 방법을 연구하고 있다[11][12].

(그림 11)

클라우드 기반 EPC 구조 및 RANaaS

주요 기능으로써의 RANaaS 환경은 기지국의 디지털 처리 영역을 중앙 집중 형태로 구성한 BBU 기능과 각각의 서비스 영역을 관할하는 아날로그 무선전송 부분의 RRH(Radio Remote Head) 기능으로 분리된다. 따라서 다양한 RAT 방식별로 BBU(Base Band Unit) 구성이 가능하여 HetNet(Heterogeneous Network) 구성이 용이하고 부하 상태에 따라서 BBU 자원의 관리가 가능하여 에너지 절약 환경을 제공할 수 있다.

7. 클라우드 및 XaaS 구조의 RAN

기존 무선 액세스 네트워크의 기능을 분리하고 일부분을 중앙 집중 형태로 구성하여 이를 서비스(XaaS) 형태로 제공하는 클라우드 환경을 무선 액세스 네트워크에 적용한 새로운 연구가 (그림 12 a)와 같이 진행되고 있다[13].

(그림 12)

RAN 기능 분산과 RANaaS

이러한 연구에서는 소형 기지국의 확대와 이에 따른 서비스 처리가 증가한 연결(backhaul) 환경 부하 문제점을 해결하기 위해서 클라우드 자원(computing)의 공동 활용 기술을 적용한 RANaaS 개념을 도입하여 분산된 기지국 기능의 전체 또는 일정한 부분들을 클라우드 환경으로 재배치한다.

클라우드 환경의 효과적인 처리 능력을 활용한 중앙집중 형태의 기지국 기능들을 서비스 또는 소프트웨어 형태로 요구되는 시간과 영역에서 가변적으로 제공할 수 있기 때문에 서비스 처리 차원에서 무선 액세스 네트워크를 효율적으로 운용하고 관리할 수 있다. 따라서 이러한 형태의 서비스와 기능을 클라우드 환경과 가상화 기술을 기반으로 제공하면 가상의 독립된 개별 무선 액세스 네트워크 구성이 가능하고 기지국 기능의 전부 또는 일부를 중앙집중 형태의 소프트웨어 방식으로 처리하여 무선자원관리, 성능 및 신호 간섭 등을 개선하기 위한 협업이 가능하다.

소형 기지국의 증가에 따른 다양한 문제들을 해결하기 위한 RANaaS 방식 연구에서 정의하고 있는 논리적인 무선 액세스 네트워크의 구조는 (그림 12 b)와 같다. RANaaS 방식을 지원하는 기능이 분산된 소형 기지국과 RANaaS 기능이 구현된 플랫폼이 가상의 기지국을 구성하고 이들 사이의 정보 교환 경로를 제공하는 전송장치(transport node)가 논리 구조에 포함된다. 또한 RANaaS 플랫폼 연동 및 RANaaS 방식을 지원하는 소형 기지국은 기지국 사이의 거시적 관점(global view)에서의 비실시간 협업 기능 그리고 부하 분산, 라우팅, 이동성 관리 등을 처리하는 기능이 필요하고 이를 위해서 네트워크 제어장치(network controller) 개념을 도입하며 RANaaS 플랫폼과 이를 지원하는 소형 기지국 또는 MME/xGW 장치를 제어하거나 무선환경의 측정 및 모니터링 기능을 위해서 SDN 구조 적용 여부를 검토하고 있다. 이 기능은 물리적으로 RANaaS 플랫폼과 동일한 환경에 구성 가능하다.

이와 같은 RANaaS 개념은 기지국 기능의 분산과 소프트웨어 처리 방식을 전제로 연구되고 있으며 네트워크 프로토콜 이외에 RF분야를 제외한 무선접속분야에도 적용되어 기지국의 기능에 따라서 다양한 분산 방식이 가능하고 몇 가지 경우들을 (그림 13)에 나타냈다[14].

(그림 13)

클라우드 환경의 기지국 기능 분산

기지국의 상위 기능을 RANaaS 형태로 구성하고 하위 기능을 기지국에 구성하는 straight flow 방식과 상위 기능 특성상 기지국이 처리가 필요한 기능을 기지국에 배치하고 잔여 기능을 클라우드 RANaaS 환경에서 처리하는 forward-backward flow 방식 그리고 기능별 분리 차원에서 제어 계층과 트래픽 계층 등을 각각 RANaaS 및 기지국에 구성하고 일부 상위 기능이 기지국에 구성된 control/user plane separation 방식 등이 있다.