김진철의 How-to-Big Data | 빅데이터의 미래 (6)

모바일 에지 컴퓨팅과 사이버 물리 시스템


5G 이동통신에 이르러서 이동통신 네트워크가 소화해야 할 데이터의 양이 늘어나고, 5G 이동통신 기반의 서비스들이 요구하는 낮은 지연(latency)과, 버티컬 서비스 종류마다 이동통신 서비스의 요구사항이 달라 도입되는 네트워크 기능 가상화와 같은 새로운 기술 때문에 네트워크 기술과 IT 기술의 융합이 눈에 띄게 일어나는 이동통신 세대가 바로 5G라고 앞서 설명하였다.

모바일 에지 컴퓨팅(Mobile Edge Computing; MEC)은 이런 네트워크-IT 융합 트렌드를 가장 극적으로 보여주는 기술이다. 이동통신 서비스의 핵심 네트워크(core network)가 위치한 데이터센터에 클라우드 컴퓨팅 및 IT 서비스 인프라가 위치하는 것뿐만 아니라, 이전까지는 이동통신 부가 서비스를 위한 IT 장비가 전혀 배치, 운영되지 않았던 기지국과 엑세스 네트워크(access network)에 IT 서비스 인프라가 배치되어 서비스를 제공하는 것이 모바일 에지 컴퓨팅이다(그림 3). 예전에는 기지국과 액세스 네트워크가 단순히 이동통신 가입자들이 이동통신 네트워크에 무선으로 연결하는 무선 인터페이스로서 역할을 했지만, 이제는 저지연 이동통신 서비스를 위한 핵심 인프라를 배치할 수 있는 곳으로 새롭게 주목받고 있다.

이동통신 기술에 익숙하지 않은 독자들을 위해 잠시 간단하게 용어의 의미를 설명하고자 한다. 이동통신 네트워크는 크게 액세스 네트워크(access network), 전송망(transport network), 핵심 네트워크(core network)로 나뉘게 된다. 이 중에서 액세스 네트워크는 이동통신 네트워크 가장 외곽에 위치한 무선통신 안테나와 네트워크 인프라를 말한다. 이 액세스 네트워크에 이동통신 기술의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 무선 엑세스 네트워크(Radio Access Network; RAN) 장비들이 위치하게 된다.

전송망(transport network)은 액세스 네트워크를 통해 접속된 사용자들의 데이터를 핵심 네트워크로 전달하는 액세스 네트워크와 핵심 네트워크의 중간에 있는 네트워크 인프라를 말한다. 핵심 네트워크(core network)는 이동통신 네트워크의 데이터 교환과 다양한 부가 서비스가 운영되는 이동통신 네트워크의 가장 중심부에 위치한 네트워크 인프라를 의미한다. 5G 이전의 이동통신 서비스에서는 주요 부가가치 서비스들은 모두 핵심 네트워크에 위치하여 운영되었다.



데이터 네트워크에서 네트워크 사용자가 직접 접속하는 최외각에 위치한 네트워크를 “에지 네트워크(edge network)”라 부른다. 이동통신 서비스에서 액세스 네트워크와 에지 네트워크가 항상 일치하는 것은 아니지만, 액세스 네트워크는 에지 네트워크 영역에 있는 네트워크 인프라라고 볼 수 있다. 에지 컴퓨팅이라는 말은 이렇게 에지 네트워크 영역에서 일어나는 컴퓨팅 기술을 말한다. 5G 이동통신에서의 에지 컴퓨팅은 5G로 인해 사물들이 모두 연결된 네트워크의 가장 가장자리에 있는 장치에서 일어나는 컴퓨팅을 좀더 강조하는 말이다.



여기서 한 가지 구분해야 생각해야 할 것은 모바일 에지 컴퓨팅(Mobile Edge Computing; MEC)과 에지 컴퓨팅(edge computing)이 같지 않다는 것이다. 에지 컴퓨팅과 모바일 에지 컴퓨팅 모두 에지 네트워크 영역에서 일어나는 컴퓨팅 기술을 의미하기는 하지만, 모바일 에지 컴퓨팅은 이동성(mobility)을 갖춘 에지 컴퓨팅 기술을 말한다. 모바일 에지 컴퓨팅에서 이동성을 갖추기 위해서는, 에지 컴퓨팅이 일어나는 단말이나 장치가 이동하더라도, 이런 단말이나 장치의 이동에 영향을 받지 않고 서비스나 기능의 중단 없이 에지 컴퓨팅이 일어나고 서비스가 의도했던 목적을 달성하게끔 에지 컴퓨팅이 일어나는 장치가 적절한 시점에 바뀌는 서비스 “이양(handover)”이 일어나야 한다.

모바일 에지 컴퓨팅은 이동통신 표준에서 5G 및 차세대 이동통신 인프라의 에지 네트워크 영역에서 일어나는 컴퓨팅을 일컫는 표준 용어이기도 하다.  5G 이동통신에서 모바일 에지 컴퓨팅은 무선 액세스 네트워크에서 받은 사용자 단말의 디지털 통신 신호를 IP 패킷 신호로 변환하고 핵심 네트워크(core network)로 전달해주는 기지국(Base Transceiver Station; BTS)이나, 기지국의 데이터들이 모여 핵심 네트워크(core network)로 전달되는 집중국(Central Office; CO)에 위치한 IT 장비에서 서비스 “이양(handover)”을 통한 이동성과 함께 일어나는 컴퓨팅과 서비스를 의미한다[28]. 

특히 5G에서는 무선 고주파(RF) 통신 신호를 받아 디지털 신호로 변환하는 RU(Radio Unit)와 RU의 디지털 신호를 패킷 신호로 바꾸어 핵심 네트워크로 전달하는 DU(Distributed Unit; DU), CU(Central Unit)가 서로 분리되어 구축될 수 있어 모바일 에지 컴퓨팅이 도입되기 용이하게 되었다. 특히 LTE 때부터 많이 도입이 되기 시작한 “클라우드 무선 엑세스 네트워크(C-RAN(Centralized RAN 또는 Cloud RAN))” 기술 때문에, 예전에는 RU와 DU가 하나의 장비에 통합된 일체형 기지국을 썼었지만, 요즘은 RU는 기지국에 두고, DU는 집중국(Central Office)에 위치시켜 기지국에 필요한 상면에 들어가는 비용을 절감하는 방식으로 네트워크 인프라의 아키텍처가 변화하고 있다. 무선 엑세스 네트워크 아키텍처에 C-RAN이 도입되면서 모바일 에지 컴퓨팅을 위한 클라우드 컴퓨팅 인프라가 5G에서 통합되기 용이해졌다[30-31].

그림 5에서 볼 수 있는 것과 같이, C-RAN이 도입되면서 기지국 장비에 RU, DU가 일체형으로 구성되었던 예전 방식에서 RU는 무선 안테나에 가까이 위치시키고, DU는 기존 기지국 장비가 운영되던 장비 상면 시설이나 집중국(Central Office; CO)에 분리해서 운영할 수 있게 되었다. 이 때문에, DU(Distributed Unit)와 CU(Central Unit)가 배치된 곳에 컴퓨팅 자원을 두어 운영하게 되면, 기지국의 “이양(handover)”을 처리하게 되는 LTE/5G 구성 요소(LTE에서는 MME(Mobility Management Entity; MME), 5G에서는 AMF(Access and Mobility Management Function; AMF)라고 함.)  근처에 컴퓨팅 장비를 두고 사용자의 이동통신 단말이나 장치의 이동에 따라 기지국 서비스 “이양(handover)”이 일어나는 에지 네트워크 영역에서 사용자 서비스를 제공할 수 있게 된다[28-30].

이와 같이 컴퓨팅 자원을 이동통신 네트워크 외각의 에지 네트워크에 두고 서비스할 때 얻을 수 있는 이점은 대용량 데이터 전송이 필요한 서비스의 지연(latency)을 줄일 수 있다는 것이다. 모바일 에지 컴퓨팅을 이용하게 되면 서비스에 필요한 데이터에 접근하기 위해 예전과 같이 핵심 네트워크(core network)에 있는 서비스 인프라의 저장 장치에 항상 접근할 필요가 없다. 사용자가 많이 활동하는 지역의 모바일 에지 컴퓨팅 시스템에 위치한 서비스 인프라에 데이터를 캐싱(caching)해 놓았다가 서비스하게 되면 핵심 네트워크상의 서비스 인프라까지 서비스 요청을 항상 전달할 필요가 없기 때문에 사용자 요청부터 응답까지 처리 시간이 짧아지게 되어 사용자는 더 나은 서비스 경험을 제공받을 수 있게 된다.

대용량 데이터 전송이 필요한 서비스의 대표적인 예는 우리가 흔히 사용하는 초고화질(UHD, QHD) 영상의 스트리밍 서비스, 요즘 5G와 함께 크게 주목받고 있는 증강 현실(Augmented Reality; AR), 가상 현실(Virtual Reality; VR), 3차원 홀로그램(hologram)을 이용한 서비스, 코로나바이러스 확산으로 인해 주목받게 된 언택트(untact) 협업을 지원하는 화상 회의, 텔레프레즌스(telepresence)와 같은 서비스들이다. 이와 함께 안전성이 중요시되어 서비스 지연과 신뢰성이 반드시 보장되어야 하는 자율주행 및 커넥티드 자동차를 위한 셀룰러 V2X(C-V2X) 통신 서비스, 드론의 원격 제어 및 영상 정보 수집과 활용을 위한 무선 통신, 대규모 공장의 지능형 운영, 제어를 위한 스마트 팩토리 서비스, 도시 인프라에 지능형 서비스를 접목한 스마트 시티 서비스에도 모바일 에지 컴퓨팅을 이용한 저지연 서비스가 유용하게 활용된다.

앞에서 모바일 에지 컴퓨팅과 에지 컴퓨팅은 구분되어야 한다고 잠시 언급한 적이 있다. 그림 6을 보면서 그 차이점을 다시 한번 분명하게 이해해보자. 



그림 6은 일본의 이동통신 회사인 KDDI와 NTT도코모(Docomo)에서 최근 발표한 기업용 AI 영상 서비스의 구성 내용이다. KDDI의 기업용 AI 영상 서비스와 NTT도코모의 기업용 AI 영상 서비스 구성 내용이 약간 차이가 있는 것을 그림 6에서 볼 수 있다. 우선 KDDI의 경우 기업용 AI 영상 서비스를 위한 딥러닝 모델의 학습과 추론을 예전에는 기업 내부의 온프레미스(on-premise) 컴퓨팅 인프라를 사용하던 것을 KDDI에서 제공하는 모바일 에지 컴퓨팅 시스템과 5G를 이용해 제공하겠다는 것이 핵심이다. NTT도코모의 기업용 AI 영상 서비스는 모바일 에지 컴퓨팅을 사용하는 것이 아니라, 기업에서 만든 AI 영상 인식 응용 소프트웨어의 학습을 공용 클라우드(public cloud) 컴퓨팅 시스템에서 수행하고, 딥러닝 모델과 같은 학습된 기계 학습 모델을 영상 카메라에 탑재된 에지 컴퓨팅 장치로 5G 이동통신 네트워크를 통해 전송, 배치하여 영상 인식과 분석 작업을 수행하는 개념이다. 

KDDI의 기업용 AI영상 서비스는 서비스를 위한 컴퓨팅 인프라도 모바일 에지 컴퓨팅 클라우드를 통해 제공된다. NTT도코모는 5G 통신의 높은 대역폭과 저지연성을 이용해 공용 클라우드(public cloud) 컴퓨팅 서비스에서 학습된 영상 인식, 분석 모델을 영상 정보를 수집하는 카메라에 위치한 에지 컴퓨팅 장치로 빠르고 안전하게 전송하여 카메라에 있는 AI 영상 인식, 분석 모델이 실제 영상, 인식 분석 기능을 수행하는 형태이다. 물론 NTT도코모의 서비스에서 학습된 영상 인식 모델의 데이터를 모바일 에지 컴퓨팅 시스템에 캐싱(caching)하여 저지연성을 확보할 수도 있겠지만, 이런 점이 서비스의 큰 틀에 영향을 주지는 않는다.

위의 KDDI와 NTT도코모의 기업용 AI 영상 서비스의 예에서 볼 수 있는 것과 같이, 에지 컴퓨팅 자원은 항상 5G 이동통신 인프라 내의 자원일 필요가 없다. 보통 에지 컴퓨팅은 임베디드 컴퓨팅 시스템이 유무선 네트워크에 연결되었을 경우, 유무선 네트워크의 최외각에 위치한 장치가 임베디드 컴퓨팅 시스템이기 때문에 임베디드 컴퓨팅 시스템에 탑재된 컴퓨팅 자원을 활용하는 것을 에지 컴퓨팅이라고 부른다. 반면, 모바일 에지 컴퓨팅은 5G 이동통신 인프라의 액세스 네트워크 내에 위치한다. 5G 이동통신 시스템의 서비스 이양(handover) 기능과 연계되어 모바일 에지 컴퓨팅 서비스를 이용하는 사용자의 단말이나 장치가 이동하더라도 끊김없이 서비스를 사용할 수 있다. 이런 점에서 모바일 에지 컴퓨팅과 에지 컴퓨팅은 분명히 차이가 있다.

모바일 에지 컴퓨팅이 제공할 수 있는 저지연성과 분산된 컴퓨팅 자원 활용의 장점 때문에 5G 이동통신 서비스를 제공하는 이동통신 회사들의 새로운 수익원으로 기대되고 있지만, 실제 우리들이 모바일 에지 컴퓨팅을 활용한 서비스의 혜택을 볼 수 있기까지는 시간이 오래 걸릴 것으로 보인다. 우선 5G 독립 운영(Stand-Alone; SA)을 위한 3GPP 표준인 3GPP 이동통신 표준 제16 개정판(Release 16)이 올해 3월에야 공식 발표되어 모바일 에지 컴퓨팅 인프라와 서비스가 실제로 구축, 배치되어 상용화가 되기까지 아직 더 시간이 걸릴 것으로 보인다.

이와 함께, 모바일 에지 컴퓨팅 자원을 활용하는 서비스들이 어떤 식으로 서비스 응용 소프트웨어를 구축하고 모바일 에지 컴퓨팅 자원의 서비스 이양(handover) 기능을 활용할 수 있도록 서비스를 개발할 수 있는지 구체적으로 명시된 기술적인 해결책이 아직 많이 부족한 상황이다. 

모바일 에지 컴퓨팅 자원을 활용한 서비스들은 5G 이동통신 서비스의 핵심 네트워크(core network)뿐만 아니라 5G 이동통신 서비스가 제공되는 모든 지역에 걸쳐 배치된 모바일 에지 컴퓨팅 자원에도 함께 배치, 구축되어 핵심 네트워크(core network)에 위치한 주 서비스(main service)와 함께 통합되어야 한다. 모바일 에지 컴퓨팅 인프라와 핵심 네트워크(core network)에 위치한 서비스 인프라와 소프트웨어의 배치, 관리, 주요 소프트웨어 모듈의 동기화, 주 서비스 시스템과 모바일 에지 컴퓨팅 자원에 위치한 서비스 컴포넌트 간 역할 분담 및 자원 조율, 서비스 이양(handover)을 고려한 모바일 에지 컴퓨팅 서비스 개발의 절차 및 방법에 대한 기술적인 내용이 아직 구체화되지 않아 상용화까지 아직도 많은 시간과 노력이 필요하다.

모바일 에지 컴퓨팅 기술이 그 가능성 때문에 요즘 주목받고 있지만, 아직 기술적으로 성숙되지 않았고 해결해야 할 문제들이 많기 때문에 모바일 에지 컴퓨팅을 이용한 5G 이동통신 서비스는 우리가 근미래에 볼 수 있는 미래기술로 생각할 수 있다. 에지 컴퓨팅은 5G와 함께 앞으로 발전, 확산되어 다양한 서비스와 제품이 시장에 나타나 에지 컴퓨팅 관련 비즈니스가 5G 서비스 초반에 크게 성장할 것으로 보이지만, 모바일 에지 컴퓨팅 서비스는 모바일 에지 컴퓨팅 인프라를 포함한 5G 이동통신 인프라가 완전히 구축되고, 모바일 에지 컴퓨팅 인프라를 사용한 서비스 개발 기술과 시장이 무르익기 위해 최소한 5년에서 10년 이상의 시간이 필요할 것으로 생각된다. 

이런 상황에서 모바일 에지 컴퓨팅이 당장이라도 큰 비즈니스가 되리라고 생각하여 성급하게 비즈니스 기획이나 사업화에 뛰어들지 말고, 5G 및 이동통신 분야에서 모바일 에지 컴퓨팅 관련 표준 제정 현황과 기술 성숙도의 추이를 잘 살펴 서비스와 기술 기반 비즈니스의 중장기 로드맵을 그리고 시장의 성숙 과정에 페이스를 맞춰 시장에 진입하기를 필자는 독자분들께 권한다. 

모바일 에지 컴퓨팅은 무엇보다도 빅데이터를 활용하는 비즈니스의 확산에도 크게 도움이 될 전망이다. 앞에서도 잠깐 언급했듯이, 서비스에 필요한 빅데이터의 전송, 처리 및 가공, 분석에 필요한 컴퓨팅 자원과 저지연성을 제공하기 때문이다. 

모바일 에지 컴퓨팅은 과거 컨텐츠 전달 네트워크(Contents Delivery Network; CDN)가 미디어 스트리밍 시장이 확산되는데 기여했던 역할보다 훨씬 역동적이고 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 모바일 에지 컴퓨팅은 5G 이동통신 네트워크 기술이 제공하는 고대역폭, 저지연성과 함께 지금보다 용량이 큰 미디어 빅데이터를 사용자의 단말까지 끊김없이 전달할 수 있게 할 뿐만 아니라, 사용자의 단말에 표현되는 미디어 빅데이터와 사용자 간 상호작용의 수준을 높일 수 있는 컴퓨팅 파워를 제공한다. 모바일 에지 컴퓨팅은 단순히 고화질, 대용량의 미디어 데이터를 빠른 시간에 전달하는 역할뿐만 아니라, 대용량 미디어와 사용자와의 상호작용의 수준을 높여 지금보다 더 지능적이고, 섬세한 사용자 경험을 제공하는 새로운 서비스 비즈니스를 창출하는 데 기여할 것이다.

이렇게 상호작용성이 높은 미디어 빅데이터를 활용할 수 있도록 하여 사용자에게 더 지능적이고 섬세한 사용자 경험을 제공할 수 있도록 하는 데 모바일 에지 컴퓨팅이 활용되면서, 사이버 물리 시스템과 사람 사이에 더 인간적이고 지능적인 상호작용을 할 수 있도록 하는 AR/VR, 텔레프레즌스, 3D 홀로그램과 같은 고급 사용자 경험, 사용자 인터페이스 기술도 같이 발전할 것이다. 

모바일 에지 컴퓨팅은 사이버 물리 시스템이 자신의 주변 환경에 대한 정보를 좀더 폭넓고 다양하게 받아들이고, 사이버 물리 시스템의 의사결정과 판단, 동작 실행 지능이 보다 인간에 가깝게 높아지게 하는 데에도 크게 기여할 것으로 보인다. 모바일 에지 컴퓨팅 서비스에서 사이버 물리 시스템에 필요한 빅데이터 수집, 가공 과정을 분산시켜 처리하고, 사이버 물리 시스템이 자신의 센서뿐만 아니라 인프라 및 다른 사이버 물리 시스템에서 수집한 빅데이터까지 활용할 수 있도록 하는 더 풍부한 컴퓨팅 자원을 모바일 에지 컴퓨팅 서비스가 제공할 수 있기 때문이다. 모바일 에지 컴퓨팅은 사이버 물리 시스템이 좀더 인간적이고 지능적인 서비스를 제공할 수 있도록 발전하는 데 중요한 기술, 인프라를 제공할 것이다.

이와 같이 모바일 에지 컴퓨팅의 혜택을 볼 수 있는 대표적인 사이버 물리 시스템 중 하나가 C-V2X(Cellular V2X Communication) 통신을 이용한 자율주행과 미래 교통 체계 기술이다. 특히, 자동차 및 모빌리티(mobility) 사이버 물리 시스템에 에지 컴퓨팅 기술만으로 사람과 동등한 수준의 지능을 만들기에는 아직 기술이 많이 부족하다. 5G와 5G 이후의 저지연 통신을 통해 모바일 에지 컴퓨팅 서비스와 핵심 네트워크(core network)의 클라우드 컴퓨팅 인프라에서 제공하는 컴퓨팅 자원을 같이 활용해 자율주행과 미래 교통체계의 지능화 수준을 높이는 것은 앞으로 자율주행 기반의 모빌리티(mobility) 체계를 현실로 만드는 데 필수적이다.

이렇게 보다 인간적인 사회 인프라 서비스를 실현하기 위해 사이버 물리 시스템의 지능을 높이는데 필요한 빅데이터 수집, 처리, 분석을 위해서도 5G 이동통신 기술을 비롯한 미래 통신 기술은 중요한 역할을 한다. 공간과 컴퓨팅 기술의 제약을 극복하여 사회 곳곳에 공기와 같이 스며들어 작동하는 사이버 물리 시스템이 사람과 지능적인 상호작용을 하면서 보다 인간적인 서비스를 제공하기 위해서 미래 통신 기술은 사이버 물리 시스템의 신경망과 같은 역할을 하게 된다. 근본적으로 대규모의 분산 컴퓨팅 시스템으로 동작할 수밖에 없는 미래 사이버 물리 시스템에서 5G 이동통신을 비롯한 미래 통신 기술은 우리 몸의 두뇌와 척수와 같은 중추 신경의 역할을 하게 되기 때문에 미래 통신 기술의 추이와 그 발전양상을 꼭 염두에 두고 비즈니스와 상품 기획을 해야 한다.

2020년 필자가 일하고 있는 SK텔레콤을 비롯한 통신 3사가 5G 단독 모드(Stand Alone) 서비스와 28GHz 대역 5G 서비스를 상용화하기 위해 대규모 투자와 인프라 구축 작업을 진행하고 있다. 2020년 5G의 본격적인 상용화를 시작으로 발전하게 될 사이버 물리 시스템과 빅데이터 기술을 관심을 가지고 지켜보도록 하자. 5G 이동통신을 통해 나타나게 될 새로운 기술과 서비스가 우리에게 줄 새로운 기쁨과 편리함을 필자도 설레는 마음으로 기대하고 있다.