5G를 위한 MEC 기술동향

1. Intelligent Video Acceleration

비디오 소스를 실시간 네트워크 용량에 따라 가이드함으로서, 모바일 콘텐츠 전달상의 비효율성을 제거해주는 시나리오이다. RAN에 있는 Radio Analytics 연계 MEC 응용들은 원격의 비디오 서버에게 무선 다운링크 인터페이스에서의 처리 가능한 용량에 대한 정보를 제공한다. 이 정보는 Transmission Control Protocol (TCP)의 혼잡 제어 결정에 활용되어, 응용 레벨의 코딩이 무선 다운링크의 예측 용량에 적합하도록 조정할 수 있게 한다[(그림 3) 참조].

(그림 3)

Intelligent Video Acceleration[4]

MEC의 적용은 콘텐츠의 time-to-start를 줄여주며, 비디오의 스톨 현상을 막아주는 등 최종 이용자의 QoE를 향상시키고, 무선망의 자원 활용을 극대화하여 준다.

2. Video Stream Analysis

비디오 스트림을 분석하여 모니터링 시스템에서 활용하는 시나리오이다. 예를 들어, 도시나 주차장 등에서 보안 목적으로 자동차의 번호판을 인식하는 비디오 감시 시스템의 경우, 일반적으로 번호판 정보를 캡처하여 원격의 클라우드 기반 모니터링 서비스에 보내준다[(그림 4) 참조].

(그림 4)

Video Stream Analysis[4]

MEC기반 비디오 분석의 장점은 비디오 카메라가 자체 분석기능을 가진 것에 비하여 카메라의 단가를 줄여주고, 원격 서버에서 분석하는 방법에 비하여 네트워크 상의 대용량 전송을 막아준다. MEC서버에서의 로컬 처리를 통하여 단지 소규모의 정보만 응용 서버에 전달하도록 한다.

3. Augmented Reality

박물관이나 관광지, 공연장 방문자가 자신의 모바일 단말을 관심 대상물에 향하고, 관련 앱을 활성화 시키면 방문자가 보는 전경에 추가적인 정보를 단말의 디스플레이에서 보여주는 시나리오이다[(그림 5) 참조].

(그림 5)

Augmented Reality[4]

이용자의 위치와 카메라 뷰 정보를 분석하여 실시간으로 추가 정보를 제공하기 위하여는 이용자의 움직임과 가상현실 서비스가 이용되는 상황에 대한 정보의 업데이트가 빨라야 한다. 따라서 MEC 서버의 사용은 저지연 및 대용량 데이터 처리 측면에서 좀 더 중앙 집중화된 서버 방식보다 유리하다.

4. Intensive Computation Support

단말이나 센서에서 배터리 사용시간을 늘리거나 저가화, 단순화 목적으로 대량의 계산이나 의사 결정을 네트워크로 오프로딩시킬 수 있다. 어떤 경우에는 네트워크에서 다른 여러 원격 소스들로부터 정보를 전달받아 의사결정을 위한 데이터 처리를 하고 그 결과를 디바이스에 피드백시켜야 할 수도 있다.

예를 들어, 로봇이 물체를 만나서 영상인식 처리가 필요한 경우, 이미지 세부 정보를 서버에 보내서 처리하게 하고 그 결과를 받아 필요한 동작을 수행하면 된다. 게임, 환경 센서, 보안 응용 등이 computation offloading을 통하여 성능을 향상시킬 수 있는 다른 예이다. 이를 위하여는 매우 짧은 처리시간과 계산 결과를 디바이스에 되돌려주는 데 따른 저지연 특성이 필요하다.

5. Enterprise Deployment

기존 엔터프라이즈 영역의 유선통신 장비들이 스마트폰이나 테블릿, 랩탑 같은 모바일 기기들로 바뀜에 따라 엔터프라이즈 서비스들은 클라우드 기반 플랫폼으로 이전되고 있다. 기업 이용자가 개인 단말을 엔터프라이즈 네트워크에 접속하는 것을 허용하는 Bring Your Own Device(BYOD) 사례들이 증가하고 있다. 기업의 IP-Private Branch Exchange(IP-PBX)에 MEC 플랫폼을 결합함으로써, 네트워크 사업자의 엔터프라이즈용 스몰셀과 기업의 Wireless Local Area Network(WLAN) 간 통합된 Unified Communication 서비스를 제공할 수 있다[(그림 6) 참조].

(그림 6)

Break-out to Enterprise Network[4]

엔터프라이즈 네트워크에 대한 MEC 기반의 Break-out을 통하여 이용자의 네트워크에 대한 로드 밸런싱은 물론, 스몰셀과 WLAN간 액세스 선택, 내부 직원들 및 게스트에 대한 액세스 제어가 가능하다. 또한 회사의 IT정책에 따라 이용자 소유 디바이스에 대한 관리, 새로운 서비스 및 단말에 대한 손쉬운 제공 및 보안, 새로운 직원에 대한 신규 액세스 제어 및 검증 등에서 효율성을 제고한다.

6. Connected Vehicles

최근 자동차나 차량들은 Dedicated Short Range Communication(DSRC)이나 LTE 등을 이용하여 점점 더 네트워크에 연결되고 있다. 차량이나 도로변 센서 통신은 안전 및 운용 데이터의 교환을 통하여 운송시스템의 안전성, 효율성, 편의성을 증대시킨다. 이런 연결에 있어서 요구 특성들은 제공 서비스, 서로 다른 지연 단계, 데이터의 근접성, 계산처리 요구량, 활용가능 대역폭 등에 따라 변화될 수 있다.

MEC는 컨넥티드 카 클라우드를 고도로 분산된 모바일 기지국 환경으로 확장시킨다. 차량에 근접한 위치에 존재하는 데이터와 응용들이 데이터의 왕복 전달 시간을 줄여주며, 코어망이나 외부 인터넷에 있는 응용들에게 일종의 추상화 계층을 제공한다.

(그림 7)

Connected Vehicles[4]

MEC 응용은 차량 및 도로변 센서 내의 응용으로부터 직접 로컬 메시지를 수신하며, 이들을 분석하여 해당 지역의 주변 차량들에게 위험 경고나 지연에 민감한 메시지를 전파하게 된다. 도로변 MEC 응용들은 발생한 사건에 대하여 이웃 MEC 서버들에게 정보를 전달하여 인접 지역에 가까운 차량들에게 위험 경보를 전파하게 할 수 있다. 또한, 중앙의 컨넥티드 카 클라우드에 로컬 정보를 전송하여 추가적인 처리나 보고를 하도록 할 수 있다[(그림 7) 참조].

7. IoT Gateway

IoT(Internet of Things)는 다양한 사물들을 다양한 네트워크를 통하여 연결한다. 일반적으로 IoT 메시지는 작고, 암호화되어 있으며, 서로 다른 프로토콜로 전달된다. 따라서 다양한 프로토콜을 관리하고, 메시지를 분배하며, 분석 처리를 위하여 사물에 가까운 위치에서 저지연 특성의 종합점(aggregation point)이 필요하다.

(그림 8)

IoT Gateway[4]

MEC 서버는 추가적인 컴퓨팅 능력과 메모리를 이용하여 종합 및 분배 서비스, 사물 메시지에 대한 분석, 그 결과에 따른 의사결정 로직, 데이터베이스 로깅, 사물에 대한 원격 관리 및 액세스 제어 등을 제공한다[(그림 8) 참조].

1. MEC 구조

MEC는 모바일 이용자에 근접한 위치에서 응용과 서비스 전개는 물론 콘텐츠를 저장하고 처리할 수 있는 고도의 분산 컴퓨팅 환경을 제공한다. MEC 응용들은 실시간으로 무선 및 네트워크 정보를 얻으며, 모바일 이용자들에게 개인화되고 상황 인식적인 서비스를 가능하게 한다. 이를 통하여 좀 더 적응적인 모바일 광대역 서비스 경험뿐 아니라, 새로운 수익 기회를 만들어낸다. 즉 새로운 서비스 개발이 기지국 내부 또는 주변에서 이루어지는 새로운 생태계를 창출하게 되는 것이다.

MEC의 주 요소는 RAN과 결합되는 MEC IT응용 서버이다. MEC 서버는 컴퓨팅 자원, 저장 능력, 연결 능력, 이용자 트래픽과 무선 및 네트워크 정보로의 액세스능력을 제공하며, RAN 내부에서 멀티벤더 플랫폼을 통하여 다양한 응용들의 효율적이고 끊김 없는 통합을 이루어 낸다[5].

MEC 서버는 LTE 매크로 기지국(eNodeB)이나 3G Radio Network Controller(RNC), 또는 Multi-technology cell aggregation 사이트에 놓일 수 있다. Multi-technology cell aggregation 사이트는 병원이나 대기업 본사와 같은 기업의 실내 또는 대형 공공 빌딩이나 쇼핑몰, 경기장과 같은 실내/실외 등에 위치하여 여러 종류의 무선 기술 AP/기지국을 제어한다.

MEC의 구조는 멀티 벤더 환경에서 주요 Enabler들인 기능 요소들을 포함한다. 이들을 통하여 혁신이 이루어지고 글로벌 시장이 촉진되며, 서비스 차별화와 가치 창출이 이루어진다.

(그림 9)처럼 MEC 서버 플랫폼은 호스팅 인프라와 응용 플랫폼으로 구성된다[5].

(그림 9)

MEC 서버 플랫폼 구조[5]

MEC 호스팅 인프라는 하드웨어 자원들과 가상화 레이어로 구성된다. 이에 대한 상세한 실제 구현 내용은 플랫폼상에 호스트되는 응용들에게는 추상화되어 보여진다. MEC서버와 RAN의 통합에는 다양한 구현 옵션들이 가능하다.

MEC 응용 플랫폼은 호스팅 되는 응용들을 위한 여러 능력을 제공하는데, 가상화 관리자와 응용 플랫폼 서비스들로 구성된다.

· 가상화 관리자는 Infrastructure as a Service(IaaS) 도구들을 제공함으로써, 응용들에게 유연하고 효율적이며, 멀티 터넌시의 실시간 호스팅 환경을 제공함. IaaS 컨트롤러는 응용 및 플랫폼을 위한 보안과 자원 샌드박스(논리적 독립환경)를 제공함. 응용들은 IaaS상에서 수행되며, Virtual Machine(VM) image로서 배포되고, 완전한 구현의 자유를 보장받음.

· MEC 응용 플랫폼 서비스는 미들웨어 서비스들과 인프라 서비스들을 제공함. 인프라 서비스에는 응용들과 MEC서버 내 서비스들을 연결하는 Communication Service, MEC서버에서 이용가능한 서비스들의 목록을 관리하고 공표하는 Service Registry 등이 포함됨. 미들웨어 서비스로는 실시간 무선 및 네트워크 정보를 인가된 응용들에게 제공하는 Radio Network Information Service(RNIS)와 정책에 의하여 선택되어진 특정 User Plane 트래픽을 인가된 응용들에게 보내어 처리를 하게 하는 Traffic Offload Function(TOF)이 있음.

MEC 응용들은 벤더나 통신 사업자, 제3의 서비스 사업자들부터 제공되며, 가상머신 상에서 수행된다. MEC 서버 플랫폼과 플랫폼 제공 서비스는 응용들과는 완전히 독립적이다. 응용들은 자신과 연계된 Application Management Systems에 의하여 관리되는데, 이는 응용에 종속적인 시스템이다. 응용에 대한 라이프 사이클 관리는 MEC application platform management system이 수행한다.

2. Enabling Technologies

최근 통신 및 IT산업 분야에서는 몇 가지 기술적 진전을 이루어냈고, 이런 기술들이 MEC를 성공시키기 위한 Key Enabler로서 적용되고 있다[5].

가. 클라우드 및 가상화 기술

지난 수년간 하드웨어와 소프트웨어의 분리, IT영역에서의 수평적이고 클라우드 기반의 솔루션 등장은 IT산업을 변화시켜 왔다. 이런 변혁은 근본적으로 하드웨어 자원으로부터 가상머신 내에 응용들과 소프트웨어 환경을 분리하는 하이퍼바이저의 등장으로 가능하게 되었다. 이를 통하여 복수의 가상머신들은 하나의 플랫폼상에서 전개될 수 있으며, 동일한 하드웨어 자원들을 효율적이고 유연한 방법으로 공유할 수 있게 한다.

클라우드 솔루션은 이러한 기술을 사용하여 컴퓨팅 및 스토리지 자원들을 온디맨드로 사용할 수 있게 하며, 새로운 차원의 자동화, 네트워크 및 서비스 도입에 대한 유연성과 탄력성, 더욱 신속한 혁신 사이클을 제공한다.

클라우드와 가상화 기술들은 Telco Cloud와 Network Functions Virtualization(NFV)로 발전되어, IT산업계가 이루어 왔던 변혁을 통신 산업에도 가능하게 만들고 있으며, MEC에서도 Key Enabler 역할을 하고 있다.

나. 대용량 표준 서버 기술

MEC가 상업적으로 성공하기 위하여는 대용량 IT하드웨어가 필수적이다. 최근 다용도의 IT플랫폼들이 패킷 처리와 같이 막대한 하드웨어 자원을 사용하는 응용과 서비스들을 처리하기 위하여 진화하고 있다.

이더넷 컨트롤러는 10Gbps에서 40Gbps를 제공하는 장비들이 주류를 이루고 있으며, 최적화된 드라이버를 사용하여 일반 CPU를 사용하는 가상화 환경에서도 대용량 처리 성능을 보여주고 있다.

다. 응용 및 서비스 생태계

MEC 산업이 번창하기 위하여는 소프트웨어 및 응용 벤더들이 MEC 기능과 능력들을 이용하여 시장 혁신적이고 획기적인 서비스와 응용들을 개발하는 것이 필수적이다. 새로운 최첨단 응용들을 개발하거나, 기존 서비스 응용들을 새로운 MEC 환경에 맞도록 변화시키기 위한 중요한 요소로서 개방형 표준 및 API, 사용자 친화적인 프로그래밍 모델 및 도구, Software Development Kits(SDK)들이 있다.

또한, 생태계 조성을 위한 지원 프로그램으로서 레퍼런스 플랫폼, 개발 도구, 새로 개발된 응용 프로그램들을 검증하고 최적화하기 위한 시험 환경 등이 필수적으로 필요하다.

마지막으로 멀티 벤더 환경을 활성화 하기 위해 표준이 필요하다. MEC 응용들이 이러한 표준에 적합하면, 서로 다른 벤더의 플랫폼에도 적용할 수 있기 때문에 상호 이익이 될 것이다.

3. PoC Projects

European Telecommunications Standards Institute(ETSI) Industry Specification Group(ISG) MEC에서는 MEC 기술의 주요 측면들을 검증하기 위하여 Proof of Concept(PoC) 프로젝트들을 진행하고 있다. 프로젝트의 결과는 다시 ISG MEC에 피드백되어 요구사항과 규격과의 갭을 파악하고, 기술의 실행 가능성을 검증하는 기반이 된다. PoC팀은 MEC 서버업체, 모바일 네트워크 사업자, MEC 응용업체 등으로 구성되며, 현재 3개의 PoC 프로젝트가 진행 중이다.

가. Service Aware RAN PoC

Intelligent Video Acceleration 서비스 시나리오를 검증하기 위한 PoC로서, 비용을 지불한 가입자에게 좀 더 품질이 보장된 QoE를 제공하기 위하여 해당 비디오 스트림에게 높은 우선순위를 부여한다[6].

MEC 응용은 콘텐츠 제공자로부터 유료 이용자의 정보 및 IP 주소를 제공받아, 트래픽 혼잡이 발생할 때 해당 비디오 스트리밍 패킷의 우선 순위를 높여서 계속 대용량 처리가 가능하도록 하여 준다[(그림 10) 참조].

(그림 10)

Service Aware RAN MEC PoC[6]

PoC팀은 Intel UK(MEC 인프라 제공자), China Mobile (서비스 제공자), iQiYi(콘텐츠 제공자)이며 기간은 2015. 4. ~ 2016. 1사분기까지이다.

당초 목표로 하는 Service Aware RAN뿐만 아니라 금융 거래, 웹 브라우징, 모바일 게임 등에도 적용될 수 있다.

나. Edge Video Orchestration PoC

경기장이나 행사장에서 실시간으로 비디오 스트림을 분배받는 서비스를 보여주는 PoC이다. 최종 이용자는 전문적인 경기장 카메라로부터 생중계되는 비디오를 받을 수 있는데, 카메라 앵글을 선택하고 비디오 리플레이를 현장에서 할 수 있다[3][7].

PoC팀은 Nokia(MEC 인프라 제공자), 영국의 EE(서비스 제공자), Smart Mobile Labs(애플리케이션 제공자)이며 기간은 2015. 10. ~ 2016. 1사분기까지다.

본 PoC는 기본적으로 노키아의 LiquidApplications 기술을 기반으로 하였으며, EE의 LTE망을 이용하여 런던의 웸블리 구장에서 서비스 시연을 한다[(그림 11) 참조].

(그림 11)

Edge Video Orchestration PoC[3]

다. Radio aware video optimization PoC

무선 상황에 따라 콘텐츠 서버에서 송출되는 비디오 스트림의 품질을 조정하여 최종 이용자의 QoE를 향상시키는 PoC이다. 무선구간에서 혼잡 발생 시에 우선 VIP 이용자에게 대역폭을 추가하고 우선 순위를 높여주며, 다음으로 QoE를 향상시키기 위하여 다른 포맷으로 트랜스코딩을 시행하여 스톨링을 방지한다[8].

PoC팀은 Telecom Italia(네트워크 사업자), Intel UK(MEC 인프라 제공자), Eurecom(MEC 인프라 제공자), Politecnico di Torino(애플리케이션/콘텐츠 제공자)이며 기간은 2015. 11. ~ 2017. 3. 까지이다.

(그림 12)

Radio Aware Video Optimization PoC[8]

본 PoC에 사용된 eNodeB, MEC 서비스 및 응용 등 모든 시스템은 완전 가상화되며, 비디오 콘텐츠는 로컬 콘텐츠 서버로부터 받는다[(그림 12) 참조].

1. 5G와 MEC의 관계

(그림 13)

ITU-R IMT-2020[9]

5G는 2020년대의 이동통신 시스템으로서, ITU-R에서는 ‘IMT-2020’이라는 이름으로 그 기술적인 목표를 제시하고 있다[9]. 5G의 특징은 그 다양한 기술적인 요구조건에 있다. LTE까지는 모바일 브로드밴드 서비스라는 단일 목표를 가지고 진화되어 온 데 비하여, 5G에서는 이에 더하여 IoT 수용을 위하여 Massive Machine Type Communication과 Ultra Reliable & Low Latency Communication이라는 전혀 특성이 다른 서비스 환경들이 추가되었다[(그림 13) 참조]. 이들 세 가지 서비스 환경들은 극단적으로 이질적이어서, 상호보완적이면서 어떤 경우에는 상호 충돌적인 상황도 존재할 수 있다.

(그림 14)

5G 네트워크 기술

MEC는 5G로 진화하기 위한 필수 기술로서 인식되고 있다. (그림 14)에서 보듯이 5G 네트워크 기술을 구성하는 4개의 기둥 중 MEC는 네트워크의 기능 및 응용에 대한 ‘Relocate’을 담당하는 중요한 한 축이 될 것이다. 특히 5G에서 요구하는 저지연을 실현하는 주요한 구조 기술로서 주목받고 있으며, 5G의 주요 특성인 네트워크 소프트웨어화의 핵심 기술인 NFV기술과는 상호보완적인 역할을 할 것으로 전망된다.

2. 5G MEC의 기술적 도전

MEC가 5G 네트워크 환경에 적용되기 위하여 다양한 기술적 도전들이 해결되어야 한다[10]. 이들 중 중요한 사항들은 다음과 같다

· 가상화

MEC는 응용들에 대한 가상화 플랫폼을 제공하여야 함. 5G에서는 NFV가 네트워크 기능들에 대하여 가상화 환경을 제공할 것임. 이에는 무선 Virtual Network Function(VNF)뿐 아니라 에지 클라우드에 분산 전개되는 코아 VNF도 포함됨. 따라서 MEC 응용들은 이들 무선 및 코어 VNF와 함께 에지 클라우드의 가상화 자원을 공유하는 것이 유리함. 이에 대한 제어와 조정 메커니즘이 필요함.

· 이동성

MEC 응용을 통하여 서비스를 받는 이용자는 모바일 네트워크상에서 이동을 함. 따라서 이동에 따라 MEC 서버가 바뀌는 상황에서 응용과 연관된 이용자 정보는 타 MEC서버에 있는 동일한 응용 인스턴스에 전달되어 서비스 연속성을 유지하여야 함.

· API

강력한 MEC 생태계를 구축하기 위해서는 가능한 한 간단하고 응용의 요구에 즉각적인 응답을 줄 수 있는 API가 매우 중요함. 따라서 기존 API들을 좀 더 간단하고 강력한 제어가 가능하도록 최적화시켜야 함.

· 응용 LCM

MEC 응용에 대한 전주기 관리는 NFV Management & Orchestration(MANO)과 연계하여 고려되어야 함.

· 보안

MEC 플랫폼이 제공하는 서비스는 인가된 응용들만 사용할 수 있어야 함. 서비스 접근과 관련하여 응용에 대한 검증 관리가 엄격하게 준비되어야 함.

· 트래픽 라우팅

User Plane 트래픽에 대하여 인증된 응용에 선택적 라우팅을 하고, 인가된 응용만이 트래픽을 수정하거나 쉐이핑을 할 수 있게 하여야 함.

· 상황인지

MEC는 네트워크 에지에서 상황 정보를 활용하여 지능적 의사결정을 하게 할 수 있어야 함. 예를 들어, 직접통신(Device to Device Communication: D2D) 환경에서 외부의 단말이 로컬 단말(helper)의 도움을 받아 5G 네트워크에 D2D Relay로 접속할 수 있음. 이때 helper를 선택하는 의사결정에 상황 정보를 이용할 수 있어야 함[11].