오늘의 포스팅은 5G의 Core 시스템들의 주요 기능과 역활에 대해서 포스팅을 해보겠습니다.
Core Network의 주요한 Network Function들은 AMF, SMF, UPF가 있고 주요 기능들은 아래와 같습니다.
1. Main Network Function
1) AMF(Access and Mobility Management Function)는 다양한 이동성 관리 요구를 가진 UE들을 지원하며,
다음과 같은 주요 업무를 수행합니다.
- 비액세스 계층(NAS) 신호 종료;
- NAS 신호 보안
- AS(Access Stratum) 보안통제
- IMT2000 3GPP - 3GPP 액세스 네트워크간 이동성을 위한 CN간 노드 시그널링
- idle 모드 UE reachability 가능성 (페이징 재전송 제어 및 실행 포함)
- 등록지역 관리
- 시스템 내 및 시스템 간 이동성 지원
- 액세스 인증
- 로밍 권한 확인을 포함한 접근 권한 부여
- 이동성 관리(가입 및 정책)
- 네트워크 슬라이싱 지원
- SMF 선택
2) SMF(Session Management Function)는 AMF와 함께 "MICO(Mobile Initiated Connection Only)"와 같은 맞춤형
이동성 관리 방식 또는 "RRC Inactive(RRC Inactive)" 상태와 같은 RAN 향상 기능을 지원할 수 있으며, 다음과 같은 주요 작업을 수행합니다
- 세션 관리
- UE IP 주소 할당 및 관리
- UPF의 선택 및 제어
- 적절한 목적지로 트래픽을 라우팅하도록 UPF에서 트래픽 스티어링을 구성합니다
- 정책 집행 및 QoS 통제 부분
- 다운링크 데이터 알림
3) UPF(User Plane Function)는 다음과 같은 주요 작업을 수행합니다
- 인트라/인터-RAT 이동성을 위한 앵커 포인트
- 데이터 네트워크에 대한 인터커넥트의 외부 PDU 세션 지점
- 패킷 라우팅 및 포워딩
- 정책 규칙 시행의 패킷 검사 및 사용자 평면 부분
- 트래픽 사용량 보고
- 데이터 네트워크로의 라우팅 트래픽 흐름을 지원하기 위한 업링크 분류기
- 멀티 홈 PDU 세션을 지원하기 위한 분기점
- 패킷 필터링, 게이팅, UL/DL 레이트 강제 등 user plain에 대한 QoS 처리
- 업링크 트래픽 검증(SDF-QoS 플로우 매핑)
- 다운링크 패킷 버퍼링 및 다운링크 데이터 통지 트리거링
4) 다른 주요 네트워크 기능은 다음과 같습니다
- NRF(Network Repository Function): 등록, 등록 취소, 승인 및 검색을 포함한 NF 서비스 관리를 지원합니다.
- 네트워크 노출 기능(NEF): 네트워크 기능의 기능에 대한 외부 노출을 제공합니다. 외부 노출은 모니터링 기능,
프로비저닝 기능, 트래픽 라우팅의 응용 프로그램 영향 및 정책/충전 기능으로 분류할 수 있습니다.
- "Unified Data Management"(UDM): 5GC는 컴퓨팅 및 스토리지 분리를 위한 Data Storage 아키텍처를 지원합니다.
UDR(Unified Data Repository)은 마스터 데이터베이스입니다. UDSF(Unstructured Data Storage Function)는 동적
상태 데이터를 저장하기 위해 도입되었습니다.
2. 3GPP - 5G 코어망과 관련된 NF
1) 서비스 및 Edge Computing의 로컬 호스팅
매우 다양한 유형의 서비스를 지원하기 위해 5G는 운영자의 네트워크 내부에 위치한 서비스 플랫폼인 "서비스 호스팅
환경(Service Hosting Environment)"을 사용합니다.
이는 낮은 지연 시간, 낮은 대역폭과 같은 특정 요구 사항을 충족시키기 위해 최종 사용자에게 더 가까운 Hosted Services를 제공합니다. 이러한 Hosted Services는 운영자 또는 신뢰할 수 있는 제3자가 제공하는 애플리케이션을 포함합니다.
또한 유연한 user plain 라우팅을 지원하여 UE 또는 애플리케이션이 활성 통신 중에 위치를 변경할 때 사용자 경험을 개선하거나 네트워크 부하의 균형을 맞추기 위해 user plain 경로를 선택 또는 변경할 수 있습니다.
서비스들의 로컬 호스팅은 특히 에지 컴퓨팅(Edge Computing) 능력을 통해 제공되며, 에지 컴퓨팅은 UE의 접속 포인트(access point of attachment)에 근접하여 서비스들을 실행하는 운영자 및/또는 제3자에 대한 가능성이며, 이는 종단간 지연(end-to-end latency) 및 전송 네트워크의 부하를 감소시킵니다.
이를 가능하게 하기 위해, 5GCN은 UE에 가까운 UPF를 선택하고, UPF에서 N6 인터페이스를 통해 로컬 데이터 네트워크로 트래픽 스티어링을 실행합니다.
Edge computing 관련 기능들 중 일부는 다음과 같습니다:
- 지연 시간이 짧은 서비스를 위한 아키텍처 지원자인 데이터 네트워크에 대한 동시(예: 로컬 및 중앙) 액세스 지원.
- 애플리케이션이 트래픽 라우팅에 미치는 영향.
- URLLC(Ultra Reliable Low-Latency) 서비스 지원.
- 다양한 세션 및 서비스 연속성 모드를 지원합니다.
- 근거리 데이터 네트워크 지원.
2) Network slicing기능
네트워크 슬라이스는 특정 (종류의) 서비스(들)의 프로비저닝에 특화된 네트워크의 (집합) 요소입니다. 예를 들어, IoT를 위한 네트워크 슬라이스가 하나 있을 수 있고, "클래식" UE를 지원하기 위한 네트워크 슬라이스가 하나 있을 수 있고, V2X를 위한 네트워크 슬라이스가 있을 수 있습니다.
보다 일반적으로, 기능(예를 들어, 우선순위, 정책 제어), 성능 요구사항의 차이(예를 들어, 대기 시간, 이동성 및 데이터 속도) 또는 특정 유형의 사용자(예를 들어, MPS 사용자, Public Safety 사용자, 기업 고객, 로밍자 또는 MVNO 호스팅)에 대해 상이한 요구사항이 있을 수 있습니다. 이런 상이한 요구 사항에 대한 슬라이스가 동시에 사용될 수 있습니다.
엔드 투 엔드 네트워크 슬라이싱은 5G 시스템의 주요 특성입니다. 예를 들어, 운영자 A의 IoT 슬라이스가 운영자 B의 IoT 슬라이스와 직접 상호 연결할 수 있는 등, 다른 PLMN과 상호 운용하기 위해 필요한 범위 내에서 배치된 모든 PLMN에 의해 지원됩니다.
비니지스 시나리오에 기초하여, 운영자는 배치할 네트워크 슬라이스 수와 여러 슬라이스 간에 공유할 기능/특징을 결정할 수 있습니다. 각 슬라이스의 특성은 QoS, 비트 레이트, 레이턴시 등의 측면에서 정의됩니다.
주어진 슬라이스의 경우, 이러한 특성은 3GPP 표준에 미리 정의되거나 연산자 정의됩니다. 미리 정의된 슬라이스에는 타입 1은 eMBB 지원 전용, 타입 2는 URLLC 지원, 타입 3은 MIoT 지원 전용의 세 가지 유형이 있습니다.
이러한 사전 정의는 연산자 간의 조정 노력을 줄이면서 PLMN 간 연산을 가능하게 합니다. 연산자 정의 슬라이스의 경우, 네트워크 슬라이스 간에 더 많은 차별화를 가능하게 합니다.
슬라이스들을 처리하기 위한 전용 NF가 도입됩니다. 적절한 슬라이스(들)의 선택을 가능하게 하는 "네트워크 슬라이스 선택 기능" (NSSF). UE들은 동시에 다수의 네트워크 슬라이스들을 사용할 수 있습니다. UE에서의 네트워크 슬라이스 선택 정책들은 애플리케이션들을 네트워크 슬라이스들에 링크시킵니다.
네트워크 슬라이싱은 로밍 시나리오도 지원하며, 마지막으로 EPS(4G의 전용 코어 네트워크 선택 메커니즘(e)DECOR 유무에 관계없이)와 네트워크 슬라이싱 연동이 가능합니다.
3) 통합 액세스 제어
5G 시스템에서 혼잡이 발생할 경우, 서로 다른 기준을 사용하여 어떤 액세스 시도를 허용할지 또는 차단할지를 결정합니다. 이러한 기준은 운영자 정책, 배포 시나리오, 가입자 프로파일 및 사용 가능한 서비스에 따라 달라집니다.
5G 시스템은 단일 Unified Access Control을 제공하며, 여기서 운영자는 소위 "Access Identity 및 Access Categories"와 관련된 이러한 기준을 기반으로 액세스 시도를 제어합니다.
Unified Access Control은 각각의 UE 액세스 시도를 하나의 액세스 카테고리(Access Category)로 분류하는 것을 허용하며, 네트워크는 액세스 카테고리 별로 UE 액세스를 제한할 수 있습니다.
또한 5GS는 이동성 관리 혼잡 제어, DNN 기반 혼잡 제어, 네트워크 슬라이스 기반 혼잡 제어를 제공합니다.
4) 3GPP - 3GPP 및 NON 3GPP 액세스 지원
5G 시스템은 5G의 NR 및 4G의 E-UTRA 중 하나 이상을 포함하는 3GPP 액세스 기술을 지원하며, Non-3GPP 액세스 기술, 심지어 Non-trusted 기술을 지원할 수도 있습니다. 최적화 및 자원 효율화를 위해, 5G 시스템은 서비스에 가장 적합한 3GPP 또는 Non-3GPP 액세스 기술을 선택할 수 있으며, 이를 통해 UE 상에서 활성화된 하나 이상의 서비스에 대해 다수의 액세스 기술을 동시에 사용할 수 있으며, 또한, 서로 다른 액세스 간의 원활한 이동성을 지원합니다.
"AUSF(Authentication Server Function)"라는 NF는 3GPP 및 비3GPP 액세스를 위한 통합 프레임워크를 가능하게 합니다.
3GPP 및 NON-3GPP 액세스 둘 모두를 통해 등록될 때, UE는 단일 5G Global Unique Temporary Identifier (5G-GUTI)에 의해 식별됩니다.
5) 정책 프레임워크 및 QoS 지원
정책 프레임워크는 UE에서의 정책 프로비저닝뿐만 아니라 Session, Access 및 Mobility 제어, QoS 및 과금 시행을 위해 지원됩니다.
UE는 QoS 및 정책에 연결된 두 가지 메커니즘을 사용합니다:
- 검출된 애플리케이션이 성립된 PDU 세션과 연관될 수 있는지, PDU 세션 외부의 NON-3GPP 액세스로
오프로드될 수 있는지, 또는 새로운 PDU 세션의 성립을 트리거할 수 있는지를 결정하기 위한
UE 경로 선택 정책(URSP).
- ANDSP(Access Network Discovery & Selection Policy): 3GPP 이외의 액세스를 선택합니다.
URSP 및 ANSP는 신호 전달을 통해 네트워크의 정책 제어 기능(PCF)에서 UE로 전달됩니다.
네트워크에서 NF "네트워크 데이터 분석 기능"(NWDAF)이 도입되어 데이터 분석 지원, 즉 각 네트워크 슬라이스의
로드를 제공합니다.
QoS의 경우, 시스템은 두 가지 기본 모드인 QoS 전용 시그널링을 사용하거나 사용하지 않는 흐름 기반 QoS 프레임워크를 정의합니다. 특정 QoS 시그널링 흐름이 없는 옵션의 경우, 표준화된 패킷 마킹이 적용되어 QoS 실행 기능에 QoS가 제공할 것을 알려줍니다. QoS 전용 협상이 있는 옵션은 더 많은 유연성과 더 세분화에 대한 QoS 지원을 제공합니다. 또한 새로운 QoS 유형인 "Reflective QoS"가 도입되어 UE가 상향링크 트래픽에 대해 수신한 것과 동일한 QoS 규칙을 요청합니다. 이 모드에서, 하향링크와 상향링크에 대한 대칭적 QoS 차별화는 최소한의 제어 평면 시그널링으로 지원됩니다.
6) Network capability 노출
SEES(Service Exposure and Enablement Support) 및 (향상된) FMSS(Flexible Mobile Service Steering) 기능을 통해 운영자는 네트워크 기능(예: QoS 정책)을 타사 ISP/ICP에 노출할 수 있습니다.
5G에서 새로운 네트워크 기능이 서드파티에 노출됩니다. 예를 들어, 서드파티가 다양한 사용 사례에 맞게 전용 네트워크 슬라이스를 사용자 정의할 수 있도록 하고, 서드파티가 서비스 호스팅 환경에서 신뢰할 수 있는 서드파티 애플리케이션을 관리하여 사용자 환경을 개선하고 백홀 및 애플리케이션 리소스를 효율적으로 활용할 수 있도록 합니다.
7) 기타 특정 서비스
5GS에서 지원하는 다른 서비스는 다음과 같습니다:
- SMS(Short Message Service). 이는 "SMS over NAS"(비 3GPP 액세스 포함)에 의해 지원됩니다.
- IP-멀티미디어 서브시스템(IMS) 및 그 서비스들은 그러나, 일부 초기 5G 배치들에서 이용가능하지 않을 수도 있지만,
IMS-less 5GS에 연결된 UE에 의해 IMS 서비스들이 호출되는 경우, 이는 적절한 RAT 및 관련 EPS를 향한 네트워크
기반 핸드오버를 트리거합니다. 이는 IMS 긴급 서비스들의 지원에도 적용됩니다.
- 다중 운영자 코어 네트워크(Multi-Operator Core Network, MOCN): RAN이 여러 코어 네트워크에 의해 공유됩니다.
- PWS(Public Warning System). 이는 CBCF(Cell Broadcast Centre)와 AMF(Cell Broadcast Centre) 간의 서비스 기반
인터페이스를 사용하거나 CBC와 AMF 간의 연동 기능을 사용하여 지원됩니다.
- MPS(Multimedia Priority Services)는 5GS 이동성 관리 및 5GS 세션 관리를 위한 MPS별 면제 혜택을 제공합니다.
- MCS(Mission Critical Services). 이들은 5G QoS 프로파일 및 필요한 정책에 대한 가입을 통해 지원되며, MCS에 대해
일부 표준화된 QoS 특성이 정의됩니다.
- PS Data Off. 5G의 "PS Data Off" 기능은 역호환성으로 Control Plane Load Control, Congestion 및 Overload Control을
제공합니다. 여기에는 AMF Load Balancing, AMF Load-Rebalancing, TNL(5GC와 5G-AN 사이의
Transport Network Layer) Load(재) Balancing, AMF Overload Control, SMF Overload Control 등이 포함됩니다.
8) Core Network의 Protocol
5G NF가 제공하는 서비스는 다음 프로토콜 스택을 기반으로 API 집합으로 설계됩니다:
- 전송 계층 프로토콜은 IETF RFC 793에 규정된 TCP
- 전송 계층 보안 보호는 TLS로 지원
- 응용 계층 프로토콜은 IETF RFC 7540에 규정된 HTTP/2 지원
- 직렬화 프로토콜은 IETF RFC 8259에 명시된 대로 JSON 지원
- OpenAPI 3.0.0은 인터페이스 정의 언어로 채택
클라이언트 및 서버 간의 커플링을 줄이기 위해 다음과 같이 API 설계에 적용됩니다.
1) REST 유형의 서비스 운영은 리처드슨 성숙 모델의 레벨 2를 구현합니다.
2)레벨 3(HASOASE)의 레벨 3(HASOASOAS)는 옵션입니다.
OAuth2는 NF 서비스 액세스 권한을 인증 서버에 사용 합니다. 서비스 기반 인터페이스는 오버로드 제어 및 메시지 우선 순위를 지원한다.
PFCP(Packeting forwarding Control protocol)은 5GC에서 controller plain 및 user plain을 분리하기 위해 N4 인터페이스에서 사용됩니다.
GTPV2는 EPC와 5GC 사이의 이동성을 위한 N26 인터페이스를 통해 사용됩니다. LTE의 S10 인터페이스와 동일 합니다.
5G의 외부 인터페이스 연동을 위해(N6) TS29.061에 정의된 프로토콜들은 동일하게 사용이 됩니다.
5G 코어 네트워크의 주요 프로토콜은 다음과 같습니다:
- TS 24.501 Non-Access-Stratum (NAS) protocol for 5G System (5GS); Stage 3
- TS 24.502 Access to the 5G Core Network (5GCN) via non-3GPP access networks; Stage 3
- TS 24.526 5G System -Phase 1, UE policy; CT WG1 Aspects
- TS 23.527 5G System; Restoration Procedures; Stage 2
- TS 29.500 5G System; Technical Realization of Service Based Architecture; Stage 3
- TS 29.501 5G System; Principles and Guidelines for Services Definition; Stage 3
- TS 29.502 5G System; Session Management Services; Stage 3
- TS 29.503 5G System; Unified Data Management Services; Stage 3
- TS 29.504 5G System; Unified Data Repository Services; Stage 3
- TS 29.505 5G System; Usage of the Unified Data Repository services for Subscription Data; Stage 3
- TS 29.507 5G System; Access and Mobility Policy Control Service; Stage 3
- TS 29.508 5G System; Session Management Event Exposure Service; Stage 3
- TS 29.509 5G System; Authentication Server Services; Stage 3
- TS 29.510 5G System; Network Function Repository Services; Stage 3
- TS 29.511 5G System; Equipment Identity Register Services; Stage 3
- TS 29.512 5G System; Session Management Policy Control Service; Stage 3
- TS 29.513 5G System; Policy and Charging Control signalling flows and QoS parameter mapping; Stage 3
- TS 29.514 5G System; Policy Authorization Service; Stage 3
- TS 29.518 5G System; Access and Mobility Management Services; Stage 3
- TS 29.519 5G System; Usage of the Unified Data Repository Service for Policy Data, Application Data and Structured Data for Exposure; Stage 3
- TS 29.520 5G System; Network Data Analytics Services; Stage 3
- TS 29.521 5G System; Binding Support Management Service; Stage 3
- TS 29.522 5G System; Network Exposure Function Northbound APIs; Stage 3
- TS 29.531 5G System; Network Slice Selection Services; Stage 3
- TS 29.540 5G System; SMS Services; Stage 3
- TS 29.551 5G System; Packet Flow Description Management Service; Stage 3
- TS 29.554 5G System; Background Data Transfer Policy Control Service; Stage 3
- TS 29.561 5G System; Interworking between 5G Network and external Data Networks; Stage 3
- TS 29.571 5G System; Common Data Types for Service Based Interfaces; Stage 3
- TS 29.572 5G System; Location Management Services; Stage 3
- TS 29.594 5G System; Spending Limit Control Service; Stage 3
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