5G 네트워크에서 QoS는 패킷에 붙는 단순한 기술 라벨이 아닙니다. 어떤 트래픽을 일반적인 최선형 방식으로 처리할지, 어떤 서비스에 보장 자원을 제공할지, 무선 환경이나 혼잡이 사용자 경험에 영향을 주기 시작할 때 네트워크가 어떻게 대응할지를 결정하는 메커니즘입니다. 사업자에게 QoS는 대역폭 비용과 네트워크 자원 할당에 밀접하게 연결됩니다. 사용자와 서비스 파트너에게는 서비스 품질, 가입 등급, 업무 우선순위 또는 보장된 경험으로 나타납니다.
휴대전화는 메시징, 숏폼 영상, 클라우드 수업, 게임, IMS 시그널링, VoNR 음성, 라이브 영상, AR/VR 상호작용, 백그라운드 애플리케이션 업데이트 등 다양한 트래픽을 동시에 생성할 수 있습니다. 이들 플로우의 요구사항은 서로 다릅니다. 버퍼링 가능한 영상은 음성보다 더 큰 지연을 허용할 수 있습니다. IMS 시그널링은 신뢰성 있는 처리가 필요하지만 영상과 같은 대역폭을 요구하지는 않습니다. 지연에 민감한 산업 서비스는 일반 소셜 애플리케이션보다 훨씬 엄격한 지연 및 패킷 손실 제어를 요구할 수 있습니다.
5GC QoS의 역할은 이러한 서비스 데이터 플로우를 분류하고 적절한 QoS Flow로 매핑하며 전달 처리를 할당하고, UE, gNB, UPF, SMF 및 정책 규칙을 조정하여 사용자 평면이 서비스 의도에 맞게 동작하도록 하는 것입니다.
서비스 가치와 자원 비용
QoS는 모든 서비스가 동일한 네트워크 보장을 받는 것은 아니라는 단순한 현실에서 출발합니다. 소셜 메시징, 숏폼 영상, 일반 웹 탐색, 음악 애플리케이션, 온라인 학습 트래픽 같은 대부분의 공용 인터넷 애플리케이션은 보통 최선형 방식으로 처리됩니다. 일반적으로 Non-GBR 서비스로 취급되며, 이는 네트워크가 각 플로우에 보장 비트율을 약속하지 않는다는 뜻입니다.
사용자, 기업 고객 또는 서비스 파트너가 차등 처리를 위해 비용을 지불하는 경우 일부 서비스는 더 강한 QoS 보호를 받을 수 있습니다. 온라인 게임 협업, 프리미엄 기업 애플리케이션, AR/VR 서비스 또는 산업별 저지연 서비스는 더 통제된 QoS로 처리할 수 있습니다. 네트워크가 최소 전송률을 예약하거나 보호해야 할 때 이러한 서비스는 GBR, 즉 보장 비트율을 사용할 수 있습니다.
사용자가 별도 비용을 지불하지 않아도 QoS 보호를 받을 수 있는 사업자 소유 서비스도 있습니다. 음성 서비스가 대표적인 예입니다. 4G에서는 주로 VoLTE를 통해 설명되었고, 5G에서는 같은 논리가 VoNR 관련 트래픽에 적용됩니다. 음성은 안정적이고 지연이 낮으며 명확하게 들려야 하므로 항상 일반적인 최선형 애플리케이션처럼 처리할 수는 없습니다.
베어러에서 플로우로
4G와 5G QoS의 가장 중요한 차이 중 하나는 베어러 중심 사고에서 플로우 중심 사고로 전환된 것입니다. 4G에서 QoS는 EPS Bearer를 중심으로 구성되었습니다. 하나의 베어러 관계는 무선 베어러, S1-U 터널 및 S5/S8 터널 자원과 연결되었습니다. 베어러가 많아질수록 일반적으로 이에 대응하는 터널과 무선 베어러 구조도 늘어났습니다.
5G에서 핵심 QoS 단위는 QoS Flow입니다. 하나의 PDU 세션은 하나 이상의 QoS Flow를 운반할 수 있습니다. QoS Flow는 0부터 63까지의 값을 갖는 QFI, 즉 QoS 플로우 식별자로 식별됩니다. 같은 QFI를 가진 패킷은 같은 전달 처리를 받습니다. 이를 통해 5G는 기존 EPS Bearer 방식보다 더 세밀하고 유연한 서비스 분류 모델을 제공합니다.
하나의 PDU 세션은 여러 QoS Flow를 운반할 수 있지만 해당 PDU 세션의 N3 터널은 하나로 유지됩니다. 하나의 DRB는 하나 이상의 QoS Flow를 운반할 수 있으며 QoS Flow와 DRB 간 실제 매핑은 gNB가 제어합니다. 따라서 DRB 수가 QFI 수와 같을 필요는 없습니다. 예를 들어 한 설계에서는 Non-GBR 애플리케이션 플로우와 GBR 게임 플로우가 하나의 DRB를 공유할 수 있고, 다른 설계에서는 무선 전략에 따라 별도로 매핑할 수 있습니다.
핵심 파라미터가 처리 방식을 결정
5GC QoS 파라미터는 각 플로우를 어떻게 처리해야 하는지 설명합니다. QoS Flow 수준의 대표적인 파라미터에는 5QI와 ARP가 있습니다. 5QI는 5G QoS 식별자이며 4G의 QCI 개념에서 발전했습니다. 우선순위 수준, 패킷 지연 예산, 패킷 오류율, 평균화 윈도우, 지연 민감형 GBR 서비스를 위한 최대 데이터 버스트 볼륨 등의 서비스 특성을 나타냅니다.
ARP는 할당 및 유지 우선순위를 의미합니다. 자원이 제한된 상황에서 QoS Flow를 설정하거나 유지할 수 있는지 판단하는 데 사용됩니다. 혼잡 상태에서는 어떤 플로우를 수용하고 어떤 플로우를 해제하거나 거부할 가능성이 높은지에 ARP가 영향을 줄 수 있습니다.
GBR 플로우에는 전송률 관련 파라미터가 있습니다. GFBR은 보장 플로우 비트율, 즉 네트워크가 보호하려는 최소 전송률을 정의합니다. MFBR은 최대 플로우 비트율을 정의하며, 이 값을 초과하는 트래픽은 폐기될 수 있습니다. 무선 상태가 좋지 않아 RAN 측에서 GFBR을 만족할 수 없는 경우 알림 제어를 사용할 수 있습니다. 최대 패킷 손실률은 상향 또는 하향 트래픽에서 허용 가능한 손실 수준을 정의합니다.
Non-GBR 트래픽은 다른 방식으로 제어됩니다. UE-AMBR은 해당 UE의 모든 Non-GBR QoS Flow에 대한 총 비트율을 제한하고, Session-AMBR은 하나의 PDU 세션 안에 있는 모든 Non-GBR QoS Flow를 제한합니다. RQA, 즉 반사형 QoS 속성은 해당 플로우에 Reflective QoS를 적용할 수 있는지를 나타냅니다.
트래픽 매핑 방식
패킷을 올바르게 분류하고 매핑할 수 있어야 QoS가 의미를 가집니다. 5G에서는 상향과 하향 분류를 서로 다르게 처리합니다. 상향 트래픽의 경우 UE가 네트워크에서 제공되거나 UE 자체가 도출한 QoS 규칙에 따라 분류와 매핑을 수행합니다. 하향 트래픽의 경우 UPF가 SMF에서 전달된 PDR, 즉 패킷 탐지 규칙에 따라 분류합니다.
QoS 규칙 또는 PDR에는 패킷 필터 정보가 포함됩니다. 여기에는 출발지 또는 목적지 IP 주소, IPv6 프리픽스, 출발지 또는 목적지 포트, IP 프로토콜 번호, IPv6 Next Header 유형, IPv4 ToS, IPv6 Traffic Class, IPv6 Flow Label, IPsec SPI 및 트래픽 방향이 포함될 수 있습니다. 이 필터는 UE 또는 UPF에 어떤 패킷이 어느 QoS Flow에 속하는지를 알려 줍니다.
UPF가 하향 패킷을 유효한 PDR과 일치시키지 못하면 해당 패킷은 폐기될 수 있습니다. 하향 QoS 처리는 SMF가 UPF에 설치한 규칙에 의존하기 때문에 중요합니다. 상향 방향에서는 UE가 적용되는 QoS 규칙에 따라 패킷을 표시하여 올바른 QoS Flow에 배치한 뒤 무선 접속망에서 처리되도록 합니다.
Reflective QoS는 특정 상황에서 시그널링 오버헤드를 줄입니다. 네트워크가 Reflective QoS를 활성화하면 UPF는 RQI 표시를 포함한 하향 데이터를 전송할 수 있습니다. UE는 N3 터널과 무선 인터페이스를 통해 하향 패킷을 수신하고 이를 바탕으로 상향 QoS 규칙을 도출합니다. 이 UE가 도출한 QoS 규칙에는 상향 패킷 필터, QFI 및 우선순위가 포함됩니다. 그러면 UE는 네트워크가 별도의 규칙을 전달할 때까지 기다리지 않고 이후 상향 패킷을 분류할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
5G가 DRB만 사용하지 않고 QoS Flow를 사용하는 이유는 무엇입니까?
QoS Flow는 코어 네트워크의 서비스 처리 모델에 속하고 DRB는 무선 베어러 처리에 속합니다. 둘을 분리하면 서비스 규칙을 무선 자원에 매핑할 때 네트워크가 더 높은 유연성을 확보할 수 있습니다.
트래픽 요구사항이 비슷한 두 애플리케이션이 서로 다른 QoS Flow를 사용할 수 있습니까?
예. 사업자는 대역폭이나 지연 요구사항뿐 아니라 서비스 소유권, 상업 계약, 가입 정책 및 과금 모델도 고려할 수 있습니다.
트래픽이 MFBR을 초과하면 어떻게 됩니까?
MFBR은 해당 GBR QoS Flow에 허용되는 최대 전송률을 정의하므로 최대 플로우 비트율을 초과하는 트래픽은 폐기될 수 있습니다.
서비스 계획에서 5QI가 중요한 이유는 무엇입니까?
5QI는 서비스 범주를 우선순위, 지연, 패킷 오류 및 자원 유형 기대치와 연결하는 표준화된 방법을 제공하여 QoS 동작을 더 쉽게 설계하고 비교할 수 있게 합니다.
Reflective QoS는 모든 단말에서 작동합니까?
아닙니다. UE 지원과 네트워크의 올바른 활성화가 필요합니다. 단말이 지원하지 않으면 UE는 하향 사용자 평면 데이터에서 상향 QoS 규칙을 도출할 수 없습니다.
