RAN과 Core의 Network Slicing에 대한 정리

RAN에서의 Network Slicing이란?

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RAN Slicing은 5G/6G 네트워크에서 무선 접속 구간(RAN)을 여러 개의 독립된 가상 네트워크 slice로 나누는 기술이다.

즉, 하나의 base station과 공유된 무선 자원(PRB, 대역폭, 전력 등)을 서로 다른 서비스(eMBB, URLLC, mMTC emd)가 서로 간섭 없이 독립적으로 사용할 수 있도록 논리적으로 격리하는 기술이다.

 

RAN Slicing의 핵심은 RAN의 무선 물리자원(PRB), 즉 주파수 대역폭과 시간 슬롯을 나누는 것이 핵심이다.

RAN Resource Allocation의 구조는 아래와 같이 이야기할 수 있다.

[기지국(gNB)]
 ├─ Total Bandwidth (예: 100 MHz)
 │   ├─ Slice A (URLLC): 20 MHz (고우선순위)
 │   ├─ Slice B (eMBB): 60 MHz
 │   └─ Slice C (mMTC): 20 MHz
 └─ Scheduler: PRB-level isolation + QoS-based scheduling

 

여기서 핵심 메커니즘은 PRB(Physical Resource Block) 단위로 slice별로 정적, 혹은 동적으로 분배하는 것이다.

UE가 트래픽을 요청하면 Slice별 Scheduler가 우선순위에 따라 자원을 할당한다.

예를 들어 URLLC는 eMBB보다 높은 priority를 가지고 빠르게 scheduling을 하는 것을 말한다.

또한, RIC(xApp, rApp)에서 정책 기반 PRB 분할, Load Balancing, Energy Saving과 같은 작업도 수행이 가능하다.

 

 

 

이를 예시로 이해해보자. 만약 하나의 Base station에 100개의 PRB가 있다고 할 때,

 

• eMBB 슬라이스 → 60 PRB (고속 스트리밍용)
• URLLC 슬라이스 → 30 PRB (저지연 제어용)
• mMTC 슬라이스 → 10 PRB (대규모 IoT용)

이와 같이 Physical한 자원을 슬라이스별로 나누고, 각 슬라이스 안에서 다시 사용자 단위로 PRB와 전력을 스케줄링한다.

 

 

 

Core에서의 Network Slicing이란?

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SDN과 VNF

Core Network의 Slicing은 SDN, NFV의 컨셉 위에서 가능하기 때문에 이 개념을 먼저 알아야 한다.

SDN은, 소프트웨어 정의 네트워크라는 뜻으로, 네트워크를 Control하는 부분과 Data가 지나가는 부분으로 나누어서, Control Plane이 전체 네트워크를 소프트웨어로 조종해주는 의미이다. 즉, Data Plane의 스위치와 라우터는 단순히 패킷을 빠르게 전달만 하고, 경로는 SDN Controller가 Program Code로 정한다.

 

NFV는 네트워크 기능 가상화라는 뜻으로, 전용 네트워크 장비(방화벽, NAT, MME 등)을 소프트웨어로 바꿔, 일반 서버에서 VM/Container로 띄우는 방식이다. 이로 인해 장비 교체 대신 소프트웨어의 배포와 이동만으로 네트워크 기능을 추가, 확장, 이전이 편리해졌다. 5G Core Network의 경우 많은 Network Function을 가지고 있는데(AMF, SMF, UPF 등), NFV로 인해 이런 기능을 NFV로 서버 위에 띄울 수 있게 되었다.

 

 

SN과 VN, 가중 무방향 그래프의 의미

이때 여러 tenant나 서비스(eMBB, URLLC 등)가 공종하기 때문에, 이들을 어떻게 논리적으로 분리해서 자원과 성능을 보장하는 것이 Core Network Slicing이다. 이때, 물리 서버/스위치/링크로 이루어진 실제 코어 인프라를 기반 인프라(Substrate Network, SN)라고 부른다. 반대로, 각 서비스가 원한다고 기술한 가상의 네트워크 요구(필요한 기능과 연결)는 가상 네트워크(Virtual Network, VN)이라고 부른다.

 

결론부터 말하면, Core는 데이터 경로(Network Function, Flow, Tunnel)뿐만 아니라, NF Instance의 배치와 연결 정책까지 포함하는 자원 관리를 의미한다. (어떤 서버에 UPF를 띄우고, 어떤 링크를 통과시킬까)

이 구조를 그리면 아래와 같다.

[5G Core SBA]
 ├─ AMF (접속 관리)
 ├─ SMF (세션 관리)
 ├─ UPF (데이터 경로)
 ├─ PCF (정책 제어)
 └─ AF (Application Function)

 

이때 NF 간의 트래픽 경로나 QoS 정책의 차이는 아래와 같이 도식화할 수 있다.

Slice A (URLLC):  AMF_A ↔ SMF_A ↔ UPF_A  (Dedicated Path, High QoS)
Slice B (eMBB):   AMF_B ↔ SMF_B ↔ UPF_B  (Shared Path, Medium QoS)
Slice C (mMTC):   AMF_C ↔ SMF_C ↔ UPF_C  (Massive Connections)

 

이때, 여러 개의 NF와, 이들을 통하는 여러 개의 path가 존재할 수 있다. 이를 그래프 모델로 표현할 수 있다. SN은 정점(서버, 스위치)와 간선(두 정점을 잇는 물리 링크)로 이루어진 가중 무방향 그래프로 추상화한다. (무방향은 링크가 양방향 통신한다는 뜻, 가중은 각 링크/노드에 대해 대역폭, 지연, CPU 같은 숫자 자원이 붙어있다는 뜻) 마찬가지로 VN도 정점과 간선으로 표현할 수 있다.

 

쉽게 예를 들어, 다음과 같은 물리 네트워크(Substrate Network, SN)이 있다고 하자.

서버 A — 스위치 X — 서버 B
           |
           └—— 서버 C

 

여기서 “—”는 물리 링크(예: 광케이블, 이더넷 링크)이며, A와 X, X와 B, X와 C는 양방향 데이터 송수신이 가능하다.

즉, A→X로 패킷을 보내도 되고, X→A로 응답 패킷을 보낼 수도 있는 것이다.

 

그래서 이 네트워크를 그래프로 표현하면:

• 정점(V) = {A, B, C, X}
• 간선(E) = {(A, X), (B, X), (C, X)}
  이 간선들은 모두 무방향(undirected)이다.

이때 각 간선(링크)에 이런 숫자 속성을 붙여두었다고 하자.

링크	가중치(대역폭)	가중치 (지연)
A—X	10Gbps	1ms
B—X	5Gbps	2ms
C—X	2Gbps	3ms

 

 

이런 식으로 링크마다 성능 속성(자원 수치)이 붙은 것이 "가중 무방향 그래프"라고 할 수 있다.

 

만약 "방화벽→NAT→로드밸런서” 순서로 지나야 하는 서비스 라면, 세 개의 VNF와 두 개의 가상 링크가 있는 작은 그래프가 된다. 이처럼 “순서가 있는 기능의 체인”은 SFC(Service Function Chain)라고 부른다.

 

 

 

Virtual Network Embedding

문제는, 가상 그래프(VN/SFC)를 실제 그래프(SN) 위에 어떻게 매핑시키는가의 문제이다. 이것이 바로 VNE(Virtual Network Embedding)의 문제이다. 당연히 VNE는 각 VNF를 어떤 물리 서버에 올릴지에 대한 노드 매핑과 그 VNF들 사이의 가상 링크를 어떻게 물리 경로로 연결할지에 대한 링크 매핑으로 나뉜다.

 

• 노드 매핑에서는 각 VNF가 요구하는 CPU/메모리를 충족하는 서버를 골라야 한다.
• 링크 매핑에서는 가상 링크가 요구하는 대역폭/지연 한도를 만족하는 물리 경로(한 홉 또는 여러 홉)를 찾아야 한다.

 

각 VNF가 어느 서버에 올라가고, 가상 링크가 어느 물리 경로를 쓰는지”가 결정되면 가상 네트워크가 물리 위에 ‘임베딩’된 상태라고 할 수 있다. 임베딩 이후에는 트래픽 측면 SLA(지연, 손실, 처리량)**를 모니터링하며, 불만족 시 재배치(리맵) 또는 확장(스케일링)을 수행해야 한다.

 

 

Network Slicing 문제를 푸는 방법

이때, 가능한 임베딩 조합(어느 서버에 올릴지 + 어느 경로를 탈지)이 폭발적으로 많은 NP-Hard이기 때문에 이 문제를 푸는 것은 까다롭다. 그래서 정확해법(ILP/MILP)은 작을 때만 가능하기 때문에, 실제로는 휴리스틱(그리디, 워터필링, 메타휴리스틱)이나 학습 기반(RL, 포인터 네트워크) 방법론을 많이 쓴다.

 

포인터 네트워크는 “입력 길이에 따라 달라지는 조합 최적화”에 강해, VNF 순서/위치 선택을 확률적으로 샘플해가며 좋은 해를 학습한다. 이때 SDN 컨트롤러는 이렇게 정해진 물리 경로에 실제 플로우 규칙(Flow Rule)을 푸시해 트래픽이 정해진 길로 흐르게 만든다. NFV 오케스트레이터는 VNF 인스턴스의 라이프사이클(배포/확장/이동/종료)을 자동으로 관리한다.

 

이 두 컨트롤러는 ETSI NFV MANO 구조에서, 각각 SDN Controller (under MANO)와 NFVO/VNFM 역할로 협력하며 Slice별 Path와 NF Instance를 동시에 제어한다.

 

결국 CN 슬라이싱은 “여러 서비스의 VNF 체인을, 물리 인프라 위에 서로 간섭 없이(SLA 보장) 깔끔히 얹고 운영하는 기술”이다.

그리고 이 논문 맥락에선, E2E 지연 예산을 RAN/CN로 나눠주고(CN엔 “허용 가능한 홉 수/지연”), CN 쪽 임베딩이 그 예산 안에서 가장 이득이 큰 매핑을 찾도록 설계하는 게 핵심이다.

 

 

정리하면, Core Slicing의 핵심 메커니즘은 NFV 기반으로 Slice별로 NF Instance를 생성하는 것이다.

이때 SDN Controller가 slice별 경로를 flow rule, 혹은 QoS queue에 따라 동적으로 설정할 수 있다.

동시에 PCF가 각 slice의 정책(QCI/5QI)를 관리하면 이것이 Flow QoS Enforcement가 된다.

 

 

따라서 5G에서 진짜 Network Slice는 RAN과 Core가 연계된 End-to-End Slice이다.

RAN에서는 Slice별 PRB를 분리하고, Core에서 Slice별 UPF 경로를 붙이는 구조인 것이다.

 

[UE]
  ↓
[RAN Slice]
  - PRB/Power Allocation
  - gNB Scheduler
  ↓
[Core Slice]
  - Dedicated AMF/SMF/UPF Path
  - Flow QoS, Bandwidth Policy
  ↓
[Data Network (DN)]

 

 

 

 

E2E Network Slicing의 의미

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결국, End to End Network Slicing이란, 네트워크 전체(RAN-Transport-Core)에 걸쳐 하나의 논리적 가상 네트워크(Slice)를 만들고, 이를 특정 서비스나 사용자 그룹 전용으로 제공하는 기술이다. 여기서 “End-to-End(E2E)”라는 말은, 단순히 RAN이나 Core 한 영역이 아니라 단말(UE) → 기지국(RAN) → 전송망(TN) → 코어망(CN) → 클라우드/데이터네트워크(DN)까지 전체 경로를 포함한다는 뜻이다.

 

각 구간(RAN, TN, CN)은 서로 다른 자원(주파수, 링크 대역폭, 서버 CPU 등)을 다루기 때문에, E2E 슬라이싱은 이들 자원을 조정하고 협력적으로 배분하는 것을 목표로 한다.

 

이를 예를 들어서 설명하면 아래와 같다.

자율주행차(초저지연 서비스)는 RAN 구간에서 짧은 TTI(Time Transmission Interval)와 높은 우선순위 PRB를 받고, CN 구간에서는 전용 UPF를 통해 지연을 최소화할 수 있다. 반면, eMBB 서비스는 넓은 대역폭과 높은 처리율이 중요하므로, RAN에서는 더 많은 PRB를, CN에서는 대용량 데이터 경로를 할당받는다. 이렇게 각 서비스가 필요로 하는 QoS를 보장하기 위해, MNO는 SLA를 기반으로 슬라이스를 설계한다.

 

SLA에는 E2E 지연, 처리율, 신뢰도 등의 목표가 명시되어 있으며, 이를 각 도메인(RAN/CN 등)의 부분 목표(sub-SLA)로 분해하는 과정을 SLA Decomposition이라 한다. 이후 RAN 컨트롤러, Transport 컨트롤러, Core 컨트롤러 등 도메인별 슬라이스 관리기들이 이 분해된 SLA를 만족시키도록 각자의 자원을 동적으로 할당한다. 이 전체 조정 과정을 담당하는 상위 계층이 바로 E2E Slice Orchestrator이며, 각 도메인 컨트롤러를 통합 관리하는 “두 계층(two-layer)” 구조가 주로 사용된다.

 

“End-to-end network slicing in radio access network, transport network and core network domains”

 

 

 

 

• Core Network 영역에서는 NFV(Network Function Virtualization)와 SDN(Software-Defined Networking)이 핵심 기술로, NF 인스턴스(예: AMF, SMF, UPF)를 가상화하고, 데이터 경로를 SDN으로 동적으로 설정한다.
• RAN 영역에서는 슬라이스별로 PRB, 파워, 스케줄링 우선순위를 분리하여 무선 자원 격리와 QoS 보장을 수행한다.

 

이러한 구조를 통해, 하나의 물리적 네트워크 인프라 위에서도 서비스 별로 완전히 독립적인 “가상 네트워크(virtual network)”들이 병렬적으로 존재할 수 있다. 결과적으로 E2E Network Slicing은 네트워크 자원의 논리적 분리 + SLA 기반의 종단간 QoS 보장 + 도메인 간 협력 오케스트레이션을 동시에 구현하는 기술이다.

 

요약하면, E2E Network Slicing = 하나의 5G 인프라를 여러 개의 맞춤형 가상 네트워크로 나누어, 각 서비스의 E2E 성능(SLA)을 자동으로 보장하도록 관리하는 체계라고 할 수 있다.