5G 코어 네트워크 기술 동향 분석

1. 머리말

지난 수십년 동안 이동통신은 세대를 거듭하면서 양 적·질적으로 괄목할만한 발전을 이루었다. 최초 음성서 비스 위주의 1세대(1G)로부터 현재 LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)라 일컫는 4세대(4G)에 이르렀고, 그리고 향후 2020년경에는 5세대(5G)가 도래할 것으로 예상하고 있다
현재 4G 이동통신은 스마트 단말의 보급과 각종 데이 터 서비스의 제공으로 인한 데이터 트래픽이 폭증하여, 사업자에게는 망관리 및 시설 추가의 비용 부담이 발생 하며, 이용자에게는 서비스 지연/불통 등의 불편함과 심지어는 데이터 요금 폭탄 사례가 발생하는 등의 문제 가 나타나고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 단기 적으로는 WiFi, 펨토셀 등으로의 data off-loading으로 해결하고 있지만, 장기적으로는 D2D(Device-to-Device) 를 통한 단말 간 집적 통신, 데이터를 분산하는 네트워 크 구조로의 전환 등의 방안이 모색되고 있다.
향후 2020년에는 총 70억 명의 이동통신 가입자가 전 망되며, 사물 통신 (M2M(Machine-to-Machine)/IoT (Internet of Things))를 고려한 이동 단말/호스트의 수 는 총 7조개(2010년 대비 50배)로 예상되며, 데이터 트 래픽은 2010년 대비 500배에 달하는 35ZB(1Zetta= 1021)에 도달할 것으로 예상하고 있다. 또한, 이동단말 의 급증과 소형 셀의 등장에 따라 신호 트래픽(signaling)도 2010년 대비 최대 180배 증가가 예상되고 있다. 현재의 4G 이동통신망도 나름대로 그 수용 능력/효율 을 증가/향상시키는 노력을 하겠지만, 수십에서 수백 배에 달하는 양적 팽창(big bang)을 그대로 수용하기에는 구 조적인 한계로 인하여 힘들 것으로 예상된다. 이것이 5G 태동의 결정적인 배경이며, 5G는 현재 4G와는 완전 히 다른 개념으로 접근하여 개발하는 방안이 유력하다.
현재 4G 이후의 B4G(Beyond 4G(4.5G))에 대하여 표 준화 작업이 진행되고 있지만, 5G에 관해서는 EU를 중 심으로 선행 연구 프로젝트 정도가 활발하게 진행되고 있는 수준이며, 아직까지 본격적으로 활동하고 있는 국 제 표준화 그룹은 없다. 무선접속(RAN: Radio Access Network) 부분에서는 여러가지 후보 기술을 도출하는 등 나름대로 표준화 방향이 제시되고 있지만, 코어 네트 워크(CN: Core Net) 부분에서는 그 활동이 미미한 실정 이다. 이러한 현실이 우리가 도전하여야 할 과제이며, 양적 팽창에 대처하기 위한 시스템 용량의 단순 확장뿐 만 아니라 2020년에 요구되는 ‘초공간실감 지식서비스’를 제공하기 위한 유연한 네트워크 구조로 발전이 요구된다.

2. 일반 요구사항

5G 이동통신의 일반적인 요구사항은 다음과 같이 정 리할 수 있다.

2020년 이후에 예상되는 모바일 트래픽에 대응이 가능하도록 전체 시스템 용량을 확대하여야 함.
이전망(4G)과 비교하여 경제성(cost per bit)과 에너 지 효율성(bit per joule)에 대한 상당한 개선이 있어 야 함. 즉, 망사업자의 CAPEX(Capital Expenditure) 와 OPEX(Operating Expenses)를 경감할 수 있는 보다 경제성이 보장되는 네트워크 구축기술이 개발 되어야 하며, 대량의 데이터 사용에 따른 요금부담 과 에너지 절감이 보장되는 정보통신 기술이 개발 되어야 함.
네트워크(특히, CN)의 트래픽 처리 부하를 경감할 수 있는 네트워크 구조를 가져야 함. 예를 들어, M2M과 같은 센서망이 5G망과 통합시 발생되는 대 량의 데이터 트래픽이 코어 네트워크(CN)으로 유입 되지 않고 분산되도록 하는 기술이 개발되어야 함.
고속 접속에 따른 고품질의 서비스 융합과 다양한 이종 네트워크 간의 접속 및 융합에 대처할 수 있어 야 함.
사용자에게 ‘초연결실감’ 데이터 서비스를 제공하기 위해, 데이터 전송/처리 속도 및 응답 시간(latency) 이 단축되어야 함. 따라서, 5G는 1G, 2G, 3G, 4G 다음에 당연히 나타나 는 정량적인 추정의 의미보다는, 다음과 같은 정성적인 요구에 초점을 맞추어야 한다.
통신망과 컴퓨팅 기술의 완전한 융합
유무선 통신망 및 각종 단말/사물이 모두 결합된 진 정한 통신 연결
최적화된 네트워크 운용 기술 및 비용/에너지의 절감
혁신적인 서비스 및 응용 제공

3. 2020년의 5G 비전

1) 2020년의 5G 서비스 비전

2020년 이후의 통신은 한마디로 ‘초공간실감 지식서 비스’로 그 비전을 정의하고 있다. 이는 사람 간 정보 전달 중심의 이동통신을 넘어 사물 통신과의 융합, 단말 의 지능화 및 콘텐트의 고도화를 통한 지식 통신 서비스 제공하는 것으로, 사용자 주변의 가용한 모든 통신 자원 과 지능화된 네트워크 기능을 통하여, 물리적이고 공간 적인 이질감을 극복하여 사용자에게 실재감과 현장감을 제공하는 것이다.
2020년 이후는 스마트 IT 환경을 활용한 스마트 혁명 시대가 될 것으로 예측되며, 개인 생활, 기업 활동, 국가 인프라의 큰 변화가 있을 것이다. 혁신적인 차세대 모바일 인프라를 통해 대량 지식 유통 및 예측이 제공될 것이다.

2) 2020년의 5G 네트워크 비전

2020년 이후의 5G 네트워크는 초대량의 트래픽 처 리, 다양하고 수많은 단말 지원, 그리고 ‘초공간실감 지 식서비스’ 수용이 가능하게 하기 위해, 다음의 5가지를 축으로 하고, 효율성, 자율성, 경제성 등이 강조된 구조 가 될 것으로 예견된다

네트워크 기능의 가상화: 복수의 다양한 운영관리 환경에서, 각종 컴퓨팅 자원과 네트워크 기능을 가 상화해 저비용이며 효율적으로 네트워크를 운용함.
네트워크 기능의 모듈화: 각종 네트워크 기능을 포 괄적이고 자족적인 빌딩 블록으로 분리하여 모듈화 함으로써, 전체 네트워크 시스템의 운용 및 관리 효 율성을 제고함.
인지적인 네트워크 운용: 복수의 가용한 접속 및 다 양한 라우팅 경로 환경에서, 인지적이고 능동적인 조건 및 지식을 기반으로 단말 간 직접 통신을 고려함.
콘텐츠 지향 네트워킹 매커니즘: 급증하는 콘텐츠 트래픽 처리와 서비스 보급/전달을 용이하게 하는 네트워킹 매커니즘을 고려함.
자율적이고 분산적인 ad-hoc 네트워크의 배치: 참 신한 응용을 제공하고 서비스를 코어 기반에서 적 용 가능한 로컬 네트워크로 분산시키기 위하여, 각 종 형태의 무선 네트워크(예: mesh, ad-hoc, sensor 등)를 전진 배치함.

4. 5G 주요 기능 및 피처

ITU-R에서는 ‘미래 IMT(International Mobile Telecommunications)’ (또는 IMT-2020)이라 일컫는 5G 이 동통신의 새로운 능력을 다음과 같이 규정하고, 무선 접 속 기술 및 코어 네트워크에 새롭게 필요한 기능 및 피 처를 도출하고 있다.

Anytime, anywhere gigabit service
High network capacity
Very high frequency band operation
Integrated “virtual” radio access networks
Multi-RAT small cells and control & data plane separation
Network scalability
Flatter network
Virtualized core. 현재, 무선 접속 부분에서는 다음과 같은 기술을 중심 으로 연구 개발하는 추세이다
주파수를 추가로 확보하여 사용 가능한 대역폭을 확장하는 기술
스펙트럼 효율을 극대화하는 기술
안테나 구성 기술
소형 셀을 추가하여 밀집지역에서 단위면적당 수용 용량을 확대하는 기술
단말/사물 간 직접 통신 기술

그리고, 코어 네트워크 부분에서는 다음과 같은 기 술을 중심으로 연구 개발하는 추세이다.

네트워크 가상화: SDN(Software Defined Network), NFV(Network Function Virtualization) 등
기능 분산화: UFA(Ultra Flat Architecture), DMM (Distributed Mobile Management), Cloud 등
유무선 융합화: FMC(Fixed Mobile Convergence), NaaS(Network as a Service) 등
트래픽 최적화: C/U Plane 분리 등
IP 프로토콜 기술의 진화

5. 주요 기술 분석

1). 네트워크 가상화 기술

네트워크 가상화(Network Virtualization)는 기존의 네트워크 공유(Network Sharing)보다 발전된 개념 으로, 네트워크의 개방화 및 지능화를 촉진시키는 중요 한 개념이다. SDN과 NFV(Network Function Virtualization)는 네트워크 가상화를 실현하기 위한 가장 핵심 적인 기술이다.

SDN은 제어와 데이터의 분리, 제어 기능의 중앙집중 화 및 네트워크의 프로그래밍을 목적으로, ONF(Open Networking Foundation)에서 관련 연구 및 표준화가 이루어지고 있다. 현재 Huawei, Bell Labs 등 여러 벤더들이 이 SDN 기술을 적용한 EPC 솔루션 및 시스 템을 개발하고 있다. SDN은 다음과 같은 계층 개념 을 가진다.

응용 계층: 여러 새로운 관점으로부터 요구사항 및 목적을 만족시키기 위한 네트워크 응용
제어 계층: 네트워크 전체 상태 및 지능을 유지하고, 다양한 벤더로부터의 이 기종 장치에 최적의 라우 팅을 제어
가상화 계층: 하위 기반시설 계층에 OpenFlow와 같은 Open API를 제공
기반 계층: 네트워크 장치 및 전송망 제공

NFV는 네트워크 기능을 전용 기기나 범용 서버에 재 배치 할 목적으로, ETSI NFV 작업반에서 관련 연구 및 표준화가 이루어지고 있다. NFV은 일반 H/W로 부터 네트워크 기능을 정의하는 S/W를 분리하며, 가상화된 네트워크 기능의 설치 및 관리를 위한 자동화된 조직을 가진다. NFV는 다음과 같이 가상 네트워크 기능, 가상 기반 및 물리 기반으로 구성된 계층 개념을 가진다

SDN이 네트워크의 추상화에 중점을 둔 반면, NFV는 CAPEX/OPEX 비용과 공간/에너지 절감에 중점을 두고 있어서, 이 두 가지 기술은 네트워크 가상화를 위하여 상호보완적이며, 현재 NEC, Telefónica 등 몇몇 벤더들 이 SDN과 NFV 기술을 같이 적용한 EPC 시스템을 개 발하고 있다.

2) 기능 분산화 기술

기능 분산화는 현재 EPC에 집중된 기능을 전진 배치 함으로써 EPC의 부하를 분산시키고 지연시간을 단축시 키고자 하는 목적으로, 트래픽 폭증으로부터 네트워크 의 견고성 및 확장성을 용이하게 하는 개념이다. UFA, DMM, Cloud등 이기능 분산화를 실현하기 위한 유력한 기술이다.

UFA는 EURESCOM에서 인터넷 트래픽 폭증에 대처 하기 위해 제안한 네트워크 구조로, 기존의 계층적인 구 조를 단순한 구조로 변경하여 트래픽을 분산 수용하는 것이다. MEVICO는 ‘OpenFlow controlled GW’라는 새로운 장비를 제안하였는데, SGW/PGW 등의 제어 기 능은 중앙집중화시키고, 트래픽 전송 기능은 UFA 구조 로 분산시키고 있다.

DMM은 기존의 중앙집중형 이동성 관리 기술의 문제 점을 해결하기 위하여, IETF DMM 작업반에서 제안한 분산형 이동성 관리기술이다[. 즉, 로컬 트래픽을 위 한 보다 최적화된 라우팅 제공과 짧은 경로로의 연결로 보다 낮은 지연시간 제공을 목적으로 하고 있으며, 이를 위해 다음 2가지 핵심 기능을 지원한다.

분산형 이동성 지원: 이동성 관리 서버를 분산시킴 으로써, 하나의 네트워크 서버의 장애로 인해 전체 네트워크의 통신 마비 문제를 효과적으로 해결함.
동적 이동성 지원: 불필요한 이동성 지원에 대한 네 트워크 자원 낭비를 줄임.

클라우드(cloud)는 네트워크 상에 각종 프로그램, 데 이터 등을 분산하여 저장하고 언제 어디서나 접속하여 사용할 수 있게끔 하는 기술로, 이동통신망에서 네트워 크 기능, 데이터 저장, 무선 접속, 트래픽 전송 등 많은 부분에서 적용하고 있다.

3) 유무선 융합화 기술

유무선 융합화(FMC)는 유선, WiFi, 3G, 4G, 5G 등 다양한 접속 기술을 수용할 단일 코어 네트워크 구조를 개발하는 것으로써, 기존의 EPC 구조에서 탈피하여 무 선 접속 기술과 네트워크 기술 간의 종속성 배제하는 것이다.

단일 코어 네트워크 구조의 목적은 All-IP를 기반으 로 접속 프로토콜을 단순화하고, 종단 간 연결에서 네트 워크 노드의 수를 감축함으로써 서비스 지연을 줄이는 것이다. 또한, 이를 통하여 사업자 간 상호 연결, 이동성 및 로밍, 요금 정산등 복잡한 문제를 단순화시킬 수 있 는 효과가 있다.

유럽 FP7 COMBO 프로젝트에서 제안한 유무선 융합 구조에서는 유선망과 이동망의 기능적인 융합과 구조적 인 융합 등 두 가지 기술적 측면을 결합시키고 있다.

4) 트래픽 최적화 기술

트래픽 최적화를 위해, 현재 다음과 같은 기술의 개발 이 고려되고 있다.

트래픽 분산: UFA 등의 개념을 적용하여, 제어 신 호로부터 트래픽을 분리하고 대량의 트래픽을 여러 노드로 분산 수용시킴.
동적경로 분산: DMM 등의 개념을 적용하여, 라우 팅(Routing)과 전송(Forwarding)을 분리하고, 동적 경로 설정과 트래픽 분산 전송을 적용함.
전송률 향상: Best-effort 유형의 대용량 트래픽의 재전송률을 줄이기 위한 체계적인 관리가 필요함. 현재 송신자 중심의 TCP(Transmission Control Protocol) 대신 수신자 중심의 RCP(Reception Control Protocol) 프로토콜을 적용하는 것을 고려하고 있음.

5) IP 프로토콜 기술의 진화

IP 프로토콜은 원래 유선망(internet)을 고려하여 만 들어졌기 때문에, 이를 이동망에 적용하는데 많은 문제 와 어려움을 가지고 있다. 이동통신망은 이미 AllIP 체제로 전환되었지만, 기존의 IP 프로토콜을 보완하 거나 확장하여 사용하고 있는 실정이다. 그러나, 5G에 서는 새롭게 요구되는 IP 기능을 지원하고, 사물 통신 (M2M/IoT)이나 미래 인터넷(future internet)과의 상호 연동 등을 위하여, 기존의 IP 프로토콜은 새로운 형태로 의 진화가 필요하다.

가장 대표적인 기술 진화는 식별자(ID)와 위치자(Locator)의 분리이다. 기존의 IP Address는 통신 개체의 식 별자와 위치자를 동시에 표현하기 때문에, 이동 환경에 서의 단말 식별 및 확인, 그리고 multi-homing과 같이 복수 네트워크 인터페이스 지원에 어려움을 가지고 있 다. 또한, 콘텐츠 중심의 네트워킹(CCN: Contents Centric Networking)에서도 그 콘텐츠 위치와는 독립적인 식별자가 필요하게 되었다. 현재 ID/Locator의 분리를 적용한 프로토콜이 많이 개발되고 있으나, 이를 이동통 신망에 본격적으로 적용하지는 않고 있다.

6. 국내 동향

국내에서는 2011년 방송통신위원회를 중심으로 한 태스크포스 활동을 통해 ‘5G 서비스 비전 초안’을 마련 하였으며. 4G 대비 1,000배라는 속도를 기반으로 ‘초공 간실감 지식서비스’ 제공에 초점을 맞추고 있다.

세부 개발 계획으로, 1단계 (2013-2015)에서는 5G 선도 시스템을 선행 개발하고, 2단계 (2016-2018)에서 는 국제표준을 주도하여 5G 표준 시스템 개발하여, 2018년 평창 동계 올림픽에서 시범 서비스를 제공하고, 2020년에 상용화 한다는 목표를 수립하고 있다.

2012년 3월 산학연을 중심으로 5G 포럼을 조직하여 세부 분야별로 연구하기 시작하였으며, 운영위원회 산 하에 5개의 분과위원회를 두어, 각각 대외협력, 관리/지 원,기술, 무선, 서비스 부분을 전담하고 있다. 5G 코어 네트워크의 논의는 무선기술과 함께 기술분과를 중심으 로 이루어지고 있으며 올해 12월까지 요구사항 확정을 목표로 하고 있다

7. 맺음말

2020년 이후에 예상되는 이동통신 트래픽의 양적 팽 창에 대처하기 위해, 무선 접속 부분과 함께 코어네트워 크 부분에서도 새로운 기술을 적용한 새로운 형태의 네 트워크 구조 개념이 필요하다.

현재 세계 선진 각국과 유수의 통신 벤더들은 2020년 이후의 5G 이동통신을 주도하고 그 시장을 선점하기 위 해, 여러가지 선도적인 연구과제 수행 및 솔루션 개발을 진행하고 있는데, 우리나라는 주로 무선부분의 광대역 화 기술에만 중점을 두고 있고, 코어 네트워크 부분에 대한 연구나 솔루션 개발은 매우 미미한 실정이다.

현재 5G 코어 네트워크부분의 연구개발 추세는 크게 네트워크 구조를 가상화하고, 네트워크 기능을 분산화 하고, 각종 유무선망을 융합화하고, 트래픽 처리를 최적 화하는 방향으로 전개되고 있으며, 이를 지원하기 위해 관련 컴퓨팅 기술 및 IP 기술의 고도화 또는 진화를 요 구하고 있다.

우리나라가 5G 기술을 주도하기 위해서는 무선 부분 의 기술뿐만 아니라, 5G 코어 네트워크를 포함한 전체 시스템 구조와 관련 요소 기술의 연구개발이 필요하다.

출처 : http://idnet.re.kr/sub/paper_01.pdf