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0. 인덱스
5G 위험관리는 민감한 자산을 식별하고 관련 위협에 대해 정의해야한다. 민감한 자산을 식별하기 위해서는 아키텍처에 대해서 정의해야하고, 아키텍처를 정의하기 위해서는 유즈케이스를 통해
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1. 국제 모바일 표준
이전에 세대에 대해서 잠깐 언급했는데, 4G 표준은 LTE, 5G 표준은 NR이라고 했다. 여기서 말하는 표준은 국제 표준을 의미한다.
표준의 정의는 아래와 같다.
'사물의 정도·성격을 알기 위한 근거나 기준. 준거'
규격으로도 이해할 수 있는데, 규격보다는 큰 범위이다. 표준이 필요한 이유는 서비스의 일괄성때문인데, 예를들어서 A 회사와 B 회사 제품의 프로토콜 등 모든 내용이 다르다면 서비스를 연결하는데 매우 큰 장애가 발생한다. 더 간단한 예시로 진나라 시대에 도로를 정비하고 마차의 규격을 정함으로써 정비의 이득을 볼 수 있게 한 정책을 떠올릴 수 있다. 이런 장점과 보안의 수준을 맞추기 위해 표준을 제정하고 이를 준수하도록 정책을 설정한다.
현재 확정적으로 제정된 5G 표준은 3GPP의 표준이다.
2. 유즈케이스[1]
5G 표준에서 정의한 유즈케이스에 의해 핵심 기술의 정의되므로 유즈케이스에 대해서 알아볼 필요가있다.
유즈케이스(Use Case)라는 것은 아래와 같이 정의할 수 있다.
'시스템의 동작을 사용자의 입장에서 표현한 시나리오'
이를 통해 해당 기술의 요구사항을 추출하는 과정이다.
3GPP에서는 3가지 유즈케이스를 정의하고 있다.
1) 초광대역 서비스 (eMBB: enhanced Mobile Broadband)
2) 고신뢰/초저지연 통신 (URLLC: Ultra Reliable & Low Latency Communications)
3) 대량연결 (mMTC: massive Machine-Type Communications)
1) eMBB
5G의 목표 중 하나가 특정 서비스를 처리하기 위해 더 큰 주파수 대역폭과 안테나를 통해 사용자가 최소 100Mbps~최대 20Gbps 까지 지원하는 것을 의미한다.
2) URLLC
중요 산업( 자율주행, 원격제어 ) 이나 인터넷 게임 등 지연시간이 거의 없을정도로 상호작용이 필요한 서비스를 처리하기 위해 기존 수십ms가 걸리던 지연시간을 1ms수준으로 최소화하는 것을 의미한다.
3) mMTC
수많은 종류와 개수의 기계가 상호연결되는 서비스를 처리하기 위해 이를 지원하는 것을 의미한다.
5G 특성 중 하나인 초 연결을 위해 수많은 종류의 IoT와 연결돼야하고, 1 키로제곱 면적 당 1백만개의 연결(connection)하는 수준을 목표로 한다.
정리하면, 대용량 처리, 빠른 처리, 넓은 범위의 연결을 유즈케이스로 잡고있음을 이해할 수 있다.
3. 유즈케이스 시나리오
시각화 하면 이와 같이 나타낼 수 있다.
가장 중요한 점은, VR을 위해서 URLLC, mMTC이 구현될 필요가 없고, 자율 주행을 위해 eMBB나 mMTC가 구현될 필요가 없다는 점이다.
좀 더 세부적인 유즈케이스는 아래와 같이 나타낼 수 있다.[2]
* Coverage : 커버리지는 이동통신 서비스를 제공할 수 있도록 지원하는 범위 정도로 이해할수 있다.
1) eMBB
- High Speed
사용자의 연속적인 사용과 대규모 처리를 위해 High Speed를 지원
2) URLLC
- Indoor hotspot, Dense Urban
사용자 밀도가 장소에 전파를 집중함으로써 사용자가 끊기지 않고 계속 사용할 수 있도록 지원
건물 내부에 집중할수도있고, 도시 전체에 뿌리는 형태가 있음
- Rural, Extreme Long Distance Coverage in Low Density Area
사람이 드물고 넓은 지역에 광활하게 뿌림으로써 모든 사용자가 지속적으로 서비스를 제공받을 수 있도록 지원
또한 먼 거리(기지국)에서도 서비스를 제공받을 수 있도록 지원
3) mMTC
- Urban Coverage for Massive Connection
mMTC와 거리감이 멀 수도있지만, mMTC에서는 넓은 공간에있는 모든 IoT와 연결하는 유즈케이스이므로 어느 정도 연관이 있음. 이런 관점에서 Extream Long Distance Coverage in Low Density Area 시나리오도 mMTC와 연관이 있음
4. 핵심 기술 [3]
위 시나리오를 만족하기 위해 아래와 같은 핵심 기술이 구현된다. 본 장에서는 핵심 기술의 목적과 기능에 대해서 이해할 수 있도록 개요를 나타내고, 세부적인 내용은 5G 아키텍처에서 확인할 수 있다.
1~3) 까지는 하드웨어 관련 내용이고 4~ )까지는 소프트웨어 관련 내용이다.
1) 유연한 무선 프레임 구조
4G는 고정적인 OFDM SCS(Subcarrier spacing)를 가지는 반면 5G에서는 다양한 SCS를 이용한다.
정확히 연구해서 무슨내용인지는 모르지만, 얼추 이해한바로는 mMTC를 지원하고 상황에 맞게 주파수를 맞추기 위해 다양한 SCS를 지원하는 것으로 이해했다.
무슨소리냐면 IoT에 따라 다양한 QoS를 만족해야하는데, 이를 만족하기 위해 유연한 구조로 여러 주파수를 지원하는 기술이다. QoS란 이전에 언급한거처럼 통신 요구사항 정도로 이해할수 있다.
2) 밀리미터파 및 FD-MIMO, 빔포밍(Beamforming) 기술
무선 전송속도 및 셀 용량을 높이기 위해 mmWave(밀리미터파)를 이용하는데, 1~2 GHz 대역 주파수가 포화된 반면, 30GHz(mmWave)는 이용빈도가 낮아 신규 주파수를 확보할 수 있다는 장점이 있어서 사용한다. 다만, mmWave의경우 거리가 매우 짧은데 이를 보완하기 위해 MIMO기술이 고안됐다.
MIMO(Multi Input, Multi Output)는 시나리오 중 내부 핫스팟, 도시 등 인구 밀도가 높거나 특정 지역에 전파를 제공하는 기술(빔포밍)을 구현하는데 기반이 되는 기술이다. 다수의 안테나를 통해 동일 무선자원을 여러 단말이 동시에 사용할 수 있도록 셀 용량을 높이는 기술이다. 4G에서는 수평만 지원 가능했으나, 5G에서는 빔포밍 기술을 통해 수직에도 지원이 가능하므로 세밀하게 원하는 지역에 주파수를 제공할 수 있다.
빔포밍은 출력신호를 제어함으로써 전파 에너지가 특정 방향으로 집중되도록 지원하는 기술이다. 이를통해 기존 mmWave의 짧은 거리와 회절성이 없는 단점을 극복하고 특정 지역에 전파를 집중함으로써 사용자의 커버리지를 높인다.
3) Grant-free UL 전송
이후에 제대로 연구하면 소개할 수 있도록 하겠다. 주로 소프트웨어쪽을 연구하다보니 정확한 내용을 파악하지 못했다.
* 네트워크 슬라이싱. mMTC를 지원하기 위해 네트워크 슬라이싱 개념이 도입된다. 하지만 이를 이해하기 위해서는 NFV, SDN에 대해서 먼저 이해가 필요하므로 NFV, SDN, Network Slicing 순으로 설명하도록 하겠다.
4) NFV
NFV에 대해 이해하기 위해 기존 하드웨어 네트워크 장비와 NFV의 차이점을 이해하고 NFV 기술의 원리를 통해 어디에 활용할 수 있을지를 정의하는 부분.
NFV(Network Function Virtualization)는 5G의 주요 기술 중 하나이다. 정말로 중요한 기술이다. 이름 자체로 이해할 수 있는데, NF를 가상화시키는 기술이다.
NF는 간단히 이해하면 컴퓨터의 방화벽, IPS, IDS 등 보안 장치나 RAN, CN의 구성요소 기능, 데이터 스토리지 등 네트워크 관련 모든 기능을 의미한다. 이후에 5G 아키텍처 글에서 세부 NF에 대해서 정의한다.
NFV에 대해서 정확히 이해하려면 기존 네트워크에 대해서 알아야한다.
왼쪽 그림은 기존의 NF를 나타내고있다. S-GW, MME 등 모든 네트워크 구성요소는 하드웨어로 독립적인 형태를 띄고있다. 이렇게 된다면 다음과 같은 단점이 있다.
- 초기 비용 큼
먼저 초기비용이 매우 많이 든다. 이부분은 여담이지만, 장비 자체가 비싸고 수요가 갑자기 증가하게된다면 이를 감당할 수 없기 때문에, 초기에도 최대 서비스 공급량을 생각해서 장비의 스펙을 정해야하므로 비싼 장비를 선택해야한다. 예를들어 DB의 경우 2억짜리 장비를 구매한다하면 이원화를 위해 DB 자체에만 4억을 소요하게된다. 그렇다고 처음부터 장비를 온전하게 모두 사용할 수 없다.
- 확장성 및 유연성 낮음
초기 비용이 많이 드는 이유는 하드웨어 장비가 고정되어있으므로 한계를 생각해서 구비한다고 언급했다. 그 이유는 유연하게 늘어나고 줄어들 수 없기 때문에 최악의 상황을 고려해서 비싼 장비를 사용하는 것이다. 이는 확장성 및 유연성이 낮다고 이해할 수 있다.
확장성은 사업의 확장으로도 이해할 수 있다. 예를들어 새로운 사업을 도입하고 싶을때, 장비의 사양에 맞게 확장을 해야하고, 이를 고려하지않는다면 새로운 장비를 도입해야하므로 확장성이 낮다.
또한 유연성은 수요와 더불어 서비스의 전환에 재빠르게 대처할 수 없다. 예를들어서 A 서비스를 제공하다가 서비스의 성격이 바뀌어서 바뀐 서비스에 맞게 장비를 바꾸고싶지만, 장비는 고정되어있으므로 이를 바꾸기가 어렵다.
이런 관점으로 보면 하드웨어 장비는 확장성/유연성이 매우 낮다. 이를 극복하게 하는 것이 바로 NFV이다. 정확히 말하면 SDN인데, SDN을 가능케 하는 것이 NFV이기 때문에 이를 설명하는 것이다.
Cloud를 이용해 적절한 NFV를 구현하고 이를 하드웨어에 매핑함으로써 유연하게 서비스의 성격에 맞게 대처할 수 있다. 컴퓨터의 C/D 드라이브 나눔이라고 생각하면 쉽게 이해할 수 있다.
이렇게 가상화를 한다면 이 인프라를 관리할 MANO(Management and Orchestration)가 필요한데, 일단 SDN 먼저 설명하도록 한다.
5) SDN
Software Defined Network로 네트워크 장비의 제어부와 전송부를 분리하고 모든 제어부를 하나로 통합시켜 장비들의 전송부를 한번에 컨트롤 하는 방식을 의미한다.
SND이 중요한 이유는 제어부의 통합 때문인데, 이는 기존 하드웨어 중심 네트워크 장비에서 소프트웨어 중심으로 변하는 원동력이며, 기존의 하드웨어 중심 장비로인해 폐쇄적인 NF, 솔루션등이 가상화로 인해 오픈된다는 큰 장점이 있다. 이는 보안이나 서비스 발전에 큰 도움이 되는 부분이다.
6) Network Slicing
이 부분을 설명하기 위해 NFV, SDN에 대해서 설명했다. 결국 SDN이라는 것은 서비스를 제공하기 위한 네트워크 장비를 가상화하고 전송부와 제어부로 나눔으로써 서비스를 제공하는 개념이다. 유즈케이스 중 MTC를 제공하기 위해서는 네트워크 서비스(NS, Fig4의 전체 과정으로 생각해도 무방함)마다 여러 가지 요구조건을 가상화를 이용해 슬라이싱 함으로써 각각에 맞는 서비스를 제공하는 방식이다.
그림을 간단하게 설명하면 음성, 의료, 자율주행, 쇼핑, IoT 등 산업(혹은 NS)에 적합한 서비스를 제공하기 위해 네트워크를 층을 나누고 각 층마다 적합한 서비스를 제공하는 모습이다. 좀더 자세히 살펴보면 아래 그림과 같다.
하드웨어 장비로 구성되어있다면 왼쪽 그림처럼 여러개의 5G 망을 만들어야하지만, NFV, SDN으로 인해 한 5G망에 가상으로 각 서비스를 제공할 수 있는 여러 층을 만드는 것을 네트워크 슬라이싱이라한다.
7) MANO
MANO역시 참고 문헌에는 없었으나 Network Slicing과 NFV과 관련된 내용이므로 언급하도록 하겠다.
이렇게 가상으로 여러 객체가 존재할때 하나의 서비스(SDN그림 참조) 내부에서도 발생할 수 있지만, 여러 가지 서비스가 서로 의존성 문제 때문에 충돌할 가능성이 있다. 도커로 생각하면 편한데, 컨테이너/노드가 여러개면 의존성에 따라 A 컨테이너 실행 후 B 컨테이너가 실행해야하는데 이를 고려안하고 막 실행하면 오류가 발생한다. 이런 상황을 막기 위해 생긴것이 오케스트레이션(Orchestration)이다. Network Slicing 역시 이런 오케스트레이터에 의해 관리되면 오류를 막고 서비스 생성을 자동화할 수 있다.
즉, 오케스트레이터(Orchestrator)는 하나의 NS를 생성할때 이런 의존성(혹은 순서)을 고려해주고, 이런 고려를 자동화해서 쉽고 빠르게 서비스를 생성/제거/관리해주는 기술이 MANO이다. Network Slicing은 클라우드를 통해 가상화로 쉽고 빠르고 유연하게 슬라이싱을 생성할 수 있는데 클라우드 내에서 오케스트레이터를 통해 관리가 된다.
- 서비스 제공 가속화
- 안정성
8) 모바일 에지 컴퓨팅[4]
URLLC를 구현하기 위해 기존의 애플리케이션 서버를 MEC단으로 끌고와서 지연시간을 최소화시키는 기술
기존 네트워크 처리는 다음과 같이 PDN 단에서 응용서버를 통해 데이터를 처리했다. 이렇게 된다면 위 그림에서 설명하는것처럼 스마트폰 트래픽이 엄청난 거리를 왕복해야하며, 재전송이나 예외처리시 훨씬 많은 시간이 소요되므로 최악의 경우 RTT(Round Trip Time, 왕복 지연시간)가 몇배로 늘어날 수 있다.
이런 상황을 방지하기 위해 다음과 같이 MEC를 코어단으로 끌고와 에지 클라우드에서 처리할 수 있도록 구현한 기술이 MEC이다.
MEC를 위해서는 EU-MEC간 처리가 가능해야하며 이를 위해 AI를 통해 일반적인 처리를 진행하고 추가로 학습이 필요한 내용은 기존 서버에 전달해 이를 반영해서 강화학습을 진행할 수 있도록 해야한다.
[1] - 5G 국제표준의 이해, 삼성
[2] - ENISA Threat Landscape for 5G Networks, ENISA, 2019.11
[3] - 5G 이동통신기술, KROS, 2019
[4] - 넷마니아즈, https://www.netmanias.com/
Network Manias
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