<5G 네트워크 구조 시리즈>
5G 네트워크 구조 정리 (5G RAN과 5G Core)
5G 네트워크 구성요소의 역할 (1) - NG-RAN/gNB
5세대 이동통신 (5G)의 네트워크 구조 정리
모두가 사용하는 스마트폰, 그리고 스마트폰 기능의 꽃이라고 할 수 있는 무선 네트워크 연결. 이 무선네트워크는 통칭 '데이터'와 'WI-FI'로 나눠져 인식되고 있습니다. 데이터는 왜 돈을 내고 사용하고, Wi-Fi는 왜 무료로 사용할까요? 바로, 데이터를 사용할 때는 통신 사업자들 (SKT, KT, LG U+ 등)이 구축해 놓은 인프라를 이용해야하기 때문입니다. 이 인프라는 계속해서 발전해왔으며, 2G, 3G, 4G LTE를 거쳐 이제 2020년 6월, 5G의 상용화가 진행되고 있습니다.
현재 (2020년 6월) 5G는 Phase 1단계 (총 Phase 3까지 있음)의 표준을 기반으로 완성된 초기단계입니다. 따라서, 최종 5G가 제공하려는 기능의 목표치를 전부 만족시키지는 않으며 빨리 제공할 수 있는 기술 부터 구현되어 상용화를 하고 있습니다. 따라서 아직 완벽한 5G가 아니라는 말이 나오는 것입니다.
이 이후는 네트워크에 관심있는 비전공자 및 전기전자공학 학부 고학년을 대상으로 5G 네트워크 구조에 대해 개략적으로 설명하도록 하겠습니다.
5G 네트워크의 구성 요소
이동통신망의 구조는 크게 2가지로 나눌 수 있습니다. Access 망과 Core 망입니다. Access 망은 단말과 기지국의 무선인터페이스를 다루고, Core 망은 중앙에서 단말/기지국 제어 (Control Plane), 데이터 제공 (User Plane)을 담당합니다.
이동통신 표준화기구인 3GPP에서는 큰 컴포넌트별로 Technical Specification Group (TSG)를 만들어서 각 컴포넌트의 기능을 표준화하고 있습니다. 아래 그림을 보시면, Access 망을 담당하는 TSG RAN, Core 망을 담당하는 TSG CT, 그리고 시스템과 구조를 설계하는 TSG SA로 나누어 진 것을 확인할 수 있습니다.
5G Access 망, NG-RAN, New Radio
Access망은 Radio Access Network, 줄여서 RAN이라고 불리며 5G에서는 이것을 NG-RAN 혹은 New Radio, NR 이라는 이름으로 부릅니다.
NR은 사용자 단말 (User Equipment, UE)와 기지국 (Base station , gNB or en-gNB/eNB)로 구성되어있으며, 이 두 컴포넌트가 Air interface를 이룹니다. Interface 명칭은 Uu로 명명되었습니다. 사용자에게 Air interface로 서비스를 제공하기위해서 gNB에서는 기존 네트워크 프로토콜과 유사한 프로토콜 스택을 갖고 있습니다.
NG-RAN의 프로토콜 스택
Layer 1: Physical (PHY) layer
Layer 2: Medium-access control (MAC), Radio link control (RLC), Packet data convergence protocol (PDCP)
Layer 3: Service data adaptation protocol (SDAP) 혹은 Radio resource control (RRC)
이에 관해서는 추후에 자세히 설명을 해보겠습니다.
사용자가 체감하는 데이터 속도, 접속성 등이 바로 이 Air interface의 성능입니다. 데이터 속도를 올리기 위해 높은 주파수 대역의 넓은 대역폭을 사용한다던지, 초저지연 서비스를 위해 Physical radio frame의 단위를 쪼개서 전송한다던지 등의 조절은 모두 이 NG-RAN쪽의 표준에 정의되어 있습니다.
gNB에서 모든 프로토콜 스택을 수행할 수도 있지만, 그러려면 많은 장비, 냉방장치 등이 동원되어야합니다. 따라서, gNB를 기능적으로 분리해놓았는데, 그 때 프로토콜의 최하단, 즉 기지국의 부분 중 안테나의 역할을 하는 부분을 Radio Unit (RU), Remote Radio Head (RRH)라고 부릅니다. 또 Cell Site (셀사이트)라고도 부릅니다. 이 셀사이트로부터 서비스가 제공되는 범위를 셀이라고 합니다.
통신서비스제공자는 나머지 기능을 Distributed Unit (DU), 혹은 Base Band Unit (BBU)라는 곳에 집중하여 배치합니다. 이 곳에서 Layer 1의 상위부분, Layer 2 및 Layer 3의 기능을 수행합니다. 이 때, RU와 DU를 연결하는 구간을 프론트 홀 이라고 합니다. 5세대부터는 RU에서 필요로하는 데이터량이 Massive MIMO/Beamforming의 기술 적용으로 인해 매우 커짐에따라, 이 프론트홀의 구성의 최적화 방안 또한 중요해졌습니다. gNB를 기능적으로 분리할 때 최적의 지점은 인터넷 서비스 제공자에 따라 달라지므로, 이에 대해서 여러 논의가 진행되고 있습니다. 이를 Functional split 이라고합니다.
>4세대 이동통신부터 지원된 기지국 간 인터페이스는 Xn으로 명명되었습니다. 이 인터페이스의 주된 역할은 셀간 필요한 제어데이터의 신호교환입니다. 특히 셀 간의> Dual Connectivity (DC)가 널리 사용됨에 따라 더욱 더 중요해졌습니다.
Functional Split (기능적 분리) - 심화
기능적 분리 (무선 접속망 기능 분할 기술)은 5G 망에서 최대 데이터 처리율(Throuhgput)과 최소 지연 시간(Latency)과 같은 특정 서비스 시나리오에 최적화된 결과를 얻기 위한 무선망의 기능적 분할 방법을 말합니다.
<앞서 언급한 대로, Massive MIMO (안테나를 약 100개 이상 사용하는 기술)가 5G에 도입되면서 안테나별로 전송해야하는 데이터량이 급격하게 늘어났고, 이것은 DU (BBU)와 RU (RRH)사이에 이동하는 데이터량이 늘어났다는 것을 의미합니다. 4G에서는 DU와 RU가 분리되어 구축되었기 때문에 이 둘 사이 거리가 멀어지고 데이터가 많아질수록 Fronthaul의 광케이블의 전송량도 커져야합니다.
4G에서는 가장 최하단의 RF와 그 위 레이어들 사이에 CPRI 인터페이스로 프론트홀이 존재하는 반면, 5G에서는 이와같은 분리는 프론트홀의 부담을 가중시켜 수정이 필요했습니다. 따라서, RU가 PHY 레이어의 일부를 흡수해 존재할 수 있도록 구축되어야한다는 여러가지 분리방법들이 나왔습니다. 실제로 mmWave 장비의 대부분은 DU와 RU가 통합되어있는 형태로 많이 제공됩니다. 이것을 Access Unit (AU)라고 합니다.
가장 큰 차이는, 기존 4G에서 BBU가 담당했던 제어기능을 5G에서는 Control Unit 혹은 Cental Unit (CU)로 분리시킵니다. 이로써 CU는 layer2 의 상위쪽과 layer 3이상에서 수행하는 제어기능을 담당하게 됩니다. 이 때, 프론트홀과의 구분을 위해서 F1 인터페이스는 미드홀이라는 이름으로도 불립니다.
5G Core망 5GC, NGC
5G에서의 Core망은 5GC, NGC라는 이름으로 불립니다. RAN이 데이터의 효율적인 전송 (Transmit/Receive)에 관심이 있다면, Core는 이를 '제어' 하는 것을 중점적으로 다룹니다. Core망은 담당하는 기능이 매우 많으며, 따라서 크게 2가지로 분리를 해놓았습니다.
바로, 단말의 전체적인 제어를 담당하는 Control Plane (CP, 제어평면)과 데이터 패킷의 전송을 담당하는 User Plane (UP, 유저평면)입니다. 이러한 분리를 Control & User Plane Separation (CUPS)라고 합니다. 그림 4를 보게되면, 평면 내부적으로도 기능이 세분화 되어 있습니다.
UP는 주로 Data network와 연결되어 (External PDU session 생성), 패킷의 실제 라우팅 및 포워딩을 담당하며, CP는 UE의 인증, 이동성지원 (핸드오버 등), UPF 관리 등을 수행합니다. 이에 대해 자세한 내용은 다음 포스팅에서 다뤄보도록 하겠습니다.
마찬가지로, 컴포넌트를 연결해주는 여러 인터페이스들이 있습니다. NG-RAN에서 UP로의 연결을 NG-U, NG-RAN에서 CP로의 연결을 NG-C라고 부릅니다. 이 둘을 백홀이라고 합니다. 당연히 코어 내에서도 여러 신호들이 이동하기 때문에 인터페이스들이 명명되어있습니다. 자세한건 그림에 표시가 되었으니 참고하면 되겠습니다.
4G 네트워크 구조와의 차이
5G에서는 4G에서 구조적으로 여러 차이가 있습니다. 이 글로 처음 이동통신네트워크 구조를 접하신 분이면 조금 이해하기 어려울 수 있지만, 큰 차이는 다음과 같습니다.
1. RAN의 고주파, 광대역화
광대역이라는 말은 RAN에서 Air interface에 사용하는 주파수의 대역폭 (bandwidth)가 넓다는 의미입니다. LTE에서는 이 대역폭이 10 MHz, 최대 20 MHz로 제한되어있었습니다. 5G에서는 이것의 약 20배에 달하는 397.4 MHz의 대역을 사용할 수 있습니다.
하지만 이 광대역이 할당된 Carrier Frequency가 고주파대역(3.5 GHz/ 28 GHz 혹은 그 이상)이므로, 여러 물리적인 상황과 맞춰 5G 네트워크의 구조도 달라집니다. 고주파의 특성으로 음영지역이 다수 발생하게 되고, 따라서 더 촘촘한 5G 기지국 (RU)가 설치 되어야 할 것입니다.
RAN이 광대역화 되면서, 음영지역이 발생할 확률이 높아지면 가장 큰 문제는 바로 제어 신호 (Control packet)가 안정적으로 전달 될 수 있느냐입니다. 따라서, 제어신호는 커버리지가 넓은 기존 4G 네트워크를 활용하여 안정적으로 전송하고 데이터신호는 속도가 빠른 5G 네트워크를 이용하는, Dual Connectivity (EN-DC, NGEN-DC)를 이용하는 구조로 구현될 확률이 높습니다.
2. 본격적인 코어의 분리 및 유닛의 재배치
4G에서도 코어의 분리는 있어왔습니다만, 본격적으로 코어를 나누어 재배치한 것은 5G 부터입니다. 가장 큰 이유로는 MEC 기반의 서버 가상화입니다. Multiple-Access Edge Computing 혹은 Mobile Edge Computing 기술인 MEC를 이용해 사용자 근접의 유저 데이터 서비스를 제공하기 위해서는 코어를 전진배치 (DU 혹은 BBU쪽으로) 해야합니다.
이 때, 모든 기능을 전진 배치하는 것은 현실적으로 무리가 있습니다. 4G에서도 실제 코어국사는 딱 두 곳 (구로, 혜화)이기 때문입니다. 따라서 유저 데이터를 담당하는 UP를 전진배치하고 CP는 코어국사에 위치시키도록 하기위해 본격적인 코어의 분리가 진행되었습니다.
MEC에 따라 서비스를 담당하는 응용계층도 전진배치 되었습니다. 기존 간단한 NG-RAN의 상위 프로토콜을 담당하는 DU (BBU)는 이제 MEC, Core의 UP, 및 (가능하다면) 가상화된 CU의 기능까지 담당하게 될 것입니다.
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