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LTE/LTE-A 시대에 맞는 모바일 RAN 네트워크 구조는 ?
Evolution of Mobile Radio Access Network Architecture in LTE/LTE-A Era
April 10, 2014 | By 손장우, 도미선 (tech@netmanias.com)
코멘트 (11)
17
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최근 몇년동안 스마트폰이 활발히 보급되어 현재 이미 일상화되었고 또한 갈수록 고성능화되어 멀티미디어 처리기능이 놀랍도록 향상되고 있다. 단말의 발전과 더불어 고성능화된 단말상에서 즐길 수 있는 비디오, 음악, 사진 등의 컨텐츠도 하루가 다르게 대용량화해가고 있다 (비디오 경우, 해상도 SD (480p) → HD (720p) → 현재 Full HD (1080p). 인코딩율 500Kbps → 1Mbps → 2Mbps → 현재 4~8Mbps). 

 

이로 인해 이동통신사업자의 망에서 데이터 트래픽은 폭증하고 있으며 이러한 추세는 앞으로 더욱 심화되어 갈 것이다(Not Voice, But Data ! 음성트래픽은 소량이고 이미 정체됨, 데이터 트래픽은 대용량이고 지속적으로 증가중). 

 

그렇다면 은 ?

 

음성 트래픽 위주의 기존 망에서는 끊김없는 통화를 위한 서비스 coverage 확보(터지냐 안 터지냐)가 중요한 이슈였지만 데이터 트래픽 위주의 지금의 LTE/LTE-A 망에서는 사용자에게 높은 data throughput(속도, Mbps)을 안정적으로 제공하기 위한 망용량(Capacity) 증대가 과제이다 (Not Coverage, But Capacity!).  

 

폭증하는 데이터 트래픽에 대응하여 망 용량을 늘리기 위해서1 LTE/LTE-A macro 셀 크기는 점점 작아지고 있고 (우리나라의 경우 도심지는 LTE/LTE-A 셀반경이 겨우 몇 백 m임), 이로 인해
셀 간 간섭 (Inter-Cell Interference)은 증가하고
작아진 - 따라서 - 수 많아진 셀사이트의 구축 및 운영을 위해 큰 비용(Capex/Opex)이 요구되게 된다.

 

이와 같은 상황의 변화로 이동통신망의 구조는 이용자에게 안정적이고 고품질의 서비스를 제공하면서 망 투자 비용을 절감시킬 수 있는 구조로 진화하고 있으며 본 블로그 글에서는 이러한 추세를 살펴보도록 한다.   

 

1. 기존의 전통적인 RAN 구조와 문제점 

 

 

그림 1. 전통적인 이동통신망 구조와 문제점

 

1.1 첫 번째 문제점: 셀 간 간섭으로 인한 이용자 품질 저하와 망 성능 저하
 

OFDM을 무선 접속 기술로 사용하는 LTE/LTE-A망에서 셀 경계에 위치한 단말은 동일 주파수 대역을 사용하는 주변 셀들로부터 간섭(Interference)을 받아 품질이 떨어진다 (옆 기지국이 동일 주파수로 나 근처 다른 단말로 보내는 신호와 내가 붙어 있는 기지국이 나 한테 보내는 신호가 간섭을 일으켜 잘 안 들리는 - 양쪽에서 서로 다른 말을 하니까 무슨 말인 지 잘 모르겠는 - 근데 셀 사이즈가 작아 말하는 두 놈(기지국)이 나한테서 가까이에 있는 - 아 미치겠는).

 

셀 간 간섭으로 인한 셀 경계에서 품질 저하를 막아주기 위해서 LTE-A망에서 CoMP (Coordinated MultiPoint) 기술을 사용하는 데 이는 기지국들이 이웃 기지국들과 단말의 현 상태 정보를 X2 인터페이스를 통해 주고 받아 실시간으로 공유하여 간섭을 최소화하도록 무선 자원을 스케쥴링함으로써 단말의 서비스 품질을 향상시켜주고 망의 성능을 높혀 주는 기술이다.

 

CoMP가 효과를 내기 위해서는 각 기지국이 자기 셀내 단말들의 현황 정보(CSI: Channel State Information. 예를 들어 자기 셀내에 각 단말은 어느 무선자원을 쓰고 있고, 내(기지국)가 송신한 신호에 대한 단말의 수신 신호 세기가 어떻고, 그 단말이 이웃셀로부터 얼마나 간섭을 받고 있고 등등)를 실시간으로 이웃 셀들에게 전달해주어야 하며, 늦게 전달되면 이미 무의미해진 정보를 토대로 스케쥴링해주게 되므로 CoMP로 인한 품질 개선 효과가 떨어진다 (그림 1의 예에서 410. 오히려 안 하니만 못할 수도...).

 

특히 단말이 이동중이면 이 CSI값은 상당히 빨리 변한다. 따라서 기지국간에 협력 정보를 주고 받는 X2 인터페이스상에서 발생하는 전달 지연시간(X2 delay)이 최소화되어야 하며 무선 자원 스케쥴링시 단위시간이 1ms이므로 X2 delay가 1ms이면 Best이다. 

 

그림 1에 보이는 기존의 전통적인 RAN 구조에서는 셀사이트에 기지국이 위치하고 IP 백본망의 Edge(즉, 라우터)까지 TDM, MSPP, PTN, Carrier Ethernet 등의 백홀망(L1 or L2)이 존재한다.

 

이 구조에서 기지국간 통신을 하기 위해서는 한 기지국에서 발생한 X2 트래픽이 이 백홀망을 통해 IP Edge까지 전달된 후 IP Edge에서 라우팅되어 다시 옆 셀 사이트의 기지국으로 전달되어야 한다. 대개 기지국에서 IP Edge까지의 거리가 수십 Km에서 100+Km에 이르며 여러 홉을 거쳐 전달된다.

 

따라서 X2 delay가 통상적으로 수msec에서 수십 msec에 이르게 된다. 따라서 이 구조하에서는 CoMP로 인한 셀 에지에서의 성능 향상을 기대하기 어렵다.  

 

마치 "Long X2 delay: 일주일 전에 날씨가 맑았으니까 오늘 맑겠지 - Short X2 delay:어제 날씨가 맑았으니까 오늘 맑겠지"와 같다.

 

따라서, LTE-A망에서는 X2 delay를 최소화해줄 수 있도록 백홀망 구조가 바뀌어야 한다. 

 

1.2 두 번째 문제점: 셀 사이트 구축 및 운용 비용
 

기존의 RAN 구조는 i) 기지국의 데이터 처리 부(DU: Digital Unit)와 무선 송수신부(RU: Radio Unit)가 함께 셀사이트에 설치되는 일체형 기지국이며, ii) 안정적인 전력 공급과 냉방을 위해 주로 중대형 건물의 실내 공간(Indoor)에 설치되는 구조이다.

 

이로 인해 각 셀 사이트에는 기지국뿐만 아니라 전력시설, 냉방 시설 등이 각 기지국마다 설치되어야 한다. 장비와 시설이 많으니까 넓은 상면이 필요하게 된다(즉 높은 상면 임차료. 5평 빌리면 될 것을 10평을 임대해야하는 것이죠).

 

또한 장비와 시설이 많으니까 설치비(Civil Works, 인건비)도 많이 들어 가고 설치 시간도 길게 되고(긴 망 구축 시간), 또 장비와 시설이 많으니까 매달 내야하는 전기료도 많아진다.
 

이 모든 게 곱하기 N (셀 사이트 수)이다.


결국 전국망 구축 및 운용을 위한 CAPEX/OPEX가 치솟는 것이고 4G, 5G로 갈 수록 셀 사이즈는 점점 더 작아져 더 많은 수의 셀사이트를 구축, 운영해야 하는 데 이게 다 돈이고 이동통신 사업자로서는 큰 고민이다. 

 

먼저 LTE-A radio performance를 향상시키기 위해 X2 delay를 줄여주는 RAN 구조에 대해 살펴보자. 

 

 

2. 셀 간 간섭으로 인한 품질 및 망 성능 저하 문제 해결책: X2 거리 줄이기

3. 셀 사이트 구축 및 운용 비용 문제 해결책: BBU Centralization (C-RAN)

 

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대학원생 2014-04-12 14:10:25
셀반경이 줄어들면 간섭의 총량이 증가하는건 맞지만 신호도 같이 증가하기때문에 셀당 평균 수율은 그대로 유지됩니다.위 글에서 셀분포는 J. Andrews 논문에서 발췌하신것 같은데 그논문에서도 셀이 작아진다고 간섭에 의해 성능이 떨어지는것은 아니라고 말하고 있습니다. 즉 셀간 간섭문제가 셀이 작아진다고 더 심각해 지는것은 아닙니다.
기즈모 2014-04-14 09:46:46
셀의 수가 적을때에는 셀간섭이 심해지지 않을수도 있지만 간섭을 주는 셀의 수가 많아질수도록 간섭 문제는 더 심해진다고 볼수 있지 않을까요?
대학원생 2014-04-14 17:24:35
간섭이 왜 문제가 되는지를 생각해 볼 필요가 있을 것 같습니다. 일반적으로 간섭이 증가하면 단말의 수율도 감소하므로 셀 당 수율이 감소하게 됩니다. 그런데, 여기서 간섭이 증가한다는 가정에는 신호세기가 일정하다는 것을 포함하고 있습니다. 위에서 처럼 셀의 크기가 작아지면 특정 단말에서 간섭원까지의 거리가 감소하여 간섭량이 증가하는것은 맞습니다만, 서빙 기지국까지의 거리도 같이 감소하여 신호도 같이 증가하기 때문에 신호대 간섭비(SIR 또는 SINR)의 분포가 그대로 유지됩니다. SINR의 분포가 그대로면 셀 평균 수율이나 하위 5%사용자 수율도 그대로 유지되므로 단순히 셀의 크기가 작아진다고 해서 '간섭에 따른 문제'가 더 심각해 지는 것은 아니라는 것을 말씀드리고 싶었습니다.
박문기 2014-04-14 19:58:47
통찰력들이 돋보입니다. 잘 읽고 갑니다.
aya 2014-04-23 17:23:45
대학원생님, cell edge 위치 단말 case를 고려해 주세요. 그 외 case는 대학원생님 말씀이 맞습니다만, cell edge 단말은 간섭 영향에 의한 thruput이 저하되며, smallcell 환경에서는 cell edge 단말 분포가 증가하므로 문제가 심화됩니다.
 2014-05-09 09:51:58
도심지의 경우 Power조절로 셀 크기를 작게 할 수는 있으나 디플로이가 어떻게 되느냐에 따라서 셀 간섭이 심화될 수 있다고 생각합니다. 셀 power를 낮춰 셀 크기를 작게 하면 단말이 느끼는 파워세기가 감소하기 때문에 가입자의 체감 품질도 좋지 않겠구요. power를 줄여서 셀 크기가 감소하는 것이 아니라 경계지역이 많아 지다보니 셀 크기가 감소한다는 것으로 이해했는데 이게 맞는지 싶네요. 도시에서는 기지국의 망용량 자체가 부족하기 때문에 이를 분산하기 위해 더 작은 셀로 디플로이 될 것 같아요.
곽권섭 2014-05-09 18:33:59
Coverage 와 Capacity를 동시에 충족시켜야 되는 가입자 분포도가 상당히 밀집되어 있는Urban / Dense-Urban환경에서의 LTE/LTE-A에 맞는 최적의 RAN Architecture는 C-RAN임에 틀림없습니다.
Capex/Opex 비용절감, latency, capacity 개선 및 기지국간의 X2 Delay time 최소화로 인한 eICIC performance 극대화 등 여러가지 장점이 있습니다.
제가 생각하는 최적의 LTE-A C-RAN Deployment 시나리오 및 발생되는 문제는 아래와 같습니다.

1. RF-ISSUE: 우선 'R8 & 'R9에서는 Channel B/W는 20Mhz로 제한되어 있어지만, 'R10에서는 100Mhz까지 eNB에서 지원가능합니다. 사업자 입장에서, 충분한 Channel B/W만 확보 할수 있으면 좋겠지만,
현실적으로 주파수 확보에 대한 많은 투자가 이루어 지어야 하기때문에, Carrier-Aggregation을 추후에도 지속적으로 활용할 수 밖에 없습니다.
하지만, LTE-A 에서는 Intra Frequency band 영역에서 충분한 channel B/W를 확보하여, Small cell 지역에서는 여러개의 작은 셀을 적절하게 하나의 PCI로 묶어 One-Cell로 운용하여,
Capacity 개선과 동시에 inter-cell interference 를 최소시키는 방법이 최선일 것입니다. 그리고, 짐 님께서는 언급하신, power는 기본적으로 small cell환경에서 서비스 하는 PICO 혹은
Femto 기지국은 Macro 기지국보다 출력을 적게 방사하도록 제한/권고 하고 있고, DL/UP Power control parameter tuning을 통하여, 충분히 보완 할 수 있습니다. 여러개의 small cell 들로 인해서 생기는 cell edge 환경은 앞서 언급한 Combined one-cell solution 및
C-RAN Architecture 환경에서 X2-Delay 최소화로 인한 eICIC performance 극대화, 기타 COMP같은 보다앞선 Feature를 지속적인 개발/보완시켜 interference를 최소화 나가야 합니다.
CA기술 같은 경우, 실제로 국내에서 Channel B/W를 확보하지 못한 상황에서, 초기에 10+10Mhz carrier aggregation 을 선보여 대단한 기술 인 것 처럼 서로 잘났다고, 쓸데없이 광고비 지출하고,
이후에 20Mhz 광대역이 나오니..더욱 더 대단한 것 처럼 또 광고하고..당연히 20Mhz광대역이 10+10Mhz CA보다 낫다는 것은 누구나 알고 있는 사실..서로 잘났다고 떠드는 쓸데없는 마케팅 광고비 투자 보다,
실질적인 망품질 개선에 더 많은 투자 및 개발하여, 국내의 사업자가 국내의 우물안 개구리의 마인드가 아닌, 세계에서 진정으로 인정받을수 있는 사업자가 될수 있기를 기원합니다.
특히, Inter band frequency carrier aggregation은 추후에도 불가피하게 사용해야 하는데, 보다 seamless한 기능이 제공되어야 할 것 같습니다.
곽권섭 2014-05-09 18:33:09
2. RAN-ISSUE: HENET,Small-Cell 과 융합된 Architecture는, 역시 C-RAN 이 최고 일 수 밖에 없습니다.
하지만, 말단 RU(RRH)와 C-RAN BBU 사이의 Fronthaul(이하.CPRI) 에서 발생될 수 있는 전송문제는 지속적으로 검증하여 보완해 나가야 될 것같습니다. 현재로써는 보다 빠른 Optic를 이용한다고 하더라도, 거리에따른
지연시간의 제약으로 약15km~20km 반경내에서 C-RAN을 구축 하는 것이 적절하고, 너무 많은 기지국을 집중화 시키는 것도 문제가 되고, Cloud server 또한 추후에 Traffic 증가로 인해, capacity를 더욱 개선 시켜야 하지 않을까 생각합니다.
특히, Fronthaul은 이전의 서비스 하고 있는 망(예. WCDMA망)을 고려하여야 하고, 사업자 마다 가지고 있는 Fronthaul에 대한 deployment 시나리오가 다르기 때문에, 이로 인한 사업자마다 각기다른 performance 차이가 발생할 수 있습니다.
그리고, 특히 인빌딩의 Small cell(Femto 포함)환경에서 HENET에서 빠질수 없는 이종망 간의 Mobility (WCDMA/LTE <-> WiFi)는 예전부터 고려가 되었지만, 이제부터 본격적으로 사업자나 vendor에서는 어떻게 deploy하고 개발/개선 시켜야 할지 고민하여 해결해야 할 숙제일 것입니다.
또한, 인빌딩 환경에서는 Capacity가 절대 요구되는데 small cell mobile telecom 기지국에서 호용량에 문제가 있을시, CAC기능을 응용하여, Mobilte telecom 망내의 기지국에서 WiFi로 천이하여 접속할수 있게끔 하고, 필요시 WiFi 호가 종료되면 LTE망으로 바로 Cell selection 할 수 있게 하다던지.. 또, WiFi 주파수 대역은 일반적으로 비허가 대역인데 이를 특정한 공공장소나 큰 빌딩에서는 임의의 주파수만 사용하여 WiFi에서 빈번하게 생기는 carrier간의 간섭도 고려 및 해결이 되어져야 할 것 같습니다.
엘튀 2014-06-09 17:58:30

LTE/LTE-A에서 여러가지 기술이 연구되고, 여러가지 RAN 구조에 대해서도 연구되고 있으나....

셀간 간섭 완화 기술의 끝판왕격인 CoMP 조차도 cell edge 성능 1~2dB 개선의 효과가 있을 것으로 예상됩니다.

여전히 Link Adaptation이나, 안테나 틸트 등의 전통적인 최적화 작업이 중요한 이유입니다.

 

그리고, CoMP보단 음영지역에 세컨 케리어 스몰셀을 구축하는 방식이 더욱 효율적일 수 있다는 생각도 해봅니다. 장비 투자, 구축, 운영, 효율, 용량 커버리지 등 다각적인 면에서 고려해봐도....

곽권섭 2014-06-20 18:05:57

안녕하세요. 제 개인적인 답변을 추가합니다.

특정한 Feature하나로 물리적인 최적화 작업없이 모든 Macro/Small cell edge영역에서 SINR 2~3dB만 개선되더라도 엄청난 효과입니다. SINR 2~3dB차이에 Modulation scheme이 바뀌어 Throughput을 개선 시킬수 있기 때문입니다. 언급하신 전통적인 최적화 작업은 여전히 중요한 작업임에는 틀림없지만, 최근 들어서는 Tilt 작업도 RET(Remote Electrical Tilt)기능을 이용하여, 사무실에서 손가락하나로 Tilt를 조정하는 세상이 되었습니다. 각기 벤더사에서 자사들의 Technical roadmap에 의해서 여러가지 S/W나, 더나은 기능의 feature를 지속적으로 개선/개발 시키는 것에 더많은 투자를 하는 이유가 이러한 이유 때문이라고 생각하고 있습니다. LTE-Network에서의 small cell이 필요한 이유는 음영지역의 단순한 coverage개선 보다는 capacity 분산 과 coverage 개선을 동시에 개선 시키는 것이 주 목적입니다. 만약 음영지역 개선이 주 목적이었다면 기존의 저렴한 Reapeter 형태의 솔루션이 활용될 수도 있었을 테지만, 이로 인해서 생기는 Capacity 문제 및 여러가지 RF(Multi-path delay및 UL-interference등) 문제가 발생 되겠죠?

그리고, 언급하신 데로 국내의 Small-Cell Deployment 초기 시나리오는 secondary priority carrier에 small cell을 활용 하는 사업자가 대다수 인 것으로 이해하고 있습니다. Inter-Band non contiguous CA를 추가 활용하여 eNB에서 가입자에게 더많은 RB를 할당하여, Throughput개선 시킬수는 있겠지만, Inter Frequency-CA 접속시에 생기는 Delay 및 Multil-Carrier운용으로 인하여 생기는 구축 측면에서의 문제는 RU추가, Antenna 신설 혹은 Multiple Band지원되는 Antenna를 활용한다고 하더라도, 여러개의 다른 주파수 특성 차이로 인한 각기 주파수의 penetration 차이로 인한 운용문제, 이로 인해서 추가 RF-Design/Optimization 필수 수행되어야 합니다. 그리고, Inter Frequency Mobility 환경 및 Inter System Mobility환경까지 반드시 고려해여야 합니다.

이로 인해서, 망을 운용하는 회사는 CAPEX/OPEX가 상승 될수 밖에 없습니다. 망을 운영하는 국내의 회사들이 결코 좋은 전략을 가지고 있다고는 생각하지 않은 이유가 이 점 때문입니다. 기존의 개발된 기능을 가지고, 다른 국가보다 최대한 빨리 적용 시킴으로써 Reference가 없어, 잦은 삽질로 인하여, 상용에 어렵게 성공한 다음, "최초"라는 타이틀로 가입자를 현혹 시키는 광고를 잘 할수는 있겠지만, 이러한 Reference 들의 실질적인 이윤은 결국 장비를 개발한 벤더사나 원천적인 기술을 가지고 있는 회사로 돌아가는 것이고, 결국은 다른나라에서 이런 Reference를 활용하는 것이 현실입니다. 실 예로 CDMA를 세계무대에 성공적으로 "최초 상용" 시켰지만, 이로 인하여 득을 본 것은 일개 중소기업에 불과했던 Qualcomm이라는 회사를 글로벌 회사로 성장할 수 있는 발판을 만들어 줬을 뿐입니다. 정말 쓸만한 원척적인 기술을 가진 국내의 경쟁력 있는 회사를 더욱 더 키워서 국내의 망을 운영하는 덩치 큰 회사가 국내의 작지만 강력한 기술력을 가진 회사들 과 제휴해서, 해외에서 수준높은 컨설팅을 수행 및 Global Market을 더욱 확장시켜야 나가야 하는데 ..많이 아쉬운 부분입니다.

결론은, 윗글에서 언급한 내용대로 다수의 좁은 대역폭의 Multi-Carrier운용보다는 LTE-A Network 에서 만큼은 Intra-Frequency 영역에서 최대한 더 넓은 폭의 Channel B/W를 최대한 확보하여, 커버리지 반경이 적은 Femto-cell지역에서는 combined one cell solution 및 C-RAN을 활용한 Small cell 과 Macro cell 혼합지역에서의 Henet 망에서 자원을 극대화 시키고, 가입자 수의 Traffic-Volume을 감안하여, 다수의 Multi-Carrier운용 보다는 2~3개 정도의 적정한 Carrier 로 운용하는 것이 더 나은 솔루션일 것입니다.

2020년 2020-06-14 22:24:38

세월이 증명함.. 지금은 2020

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