브로드캐스트, 멀티캐스트 기술 (번역본)

By Dongwook Kim, 3GPP MCC

이 기사에서는 5G 지원을 중심으로 3GPP에서 지정한 브로드캐스트/멀티캐스트 기술에 대한 개요를 제공합니다.

기사출처: https://www.3gpp.org/technologies/broadcast-multicast1

 

아래내용은 지난해 5월 3gpp.org에 게시된 기사를 구글, 파파고를 이용해 번역한 내용임을 밝힘니다. 번역에 오류가 있을 수 있으니 영어 울렁증이 없다면 원문을 참고하시기 바랍니다.

 

왜 브로드캐스트/멀티캐스트인가?

방송 산업은 스트리밍 및 주문형 멀티미디어 소비로의 수요 변화에 직면해 있으며, 이로 인해 방송 네트워크를 새롭고 향상된 플랫폼으로 전환해야 할 필요성이 생겼습니다. 모바일 장치를 통한 멀티미디어 콘텐츠에 대한 수요 증가로 인해 네트워크를 통한 트래픽 수준도 증가했으며, 이에 따라 수요를 충족하기 위해 네트워크 확장이 필요하게 되었습니다.

이러한 요구로 인해 그러한 서비스를 처리하는 데 근본적으로 다른 접근 방식이 적용됩니다. 3GPP 표준이 제공하는 브로드캐스트/멀티캐스트 기술은 다음과 같은 여러 가지 이점을 제공합니다.

1. 기존 인프라와 스펙트럼을 통해 서비스를 제공할 수 있으며 배포된 모바일 네트워크에 대한 점진적인 조정만 필요한 경우가 많습니다.

2. 3GPP 브로드캐스트/멀티캐스트 기술은 유니캐스트에서 다양한 유형의 트래픽을 오프로드할 수 있습니다. 예를 들어 동일한 콘텐츠 또는 라이브 콘텐츠의 스트리밍입니다. 멀티미디어 서비스, 특히 비디오가 대역폭의 많은 부분을 차지한다는 점을 고려할 때 이 기능을 사용하면 네트워크 효율성을 높일 수 있습니다.

3. 3GPP 브로드캐스트/멀티캐스트 기술은 다수의 사용자 또는 UEs가 콘텐츠에 액세스할 수 있도록 하여 방송 서비스의 확장성을 제공합니다.

방송 산업뿐만 아니라 다른 부문에서도 데이터 통신을 지정된 대상으로 푸시함으로써 3GPP 방송/멀티캐스트, 특히 공공 안전 통신의 혜택을 누릴 수 있습니다. 또 다른 유망한 사용 사례는 V2X(Vehicle to Everything)입니다. 여기서 방송은 지능형 교통 시스템(ITS)을 통해 인프라, 차량 및 내부 장치에 메시지나 경보를 푸시할 수 있습니다.

브로드캐스트/멀티캐스트란 무엇입니까?

3GPP는 3G(구체적으로는 UMTS: Universal Mobile Telecommunications Service) 시절부터 브로드캐스트/멀티캐스트 기술을 지원해 왔습니다. MBMS(멀티미디어 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스) 아키텍처 및 프로토콜은 2G 및 3G 네트워크의 브로드캐스트/멀티캐스트 사용 사례를 지원하도록 정의되었습니다. 그러나 당시 모바일 기기를 이용한 미디어 소비가 적었기 때문에 서비스는 큰 성공을 거두지 못했습니다.

4G EPS(Evolved Packet System)를 통해 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), CA(Carrier Aggregation) 등 LTE의 장점을 활용할 수 있도록 MBMS 시스템을 강화했으며, Release 9부터 Release 16까지 관련 작업이 진행되고 있습니다. UMTS의 MBMS와 구별하기 위해 4G 네트워크를 활용하는 향상된 MBMS는 릴리스(후자의 경우 14 이상)에 따라 eMBMS(evolved MBMS) 또는 FeMBMS(Further Evolved MBMS)라고 합니다. 전 세계적으로 eMBMS가 상업적으로 배포되었습니다.

5G 네트워크의 경우 3GPP는 이미 릴리스 15 요구 사항에서 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 지원해야 한다고 정의했습니다. 이 요구 사항을 충족하기 위해 NR(New Radio) 및 5GC(5G Core) 사양에 몇 가지 설명이 있었지만, 3GPP가 멀티캐스트 및 브로드캐스트 서비스를 지원하기 위해 NR을 사용하여 5G 시스템(5GS)에 대한 아키텍처 향상을 지정한 것은 릴리스 17이었습니다. 이러한 아키텍처 향상을 MBS(멀티캐스트 및 브로드캐스트 서비스)라고 합니다.

위의 기록을 보면 3GPP에서 지원하는 브로드캐스트/멀티캐스트에는 3세대에 걸친 관련 시스템에 대한 광범위한 설명이 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 5G 기술의 관련 측면과 제한된 공간을 개관하려는 목적을 고려하여 이 문서/페이지에서는 5GS의 브로드캐스트/멀티캐스트 측면에 중점을 두고 MBMS(3G) 및 eMBMS/FeMBMS(4G)에 대해서만 간략하게 설명합니다.

MBMS

UMTS에서 MBMS는 3G 네트워크를 통해 브로드캐스트 및 멀티캐스트 서비스를 모두 제공하도록 고안되었습니다. MBMS에서는 UMTS(GGSN(게이트웨이 GPRS 서비스 노드), SGSN(서비스 GPRS 서비스 노드), UTRAN(UMTS 지상 무선 액세스 네트워크), GERAN(GSM EDGE 무선 액세스 네트워크))의 PS(패킷 교환) 도메인 엔터티에 변경이 필요했습니다. UE(사용자 장비) - BM-SC(Broadcast-Multicast Service Center)라는 새로운 기능 엔터티가 추가되었습니다. BM-SC는 MBMS 관련 활동(예: MBMS 서비스를 요청하는 UE 승인, MBMS 세션 관리, 로밍 시나리오에서 다양한 네트워크 운영자의 MBMS 서비스 연동)을 처리합니다. MBMS는 상업적으로 큰 성공을 거두지는 못했지만 그럼에도 불구하고 MBMS는 3GPP 네트워크를 통해 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 처리하기 위한 기반을 제공했습니다.

eMBMS 및 FeMBMS

EPS에서는 MBMS가 eMBMS로, 더 나아가 FeMBMS로 향상되었습니다. eMBMS(및 FeMBMS)의 아키텍처는 그림 1과 같이 eMBMS를 지원하는 엔터티가 BM-SC보다 많다는 점에서 MBMS와 다릅니다. 즉, MCE(Multi-cell/Multicast Coordination Entity) 및 MBMS 게이트웨이(MBMS-GW) ). MCE는 하나 이상의 eNB(eNodeB)를 서비스하고, MBMS 전송에 사용되는 무선 자원을 할당하고, MBMS 세션 제어 신호에 관여합니다. MBMS-GW는 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 전송하는 eNB들에게 MBMS 패킷을 전송/브로드캐스트하고, MME(Mobility Management Entity)를 통해 E-UTRAN(evolved UTRAN)에서 MBMS 세션을 제어합니다. 따라서 MBMS와 달리 이러한 새로운 eMBMS 엔터티를 사용하면 RAN( Radio Access Network ,무선 액세스 네트워크) 엔터티를 보다 세부적으로 제어할 수 있습니다.

그림 1 eMBMS 아키텍처(3GPP TS 23.246 v14.2.0 및 3GPP TS 36.300 v14.9.0)

또한 eMBMS는 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 제공하기 위해 MBSFN(MBMS 단일 주파수 네트워크) 개념을 도입했습니다. MBSFN은 지리적 영역을 커버하는 셀 그룹을 통해 동일한 파형이 동시에 전송되는 전송 기술입니다. 릴리스 13에서는 SC-PTM(Single Cell Point to Multipoint)을 사용하여 단일 셀 단위로 브로드캐스트/멀티캐스트 영역을 조정하고 각 셀의 무선 자원을 동적으로 사용할 수 있습니다.

eMBMS는 또한 MBMS에 비해 크게 향상된 기능을 제공했습니다. 예를 들어, eMBMS는 단일 및 다중 주파수 시나리오 모두에서 관련 신호 및 메커니즘을 지정하여 서비스 연속성을 강화했습니다. MBMS 온디맨드 작업과 같은 새로운 기능이 지정되었습니다. 이를 통해 운영자는 운영자 및 UE의 요청에 의한 명시적인 eMBMS 세션 시작을 기다리지 않고 특정 임계값이 주어지면 여러 유니캐스트 서비스를 하나의 방송 서비스로 이동할 수 있습니다.

릴리스 14에서는 업계에서 릴리스 14를 일반적으로 FeMBMS라고 부르기 때문에 eMBMS 및 eMBMS를 향상하기 위해 더 많은 기능이 도입되었습니다. 예를 들어 특정 시나리오에서는 더 긴 순환 접두사를 사용하는 것이 고려되고 지정되었습니다. 콘텐츠 공급자가 BM-SC에 액세스할 수 있도록 xMB 인터페이스도 정의되었습니다. 이 인터페이스를 사용하여 콘텐츠 제공자는 BM-SC에서 MBMS 클라이언트까지 MBMS 사용자 서비스를 설정 및 관리하는 절차를 호출할 수 있으며, BM-SC는 이 인터페이스를 사용하여 콘텐츠 제공자를 인증/권한 부여하고 콘텐츠 제공자로부터 콘텐츠를 검색할 수 있습니다. MBMS 서비스 이용 현황을 콘텐츠 제공자에게 통보합니다. 또한 FeMBMS에서는 E-UTRAN을 통해 전송되는 TV 서비스 요구 사항을 지원하도록 아키텍처가 향상되었습니다.

MBS( Multicast and Broadcast Service)

5G의 브로드캐스트/멀티캐스트 요구 사항을 해결하려면 NR이 LTE의 특성(예: 빔포밍, 비SFN 배포 등)을 가지고 있다는 점을 고려하여 다른 아키텍처를 채택해야 했습니다. 따라서 MBS 아키텍처는 그림 2와 같이 정의되었습니다.

그림 2 MBS 아키텍처(3GPP TS 23.247 v17.4.0)

볼 수 있듯이 MBS 관련 엔터티는 5GC 내에 있으며 MBS를 지원하기 위해 배포해야 하는 네 가지 엔터티가 있습니다.
1. 멀티캐스트/브로드캐스트 세션 관리 기능(MB-SMF): MBS 세션을 관리하고 데이터 전송을 위해 RAN 및 MB-UPF와 상호 작용합니다.

2. MB-UPF(멀티캐스트/브로드캐스트 사용자 평면 기능): QoS를 강화하고 UPF 또는 RAN 노드에 멀티캐스트 및 브로드캐스트를 전달합니다.

3. MBSF(멀티캐스트/브로드캐스트 서비스 기능): AF(애플리케이션 기능) 및 MBS 세션용 MB-SMF와의 상호 작용을 포함하여 MBS에 대한 서비스 수준 기능을 제공합니다.

4. MBSTF(멀티캐스트/브로드캐스트 서비스 전송 기능): 일반 패킷 전송 기능을 제공하고 MBS 데이터 트래픽에 대한 미디어 앵커 역할을 합니다.

 

MBS 아키텍처를 정의할 때 중요한 고려 사항은 레거시(릴리스 15 및 16) 5G 노드에서 MBS 서비스를 지원하는 것입니다. 따라서 MBS를 지원하기 위해 두 가지 전달 방법이 정의되었습니다.

 

첫 번째는 5GC 공유 MBS 트래픽 전달 방법입니다. 5GC는 MBS 데이터 패킷의 단일 복사본을 수신하고 해당 MBS 패킷의 단일 복사본을 NG-RAN(Next Generation RAN) 노드에 전달한 다음 하나 또는 여러 UE에 전달합니다.

 

두 번째는 5GC 개별 MBS 트래픽 전달 방식으로, 멀티캐스트에만 적용됩니다. 여기서는 5GC가 수신한 MBS 데이터 패킷의 단일 복사본이 별도의 복사본으로 전달되어 pe-UE PDU(Packet Data Unit) 세션을 통해 개별 UE에 전달됩니다. 차이점은 그림 3에 요약되어 있습니다.

 

NG-RAN은 MBS 데이터 패킷을 PTP(Point-to-Point) 전달 방법으로 전송할지 PTM(Point-to-Multipoint) 전달 방법으로 전송할지 결정합니다. 전자는 무선 인터페이스를 통해 각 개별 UE에 MBS 데이터 패킷의 개별 복사본을 전달하는 반면, 후자는 무선 인터페이스를 통해 MBS 데이터 패킷의 단일 복사본을 여러 UE에 전달합니다. 

그림 3 MBS 전달 방법(3GPP TS 23.247 v17.4.0)

멀티캐스트/브로드캐스트 서비스를 제공하기 위해 MBS 서비스는 여러 단계로 구분됩니다(그림 4에도 요약되어 있음).

- MBS 세션 생성: AF는 5GC를 향한 MBS 세션을 생성하는 데 필요한 정보를 제공합니다. 멀티캐스트의 경우 선택 사항입니다.

- 서비스 공지(Service Announcement): 서비스 수신에 필요한 서비스에 대한 정보를 UE에게 배포합니다. 멀티캐스트의 경우 선택 사항입니다.

- (멀티캐스트만 해당) 세션 수립: 첫 번째 UE가 합류하면 멀티캐스트 MBS 세션이 수립됩니다.

- 멀티캐스트의 경우 UE는 UE Session Join/Leave 단계를 통해 세션에 참여하거나 세션에서 나갈 수 있습니다.

- (멀티캐스트만 해당) 데이터 수신 없음: 5GC에서 데이터를 수신하지 않습니다. 멀티캐스트의 경우 선택 사항입니다.

- 데이터 전송: 멀티캐스트/브로드캐스트 데이터가 UE로 전송됩니다.

- (멀티캐스트 전용) 세션 해제: 마지막 UE가 떠나면서 멀티캐스트 MBS 세션이 해제됩니다.

- 멀티캐스트의 경우 UE는 UE Session Join/Leave 단계를 통해 세션에 참여하거나 세션에서 나갈 수 있습니다.

- (멀티캐스트만 해당) 세션 삭제: 멀티캐스트 MBS 세션이 삭제되고 해당 세션과 관련된 모든 정보가 5GC에서 제거됩니다.

-(방송 전용) 세션 해제 및 삭제: 5GS에서 방송 MBS 세션에 대한 리소스가 해제되고 방송 MBS 세션이 삭제됩니다.

그림 4 MBS 서비스의 데이터 프로비저닝 단계(3GPP TS 23.247 v17.4.0)

 

독자의 이해를 돕기 위해 다음 그림은 멀티캐스트 서비스 타임라인 예시(그림 5)와 브로드캐스트 서비스 타임라인 예시(그림 6)를 보여준다. 이는 실제 MBS 서비스에서 발생할 수 있는 다양한 시간의 다양한 단계로 구성됩니다.

그림 5 멀티캐스트 서비스 타임라인 예시(3GPP TS 23.247 v17.4.0)

 

그림 6 방송 서비스 타임라인 예시(3GPP TS 23.247 v17.4.0)

릴리스 15 및 16 기능

Release 15 및 Release 16에서는 방송 서비스를 처리하기 위한 5G 시스템에 대한 일반 요구 사항이 연구되고 지정되었습니다(예: 3GPP TS 22.261 ). 또한 eMBMS(4G용)에 대한 개선 사항이 연구되고 지정되었습니다. 예를 들어 HTTP(Hypertext Transfer Protocol) 라이브 스트리밍(HLS) 기술을 활용하고 업무상 중요한 통신에 MBMS를 사용합니다. IMT-2020(International Mobile Telecommunications - 2020) 요구 사항을 충족하기 위해 MBMS 기술이 강화된 시기이기도 합니다.

릴리스 17 기능

릴리스 17은 MBS 아키텍처가 정의된 곳입니다. 이는 아키텍처를 정의했을 뿐만 아니라 브로드캐스트 및 멀티캐스트를 지원하기 위한 5GS의 향상된 기능을 정의한 5MBS 작업 항목을 통해 수행되었습니다. 결과적으로 NG-RAN이 브로드캐스트/멀티캐스트를 지원하기 위한 기본 기능을 NR_MBS 작업 항목으로 지정했습니다. 여기에는 멀티캐스트(PTM)와 유니캐스트(PTP) 간의 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스 전달의 동적 변경과 유휴 또는 비활성 RRC(Radio Resource Control) 상태에 있는 UE에 대한 PTM 전송 수신 활성화가 포함됩니다.

5GMS(5G 미디어 스트리밍)를 지원하는 확장이 작업 항목 5MBUSA에 지정되었습니다. 이 작업 항목은 브로드캐스트/멀티캐스트 단독 사용 및 유니캐스트/브로드캐스트 서비스의 하이브리드 사용을 포함하여 5G를 통한 미디어 스트리밍을 제공하기 위해 5G MBS 사용자 서비스 아키텍처를 지정하는 것을 목표로 했습니다. 물론 기존 5GMS 아키텍처의 확장은 MBS 사용을 지원하도록 지정되었습니다. 또한 5MBS_eMC 작업 항목을 사용하여 미션 크리티컬 그룹 통신에 브로드캐스트/멀티캐스트를 활용하도록 요구 사항이 정의되었습니다.

릴리스 18과 앞으로의 전망

현재 릴리스(Release 18, 19)에서는 MBS에 대한 연구 및 표준 작업이 모두 진행 중입니다. FS_5MBS_Ph2 연구 항목은 5G MBS 아키텍처를 더욱 향상시키기 위한 솔루션을 식별하고 평가합니다. 여기에는 다양한 네트워크 공유 시나리오에서 제공될 방송 콘텐츠의 효율적인 자원 활용, 비활성화된 RRC 상태의 UE에 의한 멀티캐스트 수신 지원, AF에 의해 트리거된 온디맨드 멀티캐스트 MBS 세션 지원 및 이를 해결하기 위한 필요한 개선 사항과 함께 다수의 공공 안전 장치에 대한 성능 문제가 포함됩니다.

해당 NG-RAN 측면도 지정되고 있습니다. NR_MBS_enh 작업 항목은 비활성 RRC 상태의 UE에 의한 멀티캐스트 수신 지원, UE가 MBS 브로드캐스트 및 유니캐스트 수신을 위해 공유 처리를 사용할 수 있도록 하는 신호 개선 사항, RAN 공유 시나리오에서 MBS 수신을 위한 자원 효율성을 향상시키기 위한 개선 사항을 지정합니다.

또한 MCOver5MBS 작업 항목은 멀티캐스트 및 브로드캐스트 기술을 사용하여 5G 시스템을 통해 미션 크리티컬 서비스를 지원하기 위한 규범적인 작업을 진행하고 있으며, 이는 기능 모델, 식별, 세션 관리 및 이동성 측면을 다룰 것입니다. V2X Use Case는 앞서 언급한 대로 Prospective Use Case이며 TEI18_MBS4V2X 작업 항목은 V2X 서비스에서 MBS를 활용하기 위한 관련 절차 및 설명을 정의하고 있습니다.

마지막으로, 릴리스 19 연구 항목 DTTB4MBS는 비3GPP 디지털 지상파 방송 네트워크와 5G MBS 서비스가 연동될 수 있도록 1단계 요구 사항 사양을 업데이트하는 것을 목표로 합니다.

끝 맺는 말

미디어 스트리밍과 트래픽 증가 시대에 브로드캐스트/멀티캐스트 기술은 네트워크 자원 활용의 효율성을 높일 수 있습니다. 특히 기후 변화 위험이 증가함에 따라 브로드캐스트/멀티캐스트 기술은 네트워크가 위험을 완화하는 데 필요한 도구 상자를 제공할 것입니다. 3G 시대 이후 탄탄한 역사와 경험을 바탕으로 3GPP의 브로드캐스트 및 멀티캐스트 기술은 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스에 필요한 요구 사항을 충족할 수 있을 것이며 변화하는 요구 사항에 적응하기 위해 계속해서 발전할 것입니다.

줄임말:
5GC         5G Core
5GMS     5G Media Streaming
5GS         5G System
BM-SC    Broadcast-Multicast Service Centre
CA           Carrier Aggregation
eMBMS  Evolved MBMS    
eNB         eNodeB
EPS          Evolved Packet System
E-UTRAN                Evolved UTRAN
FeMBMS                Further evolved MBMS
GERAN    GSM EDGE Radio Access Network
GGSN      Gateway GPRS Service Node
HLS         HTTP Live Streaming
HTTP       Hypertext Transfer Protocol
IMT         International Mobile Telecommunications
ITS           Intelligent Transportation System
MBMS    Multimedia Broadcast/Multicast Service
MBMS-GW            MBMS Gateway
MBS        Multicast and Broadcast Service
MBSF      Multicast/Broadcast Service Function
MBSFN   MBMS Single Frequency Network
MB-SMF Multicast/Broadcast Session Management Function
MBSTF    Multicast/Broadcast Service Transport Function
MB-UPF  Multicast/Broadcast User Plane Function
MCE        Multi-cell/multicast Coordination Entity
MME       Mobility Management Entity
NG-RAN  Next Generation Radio Access Network
NR           New Radio
OFDM     Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PDU        Packet Data Unit
PS            Packet Switched
PTM        Point to Multipoint
PTP         Point to Point
RAN        Radio Access Network
RRC         Radio Resource Control
SC-PTM  Single Cell Point to Multipoint
SGSN       Serving GPRS Service Node
UE           User Equipment
UMTS      Universal Mobile Telecommunications Servie
UTRAN    UMTS Terrestrial Radio Access Network
V2X         Vehicle-to-everything
 

업데이트 날짜: 2023년 1월

Broadcast, multicast technologies

 

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