[TECH REPORT] 성공적인 5G 네트워크 동기화를 위한 타이밍 설계 및 관리

[마이크로칩 테크놀로지=대린 가일(Darrin Gile)] 이동통신 네트워크 전반에 걸쳐 비용 효율적이고 신뢰할 수 있으며 안전한 타이밍을 제공하기 위해 필요한 인프라는 적절한 아키텍처와 설계 및 관리가 필요하다. 5G 네트워킹을 위한 장비에는 더욱 엄격한 시간 정확도가 요구되는데 이는 네크워크 성능을 보장할 수 있는 신뢰성 있고 견고한 타이밍 아키텍처가 필요하다는 것을 의미한다.

네트워크가 주파수분할 이중통신(FDD : Frequency Division Duplex) 기반의 통신 링크를 사용하는 것에서 시분할 이중통신(TDD : Time Division Duplex) 기반의 통신 링크를 사용하는 것으로 발전해감에 따라 주파수뿐만 아니라 정확한 위상 및 시간 동기화가 필요해졌다.

운영 업체들이 TDD 네트워크에 구축한 장비는 정확한 주파수, 위상 및 시간을 네트워크 전체에 제공하기 위해 GNSS, 동기식 이더넷(SyncE) 및 IEEE-1588 정밀 시각 프로토콜(PTP : Precision Time Protocol)의 조합에 의존한다.

국제 이동통신표준화 기술협력 기구(3GPP : 3rd Generation Partnership Project)의 릴리스 15에서 소개된 새로운 5G RAN 아키텍처는 기저대역 장치(BBU : Baseband Unit) 및 원격 무선 헤드(RRH : Remote Radio Head)를 중앙화 장치(CU : Centralized Units), 분산화 장치(DU : Distributed Units) 및 무선 장치(RU : Radio Units)로 분할한다.

이 새로운 RAN 아키텍처는 통신사들이 네트워크 전반에 걸쳐 효율성과 비용절감을 달성할 수 있도록 세분화되고 가상화된 네트워크를 만들어낸다. 이 세분화는 DU와 RU를 연결하는 향상된 공통의 공용 무선 인터페이스(eCPRI : enhanced Common Public Radio Interface)의 등장을 가져왔다.

이 인터페이스는 이전에 BBU를 RRH에 연결하기 위해 이전에 사용됐던 CPRI 링크에 비해 분명한 장점을 제공한다. eCPRI는 패킷을 기반으로 작동하기 때문에 PTP와 SyncE를 사용함으로써 RU와의 동기화가 발생한다.

또한 오픈 RAN 동작은 3GPP 권장 사항에 기반을 둔 표준화된 하드웨어와 인터페이스를 갖고 있다. 이 O-RAN 얼라이언스는 프론트홀 네트워크를 통한 타이밍의 분배를 위한 네 가지 옵션을 정의했다.

네 가지 옵션 모두에서 RU는 DU 또는 인근 주요 기준 타임 클럭(PRTC : Primary Reference Time Clock) 으로부터 타이밍을 수신한다. 다양한 타이밍 흐름에도 불구하고 여전히 필요한 핵심 기능들은 SyncE, IEEE-1588 및 GNSS을 기반으로 하고 있는 O-Ran 네트워크를 통한 타이밍 분배를 지원해야 한다.

▶타이밍에 대한 표준사항
타이밍에 대해 여러 가지 권장 사항이 마련돼 각각의 네트워크 요소들이 특정 주파수, 위상 및 시간 요구사항들을 충족하도록 보장해 엔드 투 엔드 네트워크의 적절한 작동을 확보할 수 있게 됐다.

TDD 이동통신 네트워크의 경우 시간 동기화를 위해 3GPP가 정의한 기본적인 동기화 서비스 요구사항은 기지국 간에 3μsec(마이크로초)로 설정됐다. 국제전기통신연합 전기통신표준화 부문(ITU-T : International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector)은 3GPP의 요구사항을 기반으로 공통 지점과 최종 애플리케이션 간의 절대 최대 시간 오차(max|TE|)를 정의하는 권장 사항을 유지 및 관리한다.

이 권장 사항은 공통 지점과 최종 애플리케이션 간의 시간 오차가 ±1.5μsec 내에 있어야 한다는 것을 의미한다.

GNSS는 PRTC를 통해 TDD 네트워크에 시간을 제공하는 주요 수단으로 대두됐다. 이 중 한 가지 접근 방법은 GNSS 수신기를 무선 기지에 함께 배치하는 것이었지만 이 방법이 안정적으로 작동하려면 명확하게 수신 가능한 기상 조건이 필요하다.

실내에 위치했다거나 명확한 가시거리가 확보되지 않는 장소에 위치한 무선 기기들은 로컬 GNSS 소스의 이점을 활용할 수 없다. GNSS는 또한 갑작스러운 날씨 상황 변화로 인한 수신 차단이나 스푸핑 또는 재밍과 같은 악의적인 공격으로 인해 중단될 가능성이 있다.

계획된 5G NR 사이트의 수가 너무 많기 때문에 통신사가 GNSS 소스를 설치하고 유지 및 보수하는 데 드는 비용을 감당하기 어렵다. 이렇게 GNSS 배치의 신뢰성 및 비용에 대한 우려와 함께 보다 더 정확한 PRTC(Primary Reference Time Clock)의 필요성으로 인해 향상된 PRTC인 ePRTC(Enhanced Primary Reference Time Clock)에 대한 정의가 이뤄졌다.

ePRTC는 GNSS 또는 UTC로 연결 및 추적 가능한 다른 네트워크 표준 시간 소스를 통해 시간을 초기화 할 수 있다. 시간을 획득한 이후 ePRTC는 세슘 또는 그 이상의 원자 기준 오실레이터(Atomic Reference Oscillator)를 사용해 네트워크를 위한 신뢰성 있고 매우 정확하면서도 안정적인 시간 기준을 유지한다.

자동적인 원자 시간 참조의 사용은 시스템 장애에 대한 내성을 제공하며 최대 14일까지 안정된 홀드오버를 제공한다. ePRTC의 시간 정확도는 UTC 기준 ±30nsec(나노초)인데 이는 이전의 PRTC에 명시된 ±100nsec 정확도에 비해 크게 향상된 것이다. 이처럼 향상된 정확도는 5G NR의 까다로운 네트워크 요구사항을 충족시킨다.

텔레콤 바운더리 클럭(T-BC : Telecom Boundary Clock)과 데스티네이션 클럭(T-TSC : Destination clock)은 네트워크가 시간을 정확하게 전파하도록 하는 데 중요한 또 다른 요소들이다. T-BC는 일반적으로 스위치나 라우터에 위치하며 상류 링크로부터 시간을 복구하고 이를 하위 링크로 전달하는 역할을 한다.

T-BC/T-TSC 내의 이더넷 장비 클럭(EEC : Ethernet equipment clock) 또는 SyncE는 주요 참조 클럭(PRC/PRS : Primary Reference Clock)에 추적 가능한 안정적이고 정확한 주파수 참조를 제공하며 주파수 정확도는 0.01pbb다. 정밀 시각 프로토콜(PTP : Precision Time Protocol)과 함께 SyncE를 사용하면 정확도와 비용 개선 측면에서 몇 가지 장점이 있다. SyncE 참조시 로컬 오실레이터보다 더 정확하게 로컬 PTP 엔진을 구동할 수 있다.

이로 인해 PTP 엔진이 더 많은 양의 패킷 지연 변동(PDV : Packet Delay Variation)을 더 정확하게 필터링할 수 있게 되며 그 결과 전반적인 위상 정확도를 향상시킨다.

▶(TDD 네트워크 배치를 위한) 기본 시간 정확도에 대한 요구 사항
TDD 네트워크 사용에 있어서 시간 정확도에 대한 엔드 투 엔 네트워크 한계는 G.8271에 자세히 설명된 대로 ±1.5μsec다. 이 값을 기반으로 각각의 네트워크 요소에 필요한 성능을 정의하기 위한 타이밍 예산이 도출돼 엔드 투 엔드 네트워크 한계를 충족시키게 된다.

G.8273.2에서 정의돼있는 클럭 장비 사양은 시간 오차를 상수 시간 오차와 동적 시간 오차로 구분한다. 상수시간 오차(cTE : constant Time Error)는 네트워크 내의 고유한 지연으로 인해 발생하는 오차를 나타낸다.

이 오차들은 필터링 될 수 없으며 시간이 네트워크를 통해 전파됨에 따라 누적된다. 동적 시간 오차(dTE : dynamic Time Error)는 고주파수 또는 저주파수 노이즈로 인한 오차다. 네트워크 참조 클럭을 적절히 필터링하면 이런 오차를 감소시킬 수 있다.

±1.5μsec의 기본 네트워크 제한은 네트워크 요소별로 나뉜다. 4G 네트워크의 각각의 네트워크 요소들에 대해 허용 가능한 시간 오차 예상은 <그림 1>에 나와 있다. T-GM이 포함된 PRTC는 오차 ±100nsec로 제한되며 각각의 T-BC는 클래스 레벨에 따라 max|TE|가 할당된다.

<표 1>에는 각각의 클럭 클래스에 할당되는 max|TE|를 상세히 보여준다. 또한 클래스 레벨에 따라 각각의 T-BC에 대한 cTE 제한 값이 할당된다. 네트워크 링크 비대칭 및 엔드 애플리케이션에도 maxTE 값이 할당된다. 클래스A T-BC를 최대 10개 지원하거나 클래스B T-BC를 최대 20개 지원하는 네트워크는 기본 네트워크 제한 값을 충족하기에 충분하다.

▶시간 정확도에 대한 더욱 높아진 요구 사항
1.5μsec의 엔드 투 엔드 네트워크에 대한 기본적인 요구사항은 4G와 5G 네트워크 모두 동일하다. 하지만 협력 멀티포인트(CoMP : Coordinated Multipoint) 캐리어 어그리게이션 또는 대량 다중 입출력와 같은 특정 무선 기술들은 시간 오차에 대해 좀 더 엄격한 제한 값을 설정한다.

<그림 2>에서는 상대적 시간 오차의 개념을 보여주고 있는데 이는 무선 클러스터의 마지막 공통 지점에 연결된 엔드 애플리케이션의 시간 오차를 설명한다. NR 배포에 필요한 시간 정확도에 대한 요구사항이 높아지면서 클러스터 내에서 허용 가능한 상대적 시간 정렬 오차(TAE : time alignment error)가 130nsec 또는 ±65nsec maxTE로 감소했다.

앞에서 논의한 새로운 ePRTC 외에도 <표 1>에는 더 엄격한 제한 값을 지원하기 위해 ITU-T에서 정의한 T-BC 및 T-TSC 클럭의 새로운 클래스들을 열거하고 있다. G.8372.2 C클래스와 새로운 D클래스 요구사항들은 각각의 요소가 도입할 수 있는 허용 가능한 TE(Timing Error)를 더욱 제한한다. C 클래스와 D 클래스 요소는 각각 G.8262.1에서 정의한 향상된 이더넷 장비 클럭(eEEC : enhanced Ethernet Equipment Clock) 표준을 지원해야 한다.

▶타이밍을 위한 설계
<그림 3>에서는 장비 설계 시 타이밍을 유지 및 관리, 분배하기 위해 사용되는 주요 구성 요소의 일반적인 블록다이어그램을 보여준다.

이 블록다이어그램은 CU, DU 또는 RU 애플리케이션을 설계할 때 가이드로 사용할 수 있다. 타이밍 설계의 주요 기능은 정밀한 주파수 및 시간 동기화를 제공하는 데 필수적인 기능을 제공하는 하나 이상의 정교한 위상 고정 루프(PLL : Phase-Locked Loops)로 구성된 시스템 동기화 장치로 이 장치는 클럭 모니터링과 참조 스위칭, 필터링 및 정확한 클럭의 조율을 수행해 장비가 네트워크 시간에 계속 동기화돼 있도록 유지하는 역할을 한다.

동일한 동기화 장치 내에 여러 개의 PLL들을 사용하면 SyncE, PTP 및 추가적인 시간 요구 사항들을 지원할 수 있다. 여러 개의 입력과 출력을 지원하는 동기화 장치들은 다양한 인터페이스의 클럭을 모니터링하고 타이밍을 조율할 수 있다.

SyncE 지원을 위해 하나 이상의 복구된 클럭이 시스템 동기화 장치에 연결되며 이 장치는 다양한 입력 참조를 검증하고 관리한다. 동기 장치는 하나의 복구된 클럭을 주 클럭으로 선택하고 SyncE PLL은 송신 노드로 클럭을 재분배되기 전에 해당 클럭을 필터링한다.

G.8262.1에 정의된 향상된 이더넷 전기 클럭(eEEC : Ethernet Electrical Clock)에 대한 지원이 필요한 경우 SyncE 복구 클럭이 신호 손실(LOS : Loss of Signal) 상태에서 신속하게 차단될 수 있는지 확인하는 것이 매우 중요하다. 이렇게 함으로써 G.8262.1의 단기 및 장기 위상과도 한계를 충족시킬 수 있다.

PTP를 적절하게 구현하려면 정확한 타임스탬프 기능과 정밀한 시간 동기화를 유지할 수 있는 전용 소프트웨어가 필요하다. 지연을 최소화하기 위해서 타임스탬프 장치는 박스 엣지에 가능한 한 가까이 위치해야 한다. 클래스B 장비의 경우 정확도가 10nsec인 타임스탬프 장치로도 충분하다. 클래스C 클럭의 요구사항을 충족하려면 타임스탬프 유닛의 정확도가 4nsec 또는 그 이상의 정확도를 지녀야 한다.

PTP 패킷 통신과 타임스탬프를 처리하고 시스템 동기화 장치 내부의 타임 PLL에 대한 주파수 및 위상을 조절하기 위해서는 PTP 소프트웨어 스택과 함께 가장 중요한 것은 강건한 시간 알고리즘이 필요하다는 것이다.

타임PLL은 또한 로컬 PRTC 또는 기타 PPS 참조를 제공하는 장비로부터 오는 초당 펄스 수(PPS : Pulse Per Second)에 고정될 수 있다.

마지막으로 정밀 오실레이터는 시작 시 주파수 기준을 제공하며 네트워크 중단 상황에서도 안정적인 작동을 보장한다. 모든 사용 사례에 강력한 홀드오버 기능이 필요한 것은 아니지만 장비가 네트워크의 중심부에 가까이 배치될수록 오실레이터가 더 안정적일 필요가 있다.

▶클래스C 와 클래스D 설계시 고려할 사항들
클래스C 및 D 요구 사항을 충족시키기 위해 시스템에서 타이밍 아키텍처를 설계할 때에는 주의를 기울여야 한다.

개선된 타임스탬프 정확도와 LOS 상태에서의 입력 eEEC에 대한 차단 능력을 제공할 필요성 외에도 특정 설계 내에서 cTE와 dTE를 적절히 관리하기 위한 캘리브레이션 기법을 적용할 수 있다.

엔지니어들이 장비를 도입할 때 발생하는 시간 오차를 최소화하기 위해 노력함에 따라 온보드 또는 시스템 내캘리브레이션을 고려하는 것은 점점 더 대중화되고 그 필요성이 커지고 있다.

프로세스, 온도 및 전압으로 인한 cTE의 잠재적인 발생 원인을 식별하는 것은 부품 선택 시 반드시 고려해야 할 사항이다. 타이밍 경로에서 버퍼, FPGA, 타임스탬프 유닛 또는 기타 다른 디바이스로 인해 발생할 수 있는 지연을 최소화해야 하며 가능하다면 보드 그리고 혹은 시스템 수준에서 캘리브레이션 기술을 사용해 지연을 수정해야 한다.

버퍼와 기타 다비이스를 통한 입력에서 출력까지의 전파 지연은 해당 지연을 동적으로 캘리브레이션할 수 있는 피드백 경로를 시스템 동기화 장치로 다시 제공하는 것으로 할당될 수 있다.

장비의 입력에서 출력으로의 지연에만 초점을 맞추는 것으로는 충분치 않은데 이는 더 높은 수준의 시간 정확도 제한으로 도입된 상대적 시간-오차 요구사항 때문이다. 각 시스템 내에서 PPS 출력을 다룰 때 출력 간의 정렬에 주의해야 한다.

또한 새시 장비의 경우 각 출력에 대한 라인 카드 PLL 대역폭이 동일하거나 장비가 모든 출력에서 가능한 한 동일하게 위상 변화를 처리할 수 있도록 최대한 높게 프로그래밍 돼야 한다. 동기화 장치, 타임스탬핑 PHY 및 스위치는 보드 설계에 내재된 알려진 지연을 보상할 수 있다. 보드 수준에서 정적 캘리브레이션 기술을 사용해 출력 또는 포트별로 추적 지연과 전파 지연을 보상할 수 있다.

동기화 장치는 입력 신호에 대한 트레이스 지연 및 버퍼 보상, 피코초(picosecond) 단위의 위상 조정 해상도, 출력 신호에 대한 트레이스 지연 보상, 그리고 GNSS 또는 G.703 1PPS 인터페이스에 대한 입력 또는 출력 케이블 지연 보상을 제공할 수 있다.

추가적으로 고급타임스탬핑 디바이스는 포트 당 타임스탬프 캘리브레이션을 피코초 단위의 해상도로 제공한다. 이런 기능들은 시스템 내에서 위상 오류를 측정하고 수정해 TE(시간 오차)를 최소화하기 위한 유연성을 제공한다.

▶결론
동기화와 관련한 요구사항과 수용 능력은 계속 진화해 5G 및 그 이상을 위한 초저 지연, 고 대역폭 및 고급 무선 애플리케이션 프로그램을 구동한다. 네트워크 장비에서 시간 정확도에 대한 강화된 새로운 표준을 충족시키려면 타이밍 아키텍처를 세심하게 설계할 필요가 있다.