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LTE to 5G Migration: Part 1. 5G deployment 옵션과 NSA/SA
LTE to 5G Migration: Part 1. 5G deployment options and NSA/SA
July 08, 2019 | By 도미선 @ Netmanias (tech@netmanias.com)
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[5G Migration 연재] 

LTE to 5G Migration 

 

본 연재에서는 5G deployment 옵션에 대한 이해를 기반으로 5G migration 방법을 살펴보고자 한다.   

Part 1에서는 5G deployment 옵션의 종류와 특징, 그리고 NSA/SA 구분에 대해 알아보고, Part 2에서는 현 5G NSA 상용망의 기반인 Option 3를 포함한 NSA 5G에서의 데이터 전송방법을 살펴보며, Part 3에서 5G Core가 도입되었을 때 5G 전국망으로의 migration 방법을 살펴본다.  

 

 

 

Part 1. 5G Deployment 옵션과 NSA/SA

 

 

Part 2. NSA 5G에서의 데이터 전송 경로 

 

 

Part 3. Migration to 5G

 
     
 
 

 

올해 4월 3일 5G가 상용화되었다. 좀 더 구체적으로는 Rel-15 NSA (Non-Standalone) 표준에 기반한 5G NSA 상용화이다. Rel-15 NSA 표준은 LTE 인프라 (예, EPC, eNB)에 5G 기지국 (gNB)만 도입한 것으로, eNB를 master node로 하고 gNB를 secondary node로 하여 단말이 LTE와 5G NR에 모두 접속할 수 있는 dual connectivity 구조를 갖는다. 상용화 초기에 5G 커버리지가 제한적인 관계로 전국 커버리지를 갖는 LTE에 의존하는 구조로, 단말이 서비스 중 5G 커버리지를 벗어나면 LTE로 서비스 된다. EPC를 이용하므로 5G 특화된 성능을 보여주기 힘든 구조이다. 

 

2011년 LTE가 상용화되었을 때는 1년여 만에 LTE 전국망이 구축되었다. 동영상 컨텐츠가 증가하면서 동영상 (예, 비디오 스트리밍)이 LTE 킬러 어플리케이션 (앱)으로 자리잡아 LTE 성장을 견인하였다. 이에 비해 5G 전국망 구축은 더뎌보인다. LTE 대비 고주파 대역인 5G의 커버리지 문제, 고주파 장비/단말의 상용화 문제와 더불어 LTE로는 제공할 수 없는 5G 킬러 앱이 아직 없다는 점 등이 주요 원인으로 꼽힌다. 현재 상용화된 5G NSA로는 URLLC 통신을 제공하지 못하는 점은 5G 킬러 앱 등장을 지연시키는 요소 중 하나로, 내년에 상용화될 SA 5G를 기대하는 이유이기도 하다.   

 

5G에서는 주파수 대역 및 connectivity 특성이 크게 변하는데다 5G 도입을 위한 통신사업자의 목적과 네트워크 인프라 상황도 다양하여, 5G 표준에 앞서 다양한 5G deployment 옵션들이 논의되었다 (RP-161266, 3GPP TR 38.804). 주요 옵션으로 옵션 2, 3, 4, 5, 7이 있고, 그 중 우선순위가 높은 옵션 3와 옵션 2 순으로 표준화가 진행되었다. 옵션 3는 LTE 시스템 (EPC, eNB)의 도움으로 5G 서비스를 제공하고, 옵션 2는 LTE 시스템과 독립적으로 5G 시스템 (5GC, gNB) 만으로 5G 서비스를 제공할 수 있다.

 

올해 4월 상용화된 5G는 옵션 3에 기반한 NSA 표준으로, 5G 전국망으로의 마이그레이션을 이해하기 위해서는  5G deployment 옵션에 대한 이해가 필요하다. 이에 5G deployment 옵션에 대한 이해를 기반으로 5G migration 방법을 살펴보고자 한다.   

 

이번 편에서는 5G deployment 옵션의 종류와 특징, 그리고 NSA/SA 구분에 대해 알아보고, 다음 편에서는 현 5G NSA 상용망의 기반인 Option 3에서의 데이터 전송방법을 살펴보며, 마지막 편에서 5G Core가 도입되었을 때 5G 전국망으로의 migration 방법을 살펴본다.  

 

 

Part 1. 5G deployment 옵션과 NSA/SA 

 

■ 5G 표준화 및 상용화 일정

 

3GPP 5G 규격은 Rel-15부터 시작한다. Rel-15는 2017년 3월에 시작하여 올해 3월 마무리되었다. 2018년 6월에 시작한 Rel-16은 내년 3월 마무리될 계획이다. Rel-15 표준은 우선순위에 따라 Option 3, Option 2 순으로 3 단계로 진행되었다.

- 첫 번째: Option 3에 기반한 NSA 표준으로 2017년 12월에 완료

- 두 번째: Option 2와 Option 5를 포함한 SA 표준으로 2018년 6월에 완료

- 세 번째: Option 7와 Option 4 포함한 late drop으로 올해 3월에 완료. Option 2에 적용할 수 있는 NR-DC (NR gNB 간 dual connectivity)가 추가.

 

 

그림 1. 3GPP 5G 표준화 및 5G 상용화 일정

 

표준 완료 후 상용화까지는 보통 1년 반 정도가 걸린다. 2017년 12월 Rel-15 NSA 표준 완료 후, 한국에서는 작년 12월 5G NSA 상용망이 구축되었고 올해 4월 5G NSA가 상용화되었다. 5G SA는 내년에 상용화될 예정이다.

 

■ 5G deployment 옵션의 종류와 특징  

 

그림 2는 RP-161266을 기반으로 5G deployment 옵션들을 나타낸다. 그림 2 (a)는 5G deployment 옵션들이  모든 결합된 모델로 구성요소를 보여주고, 그림 2 (b)는 각 옵션을 보여주며, 그림 2 (c)는 옵션 3/4/7의 종류를 나타낸다. 5G 영역에서 가로축 (보라색)와 세로축 (주홍색)은 NSA/SA 구분에 대한 설명을 위해 표시한 것으로 뒤의 '■ NSA/SA 구분' 항목에서 설명하고, 여기서는 5G deployment 옵션 종류에 대해서만 다룬다. 그림 3은 TR38.804에 기반한 5G deployment 옵션들로 LTE와 NR의 커버리지 관계를 살펴볼 수 있어 같이 나타내었다. (본 글에서 기지국 용어는 TS 37.340을 기반으로 eNB, ng-eNB, en-gNB, gNB로 통일하였다.)   

 

 
 

• 기지국 종류
  - eNB: 4G 기지국.  LTE eNB라고도 하며, 
Rel-8 - Rel-14 규격에 기반한다. 
  - ng-eNB: 5GC 및 gNB와 연동가능한 eNB.  eLTE eNB라고도 하며,
Rel-15 규격에 기반한다.
  - gNB: 5G NR 및 5GC와 연동하는 5G 기지국.  NR gNB라고도 하며,
Rel-15 규격에 기반한다. 

  - en-gNB: EPC 및 eNB와 연동가능한 gNB.  NR gNB라고도 하며, Rel-15 규격에 기반한다.

 

• Dual Connectivity (DC)종류 

  - EN-DC: E-UTRA-NR Dual Connectivity (Option 3) 

  - NGEN-DC: NG-RAN E-UTRA-NR Dual Connectivity (Option 7)
  - NE-DC: NR-E-UTRA Dual Connectivity (
Option 4)

  - NR-DC: NR-NR Dual Connectivity

 
 

 

 

그림 2. 5G deployment options

 

 

그림 3. 5G deployment scenarios (TR 38.804)

 

Option 1: 기존 LTE 시스템을 말한다.  

 

Option 2: 5G 시스템 (5GC, gNB) 만으로 독립적인 5G 서비스를 제공할 수 있다. eMBB (enhanced Mobile Broadband) 외에 URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication), mMTC (massive Machine Type Communication) 통신이 가능하고 네트워크 슬라이싱, MEC 지원, Mobility on demand, Access-agnostic 등 5GC 특성을 이용할 수 있어, 5G full 서비스를 제공할 수 있다. LTE 망이 없는 사업자가 5G 망을 구축하고자 할 때 적용된다. LTE 사업자의 경우 초기에는 커버리지 제한으로 인해 hot spot, enterprise 용이나 overlay network로 활용할 수 있으며, 5G NR 커버리지를 벗어난 경우 EPC-5GC 연동이 필요하다. 전국망 서비스를 위해서는 5G NR full 커버리지가 필요하며, 복수의 5G 주파수를 이용하여 gNB 간에 dual connectivity (NR-DC)를 지원할 수 있다.

 

Option 3: 기존 LTE 인프라에 gNB만 도입되는 경우이다. Core는 EPC이고 gNB는 EPC 및 eNB와 연동가능한 en-gNB이다. eNB와 en-gNB 간에 dual connectivity (EN-DC)가 지원되고 master node는 eNB이다. en-gNB의 control anchor인 eNB가 단말의 network access, connection 설정, handover 등을 위한 제어 시그널링을 처리하며, 사용자 트래픽은 eNB and/or en-gNB를 통해 전달할 수 있다. LTE 전국망을 운용 중인 사업자가 5GC 없이 en-gNB 도입과 최소한의 LTE 업그레이드로 빠르게 5G 망을 구축할 수 있어 5G migration 첫 단계에 주로 적용되는 옵션이다.       

 

Option 3 종류는 사용자 트래픽 split 방식에 따라 Option 3/3a/3x 3가지가 있다. Option 3/3x는 베어러 split이 적용되고 Option 3a는 적용되지 않는다. 주된 방식은 Option 3x이다.

  • Option 3: EPC로 eNB만 연결되고 en-gNB는 eNB로만 연결된다. 사용자 트래픽은 master node (eNB)에서 split되어 LTE와 NR로 동시에 전송할 수 있다.
  • Option 3a: EPC에 eNB와 gNB가 모두 연결되어, EPC로부터 gNB로 사용자 트래픽이 직접 전달된다. 사용자 트래픽은 LTE 또는 NR로 전송된다. 
  • Option 3x: Option 3과 Option 3a가 결합된 형태로, Option 3와의 차이점은 사용자 트래픽이 secondary node (gNB)에서 split된다는 점이다.

Option 3의 장점은 i) eMBB 서비스를 위해 LTE를 capacity booster로 사용할 수 있다는  점과 ii) 단말이 항상 LTE에 접속해 있으므로 5G 커버리지를 벗어나거나 NR 품질이 저하되더라도 LTE를 통해 서비스 연속성이 제공되어 안정적인 통신이 제공된다는 점이다. 반면에, 저지연과 같은 5G NR 특성을 충분히 활용하지 못하고 또한 EPC를 활용하므로 5GC 특성을 이용하지 못하는 단점이 있다 (Option 3에 대한 보다 자세한 내용은 "Part 2"를 참조).

 

Option 4: 5GC가 도입되고, 여전히 LTE와 연동하나 독립적인 5G 통신이 가능하다. Core는 5GC이고 eNB는 5GC 및 gNB와 연동가능한 ng-eNB이다. ng-eNB와 gNB 간에 dual connectivity (NE-DC)가 지원되고 master node는 gNB이다. 5G NR 커버리지가 충분히 확대된 경우로 LTE를 capacity booster로 사용할 수 있다. Option 4 종류로 Option 4/4a 2가지가 있다. 주된 방식은 Option 4a이다.

  

Option 5: LTE 시스템에 5G Core가 도입된 경우이다. eNB는 5GC와 연동하는 ng-eNB로 업그레이드 되어야 한다. RAN보다 Core migration을 먼저 하려는 사업자가 활용할 수 있다. 5GC 특성을 이용할 수 있고 LTE로 전국망 커버리지를 유지할 수 있다.  

 

Option 7: 5GC가 도입되고, 여전히 LTE와 연동하여 5G 통신은 LTE에 의존한다. Core는 5GC이고 eNB는 5GC 및 gNB와 연동가능한 ng-eNB이다. ng-eNB와 gNB 간에 dual connectivity (NGEN-DC)가 지원되고 master node는 eNB이다. 5GC 특성을 이용할 수 있으며, 아직은 5G 커버리지가 충분하지 않을 때 Option 3처럼 여전히 eNB를 master node로 하여 서비스 연속성을 제공할 수 있다. Option 7 종류는 사용자 트래픽 split 방식에 따라 Option 7/7a/7x 3가지가 있다. Option 7/7x는 베어러 split이 적용되고 Option 7a는 적용되지 않는다. 주된 방식은 Option 7x이다. 

 

■ NSA/SA 구분   

 

5G NSA는 좁게는 Rel-15 표준 중 Option 3를 지원하는 첫 번째 규격인 Rel-15 NSA 규격을 말하고, 광의로는 LTE와 연동해야 5G 통신을 할 수 있는 옵션들을 포함한다.

5G SA는 좁게는 Option 2를 지원하는 두 번째 규격인 Rel-15 SA 규격을 말하고, 광의로는 LTE와 연동하지 않고도 독립적으로 5G 통신을 할 수 있는 옵션들을 포함한다.

 

NSA/SA를 구분하는 기준을 보면 기본적으로 'Multi-RAT, 즉, LTE와 5G NR 간 dual connectivity 구조를 갖는가'이고, 또 다른 관점은 '5G 기지국이 master node인가'이다. 그림 4는 그림 2 (b)에서 gNB가 있는 구조인 Option 2/3/4/7에 대해 NSA와 SA로 구분한 것이다. 가로축 (보라색)은 Multi-RAT/Single-RAT을 기준으로 한 구분을 나타내고, 세로축 (주홍색)는 master node를 기준으로 한 구분을 나타낸다.  

  • Multi-RAT (LTE-NR) / Single RAT (NR) 기준 - 5G 시스템이 단독으로 동작하지 않고 LTE-NR dual connectivity 를 갖고 필요시 (5G 커버리지를 벗어나거나, 5G NR 품질이 저하되거나, 음성 통화 시) LTE를 활용한다. Multi-RAT DC (LTE-NR DC) 구조인 Option 3/4/7은 NSA로, Single-RAT 구조인 Option 2는 SA로 구분된다.
  • Master node 기준 - Multi-RAT 구조여도 gNB가 master node로 LTE 없이도 독립적으로 통신할 수 있으면 SA로 구분한다. gNB가 master node인 Option 2/4가 SA로, eNB/ng-eNB가 master node인 Option 3/7은 NSA로 구분된다.  

 

 

그림 4. NSA/SA 구분

 

어느 기준으로든 Option 3과 7은 NSA이고 Option 2는 SA인 반면, Option 4는 Multi-RAT (NE-DC)이면서 동시에 gNB가 master node여서 한편에서는 NSA로 또 다른편에서는 SA로 구분한다. Option 4에 대해, 5G가 full 커버리지를 가지면서 eNB 없이 독자적으로 5G 통신이 가능하므로 SA라고 보는 이들이 있고, eNB와 gNB가 모두 5G 통신에 활용되므로 NSA라고 보는 이들이 있다. 정답이 있다기 보다 자신이 구분하고자 하는 기준에 따르면 될 것이다. 필자는 SA파에 가깝다. 지막으로 표 1은 그림 4에 나타난 Option 별 비교를 보여준다.   

 

표 1. 5G deployment 옵션 비교

 

 

 

 

   약어표      
       

 

 

5GC

5G Core

    
  CN Core Network     
 

DC

Dual Connectivity

    
  eMBB enhanced Mobile Broadband    
 

eNB

Evolved NodeB     
 

EN-DC

E-UTRA-NR Dual Connectivity     
 

en-gNB

E-UTRA-NR Next Generation Node B

    
 

EPC

Evolved Packet Core

    
  E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access     
 

gNB

Next Generation NodeB

   
  LTE Long Term Evolution     
  MCG Master Cell Group

 

  
  mMTC massive Machine Type Communication    
  MN Master Node    
  NE-DC NR-E-UTRA Dual Connectivity    
  ng-eNB

Next Generation Evolved NodeB 

   
  NGEN-DC NG-RAN E-UTRA-NR Dual Connectivity    
  NR New Radio    
  NR-DC NR-NR Dual Connectivity    
  NSA Non-Standalone    
  RAN Radio Access Network    
  SA Standalone    
  SCG Secondary Cell Group    
  SN Secondary Node    
  UE User Equipment    
  URLLC Ultra-Reliable Low-Latency Communication    

 

 

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