5G RAN 아키텍처 표준동향

5G RAN(gNB)이 Central Unit과 Distributed Unit으로 분리되지 않고 한 통으로 구성되는 일체형 시나리오이며[(그림 2) 참조], 기지국에 풀 세트의 프로토콜 스택이 지원된다. 이 경우 5G RAN은 매크로셀 혹은 인도어 핫스팟 환경에 배치하면 적합하다. 5G RAN은 RAN 인터페이스(Inter-BS Interface)를 통해 다른 5G RAN (gNB) 혹은 4G RAN(eLTE eNB)과도 직접 접속 가능하고, RAN-CN 인터페이스(RAN-CN Interface)를 통해 코아 네트워크과 접속된다.

(그림 2)

일체형 기지국 배치 시나리오[3]

하나의 동일국사(Site)에 5G 전송방식(NR)과 4G 전송방식(E-UTRA)을 동시에 사용하며, Urban Macro 환경에 적합한 시나리오이다[(그림 3) 참조]. 이 시나리오는 부하제어 기능(Load balancing)과 멀티 접속 기능(Multi-connectivity)을 활용하여 기지국 형상을 조정하면 4G/5G에 할당된 주파수 자원을 모두 활용할 수 있고, 저주파를 사용하여 셀 경계에 위치한 가입자를 위해 셀 커버리지를 확대할 수 있다.

(그림 3)

동일국사 배치 시나리오[3]

5G RAN이 Central Unit과 Distributed Unit으로 분리되어 운용되는 시나리오이다[(그림 4) 참조]. Central Unit엔 기지국 상위계층(Upper layers)의 기능이, Distributed Unit엔 하위 계층(Lower layers)의 기능이 위치한다. 이 시나리오는 두 Units을 접속하는 트랜스포트 장비(프런트-홀)의 전송 용량 및 지연 특성에 따라 고성능 트랜스포트 유형과 저성능 트랜스포트 유형으로 분류된다.

(그림 4)

분리형 기지국 배치 시나리오[3]

고성능을 요구하는 트랜스포트의 경우, Central Unit은 상위계층부터 하위계층까지 많은 기능을 수용하고 Distributed Unit은 그만큼 상대적으로 적은 일부 하위계층 기능만을 수용한다. 따라서, Central Unit의 프로세싱 부담이 과중되고 트랜스포트 전송장비(프런트-홀)의 전송 용량이나 지연 및 동기 요구사항 또한 만족시키기가 쉽지 않다. 일례로, Central Unit 에 대부분의 계층(RRC~PHY)을 실장하고, Distributed Unit에 RF 기능만을 배치시키는 경우 전송대역은 157Gbps, 최대 지연은 250µs 수준으로 추산되므로, [<표 2> 참조] 트랜스포트 장비는 대용량 저지연의 광 네트워크을 필요로 한다. 반면, 전송지연이 짧아 최적의 스케쥴링 기법을 이용하면 기지국 간 협력통신(예, CoMP)이 보다 손쉽게 실현될 수 있는 장점이 있다.

저성능 트랜스포트의 경우, Central Unit은 프로세싱 부하가 다소 덜 한 상위계층 프로토콜 기능을 수용하므로, 트랜스포트 전송장비(프런트-홀)의 전송 용량이나 지연에 여유가 있게 된다. 일례로, Central Unit에 상위 계층(RRC) 이상만을, Distributed Unit에 그 이하의 모든 하위계층 (PDCP~RF)을 수용하는 경우, 트랜스포트 장비의 전송대역은 3~4Gbps, 최대 지연은 10ms 수준으로 추산된다[<표 2> 참조]. 고성능 경우에 비하면 전송대역 및 지연에 여유가 많아지게 된다.

5G RAN이 지원해야 하는 기본 기능은 <표 1>과 같다. 현재 5G RAN이 지원해야 하는 새로운 기능은 ‘Network Slicing 지원, 4G와 5G 기지국 간 Tight Interworking, Multi-connectivity, Xn 인터페이스를 통한 Multi-RAT 핸드오버 및 UE Inactive mode’ 등이 제안되어 있다.

<표 1>

5G RAN의 기본 기능

5G RAN의 CU/DU간 기능 분리 점은 (그림 6)과 같이 최상위계층(RRC-PDCP 사이)에서 최하위계층(PHY-RF 사이)까지 8개 옵션이 제안되어 있다. 여러 옵션을 두어 5G 기지국을 설계하면 다음의 이점이 있다.

• 각종 Use cases 특성에 따라 트랜스포트 장비의 전송 지연 및 용량을 유연하게 재설정할 수 있고 관련 HW 구현 비용이 절감됨

• 성능제어 및 부하 관리 등 실시간 성능 최적화와 NFV/SDN 구현 등이 용이함.

앞서 말한 바와 같이, 기능 분리점이 RF 단으로 내려갈수록 트랜스포트 전송장비(프런트-홀)의 전송 용량, 지연 및 동기 기술은 만족시키기 쉽지 않으나, 전송지연이 짧아 최적의 스케쥴링 기법을 이용하면 기지국간 협력통신 등(예, CoMP)이 손쉽게 실현될 수 있다.

이 옵션들의 세부사항은 현재 5G 기술 규격이 없는 상태이므로 현재의 E-UTRA 프로토콜 스택을 baseline으로 고려하고 추후 5G 기술로 대체할 계획이다.

(그림 5)

CU와 DU 간 기능 분리 옵션[3]

II장에서 언급한 분리형 배치(Centralized deployment) 시나리오의 경우, 트랜스포트 장비(프런트-홀)의 용량과 지연 특성은 <표 2>와 같이 CU와 RU간 8가지 기능 분리 옵션에 따라 달라진다. <표 2>의 요구 대역폭과 전송지연 수치는 E-UTRA를 기준으로 추산된 것이며, 추후 5G 기술 규격에 완성되면 대체될 예정이다[3].

<표 2>

프로토콜 스택 옵션에 따른 프런트-홀 전송 용량 및 지연 요구사항(LET 기준)[3]

5G 네트워크에서 기지국 전송방식은 E-UTRA, Evolved E-UTRA 및 NR[New Radio]을, 코어 네트워크는 5G 코어네트워크(NGC)과 4G 코어네트워크(EPC)을 고려하고 있다. (그림 6)은 4G 코어네트워크에 4G 기지국(LTE-eNB)과 5G 기지국(gNB)이 동시에 접속되어 듀얼 커넥티비티(Dual Connec-tivuity)가 지원되는 구조이며. gNB와 EPC 구간에 제어 플레인(Control Plane)을 둘지 여부는 논의 중이다. (그림 7)은 5G 코어네트워크에 4G 기지국(eLTE-eNB)과 5G 기지국(gNB)이 동시에 접속되는 구조이며, gNB와 eLTE-eNB는 동일 국사에 위치할 수 있다.

(그림 6)

EPC(4G CN)에 접속되는 4G/5G 기지국 구성

(그림 7)

NGC(5G CN)에 접속되는 4G/5G 기지국 구성

참고로, 현재 3GPP SA2그룹은 5G기지국(gNB)과 5G 코아 네트워크(NGC)으로만 구성되는 완전 새로운 네트워크 구조를, RAN3는 4G/5G 기지국이 함께 동작하는 듀얼 커넥티비티 지원 구조를 선호하고 있어 향후 두 그룹 간의 의견 조율이 필요해 보인다.

4G/5G Inter-RAT간 모빌리티 시나리오중 듀얼 커넥티비티가 지원되는 무선프로토콜 아키텍처는 (그림 8)과 같다. 4G/5G 두 기지국은 모두 4G 코어(EPC)에 접속되며, Xn는 두 기지국 간 잠정 인터페이스이다. 프로토콜의 기본 동작은 E-UTRA의 듀얼 커넥티비티 동작 체계와 기본적으로 유사하고 필요시 일부 기능만 개선될 것으로 예상된다.

(그림 8)

무선프로토콜 아키텍처(User Plane)[3]

LTE-eNB, eLTE-eNB 및 gNB 등을 포함하는 Inter-RAT Mobility 시나리오는 (그림 9)와 같다. Inter-RAT Mobility는 코어 네트워크 간 인터페이스(시나리오 1/2)를 통해 혹은 이종 기지국간 직접 인터페이스(시나리오 3)를 통해 수행될 수 있다. 단, EPC와 5G CN 간 인터페이스를 둘지는 역시 논의중이다.

(그림 9)

Inter-RAT 핸드오버 시나리오

5G RAN이 네트워크 슬라이싱을 지원하기 위해 고려해야 하는 슬라이스 특성, 슬라이스 선택, 슬라이스별 무선자원의 독립성 보장 및 표준화 가능성 등에 대한 기본 입장은 <표 3>과 같다.

<표 3>

네트워크 슬라이싱 지원방안[3]

참고로, RAN3 그룹 관점에서의 Network Slicing은 eMBB, URLLC, mMTC와 같이 특정 서비스 제공에 필요한 ‘네트워크 기능(Network Functions)과 이를 동작시키기 위한 컴퓨팅, 스토리지 및 네트워킹 등의 자원(Resources)’으로 구성되는 ‘한 세트의 독립적인 논리 네트워크(RAN과 CN 포함)’로 정의하고 있다.

RAN의 슬라이싱 여부는 RAN 실무그룹(RAN3)에서 결정해야 하나 슬라이싱에 대한 당위성, 설계 방향 및 지침 등 선결사항이 많아 아직 구체적인 진도는 나가지 못하고 있다. 현재 SA2는 유선분야에 해당하는 코아 네트워크의 슬라이싱 아키텍처로 국한하여 표준화를 진행 중이며, RAN3는 SA2의 기본 설계 지침을 RAN에 확대 적용할 계획이다.

본 절에서는 RAN은 공유(sharing)되고 CN은 슬라이싱(slicing)되는 전제하에 네트워크 슬라이싱의 기본 메커니즘을 정리한다[(그림 10) 참조].

(그림 10)

하나의 RAN과 복수개의 CN 슬라이스로 구성되는 네트워크 슬라이스 구조

(그림 11)은 (그림 10)을 보다 구체화시킨 네트워크 슬라이스 모델이다. 이 모델은 공유 RAN(shared RAN), 여러 CN 슬라이스를 공통 제어하는 공통제어네트워크기능(CCNF-Core Network) 그리고 서비스 타입별로 특화된 CN slices을 포함하고 있다. 여기서 CN slices는 Control Plane(CN-CP)과 User Plane(CN-UP)으로 분리된다.

(그림 11)

Network slicing 실현을 위한 기본 모델

공통제어네트워크기능은 단말 정보(UE)와 가입자 등록정보 모듈(SRM)을 이용하여 가입자의 서비스 요구사항에 적합한 RAN 기능세트(NFs) 및 CN 슬라이스를 선택한다. 이후, 선택한 RAN 기능세트와 CN 슬라이스를 서로 바인딩하여 E2E Network slice가 구성된다. NR-Uu는 UE와 RAN 간의 무선인터페이스이다. NG1~ NGx는 RAN-CN 간 인터페이스, CN 내부 인터페이스 및 CN-외부장치(예, Data Network)간의 인터페이스를 나타낸다.

(그림 12)는 RAN이 공통제어네트워크기능 (CCNF-Core Network)을 통해 가입자(UE)의 서비스 타입에 부합하는 특정 CN 슬라이스(예, CN slice#2 for eMBB)를 선택하는 절차이다. 이 절차는 초기 네트워크 접속 절차(Initial attach)와 초기 서비스 요청 절차(Initial service request)로 구성된다.

(그림 12)

네트워크 슬라이스 선택을 위한 기본 절차

참고로, RAN이 CN을 선택하기 위한 주요 파라미터는 ‘슬라이스선택파라미터’인 Multi-Dimensional Descriptor (MDD)를 사용한다. 이 파라미터는 테넌트 식별자(Tenant ID)와 슬라이스 타입(Slice Type)으로 구성된다. 테넌트 식별자(Tenant ID)는 통신 사업자가 자신이 보유한 네트워크 인프라 일부를 특정 업체(예, NetFlix, OTT 사업자, MVNO 등)에 임대하기 위해 사용된다. 슬라이스 타입(Slice Type)은 eMBB, URLLC 및 mMTC 등 네트워크 특성을 나타낸다.

(1-2) UE는 RAN으로 Attach request 메시지를 보낸다. RAN은 UE로부터 수신한 ‘CCNF 경로 정보(Temp_id)’를 이용하여 CCNF-CN과 접속한다.

(3-4) CCNF-CN은 UE로부터 수신한 또 다른 정보인 Requested MDD(tenant_id, slice_type)와 네트워크 DB에 해당하는 Subscriber Repasortory Module(SRM)로 부터 가입자 등록 및 인증 정보 등 가입자 프로파일을 가져온다. 이후 UE 인증과 가입자가 소속된 tenant_id 확인 절차(Subscription check)를 수행하고, 인접한 위치와 부하 상태를 고려하여 CCNF-CN의 적합성 여부를 판정한다. 적합한 CCNF-CN가 아니면 보다 적합한 CCNF-CN으로 재접속을 시도한다.

(5-6) 인증과 적합성 절차를 마치면 CCNF-CN은 단말/기지국(UE/RAN)으로 네트워크이 인증해 준 파라미터(Accepted MDD)를 보낸다. 이후 단말은 이 파라미터를 이용하여 실제 서비스를 요청하게 된다.

(7-8) 단말이 서비스를 요청하면, ‘Initial attach’ 절차에서 받은 파라미터(Accepted MDD)와 서비스 세션 요청 메시지(PDU_Session_Req)를 RAN을 통해 CCNF-CN로 보낸다. 이때, 서비스 세션 요청 파라미터(PDU_Session_Req)는 Service type, UE capability, UE context, UE’s location 정보 등을 포함할 수 있다.

(9-11) CCNF-CN은 UE가 요청한 서비스 타입에 부합하는 네트워크 슬라이스 인스턴스(NSI)를 결정한다. 그림에는 표시되지 않았으나 네트워크 매니저는 선택된 CN slice instance(예, CN NSI#2)로 하여금 슬라이스 내부의 자원(Computing, Storage, Networking)과 네트워크 기능 (Network functions)을 서비스 타입에 따라 구성되도록 요청할 수 있다. 한 예로, CN slice#2는 UE가 요청한 서비스 타입에 부합하도록 슬라이스 내부 기능(e.g, Mobility 관리 기능, Session 관리 기능, 라우팅/포오딩 기능)을 구성할 수 있다.

(12-15) 선택된 CN slice(CN NSI#2) 정보는 기지국과 단말로 전달되어 저장되고 나면 네트워크 슬라이스 선택 절차가 완료된다.