무선 인프라 네트워크는 계속해서 증가하고 있는 전송용량에 대한 수요를 충족시키기 위해 여러 서로 다른 폼팩터의 장비들이 출시되면서 중요한 기술적 발전 단계를 거치고 있다. 이러한 모든 솔루션들은 매우 적고, 제한된 스펙트럼 리소스의 잠재력을 극대화하는 방향으로 나아가고 있다.

글 : 하르핀더 싱 마타루(Harpinder Singh Matharu)
자료제공 : 자일링스(www.xilinx.com)

 

3GPP 표준화 노력은 섀넌(Shannon)의 법칙에 따라 한정된 전송용량 내에서 이용 가능한 스펙트럼에 보다 더 많은 비트를 집어넣는 방안을 고안하고 있는 반면, 무선 액세스 네트워크는 노드당 더 적은 사용자가 동일한 스펙트럼에서 더 많은 대역폭을 얻을 수 있는 토폴로지를 개발하는 방향으로 나아가고 있다.

여기에는 완전히 다른 방향으로 네트워크를 확장하고자 하는 두 가지의 주요 거시적 동향이 존재한다.

첫 번째 거시적 동향은 처음에는 커버리지를 개선하기 위해 매크로 기반 스테이션 당 10개의 소형 셀을 기초로 구축한 다음, 이후 소규모 단위의 이용자들을 위해 전송용량을 제공하는 것이다. 이는 특정 지역의 통화량 밀도를 향상시킬 수 있는 무선 액세스 네트워크를 구현할 수 있지만, 백홀 네트워크의 복잡성 및 규모 문제를 유발한다.

두 번째 거시적 동향은 기존의 집중식 기지국을 네트워크로 분할하는 것이다. 무선 부문은 원격지에 위치시키고 기지국 섀시는 단독으로 베이스밴드 기능을 구성한다. 이러한 분산형 기지국으로의 분할은 커버리지 및 전송용량에 대한 요건을 모두 효과적으로 처리할 수 있도록 베이스밴드 프로세싱 용량은 물론, 연결된 원격 무선 헤드 수 증가에 대해 용이하게 확장이 가능하다.

클라우드 RAN(Cloud Radio Access Network)은 수많은 분산형 원격 무선 헤드와 연결된 고밀도 기지국 네트워크이다. 클라우드 RAN은 가상화 기술 및 SDN(Software Defined Network) 프레임워크를 이용해 유선 네트워크에서 공동의 베이스밴드 리소스로 기술을 집중시키는 것이다.

이는 베이스밴드 카드 아키텍처 및 디자인 상의 상당한 변화를 초래한다. 베이스밴드와 무선 카드 상의 커넥티비티 및 알고리즘 기능 또한 부하 밸런싱 및 네트워크 장애극복을 위한 리소스를 효과적으로 공유할 수 있도록 변경되어야 한다. 클라우드 RAN의 경향은 백홀을 간소화하지만 기지국 섀시와 수많은 원격 무선 헤드 간의 커넥티비티가 복잡해지고 프론트홀 네트워크 측면에서도 마찬가지다.

위에서 언급한 두 가지 경향 중 분명한 승자는 없다.

▲ 그림 1. 전통적인 기지국 아키텍처

분산형 기지국 및 마이크로/피코 셀은 당분간 모두 사용될 것이며, 향후에도 공존하게 될 것이다. 이러한 이종 네트워크의 출현과 백홀 및 무선 액세스 네트워크의 가변적 복잡성은 상당한 네트워크 관리 문제를 야기한다. 클라우드 RAN 네트워크 기술은 네트워크를 보다 효과적으로 구동하기 위해 네트워크 노드의 임베디드 인텔리전스 기능을 활용함으로써 근본적인 이질성 문제를 관리하는데 사용할 수 있기 때문에 보다 가치있는 서비스 플랫폼을 구현한다.

이를 위해 망 사업자 및 시스템 벤더는 인프라 구축에 있어 완벽한 혜택을 실현할 수 있도록 미래 지향적 혁신이 가능하고, 적용이 용이한 통합된 프레임워크를 달성하기 위해 무선 인프라의 일부 중요한 요소들을 표준화하기 위한 공동의 노력이 필요하다.

유선 네트워크와 달리 기지국 및 관련 액세스 커넥티비티로 구성되는 무선 액세스 네트워크는 독점적 표준이나 의사-표준(Pseudo-Standards)이 풍부하다. 표준 기반 커넥티비티 및 동기화로의 이행은 성능향상 및 상호운용성, 규모의 경제 측면에서 중요한 단계이다.

이는 클라우드 RAN을 실현하는데 있어 중요한 이정표가 될 것이다. 무선 액세스 네트워크 및 ToP(Timing over Packets) 내의 표준 커넥티비티처럼 점진적 이더넷 적용은 올바른 방향으로 혁신이 추동될 수 있도록 해준다. 솔루션을 개발하는데 있어 주의할 점은 기존 기술과의 공존성, 구축비용, 확장성 요구에 적절히 부합해야 한다는 것이다.

타이밍 및 동기화는 클라우드 RAN의 모든 노드를 동기화하고 결합하는데 필요한 핵심 요소이다. 소형 셀 또한 유사한 요건을 가지고 있다. 기존 기지국은 다중 타이밍 및 동기화 입력 조합을 사용함으로써 코어 네트워크와 동기화된다.
GPS 및 T1/E1 라인과 같은 기존 TDM 네트워크는 PTP(Packet Timing Protocol; PTP 1588v2) 동기식 이더넷과 함께 계속 사용되고 있다. 오늘날 PTP 및 동기식 이더넷은 무선 인프라의 동기화를 관리하는 주요 기술이다.

▲ 그림 2. 분산형 기지국 및 원격 무선 헤드

기지국 내의 CCM(Clock and Control Module)은 주파수, 위상, 시간 정확도를 달성하기 위해 이러한 각기 다른 매커니즘을 활용한다. 결과적으로 이러한 기지국의 CCM은 동기화된 클럭킹 정보를 무선 부분에 제공하게 된다. 전통적인 집중식 기지국은 무선 부분이 동일한 섀시 내에 상주하기 때문에 동기화를 달성하기가 용이하다. 하지만 무선 부분이 광케이블이나 마이크로웨이브/밀리미터 웨이브 포인트-투-포인트로 연결된 거리가 각기 다른 원격지에 위치한 고밀도 분산형 기지국(클라우드 RAN)의 동기화된 클럭 분산은 어려운 과제다.

처음에 시스템 벤더들은 타이밍 및 동기화 정보를 원격 무선 헤드에 분산시키기 위해 독자적인 독점 프로토콜을 채택했다. 이후 OBSAI(Open Base Station Architecture Initiative) 및 CPRI(Common Public Radio Interface) 표준이 기지국 섀시 및 원격 무선 헤드 간의 커넥티비티 및 동기화를 표준화하기 위해 도입되었다.

CPRI 및 OBSAI 프로토콜은 TDM 기반 데이터 플레인 전송과 함께 동기화 정보를 전파할 수 있다. 16ns 미만의 결정적 지연시간과 전송 다이버시티 체인의 65ns 미만의 타이밍 정렬 오차를 요구하는 엄격한 유지관리 요건으로 인해 기지국 섀시 및 원격 무선 헤드 사이에는 전용 광 링크를 사용하게 되었다. 또한 포인트-투-포인트 마이크로웨이브 링크는 광 케이블 접속이 경제적이지 않거나 사용이 불가능한 경우에 이용되고 있다.

기지국 섀시와 무선 헤드 간의 전용 광 커넥티비티는 매우 제한적이고 비용 부담이 크다. 광 커넥티비티를 최적화하기 위해 원격 무선 헤드는 체인, 트리, 혹은 스타 토폴로지를 이용해 기지국 섀시와 연결된다.

CPRI 및 OBSAI 표준은 10km 이상의 광 접속을 지원하며, 현재 대부분의 원격 무선 설비는 기지국 섀시와의 거리가 수백 미터로 제한되어 있다. 클라우드 RAN 기반 분산형 기지국이 폭넓게 확산되면서 최고 40km에 달하는 광이 필요하지만, 보다 중요한 것은 공유 네트워크이다.

▲ 그림 3. QoS/트래픽 엔지니어링을 이용해 네트워크를 공유하는 개념적 클라우드 RAN 네트워크 아키텍처

기지국 섀시 및 원격 무선 헤드 내에서 범용 이더넷 기반 데이터 전송 프로토콜로의 이행은 공유 네트워크를 사용하기 위한 중요한 단계가 될 것이다. 공유 네트워크 내부에 세밀한 트래픽 엔지니어링 기능을 구축하는 것은 필요한 결정적 지연 분해능을 달성하기 위해 중간 노드 버퍼링을 신중하게 관리하는 것과 더불어, 우선순위를 매기는 방법으로 데이터를 원격 무선 헤드에 전달하기 위한 또 다른 핵심 요건이 된다.

클라우드 RAN 내부의 연관된 토폴로지 영역에서 모든 베이스밴드 채널 카드와 모든 원격 무선 헤드를 연결하기 위해 새로운 계층적 스위치 기능 세트가 필요하다.

오늘날, 이러한 스위치는 기지국 섀시에 상주하며, 각 안테나 캐리어당 데이터를 3~6개의 베이스밴드 카드 중 하나에서 최고 12개 정도의 원격 무선 헤드 중 어떤 것으로라도 스위치될 수 있도록 해준다. 베이스밴드 카드 및 원격 무선 헤드의 수는 클라우드 RAN 토폴로지로 크게 늘어난다. 한편 필요한 커넥티비티를 달성하기 위해 더 큰 계층적 스위치 기능이 클라우드 RAN에서 필요할 수도 있다.

프로그래머블 로직 디바이스를 이용하는 것은 클라우드 RAN의 유동적이고 지속적인 알고리즘 및 커넥티비티 기능 요건을 설계하는 가장 효과적인 방법이다. 프로그래머블 로직 디바이스는 채널 카드 및 무선 헤드, 네트워크 노드, 백홀 장비에 폭넓게 사용되고 있다. 일반적으로 네트워크 내 모든 노드에 이러한 프로그래머블 기능이 존재함으로써 기본적인 알고리즘 및 커넥티비티 기능을 필드 업그레이드를 통해 최신 상태로 유지할 수 있다.

자일링스의 28nm 올 프로그래머블(All Programmable) SoC 제품군은 단일 디바이스 상에 FPGA 및 CPU, DSP, 아날로그 혼성기능을 통합하고 있으며, 최적의 고속 트랜시버 및 I/O 인터커넥트 수를 제공한다.

이러한 프로세서 중심 플랫폼은 완벽한 자율-회복, 자가-학습, 자율적-최적화 무선 네트워크 노드를 위한 강력한 토대를 기반으로 보다 뛰어난 스위칭 및 알고리즘 기능을 구현할 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어, I/O 프로그래머빌리티를 제공한다.

자일링스 솔루션은 비바도(Vivado) 디자인 환경 및 툴 수트와 결합하여 디자이너들이 매우 빠른 통합 및 탁월한 생산성과 품질 결과를 달성할 수 있도록 해준다. 자일링스 툴 및 실리콘 기술은 빠른 혁신을 가능하게 하는 견고한 에코시스템을 더욱 강화시키는 것은 물론, 기존의 문제나 새로운 문제에 대응할 수 있는 보다 향상된 탁월한 상용 솔루션을 제공한다.

생산성, 성능, 시장출시시간이 가장 중요한 본질이다. 자일링스 20nm 울트라스케일(UltraScale) 올 프로그래머블 디바이스는 높은 처리량과 낮은 지연의 네트워킹 및 신호처리 기능을 구현할 수 있도록 ASIC-등급의 시스템 레벨 성능을 제공한다. 이 제품군은 시장출시 시기를 단축할 수 있도록 비바도 디자인 수트 및 UltraFAST 디자인 방법론으로 코-최적화되어 있다.

자일링스는 툴 및 실리콘, 솔루션의 지속적인 혁신을 위해 주력하고 있으며, 더불어 무선 네트워크 분야의 새로운 모든 주요 기술을 효과적으로 지원할 수 있는 견고한 에코시스템을 확장하는데도 노력하고 있다.

자일링스는 클라우드 RAN 네트워크에 폭넓게 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 효과적인 네트워크 창출과 용이한 네트워크 구축 및 유지관리, 그리고 이종성에 기반한 추상화를 위해 클라우드 RAN이 더욱 필요한 네트워크 플랫폼으로 이행할 수 있도록 해당 솔루션을 견인하는데 유용한 업계 선도적인 툴 및 실리콘 기술을 구축하고 있다.


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