삼성전자의 조성연님이 보내주신 5G 기고글입니다. 바쁘신 와중에 유익한 기고글을 보내주신 조성연님에게 감사드립니다.

조성연님의 기고글 모두보기

---

 

이번 기고에서는 5G 네이밍과 주파수에 대한 간략한 설명에 이어 5G 구조 중 Non Standalone을설명한다.

 

3GPP 표준 단체의 총회에서의 5G 구조에 대한 논의가 진행되었을 때, 2020년 이전 빠른 상용화 수요를 가진 국가의 통신 사업자들을 만족시켜야 한다는 요구와 새로운 서비스 창출이 가능한 표준 기술을 연구하고 만드는데 시간이 필요하다는 요구가 있었다.

 

이 두 가지 상반된 요구를 논의하는 과정에서 여러 가지 구조 후보안들이 논의되었고, 논의 결과 빠른 상용화를 원하는 사업자를 위한 새로운 New Radio 기술을 함께 기존 LTE 시스템을 사용하는 Non Standalone (NSA) 구조 (그림 1-2)와 새로운 New Radio를 새로운 네트워크 구조와 함께 사용하는 Stand Alone (SA) 구조 (그림 1-1)가 도입되었다 (NOTE 1). 

 

그림 1. 5G New Radio 사용을 지원하는 SA와 NSA (EN-DC) 시스템 구조

 

NOTE1) 스마트폰과 같은 형태의 단말(UE)을 대상으로 빠른 5G 사업화를 원하는 사업자는 NSA 구조로 사업화를 할 것이다.

 

이와 달리 기존 LTE 시스템과 연동이 필요없는 브로드밴드 액세스를 위한 Fixed Wireless Access (FWA, 쉽게 생각하면 스마트폰에는 WiFi 연결을 제공하고 사업자 네트워크와는 유선이 아닌 5G 무선으로 연결되는 셋톱 박스 같은 장비) 형태의 단말로 5G 사업화를 하는 사업자는 SA 구조로도 빠른 사업화가 진행될 수 있다.

 

그림1의 5G New Radio 사용을 지원하는 SA와 NSA 시스템 구조에는 다음의 세 가지 종류의 기지국이 등장한다.

• eNB : LTE Radio 기술과 EPC와의 연동을 지원하는 LTE 시스템에서 사용되는 기지국
• gNB: New Radio 기술과 5G Core와의 연동을 지원하는 next generation NodeB인 새로운 기지국
• en-gNB : New Radio 기술과 5G Core와의 연동을 지원하면서 동시에 LTE시스템의 코어인  EPC와 기지국인 eNodeB와 연동되는 새로운 기지국

위의 세가지 기지국 중 gNB는 그림1의 5G SA구조에서만 사용된다. 이는 5G SA구조에서는 단말은 gNB가 New Radio 기술로 제어하는 리소스만을 사용하기 때문이다.

 

이에 반하여 5G NSA 구조에서 단말은 LTE Radio 기술을 지원하는 eNB의 리소스뿐만 아니라 eNB와 EPC와 연동하면서 New Radio 기술을 지원하는 en-gNB의 리소스도 사용한다.

 

이렇게 하나 이상의 RX/TX를 지원하는 단말이 하나 이상의 기지국들이 제어하는 리소스를 동시에 사용하는 기술을 Dual Connectivity (DC)라고 부르는데 5G NSA 구조는 3GPP 표준 단체에서 정의한 이 DC 기술에 기반하고 있다. 

 

5G NSA구조의 기반이 되는 Dual Connectivity 기술은 5G New Radio가 정의되기 전 3GPP Release-12에서 처음 등장하였다.

 

당시 LTE에 대하여 무제한 요금제를 도입한 이동 통신 사업자들은 다수 사용자들이 몰려 있는 대도시 등의 Hot Spot에서 용량 부족을 경험하였다. 이러한 용량 부족을 해결하려면 LTE로 사용 가능한 새로운 주파수 할당되어야 한다.

 

당시 때마침 일부 국가에서 3.5GHz 대역(NOTE2)의 주파수 사용 가능성이 언급되었다. 1부에서도 언급한 것과 같이 3.5GHz 주파수 대역은 기존 LTE에서 사용되던 주파수 대역보다 높은 주파수 대역이다. 높은 주파수대역인 3.5GHz 주파수 대역을 사용하는 LTE 기지국은 기존 주파수 사용 LTE 기지국 대비 작은 coverage를 갖는 small cell이다.

 

따라서 용량 부족이 발생한 Hotspot 지역에 기존 대비 높은 주파수를 사용하는 small cell LTE 기지국을 설치하면 그림2와 같이 기존 LTE 기지국, 즉 macro 기지국이 제어하는 리소스와 새로 설치한 LTE small cell 기지국이 제어하는 리소스를 동시에 이용할 수 있는 겹치는 영역이 만들어진다.

 

DC는 이러한 영역에 있는 단말이 양쪽 node의 Radio 리소스를 사용하도록 하여 master node가 제공하는 리소스만 사용했을 때보다는 높은 용량의 통신을 누릴 수 있도록 함으로써 용량 부족 문제를 해결하는 방법이다.

 

그림 2   Master node와 secondary Release-12에서 도입된 LTE를 사용하는 DC 개념도

 

(NOTE2) 3.5GHz 대역은 LTE TDD Radio 기술로 지원되도록 정의된 이후 New Radio 기술로도 지원되도록 정의되었다.

 

해당 대역을 어떤 Radio 기술로 사용하느냐는 국가와 사업자의 정책에 따라 결정된다. 또한  1부에서 언급한 것과 같이 5G New Radio 기술은 3.5GHz 대역뿐만 아니라 20GHz 이상의 초고주파 영역과 600MHz 대역의 저주파에서도 이용 가능하다.

 

이렇게 3GPP release-12에서 도입된 DC 디자인에서 Master Node (MN) 또는 Secondary Node (SN)가 LTE Radio외에 New Radio도 지원하도록 확장한 것이 5G NSA이다

 

표준 스펙 상의 5G NSA 구조는 New Radio를 Master Node 또는 Secondary Node에서 이용하는 것을 지원할 뿐만 아니라 Core 네트워크도 5G Core 또는 EPC를 이용하는 것도 지원한다.

 

이렇게 표준 기술 스펙은 여러 가지 조합의 NSA 구조를 지원하지만 현실적으로는 EPC와 LTE Macro 기지국으로 구성된 LTE 시스템을 전국망으로 사용 중인 사업자라면 기존 LTE 시스템을 최대한 활용하는 조합의 구조를 빠른 5G 상용화를 위한 선택으로 고려할 것이다.

 

그 NSA 구조가 바로 EPC를 Core로 사용하면서 LTE 기지국인 eNB를 Master Node로 사용하고 NR 기지국인 en-gNB를 Secondary Node 으로 사용하는 그림 3의 구조이다.

 

그림 3의 이 구조는 LTE radio 지원 기지국의 3GPP 공식 명칭인 E-UTRA을 사용하여 E-UTRA New Radio Dual Connectivity (EN-DC)라고 명명한다.

 

그림 3. 5G NSA EN-DC 구조도

 

그림3의 5G NSA EN-DC 구조에서 Master Node의 역할과 Secondary Node의 역할을 간략히 살펴보자.

 

Master Node로 역할하는 eNB는 LTE 시스템의 Core인 EPC의 컨트롤 엔티티 MME와 S1-MME 컨트롤 커넥션을 생성하여 MME와 단말이 NAS 컨트롤 메시지를 송수신하는 것을 중계한다.

 

또한 LTE Radio 기술을 이용하여 단말과 생성한 RRC 연결을 생성하고 그 연결에 기반한 RRC 상태를 관리한다. 이와 달리 Secondary Node 역할을 하는 en-gNB는 EPC와 연관되는 컨트롤 커넥션 및 NAS 메시지 중계에는 관여하지 않고 높은 용량의 데이터 송수신을 위한 추가적인 데이터 커넥션에만 관여한다.

 

5G NSA EN-DC 구조에서 Master Node의 역할과 Secondary Node의 역할을 설명하면서 Secondary Node 역할을 하는 en-gNB는 추가적인 데이터 커넥션에만 관여한다고 설명했었다.

 

이 추가적인 데이터 커넥션은 어떤 경로로 데이터를 송수신하게 될까?

 

DC를 이용하는 단말에서 데이터를 송수신하는 두 노드 중 Master Node 인 eNB는 그림4에서 보듯이 EPC의 PGW/SGW와 연결된 경로인 기존 LTE 시스템의 데이터 경로를 이용하여 데이터를 송수신한다.

 

추가적인 데이터 커넥션을 단말로 전송하는 Secondary Node인 en-gNB는 Master Node인 eNB와 달리 그림 4와 같이 두 가지 경로 중 하나를 이용하여 EPC와 데이터를 송수신한다. 첫번째 경로는 그림 4-1와 같이 eNB를 통해서 데이터를 송수신하는 PGW/SGW<-->eNB<-->en-gNB 연결 경로이다.

 

이 경로에서 Master Node인 eNB는 LTE Radio를 이용하여 다이젝트로 단말로 보내는 데이터와 en-gNB를 거쳐서 New Radio를 이용하여 단말로 보내는 데이터를 나누는 Split Node가 된다. 두번째 경로는 그림4-2과 같이 PGW/SGW와 다이렉트하게 데이터를 송수신하는 PGW/SGW<-->en-gNB 연결 경로이다.

 

이 경로에서 SGW는 eNB를 거쳐서 단말과 송수신하는 데이터와 en-gNB를 거쳐서 단말과 송수신하는 데이터를 나누는 split Node가 된다.  Secondary Node와 EPC 사이의 데이터 송수신에 둘 중 어느 경로가 이용될지는 이동 통신 사업자의 구조 선택에 따라 결정된다.

 

그림 4. 5G NSA EN-DC의 두 가지 데이터 패스

 

이제 DC를 이용하기 위하여 그림4와 같은 데이터 패스를 생성하는 그림5의 과정을 살펴보자.

 

그림5에서 보듯 DC를 이용하기 위해서 단말은 먼저 Master Node역할을 하는 eNB를 통하여 EPC에 attach하여 PDN connection 및 bearer들을 생성한다.

 

Attach가 실행되면 LTE 시스템은 단말을 위한 PDN connection 및 bearer를 생성하고 단말은 EMM-Registered 상태이자 master node 역할을 하는 eNB와 RRC connected 상태가 된다.

 

이 상태에서 Master Node인 eNB는 현재 eNB의 Congestion 상태, 단말의 데이터 송수신 현황 및 eNB 주변에 Secondary Node 역할을 할 en-gNB의 존재와 그 en-gNB의 Congestion 상태 등을 모두 고려한 후 단말의 DC 사용을 결정한다.

 

DC 사용을 결정하면 Master Node인 eNB는 secondary 역할을 하는 en-gNB와 X2 인터페이스를 통하여 X2-C 제어메시지를 송수신하여  eNB가 제어하는 LTE radio 리소스로 단말에게 데이터 송수신 서비스하던 bearer 중 일부를 en-gNB를 통하여 서비스되도록 옮기는 절차를 실행한다.

 

이 절차의 실행이 끝나면 단말은 en-gNB로 옮겨진 bearer로 송수신되는 데이터를 en-gNB가 제어하는 NR radio 리소스를 사용하여 송수신하게 된다. 간략하게 설명한 이 과정은 Secondary Node Addition 동작인데 이 과정을 도식화 하면 그림5와 같다.

 

그림5  DC를 위한 데이터 패스가 생성되는 과정

 

Step1: DC를 이용하는 단말은 LTE 시스템에 Attach하고 단말은 EMM-registered, RRC-connected 상태가 된다. 접속한다. EN-DC 구조에서 DC 단말의 attach를 실행하는 것은 다음의 추가 동작 이외에는 기존 LTE 시스템 동작과 동일하다.

 

MME:

. 단말이 전달한 capability 정보 기반 단말의 DC 지원 확인과 HSS가 전달한 가입 정보 기반 5G 가입 확인

. master node 역할을 하는 eNB에게 단말이 NR 포함 DC의 사용이 허용됨을 전달

. NR 포함한 DC로 가능한 높은 용량의 UE-AMBR 및 APN AMBR 등 설정 및 NR에서 지원하는 URLLC를 위한 새로운 QCI 설정 

PGW/SGW:

. NR 포함 DC로 가능한 높은 용량의 APN AMBR 등 설정 및 URLLC를 위한 새로운 QCI 설정

 

Step2: Master node 역할을 하는 eNB는 MME로부터 받은 정보로 NR 포함 DC 사용을 허용함을 확인한 후 DC 사용을 결정한다. DC 사용 결정시 eNB는 단말이 secondary node역활을 할 en-gNB 의 NR 접속 성능을 측정하여 measurement report로 보고 하도록 한다. DC 사용을 결정한 eNB는 NR를 사용하도록 en-gNB로 이동 시킬 bearer들을 선정한 후, 그 bearer들을 위한 NR radio 리소스 할당을 en-gNB에게 S-node addition Request로 요청한다.

 

Step3: master node은 eNB로부터 en-gNB로 이동시킬 bearer들을 위한 NR radio 리소스 할당을 요청 받은 en-gNB는 NR radio 리소스를 할당한다. 그리고 그림4의 eNB Split (그림 4-1)과 SGW Split(그림 4-2) 중 이용할 데이터 경로에 따라서 eNB 또는 SGW로부터 데이터를 수신하기 위한 X2-U 또는 S1-U 종단 리소스를 할당한다. 옮겨질 bearer를 위한 리소스 할당 결과는 master node 역할을 하는 eNB에게 S-node addition acknowledge로 알려진다.

 

Step4 : en-gNB로부터 옮겨질 bearer를 위한 리소스 정보를 받은 eNB는 그 중 NR radio 리소스 설정 정보 (RACH 설정, C-RNTI 및 Radio bearer 등 포함)를 단말에게 RRC Reconfiguration 메시지를 이용하여 전달하고 RRC Reconfiguration complete 메시지를 단말로부터 수신하여 전달을 확인한다

 

Step5 : 단말은 RRC 메시지로 수신한 설정 정보를 기반으로 en-gNB로 접속하여 bearer의 Radio 부분 (Radio Bearer)의 이동을 실행한다.

 

Step6-A: 그림4-1의 eNB Split을 이용하는 경우, en-gNB로 이동된 bearer로 전송할 데이터를 en-gNB에서 할당한 X2-U로 전송하여 en-gNB가 제어하는 New Radio를 통하여 단말이 데이터를 송수신하도록 한다.

 

Step6-B: 그림4-2의 SGW Split을 이용하는 경우, eNB는 MME로 요청하여 en-gNB로 옮겨진 bearer들에 대하여 SGW에서 eNB로 연결된 데이터 경로를 en-gNB로 연결되도록 변경한다. 이 경로 변경은 eNB가 E-RAB modification request를 MME로 보내고, MME는 modify bearer request를 SGW로 보낸 후 modify bearer response와 E-RAB modification confirm으로 실행 결과를 응답받는 것으로 실행된다.

 

그림5에서 설명한 위의 DC 사용을 위한 secondary node 추가 과정에서 보든 DC의 시작은 항상 단말이 Master Node인 eNB와 RRC connected 상태일 때만 가능하다. 단말이 RRC idle라면 먼저 connected 상태가 된 master node의 판단에 따라서 DC 사용 여부가 결정된다.

 

DC를 위한 프로시져는 DC를 시작하는 위의 secondary node 추가 과정뿐만 아니라 단말의 이동에 따른 Secondary Node 변경, Secondary Node로 이동한 bearer의 변경, DC를 종료하는 Secondary Node 해제 과정들도 지원하며 그 과정의 실행은 그림 5의 secondary node 추가 과정과 유사하게 Master Node인 eNB와 Secondary Node인 en-gNB와의 X2-C 제어 메시지 교환에 필요에 따라 추가적으로 실행되는 Master Node인 eNB와 MME와의 S1-MME 제어 메시지 교환으로 이루어 진다.

 

New Radio를 지원하는 Secondary Node를 사용하는 DC기반 NSA가 사용될 때 추가적으로 고려해야 하는 사항은 사업자 정책에 따라서 LTE Radio로 전송되는 데이터에 대한 요금과 New Radio로 전송되는 데이터에 대한 요금이 다를 수 있다는 점이다.

 

이렇게 상이한 요금 정책을 지원하기 위해서는 단말의 데이터 송수신양에 대한 기록을 만드는 PGW가 New Radio와 LTE Radio 각각을 이용하여 전송된 데이터양을 따로 알아야 한다. 그런데 그림 4-1과 같이 eNB에서 en-gNB로 데이터를 전송하는 eNB Split을 이용하는 경우에는 PGW가 이를 알기 어렵다.

 

이러한 문제를 해결하기 위하여 표준 규격에서는 그림 6과 같이 RAN Secondary RAT usage reporting procedure라는 프로시져를 제공한다.

 

그림6에서 보듯, 이 프로시져는 Master Node 역할을 하는 eNB가 New Radio를 제어하는 en-gNB와 송수신한 데이터 양을 MME로 보고하고 MME는 SGW를 거쳐서 이를 PGW로 포워딩하여 PGW에서 해당 정보를 받을 수 있도록 정의하고 있다.

 

그림6을 통하여 보고되는 New Radio 관련 Usage 리포트는 베어러별과 특정 시간 간격별로 생성될 수 있고 단말의 RRC 상태가 Idle로 변하거나 Master Node 역할을 하는 eNB에서 다른 eNB로 핸드오버가 될 때 실행된다.

 

그림 6 Secondary RAT Usage Report 프로시져

 

지금까지 LTE Radio와 New Radio를 동시에 사용하여 데이터를 송수신하는 Dual Connectivity 기술에 기반한 5G NSA 구조 중 LTE 기지국을 Master Node로 사용하고 New Radio 기지국을 Secondary Node로 사용하는 EN-DC 구조와 주요 프로시져들을 살펴보았다.

 

설명한 EN-DC 구조를 통하여 LTE 시스템을 최대한 활용하면서 New Radio를 secondary RAT로 사용하여 단말에게 제공하는 용량을 Boosting하여 enhanced Mobile Broadband (eMBB)를 성취할 수 있을 것이다.

 

 

기고자 소개

 

조성연 (Songyean.cho@gmail.com)

직장: Samsung Electronics 

직함: Principle Engineer 

관심분야: 이동통신 시스템