5G 아키텍처 연구동향

2012년 11월부터 30개월 총 2천7백만유로의 연구비가 투입된 유럽 FP7의 대규모 프로젝트로서 2020년 이후를 위한 새로운 패러다임의 이동통신을 정의하고 기술적 가능성을 탐색함으로써 5G 기반을 구축하였다.

5G 목표를 실현하는 대표 서비스로 Extreme Mobile BroadBand(xMBB), massive MTC(mMTC), Ultra reliable MTC(uMTC)를 규정하고, 이를 실현하기 위한 서비스로 xMBB, mMTC, uMTC를 규정하고, 이를 실현하기 위한 Device-toDevice(D2D), Moving Network(MN), Ultra Dense Network(UDN), Massive Machine type Communication(MMC), Ultra Reliable Link(URL)를 주제(Horizontal Topic: HT)로 정의하고, 총 103개 요소기술을 도출하여 주제에 따라 분류, 분석하고, 아키텍처와 시스템 설계에 반영하였다[2].

5G 아키텍처는 다양한 서비스에 대응하는 방안으로 서비스에 따라 네트워크 자원과 기능을 비용 효율적으로 유연하게 동적으로 구성할 수 있도록 네트워크 유연성, 확장성, 서비스 중심 관리 등을 주요 구조 설계목표로 하고 다음의 설계원리로 아키텍처를 설계한다.

- 네트워크 노드/엔터티가 아닌 네트워크 기능 중심: 필요에 따라 동적 배치 운영 가능

- 제어 평면과 데이터 평면의 분리

- 서비스에 따른 네트워크 기능의 선택 구성

- 소프트웨어 방식의 기능 간 접속

상기 설계원리를 반영할 수 있도록 ① 기능, ② 동적 구성 및 관리, ③ 배치 등의 3개 관점으로 5G 아키텍처를 제안한다. 기능 관점으로는 Generic Functional Architecture(GFA)를 제안한다. Top-down 방식으로 HT를 실현에 필요한 상위기능블럭과 상위기능블럭 내부를 구성하는 Building Block(BB)을 정의한다. 상위기능블럭은 (그림 3) 상단 우측에 도시된 바와 같이 Central Management Entity(CME), Radio Node ma-nagement(RNM), Air Interface(AI), Reliable Service Composition(RSC)이며, CME에 3개, RNM에 8개, AI에 11개 BB를 정의하고, bottom-up 방식으로 전술한 103개 요소기술에 대한 상호 유사성 분석, 분해, 재조립을 통해 136개 Function Element(FE)를 도출하고, 각 FE를 해당 BB에 맵핑하여 GFA를 완성한다.

동적 구성 및 관리를 위해 (그림 3)에 도시된 5G 편성 및 관리 아키텍처를 정의한다. 서비스흐름 관리, 5G 편성자, 5G SDN 제어자, 그리고, 인프라 자원 위에 있는 Function Agent(FuAg), SDN Agent 등으로 구성된다.

(그림 3)

METIS2020의 5G 편성 및 관리 아키텍처[2]

서비스흐름 관리는 5G SDN 제어자와 5G 편성자에게 서비스를 실현하기 위한 네트워크 구성과 기능 구성을 각각 요구한다. SDN제어자는 SDN Agent를 통해 네트워크 노드를 제어하고, 5G 편성자는 GFA로 구성된 기능 모임으로부터 필요한 네트워크 기능을 구성하고, FuAg를 통해 가상화된 물리 자원 위에서 구성된 기능의 실행체(Instance)를 동작시켜 서비스를 실현한다.

배치 관점에서는 (그림 4)의 5G 기본 시스템을 정의하고, 5G를 위한 대표적 기술 대안들로서 Massive MIMO, UDN, Multi-RAT, Dynamic RAN 등을 실현하기 위한 기능들의 배치하고, 그 특성을 분석 검토하는 방법으로 배치 아키텍처를 제안한다. 기능들은 동기/비동기(요구되는 기능의 동기화 긴박성에 따라), User Plane(UP)/CP, Radio/Core 등으로 분류하여 서비스와 비용/사용 효율을 고려한 최적 배치가 가능하도록 한다.

(그림 4)

5G 배치 아키텍처를 위한 5G 기본 시스템[2]

5G 시스템에서는 5G 아키텍처를 기반으로 하여 5G 시스템에서 실현해야 할 주요 특징, 주요 서비스 실현 방안, 추구할 새로운 시스템 개념 등을 제시하고 각각에 대해 기술 대안을 제시하고 분석한다[5].

5G 주요 특징은 이동단말의 이중 역할(인프라/단말로서 역할), 저지연 고신뢰 링크, 50~100Mb/s 보편적 데이터 속도 보장, 인프라 지원 없이도 동작하는 감내형 무선, 사업자 간 협업통신 증가, 군중 군집에 대응하는 네트워크, 지역 트래픽의 지역 처리, 전례 없는 유연한 주파수 활용, 에너지 효율 극대화 등으로 규정하고 각 특징에 대한 정의 및 기술적 대응을 검토한다. 5G 목표를 실현하는 대표 서비스로 xMBB, mMTC, uMTC를 규정하고 이를 실현하는 기술요소들을 분석, 모사하여 실현 가능성을 확인한다. 새롭게 추구할 기술 개념으로 Lean System Control Plane, Dynamic RAN, 지역 콘텐츠와 트래픽 흐름, 주파수 도구함(Spectrum Toolbox) 등을 정의하고 각각에 대한 개념을 설계한다.

METIS의 5G에 대한 1단계 탐색 연구결과는 ITU-R, 5G-PPP 등을 통해 현재 5G 모습의 대부분을 형성하는 데 반영되었고, 5G-PPP의 METIS II를 통해 2단계 연구인 시스템 최적화/표준화/시험모델 구현, 3단계 상용화 전단계인 시범서비스로 이어질 예정이다.

2012년 11월부터 2015년 4월까지 총 370만유로의 연구비가 투입된 상대적으로 소규모 프로젝트이지만 SDN을 통한 프런트/백홀망 제어 시연, GPU 환경에서 동작하는 LTE turbo code 시연 등 RANaaS 개념을 시연을 통해 실질적으로 검증한 것이 주목할 만하다[6].

(그림 5)

iJOIN 제안 RANaaS 논리적 아키텍처[7]

(그림 5)에 사각형으로 표시된 영역은 RANaaS로 실현된 virtual evolved Node B or E-UTRAN Node B(eNB)이다. Virtual eNB에서는 eNB의 기능이 RANaaS 서버와 복수의 iJOIN Small Cell(iSC)에 분산 실현되고, 다른 eNB, Evolved Packet Core(EPC)에 대해서는 정상적인 eNB로 보인다. Virtual eNB 내부는 다수의 iSC, 서버, 전달망 스위치인 iTN, 전달망을 중앙 제어하는 iNC 등 이 구성되고 이들 간의 접속 규격으로 J1~J4가 정의된다. iSC의 트래픽 상황, 전달망의 가용 대역폭, 서버의 계산 용량을 고려하여 PDCP/RLC/MAC/ PHY/RF 계층 접면 중 적절한 위치에서 RAN 기능을 분리하여 서버와 iSC에서 각각의 기능을 수행하도록 한다.

RANaaS는 3GPP R10에 비교하여 단위면적 용량 62배, 에너지 소모 1/10, 사용효율 90%, 장비비용 75%를 실현할 수 있다고 평가하고 있다[7]. RANaaS 아키텍처는 4G의 진화를 위해 설계되었지만, 아키텍처 자체는 5G를 위한 혁신적 구조로도 활용할 수 있다.

2012년 11월부터 36개월 진행된 FP7 프로젝트로서 이동통신을 클라우드 환경으로 실현하는 것을 목표한다.

(그림 6)

MCN 주요 구성 요소[8]

(그림 6)에 도시된 바와 같이 Mobile Cloud Network (MCN)은 Service Manager(SM), Service Orchestrator(SO), Cloud Controller(CC)를 사용하여 다양한 단위 서비스를 조합 또는 연계시켜 단대단 서비스를 제공한다. SM은 사용자 접속과, 서비스를 제공하는 데 필요한 비즈니스 및 기술적 생명주기의 관리, SO는 MCN 서비스가 제공되는 동안 MCN 서비스 실행체(Instance) 관리, CC는 Support 서비스, Atomic 서비스를 제공한다. MCN 서비스는 RAN, EPC, IMS 등 이동통신망 주요 기능을 클라우드 서비스화한 것이고, Support 서비스는 MCN 서비스 위한 부가 기능들(예, Load Balancing, DNS, SLA, Mobility, Data Base, AAA 등)을 클라우드 서비스화한 것이다. Atomic 서비스는 컴퓨팅, 스토리지, 네트워크의 자원을 가상화하여 원하는 만큼 사용하게 해주는 자원 풀 서비스이다.

MCN 구조를 사용할 경우 사업자가 일부 서비스 기술만 가지고 있을 때도 다른 사업자의 서비스를 연계시켜 다양한 형태의 종단 간 서비스를 제공할 수 있으며, MCN은 이를 가능하게 하기 위한 클라우드 서비스의 프레임 워크도 제시한다.

MCN은 서비스 구성요소를 여러 개의 서비스로 모듈화하여 클라우드 위에 실현하고, 이들 서비스를 상황에 따라 조합하여 종단 간 서비스를 실현한 것으로 이동통신망을 클라우드 서비스로 제공하는 최초의 시도이다. MCN은 4G 이동통신망을 대상으로 설계되었으나, 가상화 및 클라우드 기술이 아키텍처의 중심이 되는 5G에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만, MCN은 클라우드 서비스의 아키텍처와 구현 방법을 이동통신으로 확대 적용한 것으로 ETSI의 Network Function Virtualization(NFV) 아키텍처와 비교하여, 그 장단점이 검토되어야 한다.

2010년 4월부터 2012년 12월까지 진행된 이동통신 체감 품질 향상을 목적으로 하는 이동통신 네트워크 진화 연구 프로젝트이다. EPC 개선에 초점이 맞추어져 있으며, 당면한 문제는 가입자 폭증, 트래픽 폭증으로 시그날링 및 데이터 트래픽이 급증하고, 그에 따라 확대되는 네트워크 비용과 매출의 괴리 문제이다. MEVICO에서는 EPC의 비효율적 라우팅에 의해 발생하는 트래픽을 제거함으로써 네트워크 부하를 경감시켜 네트워크 트래픽 폭증에 대응한다[9].

현재의 EPC는 이동앵커점과 인증/과금/정책제어 기능이 중앙(national POP)에 집중되어 있어 데이터 트래픽과 시그날링 트래픽이 모두 중앙으로 몰린다. 이런 중앙 집중 구조는 트래픽 폭증에 취약하지만 관리 및 과금 편이성 때문에 현재도 사용되고 있다.

MEVICO에서 제안하는 구조는 중앙에 있는 PGW를 액세스망으로 전진 배치하여, 전진 배치된 다수의 PGW로 트래픽을 분산 수용하여 코어 네트워크에 트래픽 발생을 최소화하는 것이다. 또한, 데이터 트래픽뿐 아니라 시그날링 부하의 분산을 위해 IMS 기능에 속하는 관리서버의 기능까지 액세스망으로 분산시키는 것을 제시한다. (그림 7)은 Local POP에 이동앵커점과 관리서버, 서비스제어 기능이 모두 분산 배치된 Flat 아키텍처를 도시하고 있으며, Local POP부터 코어 네트워크 방향으로는 IP 라우터망으로 동작한다.

(그림 7)

MEVICO의 Flat 아키텍처[8]

MEVICO는 미래 코어네트워크의 문제점을 분석하고 예상 가능한 필요 기능과 후보기술에 대한 체계적인 분석을 하였다. 따라서 네트워크 측면에서 생각해 볼 수 있는 다양한 기술을 제시했다는 점에서 의미가 있으며, 특히 Flat 구조로 변환 시 네트워크에서 해결해야 할 문제점을 분석했다는 점에서 의미가 있다.

MEVICO는 현재의 코어 네트워킹 기술들을 활용하여3GPP EPC를 개선하는 방안을 분석 정리하였지만, SDN/NFV/Cloud 소프트웨어 기반의 5G 네트워크 구조에서도 MEVICO에서 제안한 기술들을 활용하는 방안을 연구할 필요가 있으며, 네트워크 기능이 유연하게 배치 운영되는 5G에서는 MEVICO에서 제시간 기술 대안들이 활용될 수 있을 것이다.

5G-PPP는 유럽 Horizon2020의 5G 관련 연구프로젝트를 총괄하는 5G 사업단이다. 2020년까지 수행하며, 5G 관련하여 유럽 산업체의 지적재산권 확보, 시장 확보, 사업화 성공 등 유럽의 이동통신 산업을 보호하고 발전시키는 분명한 사업적 목표를 가지고 있고, 현재까지 5G 탐색연구에서 실용화 및 사업화로 R&D 방향을 전환한다는 것을 의미한다. 2016년 7월 Phase 1으로 19개 프로젝트가 시작되었고, 아키텍처 관련 주요 프로젝트들에서 추구하는 특징을 정리하면 아래와 같다[10].

· METIS-II

서비스별로 특화되면서 최대한 공통 구조를 갖는 5G AI, 무선자원의 추상화 및 무선자원 관리, 복수 RAT/복수계층 접속 및 이동성, EPC의 S1/X2 접속점 개선을 통한 5G/4G/WiFi 통합 수용, RAN 슬라이스

· 5G NORMA

MEC, multi-services/multi-tenants, network slicing

· COHERENT

이종 무선 네트워크 자원의 추상화를 통한 네트워크 규모의 자원 관리/제어

· COGNET

Machine Learning을 통한 네트워크의 관리 지능화 및 자동화

· SELFNET

SDN/NFV 환경에 적합한 autonomic network management

· Flex5Gware

5G를 위한 네트워크/컴퓨팅 노드의 HW, SW platform

· SONATA

소프트웨어 네트워크 기능 모듈의 개발, 설치, 시험, 운영 환경

· SESAME

Cloud enabled small cell 플랫폼, 복수 사업자 간 스몰 셀 공유 구조

2012년 3월 산-학-연을 중심으로 5G 포럼을 조직하여 네트워크, 무선, 서비스 등의 세부 분야별로 논의를 진행 중이다[11][12]. 5G 아키텍처 논의는 ETRI, SKT, KT, LGU+, 삼성, LG전자, Ericsson, Nokia 등이 참여하여 네트워크 기술분과를 중심으로 이루어지고 있으며, 5G에서 필요한 전송, 코어네트워크, 무선 기술을 도출하고, 이러한 기술이 반영된 아키텍처를 설계하고 있다.

ETRI에서 수행하고 있는 코어 네트워크 핵심기술 연구에서는 (그림 8)에 도시한 바와 같이, 분산 게이트웨이 환경에서 동종 액세스 및 이종 액세스 간의 실시간 이동성 제공을 위한 Anchor-Free IP Mobility 제어, 액세스 기술 특성에 독립적인 All-IP 기술기반의 5G 공통신호체계(Common Control/Signaling)를 구조적 특징으로 하는 코어네트워크를 연구개발하고 있다.

(그림 8)

ETRI 제안 5G 코어 네트워크 구조[13]

2015년 2월 5G 백서[14]를 발표한 후 비즈니스, 요구사항 및 아키텍처, 스펙트럼, 지적재산권 등에 대해 각각 작업반을 구성하여 활동하고 있으며, 통신사업자 관점의 5G 실현이 현재 최대 활동 목표이다.

5G를 유선까지도 포함한 현재의 모든 액세스망과 미래의 새로운 액세스망을 수용할 수 있도록 고도의 네트워크 통합을 기본 설계원리로 하고, 네트워크의 모든 측면을 포함하는 단대단 시스템으로 정의한다. 또한, 특성이 서로 상이한 다양한 서비스를 제공할 수 있도록 유연한 네트워크로 설계할 것을 제기한다. 따라서, (그림 9)에 표시된 바와 같이 단말부터 시작하여, 이동/고정 네트워크 기반시설, 네트워킹 기능, 신규 가치 제공 능력, 5G 시스템 관리 및 편성에 이르기까지 SDN/NFV가 내재화된 5G 아키텍처를 제안하고 있다.

(그림 9)

NGMN 제안한 5G 아키텍처[14]

단말, RAT/네트워크/서버/스토리지 등의 유무선 네트워크 기반시설 등이 가상화되고, 그 위에 소프트웨어로 구현된 네트워크 기능들이 단대단 관리 및 편성 기능에 의해 설치되고, 네트워크 응용은 API를 통해 네트워크 기능들을 사용함으로써 최종적인 응용 서비스가 실현되는 구조이다. 이 아키텍처에서는 서비스별로 필요한 기능들이 선택 구성된 네트워크 슬라이스를 가상화된 자원 위에 생성하고, 해당 서비스가 네트워크 슬라이스 위에서 실행되도록 함으로써 효율적으로 자원을 활용하고 이종 서비스 간의 간섭을 방지한다.

RAT의 구조는 4G까지 추구했던 단일 RAT에서 다수 RAT을 허용하고, L2(Layer 2)계층 이상의 통신규약을 단일화하여 제어 측면에서는 단일 RAT로 인식할 수 있도록 한다. 다중 RAT와 네트워크와의 접속은 (그림 10)에 도시한 바와 같이 5G RAT가 현재의 EPC에 접속되는 방법, 5G 네트워크를 정의하여 5G RAT만 접속하는 방법, 5G 네트워크에 5G, 4G,WiFi, Fixed 등 모든 액세스를 직접 접속하는 방법 등으로 분류하고, 세 번째 방식을 바람직한 구조로 제안하고 있다.

(그림 10)

액세스 기술 통합 방안[13]

5G 백서를 통해 5G 아키텍처를 제안한 이후, 전술한 4개 작업반을 통해 5G 아키텍처 실현 활동이 이루어지고 있다. 특히, 요구사항과 아키텍처 작업반에서는 단대단 아키텍처, 네트워크 관리 및 편성, 5G 보안, 수직산업, 기존 광대역 및 텔코 서비스의 향상, 표준화 등 6개 부분에 대해 요구사항 작업을 하고 있다. 그 활동의 일환으로 2015년 12월 3GPP에 대해 단대단 5G 아키텍처를 성공적으로 표준화하도록 3GPP RAN과 SA가 서로 협력할 것을 요청하였고[15], RAN 요구사항과 Key Performance Indicator(KPI)를 전달하였다[16]. RAN 요구사항에는 5가지 Enhanced Mobile Broadband(eMBB) 서비스에 대한 배치 시나리오를 도출하고 각각에 대해 주파수, 배치 구조, 셀크기 등을 규정하였고, KPI는 일반적 특성과 서비스 특화 특성으로 분류하여 규정하고 있다. 단말 상태와 서비스 종류에 따라 지연 특성을 세분화하여 규정한 것과 최고 속도를 규정하지 않고 사용자 체감 속도를 규정한 것이 특징이다.

차이나모바일은 NFV/SDN으로 구현되는 IT를 기반으로 하는 서비스 중심 네트워크, 다중연결/인지형 서비스/에지노드 강화를 통해 실현되는 사용자 중심 네트워크, 다중셀/복수RAT/beam-forming/혼합형duplex 등 복합 무선환경을 효율적으로 활용하기 위한 소프트웨어 정의 AI, C-RAN, 이더넷 fronthaul, RAN 프로토콜 스택 기능 재정의/재배치 등 6개 개념을 5G 주요 특징으로 추구하고 있다[17].

화웨이는 Unified Air Interface(UAI)와 Radio Access Virtualization을 5G 주요 특징으로 제안한다[18]. UAI는 프레임구조, 다중접속, waveform을 모두 통일된 변수기반으로 조정할 수 있도록 함으로써 다양한 무선환경과 서비스 환경에 적응하는 최적의 AI를 제공한다는 것이다. 문제는 통일된 변수로 조정할 수 있도록 AI를 구성하는 기능들을 어떻게 실현하는가에 있다. 화웨이는 F-FBMC, SCMA를 그 실현 수단으로 제안한다. 또한, polar-code에 의한 AI 성능 개선도 제안한다.

Radio Access Virtualization은 기존의 기지국 기반에서 사용자의 이동노드 기반으로 셀환경을 변화시키는 것이다. 즉 다수의 기지국이 협력하여 사용자의 이동노드가 항상 셀의 중심이 있도록 무선환경을 조성하는 것이다. 이 경우 기지국셀 식별자는 더 이상 의미가 없으며, 이렇게 이동노드 주변에 형성된 셀을 가상셀이라고 하고, 결과적으로 cell-less, no-cell 환경이 실현된다.

에릭슨은 향후 5G가 도래하더라도 상당기간 4G 서비스가 대부분일 것으로 보고 LTE의 진화기술을 통해 5G를 구현한다는 전략이다[19]. 즉 기존기술의 진화 측면을 강조하고 있다. 따라서 5G를 LTE + New Spectrum으로 보고 있고 구조적으로 다양한 주파수의 무선 네트워크를 유연하게 수용할 수 있는 구조로 SDN/NFV 기반의 네트워크를 지향하고 있다.

노키아는 액세스 네트워크에서의 가상화를 가정하여 RU와 DU 간의 다양한 기능 분배 구조를 제안한다[20]. 프런트홀 특성에 따라 DU와 RU로 구성되는 무선액세스에서의 기능배치가 가능하도록 다양한 타입의 액세스 구조를 제안하고 있다. 사업자의 네트워크 상황에 따라 프런트홀 용량 또는 DU의 처리용량을 고려하여 최적의 기능 배치가 가능하며 RANaaS와 SDN 기반의 프런트홀 제어를 연계시켜 상황에 따라 유연한 액세스 망 구성을 가능하게 한다.

SKT는 2014년 10월 5G 백서[21]를 발표하고, 2015년 10월 5G 아키텍처 설계 및 구현 안내서[22]를 발표하였다. (그림 11)은 All-IT 개념의 5G 아키텍처를 도시하고 있다.

(그림 11)

SKT 5G 상위 아키텍처 개념도[22]

상위에는 가상현실, IoT, 주요 임무형 서비스 등 혁신적 서비스를 제공하는 환경, 하위 인프라 계층에서는 가용한 유무선 자원을 최대한 활용하여 최상의 연결성을 제공하는 초연결 환경, 그리고 초연결 환경이 혁신적 서비스를 제공할 수 있도록 중간 Enabling Platform으로 구성된다. Enabling Platform은 가상화, Telco-IT, 네트워크 슬라이싱, NFV/SDN 등이 주요 기능이다.

구체적인 설계 가이드라인은 5G 아키텍처 전반에 걸친 문제를 다루는 E2E 5G 인프라, 클라우드와의 결합으로 RAN 문제를 해결하는 Cloud-RAN, 코어 네트워크 기능을 네트워크 에지에 분산 배치를 하는 Cloud-Core 등으로 나누어 설계 고려사항을 정리하고 있다.

KT는 현재 별도로 운영되고 있는 무선 백홀과 유선 메트로 전송을 통합하여 통합 백홀을 기반으로 5G 유무선통합 네트워크 구조로의 진화를 추진한다[23].

LGU+는 5G인프라스럭처를 NFV/SDN을 기반으로 구축되는 것으로 보고, 네트워크 기능의 소프트웨어 모듈화, 개인화/장애감내/상황인지 등을 증진하기 위한 정보수집 분석 및 실행 루프 형성, 4G에 오버레이로 5G를 구축하고 dual connection 운영을 주요 고려사항으로 하고 있다[24].

삼성전자는 저지연과 많은 수의 동시연결을 지원하기 위한 네트워크 구조를 제안한다[25]. 저지연 서비스의 지원을 위해서 네트워크 기능을 사용자 전면에 배치시기거나 더 나아가서 이동 단말에 위치시키는 Flat 구조를 지향하고 있으며 많은 수의 단말을 동시에 지원하기 위해 SDN/NFV 기술을 활용하는 유연한 네트워크 구성을 위해 기술을 지향하고 있다.