본 블로그는 HFR mobile에서 작성한 White Paper, "저궤도 위성을 이용한 Private 5G Network 활용 방안"의 일부입니다. 전문을 보시려면 여기를 클릭하세요.

저궤도 위성은 낮은 고도에서 운용되기 때문에 전파 왕복 시간이 짧아 다른 위성에 비해 통신 지연 시간이 짧은 장점을 가지고 있다.

 

저궤도 위성 통신과 Private 5G를 연계해서 오지‧산간 등 지상망 통신 음영지역을 해소하고 전쟁 또는 자연재해로 지상 망 인프라가 파괴되어 통신이 불가한 경우에 지상망 대체가 가능할 것으로 예상된다.

 

저궤도 위성 통신과 Private 5G를 연동할 수 있는 서비스 시나리오에 대해서 살펴보고 현재 기술 구현 수준에서 서비스 제공에 대해서 가능성을 살펴보았다.

 

1. Private 5G망이 On-premise에 구축되고, 스타링크를 통해 인터넷망 연동되는 구조

my5GBOX란?

2. Private 5G망의 RAN과 UPF가 On-premise에 구축되고, 제어부가 스타링크를 통하여 연동구조

 

my5GBOX란?

 

1. 저궤도 위성 통신을 활용한 Private 5G의 데이터 네트워크 연결

Private 5G 망의 N6 (Data Network) 구간이 위성 링크 백홀을 이용하여 연동된 경우

 

지상망 인프라가 설치되기 어려운 오지‧산간 등 지상망 통신 음영 지역에 Private 5G를 설치하고, 저궤도 위성 통신을 활용해서 데이터 네트워크에 연결하는 시나리오를 가정한 시험을 에치에프알의 my5G 및 my5GBox 시스템과 SpaceX의 스타링크를 이용해서 수행하였다.

 

대한민국 성남에 위치한 에치에프알 사옥에 Private 5G 시스템을 설치하고, Private 5G 시스템의 데이터 네트워크는 스타링크를 활용하여 인터넷에 연동했다. 한국에 위치한 사용자 단말(삼성 갤럭시 S22)과 일본에 위치한 서버 사이의 통신 성능을 Speedtest를 이용해서 측정했다.

Downlink와 Uplink에 대해서 각각 271Mbps의 Throughput과 33Mbps의 Throughput이 측정되었고, RTT는 70ms가 측정되었다. RTT는 Downlink 또는 Uplink 트래픽이 있는 경우와 그렇지 않은 경우에 편차가 매우 크게 나타났다.

 

표1. 스타링크를 활용한 my5GBox의 데이터 통신 성능 (Speedtest)

 

위성단말과 테스트 서버, Private 5G 망을 이용하여 일본과 한국에 위치한 서버 각각에 대한 시험을 진행하였다.
 

1.1 위성 구간에 대한 성능 시험 결과

위성 구간 자체에 대한 성능 확인을 위하여 위성단말과 위성 G/W에 연결된 Speedtest 서버 간의 구간에 대한 Throughput을 측정하였다. 다운로드 속도 293Mbps와 업로드 속도 36.5Mbps, RTT (Round Trip Time)는 49.3msec로 측정되었다.
 

1.2 Private 5G 망의 위성 백홀에 대한 성능 시험 결과

Private 5G 망의 N6 인터페이스의 인터넷 망 연동을 위하여 위성 단말과 위성 G/W를 통하여 테스트 서버에 연결 된 경우에 대하여 성능 시험을 진행하였다. Private 5G 망을 포함 시험 결과는 위성 구간 자체의 시험 결과와 유사하게 다운로드 속도 271Mbps와 업로드 속도 33Mbps가 측정되었다. Latency의 측정 결과는 Private 5망의 Latency가 추가되어 RTT (Round Trip Time)는 70msec로 측정되었다.

Private 5G 망의 N6 인터페이스의 위성 백홀의 경우, 테스트 서버가 한국에 위치한 경우에 대해서도 동일한 시험을 진행하였다. 위성 구간과 인터넷 망을 포함한 Latency는 106.3msec의 RTT가 측정되었다.

 

표2. 스타링크를 활용한 my5GBox의 데이터 통신 성능 (Rakuten 서버, NIA 서버)

 

 

2. 저궤도 위성 통신을 활용한 Private 5G의 제어 통신 연결
Private 5G 망의 N1/N2 (Control Plane) 구간이 위성 링크를 통한 백홀 연동의 경우

Private 5G 서비스 대상 지역 내에 RAN (Radio Access Network)과 UPF (User Plane Function)를 구축하고 5G Core의 CP (Control Plane)는 5G 사업자의 데이터 센터나 클라우드 서비스로 제공하는, 5G Core 제어부 공유형 서비스 사례를 고려할 수 있다.

위성 연동을 통한 5G Core 제어부 공유형의 경우에는 Private 5G 망의 N1/N2/N4 인터페이스 구간이 위성 구간을 통하여 연동되는 구조이다

 

2.1 IPSec VPN 터널링 사용

Private 5G 망에서 CU/DU와 Core의 AMF 구간인 N2 인터페이스에는 SCTP (Stream Control transmission Protocol)를 사용하여 데이터가 전송된다. N2 인터페이스의 SCTP 메시지가 위성 링크 (스타링크)를 통해 정상적으로 전송되지 않는 것을 확인하였다 (스타링크에서 메시지가 차단되는 것으로 판단된다).

 

CU/DU와 Core의 AMF 구간에 IPsec VPN 터널을 사용하여 N2 인터페이스의 제어 메시지가 정상적으로 송수신될 수 있도록 시험 환경을 구성하였다.

2.2 구간별 RTT 측정

시험 환경 구성에 대하여 각 구간별 RTT 측정을 진행하였다. 구간별 RTT 측정값은 A구간 5G망 (RAN-UPF-DN) 구간은 14.2ms로 측정되었으며, B구간 위성 구간에 대한 측정 결과는 49.7ms, 한국과 일본 간의 인터넷망의 RTT는 36.3ms로 측정되었다.

2.3 5G 초기 호접속

제어 메시지 전송을 위한 위성 링크를 사용하는 경우에 성능 비교를 위하여 5G 초기 호접속 시간에 대한 측정을 진행하였다. 

초기 호접속 소요시간은 CU/DU에서 Registration Request 메시지 송신 시점부터 PDU session establishment accept 메시지를 수신하기까지의 시간을 측정하였다. CU/DU와 Core의 AMF 상호 간 메시지의 송수신을 위해 총 5회의 송수신을 위한 지연 시간이 소요된다. 측정 결과 위성 링크 구간을 포함한 경우에 0.62초 시간 더 소요되는 것으로 확인되었다.

시험 환경에서는 위성 링크 구간의 지연이 Private 5G 망 전체의 구성에서 심각한 전송 지연의 요소가 되지 않는 것을 확인할 수 있으며, Core 제어부 공유형 모델에서도 위성링크를 사용한 망 구성을 통하여 서비스 제공에 문제가 없이 서비스할 수 있다는 것을 확인하였다.

 

표3. 스타링크를 활용한 my5GBox의 원격 CPF 호 접속 시간

 

 

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