5G 시스템은 5G 무선접속기술 (RAT) 못지않게 코어 (Core) 구조에도 큰 변혁을 가져온다. 이 글에서는 4G에서 5G로의 진화와 그에 따른 영향을 Control and User Plane Separation (CUPS) 구조 관점에서 살펴본다.

■ 4G (LTE)

그림 1은 초기 LTE 네트워크의 간단한 구조를 나타낸다. 코어 장비들 (예, MME, SGW, PGW)은 중앙에 집중화되어 있다. SGW와 PGW는 제어 평면 (Control Plane; CP) 기능과 사용자 평면 (User Plane; UP) 기능이 밀접하게 결합된 복잡하고 비싼 customized HW 장비이다. 사용자 트래픽량이  증가하여 UP 용량만 늘릴 필요가 있을 때도 CP 용량을 같이 늘려야 해서 장비 업그레이드에 비용이 많이 든다. Deployment 등 네트워크 관리를 유연하게 하기도 힘들다.

그림 1. EPC 구조 (without CUPS)

모바일 네트워크에 가상화와 클라우드화가 도입됨에 따라 customized HW 의존성을 줄이고 비용 및 네트워크 관리 측면의 효율성이 증가하게 된다. 하지만 중앙집중화로 사용자 트래픽의 이동성 및 지연 성능이 저하되는 문제는 그대로 남게 된다.  

이에 대한 솔루션으로 3GPP는 Release 14에서 EPC에 SDN 개념을 적용하여 SGW와 PGW의 CP와 UP를 분리하는 Control and User Plane Separation (CUPS) 구조를 도입한다 (그림 2와 그림 3). CP와 UP 기능이 밀접하게 결합되어 있던 SGW와 PGW 기능은 CP 기능인 SGW-C, PGW-C (이하 GW-C)와 UP 기능인 SGW-U, PGW-U (이하 GW-U)로 분리되고, GW-C와 GW-U는 Sx 인터페이스로 연결된다 (간략화를 위해 Sx CP만 표시).  

그림 2. EPC CUPS 구조 (1)

CUPS 구조의 장점을 살펴보면, GW-C는 중앙집중화되면서 GW-U는 중앙 클라우드 외에도 일부를 에지 클라우드로 즉 RAN 가까이로 분산 시킬 수 있어 사용자 트래픽의 지연 (latency)을 줄이고 라우팅을 유연하게 제어할 수 있다. 지연에 민감한 사용자 트래픽은 사용자 가까이 위치한 에지로 라우팅하여 에지에서 서비스 받게 함으로써 Mobile (or Multi-Access) Edge Computing (MEC) 도입을 효율적으로 지원할 수 있다. CP와 UP가 분리되어 있으므로 사용자 트래픽 용량이 큰 서비스에 대해서는 GW-U만 독립적으로 늘릴 수 있고, 시그널링 로드가 큰 서비스에 대해서는 GW-C만 독립적으로 늘릴 수 있다. 또한 GW-U와 GW-C 기능을 독립적으로 진화시킬 수 있다.

그림 3에서와 같이 중앙에 있는 GW-C는 여러 GW-U와 연결될 수 있다. UE 세션은 하나의 GW-C에 의해 제어되지만 여러 GW-U를 이용할 수 있다. GW-C는 연결된 GW-U들을 관리하고, UE가 서비스를 이용할 때 어느 GW-U를 이용할 지 선택한다. 트래픽 로드에 따라 GW-U를 동적으로 선택할 수도 있고 서비스 별로 다른 GW-U를 선택할 수도 있다. GW-U 선택 후 GW-C는 Sx 인터페이스를 통해 패킷 forwarding 규칙을 GW-U에 설정하고, GW-U는 설정된 규칙에 따라 패킷을 빠르게 forwarding할 수 있다.    

그림 3. EPC CUPS 구조 (2)

■ 5G  

5G는 LTE 대비 훨씬 더 i) 넓은 대역폭, ii) 큰 트래픽 용량, iii) 낮은 지연, iv) 많은 디바이스 수를 지원한다. EPC가 5G로 진화하면서 CUPS 구조는 5G 네트워크 구조 설계의 핵심 요소 중 하나로 적용되었고, 5G 코어 (5GC) 외에 5G RAN으로도 그 범위가 확대된다.  

그림 4는 5GC CUPS 구조를 간단한 형태로 보여준다. 그림 3의 EPC 기능들이 재구성되어 5GC 네트워크 기능 (NF)들로 맵핑된다. 제어 평면에서는 EPC MME의 인증, 접속 제어, 이동성 제어 기능이 5GC Access and Mobility Management Function (AMF)으로, EPC MME와 GW-C의 세션 관리 기능이 5GC Session Management Function (SMF)로 재구성된다. 사용자 평면에서는 EPC GW-U의 패킷 프로세싱 및 policy enhancement 기능이 5GC User Plane Function (UPF)으로 재구성된다.

그림 4. 5GC CUPS 구조: CUPS 기반 EPC 기능의 재구성

5G New Radio (NR) 규격이 20 Gbps의 셀 용량을 지원하게 되면서 LTE에서의 C-RAN fronthaul 구조로는 전송용량 및 비용 문제가 대두되었다 (참고: 넷매니아즈 기술 문서 "5G RAN/Fronthaul 구축비용을 어떻게 절감하나?: [답] Function Split과 Open Fronthaul Interface"). 이에 3GPP와 모바일 산업계는 LTE RAN (or eNB)의 Digital Unit (DU) (or Baseband Unit (BBU)) 및 Radio Unit (RU) (or Remote Radio Head (RRH)) 기능을 5G RAN (or gNB)에서 새롭게 분리하기 위한 다양한 옵션을 검토해왔다 (참고: TR 38.801, Section 11, Option 1 - Option 8). 이러한 노력을 기반으로 gNB 기능은 Central Unit (CU), Distributed Unit (DU) 및 Radio Unit (RU) 기능으로 분리된다. CU-DU 간 분리인 상위 계층 분리 (High Layer Split; HLS)와 DU-RU 간 분리인 하위 계층 분리 (Low Layer Split; LLS)를 정의하기 위한 작업이 진행되었고, 3GPP는 Release 15에서 Option 2를 HLS로 정하고 F1 인터페이스로 정의하였다 (참고: TS 38.401, NG-RAN architecture).

그림 5는 5G RAN과 5GC의 CUPS 구조를 보여준다. CU는 CUPS 구조가 적용되어 CU-CP와 CU-UP로 분리되고 이들은 E1 인터페이스로 연결된다. 또한 CU는 UPF가 위치한 에지 클라우드로 집중화될 수 있으며, DU와 함께 분산될 수도 있다. 하나의 CU-CP는 여러 CU-UP와 연결될 수 있으며, UE가 서비스를 이용할 때 어느 CU-UP를 이용할지 CU-UP를 선택하고 CU-UP와 DU 간 연결을 설정한다. UPF는 중앙 클라우드 외에 에지 클라우드로 분산되어 사용자 가까이에서 서비스를 제공할 수 있게 되며, 5G에서는 표준에 기반한 MEC 기능이 지원된다. 저지연 서비스의 지연과 eMBB 서비스의 백홀 트래픽을 줄일 수 있고 라우팅이 유연하게 제어된다. 

그림 5. 5G CUPS 구조: RAN으로의 확장

EPC에 CUPS 구조 (Centralized CP, Distributed UP)가 도입되어 5G-ready Core로 진화하고, 5G로 진화하며 RAN으로까지 확장되었다. gNB와 5GC에 걸쳐 5G 네트워크에 내제된 CUPS 구조는 서비스 특성 별로 독립적인 경로 설정과 네트워크 자원 할당을 가능케 한다. 이는 E2E 네트워크 슬라이싱을 가능하게 하는 기반 기술의 하나로, 5G 네트워크가 다양한 특성의 서비스 (eMBB/URLLC/mIoT 서비스)를 동시에 제공할 수 있게 해주는 토대가 된다.