클라우드 라디오 액세스 네트워크(C-RAN; Cloud Radio Access Network)는 기존의 기지국(BS; Base Station)에 있는 기저대역 유닛(BBU; BaseBand Unit)을 한 곳으로 모아 BBU Pool을 형성하고 무선 전송을 위한 원격지 라디오 유닛(RRH; Remote Radio Unit)을 무선 셀 지역에 남겨둠으로써 저비용 구조에서 통계적 다중 이득(multiplexing gain)을 얻기 위해 제안된 새로운 모바일 네트워크 구조다.
C-RAN은 IQ(In-phase와 Quadrature) 데이터의 고속 유선 전송이 가능하며 에너지 효율적인 네트워크 운용이 가능하다. 또 무선 셀 사이에서 로드 밸런싱(load balancing)과 협력 처리(cooperative processing)를 기반으로 LTE/LTE-A의 CoMP, eICIC와 같은 기능 구현이 용이해 네트워크 처리량을 증가시킬 수 있다.
이 글에서는 C-RAN 구조의 장점과 이슈, 구현 기술, 연구 동향 등에 대해 알아보고자 한다.
1. 들어가며
증가하는 모바일 데이터 수용을 위해 무선 셀 기지국(BS; Base Station) 수 또는 BS 당 안테나 수를 늘려서 모바일 네트워크 용량 증대가 가능하다.
그러나 이러한 방법은 같은 주파수 자원을 이용하는 사용자 수를 늘려서 셀 간 간섭 및 CAPEX/OPEX 비용을 증가시킨다.
저비용 구조에서 네트워크 용량 증대를 위해 C-RAN(Cloud Radio Access Network)이 연구되고 있다. C-RAN은 기저대역(baseband) 처리를 BBU pool의 한 곳으로 집중시키고 가상화된 자원이 무선 셀 간 공유될 수 있게 함으로써 비균질 트래픽에 대한 네트워크 적응력 및 자원의 다중 이득을 향상시켜서 네트워크 운용 비용을 절감시킨다.
또 BBU pool 형태는 새로운 BBU의 추가 및 기능 개선뿐 아니라 협력 처리에 의한 기능 구현이 용이하게 된다. 이 글에서는 C-RAN 구조(2장), 장점(3장), 도전 과제(4장), 기술적 한계(5장), 구현 방법(6장, 7장), 가상화 기술(8장), 전개 시나리오 및 프로토타입(9장)에 대해 개략적으로 서술한다.
2. C-RAN — 기지국(BS) 구조의 발전
1G/2G에서 사용된 모바일 네트워크 구조에서는 각 BS 내 라디오(radio) 및 기저대역 처리 기능이 함께 내재해 있었다(그림 1(a)). 3G에서는 네트워크 전개/운용비용 절감을 위해, 1G/2G의 BS를 RRH(Remote Radio Head) /RRU(Remote Radio Unit)과 BBU(BaseBand Unit)/DU(Data Unit)로 분리하였다(그림 1(b)).
RRH는 광 인터페이스, DSP(Digital Signal Pro-cessing), 전력 증폭, 필터링 기능을 담당하고 BBU는 기저대역 신호 처리를 담당한다. CPRI/OBSAI/ORI의 라디오 프로토콜을 사용하고 광섬유로 연결된 BBU와 RRH 사이의 거리는 신호 처리 및 전달 지연에 의해 최대 40km로 제한된다.
기존 RAN(그림 1(b))과 다르게, C-RAN 구조(그림 1(c))는 비균일한 트래픽 분포에서 RRH들이 최적화되도록 BBU들을 중앙에 BBU Pool(또는 DU Hotel) 형태로 집중시킨다. BBU Pool에서 가상화된 네트워크 자원은 다수의 BS 또는 클러스터된(clustered) BS 집단 사이에 공유되어 높은 자원 이용률과 낮은 지연시간 등의 성능 향상에 기여한다.
3. C-RAN의 장점
비균일 트래픽 분포에 대한 적응성 및 확장성
사람들이 거주지와 근무지 사이에서 이동하는 패턴에 따라 네트워크 트래픽이 달라지는데 C-RAN은 트래픽 프로파일(profile)에 따라 BBU와 RRH를 동적으로 매핑하여 통계적 다중 이득(statistical multiplexing gain)을 극대화한다.
C-RAN의 서비스 지역 확장은 단순히 새로운 RRH를 추가하고 BBU Pool에 의한 자원 할당함으로써 가능하다. 또한 C-RAN에서는 성능 향상을 위해, BBU Pool 내 하드웨어를 개선하거나, 서비스 중인 네트워크를 유연하게 분리(split)/합(merge)할 수 있다.
BBU Pool 내의 통계적 다중 이득에 의한 에너지 및 비용 절감
기존 RAN에서 OPEX의 41%는 전자적 요소 부품에서 소모되는데, BBU(주로 에어-컨디셔닝)와 RRH(주로 전력 제어)를 위한 전력 증폭기(power amplifier)에서 상당히 많은 에너지를 소모한다.
C-RAN의 전개로 통계적 다중 이득(비균일 트래픽 분포에 대한 적응성)에 의한 필요한 BBU 수의 절감은 잠재적인 전력 절감 효과를 가져올 수 있다. 기존 RAN에서 CAPEX의 80% 정도는 광섬유 임대 비용이다. 이는 OPEX 비용에 비해 상당히 큰데, C-RAN 구조로 기존 광 네트워크를 이용할 경우 상당한 CAPEX 절감 효과가 있을 수 있다.
처리량 증가와 지연시간 감소
C-RAN 구조에서는 다수의 무선 셀을 위한 신호 처리가 하나의 BBU Pool에서 이루어질 수 있다. 이는 셀 간 간섭을 줄여서 처리량을 증가시키기 위한 LTE Rel. 8의 ICIC (Inter-Cell Interference Coordination)와 LTE Rel. 10의 eICIC(enhanced ICIC)의 기능 구현에 유리하다.
ICIC/eICIC 실현을 위해서는 엄격한 BS 동기화(0.05ppm 주파수 정확도와 3μs 타이밍 정확도)가 필요하다. JT(Joint Transmission)도 CSI(Channel State Information) 참조 신호의 정확한 피드백을 필요로 하는데 이 역시도 엄격한 BS 동기화(0.02ppm 주파수 정확도와 0.5 μs 시간 정확도)를 필요로 한다.
C-RAN 구조에서는 BBU Pool에서 신호 처리를 하는 단일 개체(entity)가 BS 간 더 긴밀한 정보 교환이 가능하게 하기 때문에, ICIC/eICIC나 JT 기능이 효과적으로 동작될 수 있다. 셀 간섭 제어 시 캐리어 주파수 오프셋(offset)이 ±3~5ppb 이내일 때, 비이상적인 채널 환경에서 C-RAN은 전반적인 셀 지역에서 20%, 셀 가장자리에서 52%의 용량/커버리지 성능 이득을 얻을 수 있다.
BBU Pool을 가진 C-RAN에서는 BS 간 동기화 정확도가 높아지는데, 이 때문에 평균적인 핸드오버(handover) 인터럽트(interrupt) 시간 및 신호 발생 시간이 줄어든다. 이러한 이유에서 LTE의 eNB 내 X2 인터페이스 기반 핸드오버의 지연시간 및 핸드오버 실패율(fail-ure rate)가 감소하며, 코어 네트워크로 보내야 했던 신호 정보의 양도 줄어든다.
네트워크 개선 및 유지의 용이
C-RAN의 BBU들은 BBU Pool을 위한 공용 하드웨어(예, CPU) 및 소프트웨어(예, 최적화 알고리즘) 개선(upgrade)을 통해 네트워크 성능 향상이 가능하다.
SDR(Software-Defined Radio)는 변조/복조, 신호 생성, 코딩, 링크 계층의 프로토콜과 관련된 라디오 기능을 소프트웨어 제어로 동작시키기 위한 기술이다. 그 SDR 기술은 C-RAN BBU Pool에서 다수의 표준에 의한 다수의 라디오 시스템 간 통신이 가능하도록(무선 주파수 정책에 적응적으로) 원격지에서 소프트웨어적으로 제어하게 해준다. 네트워크 개발, 전개, OAM 관점에서도 유리하다.
4. C-RAN을 위한 도전 과제
저비용 전송 구조에서 높은 대역폭, 엄격한 대기시간 및 지터에 대한 보장 요구
LTE 지원을 위한 프론트홀(fronthaul)용 C-RAN에서는 BBU Pool과 RRH 사이의 광 링크에서 기존 백홀(backhaul) 대비 50배 이상의 오버헤드(overhead)를 발생시킬 수 있다[4]. 터보코딩(turbo-coding)을 사용하는 20MHz LTE(30.72MHz 샘플링 주파수 사용)에서의 IQ 대역폭은 다음과 같이 계산된다.
IQ 대역폭 = 샘플링 주파수×샘플 폭×2×라인 코딩×MIMO×섹터 수
20MHz LTE 신호 전송 시 15+1 CPRI의 IQ 샘플 폭, 10/8 라인 코딩, 2×2 MIMO 전송으로 2.5Gbits/s의 프론트홀 속도를 얻는다. 같은 조건에서 4×4 MIMO, 3섹터로 할 경우 예상되는 IQ 처리량은 10Gbits/s를 넘게 된다. 하나의 BBU Pool이 10~1,000개의 BS를 지원하게 된다. LTE에서 효과적인 JT 기능 동작을 위해서 BS 간 협력(collaboration)에 0.5μs의 시간 정확도가 요구되는데 기존 RAN보다 동기화 정확도가 높은 C-RAN 구조에서 JT 구현이 쉬워질 수 있다.
BBU와 RRH 사이의 각 링크에서 서브프레임 처리 지연은 HARQ 요구 조건을 만족시키기 위해 1ms 이하로 유지되어야 하기 때문에 일반적으로 BBU와 RRH 사이의 거리는 20~40km로 한다.
BBU 협력, 상호 접속, 클러스터링
BBU 협력(cooperation) 메커니즘을 통해, 사용자 데이터 공유, BS를 위한 스케줄링, 간섭 제어 등에서 성능 향상이 필요하다. 다수의 BBU들의 집중화는 BBU/RRH 사이의 특별한 보안과 신뢰 메커니즘이 필요하다.
C-RAN은 네트워크 보호 절제에 유리한 링 토폴로지를 사용하는 기존 SDH와도 호환 가능해야 한다. 무선 셀들은 최적으로 클러스터링되어 각 BBU Pool에 배치되어야 한다. 즉, BBU Pool 간 오버로딩(overloading)을 막기 위해, 사람들의 근무지와 거주지에 위치한 RRH들을 동시에 포함하는 것이 유리하다. 적합한 클러스터링은 전력 절감 효과를 극대화한다. 클러스터링과 연계된 간섭 제어, 자원 할당 등의 알고리즘이 학계에서 다뤄지고 있다.
가상화 기술
BS들을 가상으로 그룹화하여 처리하거나 다수의 사업자 간 네트워크 자원 공유를 위해 가상화 기술이 필요하다. 기존에 잘 정의된 가상화/클라우드-컴퓨팅 기술을 C-RAN에 맞게 개발하는 것이 요구된다.
5. 전송 네트워크 기술
물리 계층 구조 및 물리 전달 매체
BBU Pool 형성에 있어서 완전-집중과 부분-집중 C-RAN 방식이 가능하다. 완전-집중식은 네트워크 계층의 L1, L2, L3 기능이 BBU Pool에 집중되는데 이는 태생적으로 BBU와 RRH 사이에 높은 IQ 데이터 전송이 가능하게 한다.
부분-집중식은 L1 처리가 각 RRH에서 이루어지는데, 완전-집중식에 비해 복조 신호를 위한 대역폭이 20~50배 정도 덜 필요하기 때문에 광 전송 시 대역폭 부담을 줄여주지만, CoMP와 같은 기능이 효과적으로 동작할 수 없어서 완전-집중식에 비해 덜 최적이다.
2014년에는 BS의 35%가 광(북미에서는 최고 62.5%의 BS가 광과 연결)과, 55%가 무선과, 나머지 10%가 케이블과 연결되어 있다고 한다[3]. 광은 채널당 수기가(Giga)의 고용량 전송을 허용하는데, 현재는 채널당 40G 전송이 상업화되어 있다. 마이크로파 솔루션은 100Mbits/s에서 1.5Gbits/s(1.5km 근거리의 경우)로 그 최대 제공 속도를 높였는데, 이를 위해 BBU Pool과 RRH 사이에 E-밴드 마이크로파(70 또는 80GHz) 전송을 이용한다.
IEEE 802.11ad의 최신 Wi-Fi 기술은 이론적으로 7 Gbits/s 속도를 제공하지만, 아직 시장에서 실현되지는 않고 있다. DSL과 같이 구리선 링크 기반 솔루션에서도 10~100Mbits/s 속도로 제공할 수 있다. 물리 전달 매체로서 광은 완전-집중식 C-RAN에 마이크로파는 부분-집중식 C-RAN에 효과적일 수 있다.
전송 네트워크, 장비
물리 매체로서 광이 가지는 장점이 커서, 사업자들은 기존 광 네트워크를 재사용하고 싶어 한다. 다크 파이버(dark fiber)는 추가적인 광 전달망 장비가 필요하지 않기 때문에, 10개 이하의 BS를 수용하는 BBU Pool 구성에 적합하.
WDM/OTN는 제한된 수의 광섬유로 연결된 마크로(Macro) 셀룰러(Cellular) BS들을 수용하기에 적합하다. WDM의 하나의 광섬유에 40~80개의 파장 전달이 가능하여 BBU와 RRH 사이에 다수의 10Gbits/s 링크 제공이 가능하지만, 그 전송 거리가 수km로 제한될 수 있다.
CWDM 또는 DWDM 기술과 혼용되어 그 용량 증대가 가능하다. 이더넷 스위칭에 있어서 위상(phase) 정렬을 위한 동기화(synchronization)와 주파수 정렬을 위한 동조화(syntonization) 기술로 BBU Pool과 RRH 사이에 캐리어 이더넷 전송(예, CPRI2Ethernet)이 가능해진다. CPRI2Ethernet-Gateway는 RRH의 인터페이스로서, CPRI 데이터를 이더넷 패킷으로 매핑시켜준다.
IQ-Data-Routing-Switch는 BBU 사이에서 로드 밸런싱(load balancing), 실시간 신호 처리 및 자원 관리를 한다. CPRI-mux는 IQ 압축/복원 기능과 광 인터페이스를 갖고 다양한 라디오로부터 도착한 데이터 트래픽을 누적시킨다. X2OTN-Gateway는 CPRI/ OBSAI를 OTN으로 매핑시켜준다.
IQ 압축
프론트홀 C-RAN 링크는 CPRI IQ 샘플 폭 및 변조 방식에 의존하는데, 잠재적 솔루션으로 샘플 속도 감소를 위한 스펙트럼 압축(최대 66%로 압축됨), 비선형 양자화(non-linear quantization), IQ 데이터 압축(SNR과 EVM에 영향), 주파수 서브캐리어 압축(40%의 Ir 인터페이스 로드 감소)이 있다.
6. RRH 개발
최근 RRH 솔루션들은 플러그-앤-플레이(plug-and-play)의 완전-집중 C-RAN 방식을 선호하나, L1을 포함하는 RRH의 부분-집중 C-RAN 방식도 개발하고 있다. RRH는 고용량 전송을 위한 표준을 지원해야 하며, 다양한 형태의 안테나와도 호환되어야 한다.
7. 동기화된 BBU 구현
BBU Pool에서 BBU 간에 저지연, 고속, 고신뢰의 10G급의 실시간 신호 처리 기능이 필요하다. 그리고, 다양한 프로토콜 지원이 필요하며 CoMP, 동적 캐리어 스케줄링, 1+1 프로텍션 기능 제공도 필요하다. BBU Pool에서의 BBU는 멀티-표준 오픈 플랫폼 기지국 솔루션 형태로 개발되어야 한다.
BBU 구현을 위해, FPGA나 DSP 대신, GPP(General Purpose Processor) 기반의 프로세서가 사용될 수 있다. GPP는 멀티코어(multi-core)로 한 번에 다수의 데이터 처리가 가능하다. 다수의 OS 기반의 실시간 처리가 가능하여, 가상화된 BS(SDR 기술 적용이 가능)를 다루기에 유리하다.
8. 가상화
가상화는 논리적으로 추상화된 네트워크를 만드는 것이다. 가상화는 저비용으로 이기종 네트워크의 유연한 제어, 효율적인 자원 관리, 로드 밸런싱 등이 가능하게 한다. BBU 관점에서 가상화는 데이터 저장뿐 아니라 네트워크 응용 서비스, 관리 측면에서도 유리하게 한다.
가상화된 BBU와 RRH는 다수의 사업자들에게 다양한 투자 기회를 제공한다. 이는 사업자들의 투자 비용 감소, 독립적인 인증 메커니즘을 가진 서비스 제공, 자원 활용 증가, 전력 소모 감소 등이 가능하게 한다. 이것의 핵심 기술은 대량 데이터의 실시간 병렬 처리용 계산(computation) 자원의 가상화와 네트워크 자원의 가상화이다.
C-RAN에서 저비용 플랫폼 개발을 위해 가상화는 필수적이다. Intel은 China Mobile과 협력하여 Intel Xeon 프로세서에서 동작하고 TD-LTE 신호를 처리하는 가상화된 BBU Pool을 개발하였다.
SDN(Software-Defined Networking)은 네트워크를 제어 평면(control plane)과 데이터 평면(data plane)으로 나누어 논리적으로 관리하는 새로운 네트워크 패러다임이다. SDN 기술이 적용된 RAN을 위해, SoftRAN, SDMN, CROWD 등의 과제가 진행되었다.
ESTI NFV Working Group은 NFV 기술로 하드웨어 업그레이드 및 전력 절감 기능 등을 추가하는 연구를 수행하였다. C-RAN을 위한 실시간 프로세싱 가상화 기술은 BBU Pool에서 LTE-A의 CoMP 기능을 구현하기 위해 필요하다. SDN와 NFV에 대한 기술이 아직 C-RAN을 위해 완전하지는 않지만, 그 기술들은 앞으로 상당히 많은 이득을 줄 것으로 예상된다.
9. 예상 전개 시나리오
BBU와 RRH의 전개는 네트워크 플래닝(planning) 관점에서 다루어져야 한다. 물리 매체와 전송 방식 등은 C-RAN을 위한 특별한 표준에 따라 설계되어야 한다. 스몰-셀은 C-RAN 구조의 사용이 가능하다.
주파수가 마크로- 및 스몰-셀 모두에 독립적으로 할당될 때 두 셀 사이의 코디네이션(coordination)을 통해 다수의 스몰-셀을 가진 모바일 네트워크는 홈 네트워크의 용량과 품질을 증가시킬 수 있다.
경우에 따라 기존 마크로-셀은 용량 증대를 위해 더 작은 셀로 나뉠 수 있다. 반대로, 한 지역에 사람들이 많이 모이는 경우 슈퍼-핫-스팟(super-hot-spot)을 설정해 간섭 제어에 집중하거나, 철로나 고속도로와 같이 빠른 속도로 이동하여 잦은 핸드오버가 발생하는 곳에 가상화 기술을 이용해 빠른 네트워크 접속이 가능하게 할 수도 있다.
10. 동향
학계와 산업계는 C-RAN에 대한 연구를 위해서 P-CRAN, MCN, HARP, IJOIN, CROWD 등의 과제를 통해 새로운 형태의 RAN 구현을 위한 개념, 요구 사항, 솔루션 등을 정리하고 있다[1].
China Mobile은 Intel 프로세서 기반에서 GSM, TD-SCDMA, TD-LTE를 지원하는 실시간 IQ 샘플을 처리하는 GPP 기반의 C-RAN 프로토타입을 개발했다. 다음 계획은 TD-LTE와 LTE-A의 CoMP와 같은 L2/L3 기능을 구현하는 것이라 한다.
Ericsson Beijing은 WDM-PON을 이용하여 마이크로파 E-밴드 링크를 구성한 LTE용 BBU와 RRH을 구현하려 한다. 현재는 Joint UL CoMP 기능과 2.5 Gbits/s 전송 테스트가 완료되었고, C-RAN Macro BS에서 10Gbits/s가 필요하여 성능 개선을 위해 노력 중이다. NEC는 재설정 가능 프론트홀용 WiMAX 지원 OFDMA 방식 기반의 C-RAN 테스트베드를 개발하였다.
China Mobile은 2010년부터 GSM, TD-SCDMA(Zhuhai 도시), LTE(Guangzhou 도시, 36 LTE 20MHz 캐리어로 12셀 지역, dual-mode BBU-RRH) 지원을 위한 C-RAN의 필드 테스트를 해오고 있다.
각 필드 테스트에서 C-RAN 구조에서의 라디오 성능 및 사용자 체감 품질 향상, 에너지 및 비용 절감 효과 등을 보여주고 있다. 2011년 말에 KT는 처음으로 LTE, 3G, WiMAX, Wi-Fi 지원의 C-RAN에 대한 상업적 전개를 계획했다.
Samsung에서 모뎀을, Intel에서 서버와 데이터센터를 제공받는 식으로 KT는 CCC(Cloud Communications Center) 구조를 제안한다. GPP 기반의 1,000개 서버(하나의 서버당 144BS를 관리하는 구조)로 이루어진 하나의 BBU Pool 구성 계획을 갖고 있다.
11. 결론
모바일 네트워크를 위한 C-RAN 구조는 기존 RAN에 비해 전개 및 운용 비용 절감 효과가 있다. C-RAN의 BBU Pool은 LTE-A의 CoMP, eICIC 등의 기능 구현에도 유리하다. C-RAN의 성능을 극대화시키기 위해, 프론트홀에서의 용량 증대를 위한 압축 기술 및 BBU Pool의 가상화와 가상화된 자원의 응용 기술 등에 대한 연구가 필요하다.
가상화 기술에 더불어 소프트웨어-정의된 네트워킹(SDN; Software-Defined Networking) 기술의 발전으로, C-RAN은 유선 및 모바일 통합 네트워크에서 소프트웨어에 의해 제어/관리/최적화 됨으로써 구조적으로 더 발전될 가능성이 있다.
SDN 기술 기반의 C-RAN을 포함한 이기종 네트워크 통합 구조는 논리적인 네트워크 구성으로 통계적 다중 이득을 극대화하고 5G 모바일 서비스를 위한 엄격한 대기시간 및 지터를 보장하기에 적합할 것으로 예상된다.
References
1. A. Checko et al., CLOUD RAN FOR MOBILE NETWORKS – A TECHNOLOGY OVERVIEW, IEEE Commun. Surveys Tuts., 2015, accepted for publication.
2. Y. Lin et al., WIRELESS NETWORK CLOUD: ARCHITECTURE AND SYSTEM REQUIRE-MENTS, IBM J. Res. Dev., vol. 54, no. 1, Jan.-Feb. 2010.
3. C-RAN: THE ROAD TOWARDS GREEN RAN, China Mobile Research Institute, Tech. Rep. v3.0, Dec. 2014.
4. H. Holma et al., LTE-ADVANCED: 3GPP SOLUTION FOR IMT-ADVANCED, John Wiley and Sons, Ltd, 2012.
글 : 방학전 (한국전자통신연구원)
자료 협약 및 제공 : KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org
그래도 삭제하시겠습니까?