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5G 시대, 모바일 네트워크 구조의 변화는? - RAN과 Core의 변화
5G Network Architecture - New C-RAN Architecture and Distributed 5G Core
October 02, 2015 | By 손장우, 도미선 @ Netmanias (tech@netmanias.com)
코멘트 (8)
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  손장우 (Harrison J. Son)

  넷매니아즈 | (주)엔앰씨컨팅그룹 대표이사

  son@netmanias.com

 

4G LTE 시대에 모바일 네트워크 구조에 관해 글은 쓴 게 작년 4월인데, 벌써 '5G 시대의 모바일 네트워크 구조'에 관해 얘기하게 되었네요.

 

3G에서 4G로 넘어갈 때는 1) 커버리지 기반 망설계에서 용량 기반 망설계로, 2) 3G에 없던 X2 인터페이스가 모바일 망 구조 설계에 큰 변화를 주었다. 데이터 속도와 망용량을 높이기 위해 셀사이즈가 작아지고, 작아진 셀간에 효과적인 간섭 제어를 위해 C-RAN이 도입되고, 셀간 간섭 제어 데이터가 다니는 X2 인터페이스의 delay를 최소화하기 위해 P2P (Point-to-Point) 백홀망이 IP 라우팅망으로 변화했다. 

 

5G망은 2020년 상용화될 것이라고 예측되고 있고 우리나라는 2018년에 시범 서비스를 제공할 예정이다. 

 

많은 사람들이 이야기하길 5G 망의 현재 4G망과 다른 점으로,

• 엄청 빠른 Radio 속도 (20Gbps/단말) - New RAT, mmWave, massive MIMO, massive aggregation

엄청 빠른 응답시간 (< 수 msec) - Tectile Internet, autonomous driving, remote controlled machine

엄청 많아진 단말 수 (수억개 IoT 단말들)

를 이야기 한다.

 

또 5G의 대표적인 use case로  ITU-R과 3GPP에서는 Mobile broadband (단말 속도 최대 20Gbps), massive IoT(센서같은 무지 많은 IoT 디바이스의 5G 접속), mission-critical IoT (고신뢰성 저지연 통신: Ultra-reliable and low latency communications)를 들고 있다.

 

이와 같이 현재의 4G보다 한 차원 높은 기술적 요구사항과 목적 서비스를 가진 5G가 도래하면 모바일 네트워크 구조에 어떤 변화를 초래할까?

 

1. 엄청 빨라지는 Radio 속도 -> RAN 구조의 변화 (New C-RAN/Fronthaul)

 

현재 국내의 4G망의 RAN 구조는 3사 모두 C-RAN으로 기지국이 BBU와 RRH로 나누어져 있고, BBU는 국사나 마스터 셀사이트에 모아져 있고 RRH는 셀사이트에 위치하고 있다. 이격된 BBU와 RRH는 CRPI 인터페이스로 연결되는 데(BBU-CPRI port - RRH), CPRI port 하나가 하나의 RRH에 연결되어 있다. 현재 RRH는 안테나가 2개 (2T2R)이고, LTE 대역폭이 20MHz이므로 CPRI 인터페이스 용량은 2.45Gbps이다.

 

향후 Massive MIMO가 적용되면, 예를 들어 대역폭이 20MHz이고 RRH의 안테나 수가 16개라고 하면, BBU와 하나의 RRH(셀)간에는 19.66Gbps의 용량이 필요하다. 또 New RAT로 가게 되면 BW가 4G LTE의 20MHz가 아닌 100MHz, 400MHz...로 확 넓어져 결국 RRH당 수십에서 수백 Gbps의 CPRI 용량이 필요하게 된다. 셀사이트당 용량까지 생각해보면 셀사이트는 Multi-sector일 것이고 CA (Carrier Aggregation)까지 할 것이므로 수 Tbps에 이를 것이다.  

 

 

5G 시대에는 현재의 C-RAN/Fronthaul 구조로는 감당할 수가 없으며 (한 CPRI 포트의  최대 전송 용량은 10Gbps이다), 이를 극복하기 위해 BBU와 RRH의 기능을 지금과 다르게 분리(최소한 PHY는 RRH로 내려가는 - 따라서 전송 용량이 대폭 주는)하여 Circuit fronthaul (CPRI)가 아닌 Packet fronthaul (Ethernet)로 인터페이스를 바꾸는 방안이 국내외에서 검토되고 있다.

 

즉, 5G 시대가 되면 새로이 정의된 BBU'와 RRH'가 필요하게 되며, Fronthaul도 패킷 프론트홀로 새로 구축될 것이다. 여러 가지 기능 분리 방안들이 제시되고 있고 각 방안별로 프론트홀 대역폭 감소, CoMP 효과, RAN 가상화 이득 등 trade-off가 있으며, 현재 국내외 통신사업자들이 Nokia 등 RAN 벤더들의 장비로 여러 구조들을 테스트하고 있다.

 

광케이블 기반으로 CPRI Fronthaul을 구축하여 C-RAN을 구축한 국내의 경우는 이 Fronthaul로 초대용량화되는 I/Q bit streams을 나를 수 없어 RRH에 PHY를 내려 BBU와 RRH간의 트래픽 용량을 대폭 줄이려는 의도이고, 광케이블 풍부하지 못해 C-RAN을 구축하지 못하고 있는 해외에서는 아예 C-RAN을 Dedicated Fiber가 아닌 패킷 스위칭망으로 프론트홀을 구축하려는 의도이다.

 

국내외 사업자들의 C-RAN/Fronthaul에서 BBU와 RRH의 기능 재정의 검토 현황

이 자료는 여기서 다운로드 받으세요.

 

다음은 5G Core의 변화에 관해 살펴보자.

 

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전진서 2015-10-07 20:20:54

유익한 정보 감사합니다.

Nicholas 2015-10-13 13:56:15

안그래도 5G에 대한 이해가 필요했었는데, 정보 너무 감사드립니다.

Question 2015-10-15 11:47:02

CPRI를 Ethernet 기반으로 변경하고, RRH에 PHY를 내려도 어차피 모든 데이터는 BBU를 거쳐가야 하는것은 동일하지 않나요? RRH와 BBU간 시그널링 트래픽은 소수일테고, 실질적으로는 유저 데이터가 대부분일텐데. 어떻게 트래픽을 대폭 줄일수 있다는건지 이해가 되질 않습니다.

Netmanias 2015-10-15 16:29:54

PHY가 BBU에 있으면 BBU와 RRH 간에는 CPRI 인터페이스를 통해 IQ data가 전송됩니다. IQ data는 baseband 신호를 sampling하여 디지털화한 것으로, data 량이 PHY 상위계층 (예: MAC, RLC, PDCP, IP 계층)에서 전송되는 data량에 비해 훨씬 큽니다.


예를 들어, 채널대역폭 20 MHz, 2x2 MIMO 인 경우 IP rate은 150 Mbps인데 비해 CPRI rate은 2.5 Gbps 정도가 됩니다 (17배 정도 많아지지요, Netmanias 블로그를 참고하세요: C-RAN에서 DU와 RU간에 왜 초고용량 전송링크가 필요한가?).


IP 패킷이 150 Mbps인 경우 MAC 계층에서의 rate은 IQ data에 비하면 조금만 늘어납니다.


따라서 PHY부분이 RRH가 있는 셀 사이트로 내려가면, BBU (baseband 부분이 내려가면 이름이 바뀔수도..)와 RRH를 연결하는 fronthaul 구간에 전송되는 트래픽 량이 대폭 줄어들게 됩니다.  



Netmanias 2015-11-19 19:11:54

아래 그림은 올해 10월에 BT가 발표한 자료입니다. 참고하세요.

 

 

 

 

궁금이 2015-10-15 13:09:52

항상 좋은 글 감사합니다. 

4G/5G 기지국의 백홀 용량에 대해 궁금한 점이 있는데요. 위 글에서 백홀 용량의 계산 예(600Tbps (=20Gbps/sector x 3-sector x 10,000 sites))를 보여 주셨는데, 각 섹터별 속도가 모두 백홀 용량을 잡아 먹는다고 가정하신 건가요? 통상, 백홀 속도와 무선 섹터 속도간의 일정의 비율이 있지 않을 까요? 궁금합니다.  

Netmanias 2015-10-15 14:21:48

설명의 편의를 위해 무선 구간의 최대 속도의 합을 모두 지탱할 수 있도록 백홀 용량을 계산했는 데, 예를 들기 위함이지, 실제로는 이보다 작게 산정합니다. 돈 때문이지요. 그 비율은 사업자마다 다릅니다.

주영 2016-01-05 15:08:55

잘보고갑니다~

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