광통신망을 이용한 5G 고정밀 시간 분배·동기화

[테크월드=선연수 기자] 이동 통신 사업자들은 셀룰러 통신과 커넥티비티를 혁신할 LTE-A와 5G 네트워크 구축에 막대한 투자를 하고 있다. 그러나 이 투자에는 큰 위험이 존재한다.

LTE-A와 5G 네트워크를 통해 제공되는 고성능 모바일 서비스는 무선 동기화, 신규 애플리케이션 활성화, 간섭 최소화 등을 위해 GPS, GNSS(범지구 위성항법시스템)로 잘 알려진 지역별 위성단에서 전송하는 정밀 시간에 크게 의존한다. 만약, 재밍(Jamming), 스푸핑(Spoofing), 고장 등의 이유로 GPS와 GNSS를 사용할 수 없게 되면 서비스가 중단돼 시스템 성능에 치명적인 영향을 준다.

최근 캘리포니아주에서 에너지 그리드가 대규모 화재로 이어질 수 있는 기후, 열, 바람, 건조한 초목에 취약했던 것처럼 5G 네트워크는 전체 시스템 정전으로 이어질 수 있는 정밀 시간 분배 중단 문제에 취약하다. 이동통신사는 신기술을 활용해 이런 위협에서 네트워크를 보호할 수 있다. 신기술은 기존 배치를 활용하는 동시에 초고정밀 시간을 장거리에 배포하기 위한 새로운 아키텍처를 구축한다. 이 기술은 5G의 까다로운 요건을 충족하는 데 필요한 성능을 확보하면서도 추가 비용은 최소화한다.

네트워크 투자 사업자의 고려사항

최신 LTE-A 네트워크와 5G 모바일 네트워크는 소비자, 산업, 도시, 특정 시장 부문에 새로운 서비스를 제공하기 위해 엄청난 용량과 대역폭을 제공한다. 스마트폰을 통한 고대역폭 비디오 전송부터 자율 주행 차량, 스마트 시티, 스마트팩토리를 위한 사물인터넷(IoT)에 이르는 새로운 서비스는 수많은 센서, 기지국, 기타 디바이스 간 동기화에 의존하는 특성을 보인다.

동기화를 위해서는 장거리에 걸쳐 매우 정확한 시간을 제공해야 한다. 이것이 뒷받침되지 않으면, 서비스 중단과 위험을 최소화하는 네트워크 구축에 대한 투자를 극대화할 수 없다. 또한 GPS·GNSS가 오작동할 경우의 대안도 필수적으로 마련해야 한다. 동시에 다크 파이버(Dark fiber)에 대한 고비용의 신규 투자가 발생하지 않도록 광통신망과 기존 인프라를 활용해야 한다.

표준 기구들은 100나노초(ns) 수준의 PRTC 클래스 A(PRTC-A), 40ns 수준의 PRTC 클래스 B(PRTC-B), 30ns로 향상된 PRTC(ePRTC) 성능 사양을 포함하는 PRTC(Prime Reference Time Clock)를 비롯해 정밀 시간과 동기화에 대해 상당히 엄격한 요건을 정의한다. 이 요건에 부합하기 위해서는 무조건 고품질 시간 소스가 필요하다. 또한, 소스에서 다양한 디바이스(기지국, 센서, 차량 등)로 시간을 전송하기 위해서는 탄력적이고 효율적이며 성능 기준에 적합한 분배 메커니즘이 필요하다.

요구사항을 충족하기 위해 GPS·GNSS에 의존할 경우 발생되는 문제는 엔드포인트 밀도 증가에 따라 GPS·GNSS 구축 비용 부담이 커질 수 있다는 점이다. 기지국에 있는 GNSS 수신기와 관련된 기술적 취약점도 존재한다. 어떤 이유로든 GNSS 수신기가 위성을 제대로 추적할 수 없는 경우, 무선 장치에 사용되는 오실레이터 기술의 짧은 홀드오버(Holdover) 시간으로 인한 간섭을 방지하기 위해 서비스에서 해당 무선을 빠르게 제거해야 한다. 이런 기술적, 금전적 문제로 인해 이동 통신 사업자들은 여러 위치에서 GNSS 의존도를 줄이거나 아예 제거할 수 있는 솔루션을 모색하고 있다.

사업자가 고려해야 하는 다른 요인에는 네트워크를 사용해 소스에서 엔드포인트로의 시간 분배, 네트워크 노드, 네트워크 노드가 지원할 수 있는 다양한 동기화 기능 등이 있다. 일반적으로 정밀 시간 프로토콜 그랜드 마스터(PTP GrandMaster)는 타이밍 체인의 시작 부분에 위치하고 있으며, 100ns PRTC-A나 40ns PRTC-B 표준을 준수해 ±-1.5 마이크로초(µs) 내에 체인 끝부분까지 정확한 시간을 전달할 수 있다. 경로상에 존재하는 네트워크 노드에는 대개 클래스 A(50ns)나 클래스 B(25ns) 표준을 충족하는 시간 경계 클럭(T-BC) 기능이 탑재된다.

GNSS 중단 상황에 대비해 모바일 네트워크를 보호하고 장거리에 정확한 시간을 분배해 전국적인 커버리지를 확보하려면 이런 요건과 고려 사항을 해결할 수 있는 새로운 유형의 시간 분배 아키텍처가 필요하다. 이 아키텍처는 5G 수요에 따른 엔드 투 엔드 예산을 충족하는 데 필요한 성능도 제공할 수 있어야 한다.

고정밀 시간 분배 아키텍처 구성

GPS·GNSS의 취약점을 가장 효과적으로 보완하고 5G 네트워크의 다른 문제를 해결하기 위해서는 고정밀 시간 분배 아키텍처에서 여러 기능을 제공해야 한다. 아키텍처 구성에 필요한 기능은 다음과 같다.

이와 같은 유형의 다중 도메인 아키텍처는 µs 미만의 중복 엔드 투 엔드 타이밍 기능을 제공한다. 이는 수백 마일에 걸쳐 정확한 시간을 노드 분배당 5ns의 경제적인 수준으로 지원하기 위해 필요하다.

비슷한 솔루션의 예로 마이크로칩의 타임프로바이더 4100(TimeProvider 4100)을 들 수 있다. 타임프로바이더 4100은 타이밍 체인의 소스에서 PRTC-A, PRTC-B 시간 전달 기능을 갖춘 ePRTC로 설정하거나 광통신망 경로상에서 고정밀 경계 클럭(HP BC)으로 설정할 수 있다. 이 유형의 제품은 장거리에 걸친 최대 ns 단위의 정밀 시간 전달 기능을 사용해 엔드 투 엔드 애플리케이션별 요건에 맞게 구성할 수도 있다.

GPS·GNSS 취약점 해결이 관건

차세대 고성능 모바일 서비스의 성공 여부는 GPS·GNSS 관련 취약점을 얼마나 잘 해결하는지에 달려 있다. 재밍, 스푸핑, 고장, 기타 문제들은 5G 네트워크가 무선으로 동기화하고 애플리케이션을 활성화하며 간섭을 최소화하는 데 필요한 정확한 GPS·GNSS 타이밍을 방해한다. 최신 고정밀 시간 분배 아키텍처는 최소의 추가 비용만으로 이런 위험을 완화하고, IoT 기반 애플리케이션부터 스마트폰을 통한 고대역폭 동영상 수신에 이르기까지 새롭고 까다로운 5G 서비스를 지원하는 데 필요한 성능을 사업자에게 제공한다.

<글: 에릭 콜라드(Eric Colard) 마이크로칩 주파수·타이밍 시스템 사업부 신제품 총괄>
<자료제공: 마이크로칩테크놀로지>

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2021년 1월 호에 게재된 기사입니다.