셀룰러 네트워크: 4G, 5G

셀룰러(cellular) 네트워크

• 셀룰러(cellular)라는 용어는 셀룰러 네트워크의 영역이 전파 도달 능력에 따라 여러 개의 지리적 영역, 즉 셀(cell)로 나뉜다는 사실에서 비롯되었다.
• 각각의 셀은 셀 영역 안의 이동 장치(mobile device)와 신호를 주고받는 기지국(base station)을 갖고 있다.
• 하나의 셀이 담당하는 영역의 넓이는 여러 요소에 의해 영향을 받는다.
  • 기지국과 단말기의 송신 강도
  • 셀 내의 방해가 되는 건물
  • 기지국 안테나의 설치 높이와 종류

4G LTE 셀룰러 네트워크: 구조 및 요소

아래 그림은 4G LTE(Long-Term Evolution) 네트워크 구조의 주요 요소를 보여준다.

이동 장치(mobile device)

셀룰러 통신 사업자의 네트워크에 연결되는 스마트폰, 태블릿, 랩톱 또는 IoT 장치 등이며, (고정된 온도 세선 또는 감시 카메라도 포함)
웹 브라우저, 지도 앱, 음성 및 화상회의 앱, 모바일 결제 앱 등이 실행되는 곳이다.

• UE(User Equipment)
• 전체 5계층 인터넷 프로토콜 스택을 구현한다.
• NAT을 통해 얻을 수 있는 IP 주소를 갖고 있는 네트워크의 종단점이다.
• 전 세계적으로 고유한 IMSI(International Mobile Subscriber Identity)라는 64비트의 식별자가 있다.
  • 가입자가 속한 국가 및 홈 네트워크를 포함하여 전 세계의 셀룰러 사업자 시스템에서 가입지를 식별한다. (MAC 주소와 유사함)
  • 이는 SIM(Subscriber Identity Module) 카드에 저장된다.
    • SIM 카드는 가입자가 접속할 수 있는 서비스에 대한 정보와 해당 가입자의 키 정보를 암호화한다.

기지국(base station)

셀룰러 통신 사업자 네트워크의 가장자리에 위치하며, 무선 전파 자원 및 담당 영역에 속한 이동 장치를 관리할 책임이 있다.

• 이동 장치는 기지국과 상호작용함으로써 사업자의 네트워크에 접속된다.
• 무선 접속 네트워크에서 장치의 인증 및 자원(무선 채널)의 할당 기능을 조정한다.
• 무선 랜의 AP와는 다르게, 셀룰러 기지국에서만 수행하는 역할들은 다음과 같다.
  • AP 이동 장치에서 게이트웨이까지 장치 고유의 IP 터널을 생성하고, 셀 간의 장치 이동성을 처리하기 위해 상호작용한다.
  • 인접한 기지국들은 셀 사이의 간섭을 최소화하기 위해 무선 스펙트럼을 관리하기 위한 상호 조정 기능을 수행한다.

홈 가입자 서버(Home Subscriber Server, HSS)

HSS의 네트워크를 홈 네트워크로 사용하는 이동 장치에 대한 정보를 저장하는 데이터베이스

• 제어 평면의 요소
• 이동 장치의 인증을 위해 이동성 관리 개체(MME)와 함께 사용된다.

S-GW(Serving Gateway), P-GW(Packet data Network Gateway)

S-GW와 PDN 게이트웨이(P-GW)는 이동 장치와 인터넷 사이에 위치하는 2개의 라우터다.

PDN 게이트웨이(P-GW)

• 이동 장치에 NAT IP 주소를 제공하고 NAT 기능을 수행한다.
• 외부 세계에서 P-GW는 다른 게이트웨이 라우터와 마찬가지로 보인다.
• 셀룰러 사업자의 LTE 네트워크 안에서의 이동 노드의 이동성은 P-GW 뒤에 있는 바깥 세상에는 감추어진다.

이러한 게이트웨이 라우터 외에도 셀룰러 사업자의 all-IP 코어에는 전통적인 라우터 기능을 수행하는 라우터들이 존재한다.

이동성 관리 개체(Mobility Management Entity, MME)

• 제어 평면의 요소
• HSS와 함께 네트워크에 접속하려는 장치를 인증하는 데 중요한 기능을 수행한다.
• 이동 장치와 PDN 인터넷 게이트웨이 간의 데이터 경로에 터널을 설정하고, 사업자의 셀룰러 네트워크 안에서 활성화된 이동 장치의 셀 위치 정보를 유지 관리한다.
  그러나 이동 장치의 데이터그램이 인터넷으로 전송되거나 들어오는 전달 경로상에 있지 않다. (아래 그림에서 확인 가능)

LTE 데이터 평면과 제어 평면의 요소

인증(authentication)

• 네트워크와 네트워크에 부착된 이동 장치 간의 상호 인증
  • 네트워크는 부착된 장치가 실제로 주어진 IMSI와 연관된 장치라는 것을 알아야 한다.
  • 이동 장치는 자신이 부착하고 있는 네트워크가 또한 합법적인 셀룰러 사업자 네트워크라는 것을 알아야 한다.
• MME가 이동 홈 네트워크에서 이동 장치와 홈 가입자 서버 HSS 사이의 중재자 역할을 한다.
  1. 로컬 MME는 이동 장치로부터 접속 요청을 수신하고, 이동 장치의 홈 네트워크 HSS에 접촉한다.
  2. 이동 장치의 홈 HSS는 로컬 MME에 암호화된 정보를 충분히 반환한다.

경로 설정(path setup)

이동 장치로부터 게이트웨이 라우터로의 데이터 경로는
이동 장치와 기지국 사이의 무선 첫 번째 홉(first hop), 기지국과 서빙 게이트웨이(S-GW) 사이의 연결된 IP 터널, 서빙 게이트웨이, PDN 게이트웨이로 구성된다.

• 터널은 MME의 제어하에 설정된다.
• 장치가 다른 기지국으로 이동했을 때에 기지국에서 종료하는 터널 종단점만 변경되며, 다른 터널 종단점 및 터널과 관련된 서비스 품질은 변경되지 않는다.

셀 위치 추적(cell location tracking)

이동 장치가 셀들 사이를 이동함에 따라, 기지국들은 이동장치의 위치에서 MME를 갱신할 것이다.

하지만 이동 장치가 수면 모드에 있지만 그럼에도 불구하고 셀 사이를 이동하는 경우, 기지국은 더 이상 해당 장치의 위치를 추적할 수 없다.

이 경우 페이징이라고 하는 프로세스를 통해 깨어난 장치를 찾는 것은 MME의 책임이다.

2G에서 3G, 그리고 4G로의 네트워크 구조 변화

2G 셀룰러 구조

통신 사업자 코어 네트워크를 통한 회선 교환 음성 서비스를 지원

3G 시스템 구조

통신 사업자 코어 네트워크를 통해 회선 교환 음성 서비스와 패킷 교환 데이터 서비스를 별도로 지원

4G 시스템 구조

LTE 프로토콜 스택

4G LTE는 all-IP 네트워크 구조이다.

따라서 LTE 프로토콜 스택의 상위 계층은 IP, TCP, UDP, 그리고 다양한 애플리케이션 계층 프로토콜들로 구성된다.

아래 그림은 LTE 이동 노드, 기지국, 서빙 게이트웨이에서의 사용자 평면 프로토콜 스택을 보여준다.

여기서 볼 수 있듯, 사용자 평면 프로토콜 활동의 대부분은 이동 장치와 기지국 사이의 무선 링크에서 발생한다.

LTE는 이동 장치의 링크 계층을 3개의 부계층으로 나눈다.

1️⃣ 패킷 데이터 융합(Packet Data Convergence)

• PDCP(Packet Data Convergence Protocol)는 무선 링크를 통해 전송되는 비트 수를 줄이기 위해 IP 헤더 압축을 수행한다.
• LTE 이동 장치가 네트워크에 처음 연결될 때
  이동 장치와 이동성 관리 개체(MME) 사이의 시그널링 메시지 교환을 통해 설정된 키를 사용한 암호화/복호화 기능을 수행한다.

2️⃣ 무선 링크 제어(Radio Link Control, RLC)

• 링크 계층 프레임에 적용하기에는 너무 큰 IP 데이터그램의 송신 시 단편화 및 수신시 재조립을 수행한다.
• ACK/NAK 기반 ARQ 프로토콜의 사용을 통한 링크 계층에서의 신뢰성 있는 데이터 전송을 수행한다.

3️⃣ 매체 접속 제어(Medium Access Control, MAC)

• 전송 스케줄링을 수행한다. 이는 무선 전송 슬롯의 요청 및 사용 제어를 의미한다.
• MAC 부계층은 추가적인 오류 감지/정정 기능을 수행하는데, 여기에는 중복 비트 사용을 통한 순방향 오류 정정 기능이 포함된다.

위의 그림은 또한 사용자 데이터 경로에서 터널의 사용을 보여준다.

1. 터널은 MME 제어하에 이동 장치가 처음으로 네트워크에 연결될 때 설정된다.

2. 두 종단점 사이의 각 터널에는 고유한 터널 종단점 식별자(tunnel endpoint identifier, TEID)가 있다.

   (1) 기지국은 이동 장치에서 데이터그램을 수신하면 TEID를 포함한 GPRS 터널링 프로토콜을 사용하여 데이터그램을 캡슐화하고
   (2) UDP 세그먼트로 터널의 다른 쪽 끝에 있는 서빙 게이트웨이로 보낸다.

3. (1) 수신 측에서 기지국은 터널링된 UDP 데이터그램을 캡슐 해제하고
   (2) 이동 장치로 향하는 IP 데이터그램을 추출하여
   (3) 무선 홉을 통해 해당 IP 데이터그램을 이동 장치로 전달한다.

LTE 무선 접속 네트워크

LTE는 다운스트림 채널에서 주파수 분할 다중화와 시분할 다중화를 조합한 기술을 사용하는데,
이 기술은 직교 주파수 분할 다중화(frequency division multiplexing, OFDM)로 알려져 있다.

LTE에서 활성화된 각 이동 장치에는 하나 이상의 채널 주파수에서 / 하나 이상의 0.5 ms 시간 슬롯이 할당된다.

아래 그림은 4개의 주파수에서 8개의 시간 슬롯을 할당한 것을 보여준다.

• 각 주파수마다 10 ms 프레임 안에 구조화된 20개의 0.5 ms 슬롯
• 음영 표시 : 20 개의 슬롯 중 8개 슬롯의 할당된 모습

• 동일한 주파수에 있든 다른 주파수에 있든, 점점 더 많은 시간 슬롯을 할당함으로써 이동 장치는 점점 더 높은 전송 속도를 달성할 수 있다.
• 이동 장치 간의 슬롯 (재)할당은 밀리초마다 한 번씩 수행될 수 있다.
• 다른 변조 방식을 사용하면 전송률을 변경할 수도 있다.

이동 장치에 대한 특정 타임 슬롯의 할당은 LTE 표준에 의해 의무화되어 있지 않으나,
어떤 이동 장치가 주어진 주파수에서 주어진 시간 슬롯에 전송하도록 허용될 것인지에 대한 결정은 LTE 장비 공급자 또는 네트워크 운영자가 제공하는 스케줄링 알고리즘에 의해 결정된다.

추가적인 LTE 기능: 네트워크 접속과 전원 관리

네트워크 접속

이동 장치가 셀룰러 사업자의 네트워크의 접속하는 절차는 세 단계로 나뉜다.

1️⃣ 기지국과의 접속

1. 이동 장치는 초기에 모든 주파수 대역의 모든 채널에서 기지국에 의해 5 ms마다 주기적으로 보로드캐스트되는 기본 동기화 신호를 검색한다.
2. 기본 동기화 신호가 발견되면 이동 장치는 해당 주파수를 유지하고 보조 동기화 신호를 찾는다.
   • 보조 동기화 신호에서 찾은 정보와 몇 가지 추가 단계를 거쳐서
     이동 장치는 채널 대역폭, 채널 구성 및 해당 기지국의 셀룰러 사업자 정보화 같은 추가 정보를 찾을 수 있다.
3. 위 과정에서 찾은 정보로 무장한 이동 장치는 연결한 기지국을 선택하고, 해당 기지국과의 무선 홉을 통해 제어 평면의 신호 연결을 설정할 수 있다.

2️⃣ 상호 인증

• 기지국이 MME(Mobility Management Entity)에 접속하여 상호 인증을 수행한다. (이는 8.8.2절에서 자세히 살펴봄)
• 상호 인증을 통해 네트워크는 접속하려는 장치가 실제로 주어진 IMSI와 연관된 장치이며,
  이동 장치는 접속 시도 중인 네트워크가 합법적인 셀룰러 사업자 네트워크임을 알 수 있다.
• 상호 인증 단계가 완료되면 MME와 이동 장치가 서로 상호 인증되고, MME도 이동 장치가 연결된 기지국의 ID를 알게 된다.

3️⃣ 매체 이동 장치와 PDN 게이트웨이 간 경로 구성

• MME는 PDN 게이트웨이(이동 장치에 대한 NAT 주소도 제공함), 서빙 게이트웨이, 기지국에 연결하여 아래 그림에 포시된 2개의 터널을 설정한다.
• 이 단계가 완료되면 이동 장치는 기지국과 연결된 이 터널을 통해 인터넷과 IP 데이터그램을 송수신할 수 있다.

전력 관리: 수면 모드

무선 장치는 전력 소모를 최소화하기 위해 (= 데이터 송수신 및 채널 감지를 위해 이동 장치의 회로가 켜져 있어야 하는 시간을 최소화하고자)
송수신하지 않을 때는 수면 상태로 들어갈 수 있다.

4G LTE에서 잠자고 있는 이동 장치는 두 가지 수면 상태 중 하나에 있을 수 있다.

• 불연속 수신 상태(discontinuous reception state)
• 유휴 상태(idle state)

불연속 수신 상태(discontinuous reception state)

• ‘약한 수면’
• 일반적으로 수백 밀리초의 비활성 기간 이후에 시작되는 단계이다.
• 이동 장치와 기지국은 이동 장치가 깨어나기 위한 주기적인 시간을 미리 예약한 후,
  주기적으로 기지국에서 이동 장치로의 다운스트림 전송을 위해 채널을 능동적으로 모니터링한다.
  • 그러나 이 예정된 스케줄링 시간과는 별개로 이동 장치의 무선 부분은 수면 상태일 수 있다.

유휴 상태(idle state)

• ‘깊은 수면’
• 이 상태의 잠은 너무 깊어, 이동 장치가 수면 상태인 동안 통신 사업자 네트워크의 새로운 셀로 이동하는 경우 이전에 결합되었던 기지국에 알릴 필요가 없다.
• 따라서 이 깊은 잠에서 깨어날 때 이동 장치는
  MME가 이동 장치가 과거에 마지막으로 결합했던 기지국 근처의 다른 기지국들로 브로드캐스트하는 페이징 메시지를 확인하기 위해 (잠재적으로 새로운) 기지국과의 결합을 재설정해야 한다.
  • 이러한 제어 평면 페이징 메시지는 기지국에 의해 해당 셀 내의 모든 이동 장치로 브로드캐스트된다.
  • 이는 어떤 이동 장치가 패킷을 수신하기 위해 완전히 깨어나야 하고 기지국에 대한 새로운 데이터 평면 연결을 재성정해야 하는지를 나타낸다.

글로벌 셀룰러 네트워크: 네트워크들의 네트워크

‘네트워크들의 네트워크’인 글로벌 셀룰러 네트워크는 어떻게 구성될까?

아래 그림은 사용자의 스마트폰이 4G 기지국을 통해 홈 네트워크(home network)에 연결되는 모습을 보여준다.

• 사용자 홈 네트워크는 홈 네트워크에 있는 하나 이상의 게이트웨이 라우터를 통해 다른 셀룰러 통신 사업자들의 네트워크와 글로벌 인터넷으로 연결된다.

• 모바일 네트워크 자체는 공용 인터넷 또는 IPX(Internet Protocol Packet eXchange) 네트워크를 통해 상호연결된다.

  • IPX는 특히 ISP 간 네트워크를 연결하고 데이터를 교환하는 피어링을 위한 인터넷 교환 지점과 유사하게
    셀룰러 통신 사업자를 상호연결하기 위한 관리 네트워크다.

5G 셀룰러 네트워크

궁극적인 광역 데이터 서비스는 모든 지역에서 지원되며 유비쿼터스, 기가비트 연결 속도, 초저지연, 사용자 및 장치 수에 대한 제한 없는 서비스가 될 것이다.

• 5G는 4G에 비해 대략 10배의 최대 비트 전송률, 10배 빠른 지연 시간, 그리고 100배 이상의 트래픽 용량을 제공할 것으로 예측된다.

• 사용 주파수

  • FR1(450 MHz~6 GHz)
  • FR2(24 GHz~52 GHz) : 밀리미터파 주파수(millimeter wave frequency)
    • 장점 : 훨씬 빠른 데이터 속도를 허용한다.
    • 단점
      • 기지국에서 수진기까지의 도달 범위가 훨씬 짧기에 농촌 지역에 부적합하며, 도시 지역에는 더 밀집된 기지국 배치를 필요로 한다.
      • 대기 간섭에 매우 취약하다.

• 5G의 물리 계층(즉, 무선) 측면은 LTE와 같은 4G 이동 통신 시스템과 역방향 호환이 되지 않는다.

  • 기지국 업그레이드나 소프트웨어 업그레이드를 통해 기존 스마트폰을 지원할 수가 없어,
    5G로의 전환을 위해 이동 통신 사업자는 물리적 인프라에 상당한 투자를 해야 한다.

표준

eMBB(Enhanced Mobile Broadband)

• 증가된 대역폭과 적당한 지연 시간 감소를 제공한다. (4G LTE와 비교할 때 더 높은 다운로드 및 업로드 속도를 위함)

URLLC(Ultra Reliable Low-Latency Communications)

• 지연 시간에 매우 민감한 애플리케이션을 대상으로 한다. (e.g., 공장 자동화 및 자율 주행)
• 1 ms의 지연 시간을 목표로 한다.

mMTC(Massive Machine Type Communications)

• 감지, 측정 및 모니터링 애플리케이션을 위한 협대역 접속 유형이다.
• IoT 장치의 네트워크 연결 장벽을 낮추기 위해 전력 요구사항을 줄이는 데 중점을 두고 있다.

5G와 밀리미터파 주파수

24 GHz~52 GHz 대역의 밀리미터파 주파수는 4G에 비해 데이터 용량이 100배 증가할 수 있는 잠재력을 제공한다.

데이터 용량(capacity)
= 셀 밀도(cell density, 셀/km^2 단위)
× 가용 스펙트럼(available spectrum, Hz 단위)
× 스펙트럼 효율(spectral efficiency, 각 기지국이 사용자와 얼마나 효율적으로 통신할 수 있는지, bps/Hz/셀 단위)

• 밀리미터 주파수는 4G LTE 주파수보다 범위가 훨씬 짧기에 더 많은 기지국이 필요하다. → 셀 밀도 증가

• 5G FR2는 4G LTE(최대 약 2 GHz)보다 훨씬 더 큰 주파수 대역(52 - 24 = 24 GHz)에서 작동하기 때문에 사용 가능한 스펙트럼이 더 많다.

• 스펙트럼 효율성을 두 배 늘리기 위해 17배의 전력 증가가 필요하지만, 5G는 그 대신 각 기지국에서 다중 안테나를 사용하는 MIMO 기술을 사용한다.

  • 신호를 모든 방향으로 브로드캐스트하는 대신, 각 MIMO 안테나는 빔 형성을 통해 사용자에게 신호를 직접 전송한다.
  • 이를 통해 동일한 주파수 대역에서 동시에 10~20명의 사용자에게 전송할 수 있다.

그러나 밀리미터파 신호는 건물과 나무에 의해 쉽게 차단되기 때문에
기지국과 사용자 간의 범위 간격을 메우기 위해서 스몰 셀 스테이션(small cell station)이 필요하다.

5G 코어 네트워크(5G Core network)

5G 모바일 음성, 데이터 및 인터넷 연결을 모두 관리하는 데이터 네트워크

• 인터넷 및 클라우드 기반 서비스와 더 잘 통합되도록 재설계되었다.
• 네트워크 전체에 분산 서버와 캐시를 포함하여 지연 시간을 줄였다.
• 새로운 5G 코어 사양은 모바일 네트워크가 다양한 성능으로 다양한 서비스를 지원하는 방식에 주요한 변화를 도입했다.
  • 종단점 장비로부터의 데이터 트래픽을 중계
  • 장치를 인증
  • 장치의 이동성을 관리
• 모든 네트워크 요소(이동 장치, 셀, 기지국, MME, HSS, 서빙 게이트웨이, PDN 게이트웨이)를 포함한다.

5G 코어 아키텍처

5G 코어는 제어 평면과 사용자 평면의 완전한 분리를 위해 설계되었고, 이는 순전히 가상화된 소프트웨어 기반 네트워크 기능으로 구성된다.

따라서 사업자가 다양한 5G 애플리케이션의 다양한 요구사항을 충족할 수 있는 유연성을 제공한다.

5G 핵심 네트워크 기능들

사용자 평면 기능(User-Plane Function, UPF)

제어와 사용자 평면 분리를 통해 패킷 처리를 네트워크 가장자리로 보내 분산시킬 수 있다.

접속 및 이동성 관리 기능(Access and Mobility Management Function, AMF)

5G 코어는 기본적으로 4G MME를 AMF와 SMF의 두 가지 기능 요소로 분리한다.

AMF는 최종 사용자 장치로부터 모든 연결 및 세션 정보를 수신하지만, 연결 및 이동성 관리 작업만 처리한다.

세션 관리 기능(Session Management Function, SMF)

세션 관리는 SMF에 의해 처리된다.

제어와 분리된 데이터 평면과의 상호작용을 담당하며, IP 주소 관리를 담당하고 DHCP 역할을 수행한다.

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2020년을 기준으로, 5G는 적용 초기 단계이며 많은 5G 표준들이 아직 확정되지 않았다.

5G가 궁극의 광역 무선 서비스를 향한 커다란 발걸음이 될지는 시간이 지나야 알 수 있을 것이다.