Network Slicing과 Traffic Steering의 개념

Network Slicing과 Traffic Steering의 개념

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Network Slicing이란?

 

 

 

Network Slicing은 하나의 물리적 Infra 위에 여러 개의 가상된 논리 네트워크(Slice)를 동시에 운용하는 기술이다.

각 Slice는 특정 서비스나 Application의 요구사항 (QoS, latency, bandwidth 등)에 맞게 독립적으로 구성된다.

 

이 개념은 기존 2G~4G에서 사용된 "one-size-fits-all" 네트워크 구조가 다양한 5G 서비스를 충족하지 못한다는 한계를 해결하기 위해 등장했다. 즉, 자율주행차, 스마트팩토리, AR/VR, 대규모 IoT와 같은 이질적인 서비스 요구를 하나의 물리적 인프라에서 공존시키는 것이 궁극적인 목표이다.

 

Network Slicing의 구현은 Software Defined Network와 Network Function Virtualization 기술의 발전으로 실현 가능해졌다.

이들은 네트워크 자원을 소프트웨어적으로 정의하고 동적으로 재구성하여, 유연하고 확장 가능한 슬라이스 운영을 지원한다.

 

 

 

Network Slicing의 아키텍처

 

 

 

5G Network Slicing 아키텍처는 하나의 물리적 인프라 위에서 다수의 가상 네트워크를 효율적으로 구현하기 위해 설계된 계층적 구조를 가진다. 전체 구조는 크게 Slice 구현 영역과 Slice 관리 및 제어 영역의 두 부분으로 나뉜다.

 

슬라이스 구현 영역은 서비스 계층, 네트워크 기능 계층, 인프라 계층로 구성된다.

• 서비스 계층은 MVNO나 서비스 제공자로부터 받은 서비스 요구사항(SLA)을 네트워크 슬라이스로 변환하는 역할을 한다.
• 네트워크 기능 계층은 AMF, SMF, UPF 등과 같은 5G 핵심 기능을 가상화 환경에서 조합하여 E2E 슬라이스를 생성한다.
• 인프라 계층은 실제 물리적 자원(RAN, 전송망, 코어망, 데이터센터 등)을 관리하며, 슬라이스에 필요한 컴퓨팅·저장·네트워크 리소스를 제공한다.

이 세 계층을 조율하는 핵심 구성요소는 Network Slice Controller (Orchstrator)로, 슬라이스 생성, 배포, 모니터링, 재구성을 담당한다. Orchestrator는 SDN을 이용해 네트워크 자원을 동적으로 할당하고, NFV를 통해 기능 단위로 Slice를 확장 또는 축소한다.

또한, Slice 간 간섭을 방지하기 위해 Slice Isolation이 구현되어 보안성, 안정성, 성능 독립성을 보장한다.

 

결과적으로 이러한 구조는 5G 네트워크가 서비스별로 맞춤화된 가상 네트워크를 동적으로 생성, 운영할 수 있게 하여, 효율적이고 지능적인 네트워크 운용을 가능하게 한다.

 

 

Traffic Steering이란?

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Traffic Steering은 네트워크 상의 데이터 흐름을 지능적으로 제어하고 최적의 경로로 유도하는 기술로,

사용자의 위치, 서비스 종류, 네트워크 상태에 따라 트래픽을 동적으로 분배하는 것을 의미한다.

이 기술은 단순히 부하를 분산하는 Load Balancing을 넘어, QoS, 비용, Latency 등을 종합적으로 고려한다.

5G 환경에서는 다양한 서비스(eMBB, URLLC, mMTC)가 동시에 존재하기 때문에, Traffic Steering은 Network Slicing의 실질적 실행 메커니즘으로 동작한다.

 

정리하면, Network Slicing이 "하나의 물리적 인프라 위에 여러 가상 네트워크(Slice)를 만드는 개념적 틀"이라면,

Traffic Steering은 "각 Slice로 트래픽을 적절히 분배하는 실행 계층"이다.

예를 들어, 고속 데이터 전송이 필요한 eMBB Traffic은 대역폭이 큰 Slice로, 초저지연 통신이 필요한 URLLC 트래픽은 Edge 근처의 슬라이스로 자동 유도된다. 또한, 대규모 ioT 센서 네트워크(mMTC)의 경우, 수많은 장치가 주기적으로 소량의 데이터를 전송하므로 저전력, 저비용, 대규모 동시 접속에 최적화된 Slice로 트래픽이 유도된다.

 

 

Traffic Steering vs Mobility

 

출처 : Erricson (https://www.ericsson.com/en/blog/2023/5/advanced-traffic-steering-in-5g-standalone)

 

 

Traffic Steering은 동일한 지리적 영역 내에서 UE를 서로 다른 주파수 Layer 간에 이동시키는 것을 의미한다.

이때의 목적은 보통 Throughput을 최대화하는 것이지만, 특정 주파수 대역에서만 제공되는 특정 서비스 요구사항을 충족하는 것이 될 수도 있다.

 

반면 Mobility는 단말의 연결이 끊어지지 않도록 유지하고, dropped call을 방지하며 coverage를 보장하는 데 있다.

예를 들어, 내가 통화를 하면서 다른 지역으로 이동하더라도 연결이 유지되도록 하는 것이 Mobility의 역할이다.

Traffic Steering은 그 위의 계층에서 작동하며, 이동 중의 연결 유지를 최적화하는 역할을 한다.

 

Traffic Steering의 vendor별로 구현 방식이 다른 기술이며, 3GPP 표준 문서에는 구체적인 구현 방법이 정의되어 있지 않다.

따라서 vendor들은 창의적으로 설계할 수 있는 여지가 많지만, 5G에서의 Traffic Steering은 훨씬 복잡해졌다.

 

 

Traffic Steering의 복잡성 요인

서로 다른 용량(capacity), coverage, 구성(configuration)을 가진 다양한 셀들과,

서로 다른 기능과 서비스 요구사항을 가진 다양한 UE들이 존재한다는 점이 5G Traffic Optimization을 복잡하게 만든다.

이러한 환경에서 네트워크 성능과 Spectrum 효율을 동시에 최적화하는 것은 쉽지 않다.

 

1. 주파수 대역의 다양성
   5G는 여러 주파수 범위에서 작동하도록 설계되었으며,
   주파수가 늘어날수록 UE를 최적의 셀에 배치하는 것의 중요성이 커진다.
   
   
2. UE와 서비스 다양성
   모든 UE와 서비스가 동일하지 않다. 일부는 높은 용량과 처리량을 요구하는 반면, 다른 일부는 낮은 latency와 저전력 소모가 더 중요하다. 따라서 서비스 특성에 맞는 기능 수준이 필요하다.
   
   
3. 단말 유형의 다양화
   현재 대부분의 단말은 스마트폰이지만, 5G에서는 고정 무선 접속 (Fixed Wireless Aceess, FAN)의 사용이 급증하였다.
   이 두 종류의 단말만 놓고 봐도 기능과 서비스 요구가 서로 다르며, 앞으로는 AR, VR과 같은 새로운 서비스가 추가될 것이다.
   각 단밀의 기능, 서비스 요구, 네트워크 제공 역량을 일치시키는 것이 중요하며, 여기에는 Network Slicing과 같은 요소도 고려된다.
   
   
4. 부하 분산(Load Distribution)
   모든 단말이 동일한 PCell과 SCell 조합을 갖게 된다면, 특정 셀이 금세 과부하 상태에 도달할 것이다.
   따라서 네트워크가 여러 셀을 추가할수록, 트래픽 스티어링은 각 셀의 부하 상태를 고려하여 단말을 분산 배치해야 한다.
   이렇게 하면 각 셀의 자원 활용도를 높이고, 동시에 각 단말의 처리량도 향상된다.

 

 

Traffic Steering의 Framework 과정

 

출처 : Ericsson

 

 

결국, Network Slicing과 Traffic Steering은 4G까지 잘 동작했던 "one-size-fits-all" 네트워크의 한계를 극복하기 위한 기술이며, 상황에 따라 유연하고, 민첩하며, 상황 변화에 즉각 대응할 수 있는 구조로 발전해야 한다. 이는 곧 입력 파라미터와 최적화 목표를 고려하여, 가장 적합한 UE 구성(Cell 조합)을 빠르게 결정하는 선택 알고리즘에 기반할 수 있다.

Ericsson에서 제시하는 동작 과정을 살펴보면 다음의 Framework를 따라 동작한다.

 

 

5G SA용 트래픽 스티어링 – Multi-Layer Coordination 프레임워크 기반 동작 과정

① 초기 입력 파라미터 (Initial Input Parameters)
프로세스의 초기 입력은 네 가지이다:

• UE의 기능(capabilities) / UE가 속한 그룹(group) / 네트워크 토폴로지(topology) / 부하(load)
  여기에 다섯 번째 요소로, 커버리지 정보를 고려해 커버리지 밖의 셀을 제외함으로써 후보 셀 집합을 줄일 수도 있다.

UE 그룹의 경우,다양한 그룹을 정의하고 각 그룹별 트래픽 스티어링 정책을 적용하도록 지원한다.
예를 들어, FWA 사용자에게는 최대 용량 중심 최적화, VoNR 사용자에게는 커버리지와 통화 안정성 중심 최적화를 적용할 수 있다.

이러한 입력값을 기반으로 Ericsson의 첫 번째 버전 솔루션은 새로운 단말이 특정 셀에 진입할 때 최대 DL 처리량을 달성하도록 최적화한다.

향후에는 이 프레임워크가 UL 처리량, 지연 민감도(latency-sensitivity), 슬라이스(slice), 에너지 효율(energy efficiency) 등 다양한 목적에 맞춰 최적화 목표를 조정할 수 있다.

 

 

② 최적화 목표 (Optimization Objective)
선택 알고리즘은 최적화 목표를 최대화하는 셀 세트(PCell + SCell)를 선택한다.
이 작업은 매우 빠르게 수행되어야 하며, 기지국은 동시에 다수의 단말이 셀을 선택하는 상황을 처리해야 한다.
다양한 주파수와 셀이 존재하기 때문에 가능한 조합의 수가 급격히 늘어나지만, Ericsson의 알고리즘은 속도와 정확성 간의 균형을 유지하도록 설계되었다.

또한, 이 솔루션은 **전체 셀 세트(PCell + SCells)**를 함께 고려한다.
만약 PCell만 고려한다면, 단말이 겉보기엔 좋은 셀로 이동했지만 SCell 조합이 제한되어 전체 처리량이 저하되는 문제가 생길 수 있다.

 

 

③ 결과 동작 (Resulting Action)
최적의 셀 세트가 도출되면, 현재 셀 세트와 비교하여 유의미하게 더 좋은 경우에만 재구성(reconfiguration)을 수행한다.
이로써 불필요한 핸드오버(handover)나 재선택(reselection)에 따른 연결 끊김을 방지한다.
결과적으로, PCell 간 핸드오버 또는 SCell 재선택이 일어나며,
단말이 유휴(idle) 또는 비활성(inactive) 상태로 전환될 때도 **셀 재선택 우선순위(cell reselection priority)**를 활용하여 동일 셀 세트를 유지한다.