[5G Migration 연재]  LTE to 5G Migration        Part 1. 5G Deployment 옵션과 NSA/SA     Part 2. NSA 5G에서의 데이터 전송 경로     Part 3. Migration to 5G

 

이번 글에서는 Multi-RAT 기준에 따른 NSA 옵션들, Option 3, 4, 7에서의 데이터 전송 경로를 살펴본다. 이 들 옵션에서 단말은 LTE와 NR에 모두 접속하여 통신하는 LTE - NR dual connectivity 기능을 지원한다 (Option 3: EN-DC, Option 7: NGEN-DC, Option 4: NE-DC).

 

■ 베어러 종류

 

NSA DC 구조에서 사용자 트래픽 전송 경로는 데이터 무선 베어러 (Data Radio Bearer; DRB)의 split 방식을 기반으로 구별된다. 먼저 베어러 종류를 살펴본다. 그림 1은 Option 3/7을 기반으로 총 6종류의 베어러 (MN/SN-terminated MCG 베어러, MN/SN-terminated SCG 베어러, MN/SN-terminated Split 베어러)를 보여준다. 코어가 전달하는 데이터가 어디 (MN/SN)에서 종단되는가에 따라서 MN/SN terminated 베어러로 정의하고 MN/SN에 해당 베어러의 상위 계층 (PDCP)이 위치한다. 한편 기지국에서 UE로 전달하는 데이터가 어느 무선 자원 (LTE/NR/LTE & NR)을 이용하는가에 따라서는 MCG (Master Cell Group) 베어러 / SCG (Secondary Cell Group) 베어러 / Split 베어러로 정의하고, 이들 베어러는 각각  MN / SN / MN & SN에 위치한 베어러 하위 계층 (RLC-MAC-PHY)을 이용한다.

그림 1의 베어러는 간략히는 MCG 베어러, SCG 베어러, Split 베어러 (MCG Split 베어러, SCG Split 베어러)로 구분할 수 있다. 그림 2는 그림 1에서 DRB 베어러의 프로토콜 구조를 보여준다.

 

MN-terminated MCG bearer - Core에서 데이터가 모두 MN (Option 3/7: eNB, Option 4: gNB)으로 전달되며, MN에서 UE로 전달된다. SN-terminated MCG bearer - Core에서 데이터가 모두 SN (Option 3/7: gNB)으로 전달되며, SN에서 MN (Option 3/7: eNB)으로 전달되어 MN에서 UE로 전달된다.    MN-terminated SCG bearer - Core에서 데이터가 모두 MN (Option 3/7: eNB, Option 4: gNB)으로 전달되며, MN에서 SN으로 전달되어 SN에서 UE로 전달된다.    SN-terminated SCG bearer - Core에서 데이터가 모두 SN (Option 3/7: gNB, Option 4: eNB)으로 전달되며, SN에서 UE로 전달된다. MN-terminated Split bearer - Core에서 데이터가 모두 MN (Option 3/7: eNB, Option 4: gNB)으로 전달되며, MN에서 split되어 '일부는 MN에서 다른 일부는 SN으로 전달되어 SN에서' UE로 전달된다.  SN-terminated Split bearer - Core 에서 데이터가 모두 SN (Option 3/7: gNB)으로 전달되며, SN에서 split되어 '일부는 SN에서, 다른 일부는 MN로 전달되어 eNB에서' UE로 전달된다.

 

그림 1. Supported bearer types in NSA options (Option 3/7 case)

 

 

그림 2. Protocol architecture of NSA options (Option 3/7 case)

 

■ 제어 평면

 

모든 옵션에서 시그널링은 마스터 노드 (MN)을 통해 수행되며, MN과 SN 간에는 제어 채널이 설정되어 상호 시그널링을 주고 받는다. MN은 Option 3에서는 eNB로 코어에 있는 MME와 연동하고 Option 4/7에서는 eNB/gNB로 각각 AMF와 연동한다. 그림 3은 NSA DC 구조에서 제어 평면 구성을 나타낸다.

 

그림 3. Control plane in NSA options

 

■ 사용자 평면

 

사용자 평면에서는 'Core ‒ MN ‒ UE'를 연결하는 경로가 기본적으로 생성되며, SN 추가 (Secondary Node Addition) 절차를 통해 SN을 이용하는 경로가 추가/생성되고 SN 변경 (Secondary Node Modification) 절차를 통해 SN을 이용하는 경로가 변경된다 (3GPP TS 37.340 참조). MN과 SN은 Option 3에서 코어에 있는 S-GW와 연동하고 Option 4/7에서는 UPF와 연동한다.   

 

NSA 각 옵션은 데이터 무선 베어러 (DRB)가 split되는 방식에 따라 기본옵션, a, x로 구분된다.  

             - Option 3: Option 3/3a/3x

             - Option 7: Option 7/7a/7x

             - Option 4: Option 4/4a

 

기본옵션 (Option 3/4/7)과 Option 3x/7x에서는 RAN (MN 또는 SN)에서 베어러가 split되어 LTE와 NR 무선자원을 동시에 이용할 수 있다. 기본옵션에서 베어러는 MN (Option 3/7: eNB, Option 4: gNB)에 있는 NR PDCP에서 split되고, Option 3x/7x에서는 SN (gNB)에 있는 NR PDCP에서 split된다. 이들 split 베어러는 LTE RLC, NR RLC 또는 LTE RLC & NR RLC를 이용할 수 있다.

Option 3a/4a/7a는 RAN에서 DRB split이 일어나지 않는다. 사용자 트래픽은 LTE와 NR 무선 자원을 한번에 하나만 사용하여 MCG 베어러 또는 SCG 베어러만으로 UE에게 전달된다. 필요 시, 예를 들어 사용자 트래픽이 SCG 베어러를 통해 전달 중에 NR의 무선 품질이 저하된 경우 전달 경로가 MCG 베어러로 변경되고 Core-RAN 경로가 gNB에서 eNB로 스위칭된다.

그림 4는 NSA DC 구조에서 사용자 평면에서 데이터 전송 경로를 보여준다.    

 

그림 4. User traffic path in NSA options

 

기본옵션: Option 3/7/4

• MCG 베어러: MN (eNB/gNB in 3&7/4)에서 LTE/NR (3&7/4)을 이용하여 전달한다.
• MCG Split 베어러: MN (eNB/gNB in 3&7/4)에서 데이터를 split하여 일부를 SN (gNB/eNB in 3&7/4)으로 전달하고, LTE와 NR을 이용하여 데이터를 전달한다. 

기본옵션에서는 마스터 노드 (MN) 만이 코어에 직접 연결되고, 사용자 평면에서 MN과 SN이 X2/Xn (3/7&4)으로 연결된다. 코어는 데이터를 모두 MN으로 전달하고 MN은 MCG 또는 MCG split 베어러를 통해 UE로 데이터를 전달한다. MCG split 베어러 경우 MN은 DRB 베어러를 split하여 SN으로 트래픽 로드를 off loading할 수 있다. 베어러 split은 PDCP에서 수행되고 split된 데이터는 MN과 SN의 RLC-MAC-PHY를 거쳐 전달된다.

이 경우 LTE와 NR 무선 자원 (주파수)을 모두 이용할 수 있어 데이터 throughput을 높일 수 있다. MN 처리 용량은 LTE+NR 용량을 감당할 수 있어야 하는데, eNB가 MN인 Option 3과 7의 경우 eNB 처리 용량이 5G NR 용량만큼 더 커져야 하므로 5G 투자 외에 LTE 투자 역시 요구된다. LTE - NR 간 mobility 시그널링은 eNB와 gNB 간 처리된다.  

 

Option 3a/7a/4a

• MCG 베어러: MN (eNB/gNB in 3a&7a/4a)에서 LTE/NR (3a&7a/4a)을 이용하여 전달한다.
• SCG 베어러: SN (gNB/eNB in 3a&7a/4a)에서 NR/LTE (3a&7a/4a)를 이용하여 전달한다.

Option 3a/7a/4a에서는 MN과 SN 모두 코어에 직접 연결되며, 사용자 평면에서 MN과 SN이 연결되지 않는다. 따라서 MCG 베어러를 이용한 'Core (EPC/5GC) - MN - UE' 경로 외에 SCG 베어러를 이용한 'Core (EPC/5GC) - SN - UE' 경로가 생성된다. 사용자 트래픽은 트래픽 특성에 따라 코어 (S-GW/UPF in 3a/7a&4a)에서 split되며 무선 베어러는 split되지 않는다.

하나의 무선 베어러가 LTE와 NR를 동시에 이용하지 않으므로 throughput이 더 향상되지 않으나, eNB 처리 용량을 증가하지 않아도 이용할 수 있다. LTE - NR 간 mobility 시그널링 및 Core - RAN 간 경로 변경은 코어를 통해 제어된다. 

 

Option 3x/7x

• MCG 베어러: MN (eNB)에서 LTE를 이용하여 전달한다.
• SCG Split 베어러: SN (gNB)에서 데이터를 split하여 일부를 MN (eNB)으로 전달하고, NR과 LTE를 이용하여 데이터를 전달한다. 

Option 3x/7x에서는 MN (eNB)과 SN (gNB) 모두 코어에 직접 연결되며, 사용자 평면에서 MN과 SN이 연결된다. SCG split 베어러 경우, SN (gNB)은 DRB 베어러를 split하여 MN으로 데이터를 off loading할 수 있다. 베어러 split은 PDCP에서 수행되고, split된 데이터는 MN과 SN의 RLC-MAC-PHY를 거쳐 전달된다.

이 경우 LTE와 NR 무선 자원을 모두 이용할 수 있어 데이터 throughput을 높일 수 있다. SN 처리 용량은 LTE+NR 용량을 감당할 수 있어야 하고, eNB 처리용량은 증가하지 않아도 된다. 데이터 throughput을 높이면서도 eNB에 미치는 영향이 적어 Option 3과 Option 7에서 다른 옵션에 비해 선호도가 높다. URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) 서비스 경우에는 gNB에서 트래픽을 split하는 대신 LTE와 NR로 중복 전달하여 전송 안정성을 높일 수 있다. LTE - NR 간 mobility 시그널링은 eNB와 gNB 간 처리되며, 베어러 종단점 (bearer termination point)이 MN으로 변경되는 경우에는 코어와 연동한다.  

 

■ Dual Connections (Option 3 case)

 

NSA DC 구조에서 단말은 LTE 및 NR과 이중 연결을 설정하여 사용자 트래픽을 결합할 수 있다. 그림 5는 Option 3의 예로 이중 연결 형태를 보여준다. Split 베어러가 지원되는 3/3x에서는 동일 베어러의 트래픽 로드가 LTE와 NR로 분산 전달되어 결합함으로써 베어러 속도를 향상시키고, Split 베어러가 지원되지 않는 3a에서는 서로 다른 베어러의 트래픽이 각각 LTE와 NR로 전달된다. 

 

그림 5. Dual connection (Option 3 case) 

 

■ 서비스 연속성 지원 (Option 3 case) 

 

NSA DC 구조에서는 5G 통신 중인 단말이 5G NR 커버리지를 벗어나는 등 NR 무선 품질이 나빠진 경우 NR to LTE 동적 스위칭이나 MCG 베어러로의 베어러 변경을 이용하여 서비스 연속성을 지원한다. 그림 6은 Option 3의 예로 단말이 5G NR 커버리지를 벗어났을 때 서비스 연속성 지원 방식을 보여준다.

 

MCG split 베어러를 이용하여 5G NR로 통신하는 기본옵션 3에서 단말의 5G NR 무선 품질이 나빠진 경우 eNB는 SCG 자원 (SCG RLC 베어러)을 해제하고 MCG 자원 (MCG RLC 베어러)을 이용하여 데이터를 전송한다. NR에서 LTE로 경로가 동적으로 스위칭됨으로써 interruption time의 영향이 작고 서비스 연속성이 보다 안정적으로 제공된다. 반면 배터리 소모 역시 증가한다.

SCG split 베어러를 이용하여 5G NR을 이용하는 3x 역시 SCG 자원을 해제하고 MCG 자원을 이용하는 NR to LTE 스위칭으로 서비스 연속성을 제공한다. 3x의 경우에는 LTE로 스위칭 후 SN (gNB)에 위치한 베어러 종단점을 MN (eNB)으로 변경할 수 있으며 이 경우 S1 경로 스위칭으로 인해 interruption time의 영향을 받을 수 있다.

SCG 베어러를 이용하는 3a에서는 MCG 베어러로 변경하여 서비스 연속성을 지원한다. 베어러 변경 시 코어와 연동하여 S1 경로를 gNB에서 eNB로 스위칭해야 하므로 interruption time의 영향을 받게 되므로 서비스 연속성 지원 면에서 덜 안정적이다.  

 

그림 6. NR 무선 품질 저하 시 서비스 연속성 지원 (Option 3 case)

 

■ NSA 상용망에서의 적용  

 

한국에서 올해 4월 상용화된 5G는 Option 3x에 기반한 5G NSA이다. 사용자 트래픽은 코어에서 gNB로 전달되고 NR과 LTE 중 하나 또는 NR & LTE를 이용하여 UE에게 전달될 수 있다. 각 사의 5G NSA 네트워크 구조 및 전략에 따라 각 사가 선호하는 전송 방식은 차이를 보인다. 3사 발표를 기반으로 살펴보면, KT는 저지연 (low latency)을 위한 '5G First' 전송을, SK 텔레콤은 서비스 특성에 따라 선택되는 '5GX 터보 모드’ 전송와 '5GX 초저지연 모드' 전송을, LG 유플러스는 최고 속도 향상을 위한 3x기반 NSA 전송을 강조하고 있다.   

 

그림 7. KT 5G First

 

그림 8. SK 텔레콤 5GX 터보 모드

 

그림 9. LG 유플러스 5G NSA

(source: "5G 서비스 및 네트워크 핵심 기술" @ Smart of Things Seminar 2019)

 

KT의 '5G First'와 SK텔레콤의 '5GX 초저지연 모드'는 NR만 이용한 데이터 전송이고, SK텔레콤의 '5GX 터보 모드'와 LG U+ NSA는 LTE와 NR을 동시에 이용한 데이터 전송의 예이다. '5G First'와 '5GX 초저지연 모드'는 5G NR만을 이용하므로 최고 속도가 5G 최고 속도로 제한되나 LTE 보다 무선 구간 지연이 짧은 5G를 이용하여 지연을 최소화할 수 있고, '5GX 터보 모드'는 5G NR과 LTE를 결합하며 5G NR 대비 지연이 커지나 전송 속도를 높일 수 있다. 

 

5G SA는 2020년 상용화될 전망이고 정부는 2022년까지 5G 전국망 구축을 목표로 하고 있다. 다음 글에서는 현재 NSA 상용망에서 5G 코어 (5GC)가 도입되고 5G 전국망으로 확대돼가면서 5G로의 migration 방안에 대해 살펴본다.