문. 개방형 5G 프론트홀 기술 동향

토픽	개방형 5G 프론트홀 기술 동향
도메인	이동통신	중요도	중
참고문헌	이재승 외 2명, “개방형 5G 프론트홀 기술 동향”, 전자통신동향분석, 2022.06, pp1-10. 아주경제, “SK텔레콤 5G 기지국 유선망 '프런트홀' TTA 표준으로 확정”, (https://www.ajunews.com/view/20200617105432450)

 

문. 개방형 5G 프론트홀 기술 동향(2022.06.)

답.

1. 개요

<그림. 기존 C-RAN 구조의 한계>

  - 기존 4G에서 사용되면 C-RAN(Centralized RAN)구조는 PHY와 RF 사이를 나누는 기능 분할 옵션8을 기반으로 하고있으며, CPRI(Comon Public Radio Interface)기반의 프론트홀 인터페이스가 널리 사용됨

  - 5G에서는 더 넚은 대역폭, mmWave, Massive MIMO 지원 등을 통해 기존 4G에 비해 데이터 전송률이 대폭 향상됨

  - 따라서 상위에서의 기능 분할 옵션을 기반으로 한 RAN 구조를 고려해야함

 

2. 프론트홀 기능 분할 옵션

구 분	설 명
옵션1	- RRC와 PDCP 사이의 분할
옵션2	- PDCP와 High-RLC 사이의 분할
옵션3	- High-RLC와 Low-RLC 사이의 분할 - Intra-RLC 분할
옵션4	- Low-RLC와 High-MAC 사이의 분할
옵션5	- High-MAC과 Low-MAC 사이의 분할 - Intra-MAC 분할
옵션6	- Low-MAC과 High-PHY 사이의 분할
옵션7	- High-PHY와 Low-PHY 사이의 분할 - Intra-PHY 분할
옵션8	- Low-PHY와 RF사이의 분할

  - 하위 계층 분할에서 상위 계층 분할로 갈수록 프론트홀에 대한 대역폭 요구사항은 완화됨

  - 제어 신호 전달 오버헤드가 커지고 RU(Radio Unit)의 구현 복잡도 및 처리 부담이 커지며, 새로운 기능 추가 및 확장 시 DU(Distributed Unit)뿐만 아니라 RU도 업그레이드 필요

  - 3GPP의 하위 계층 분할은 옵션6과 옵션7, 옵션8이 있으며 어느 옵션을 선택할지는 3GPP내에서 결정되지 않았음

 

3. 프론트홀 관련 주요 표준 기술

가. CPRI(Common Public Radio Interface)

<그림. CPRI 프로토콜 스택>

구 분	설 명
개념	- DU(Digital Unit)와 RU(Radio Unit)사이의 주요 신호 연동 인터페이스 규격 - 기존 4G의 C-RAN 구조에서는 기능 분할 옵션8 형태로 CPRI기반의 프론트홀 인터페이스를 주소 사용함
포럼	- 에릭슨, 화웨이, NEC, 노텔, 알카텔루슨트, 노키아 등
특징	- 안테나 시그널이 TDM방식 사용 - Point-to-Point 구조 지원 - CPRI 인터페이스를 통해 사용자 평면 데이터, CPRI 제어 및 관리 데이터, 동기 정보 등을 교환 - 사용자 평면 데이터: 베이스밴드 디지털 IQ 스트림 형태로 전송 - 제어 및 관리데이터: CPRI Basic Frame 내의 Control Word로 전송 - 벤더 종속성 심함

 

나. eCPRI(enhanced Common Public Radio Interface)

<그림. eCPRI 프로토콜 스택>

구 분	설 명
개념	- CPRI와는 다르게 UDP/IP, 이더넷 등 패킷 전송망을 기반으로 함
포럼	- 에릭슨, 화웨이, NEC, 노키아 등
특징	- 사용자 평면 데이터(IQ 데이터, 비트 시퀀스 등), 실시간 제어 정보 등을 전당 가능 - 동기화 제어 및 관리, 연결 유지 등에 대한 프로토콜은 기존의 PTP(Precision Time Protocol), SyncE(Synchronous Ethernet), SNMP, 이더넷 OAM(Operations, Administration, and Maintenance) 등을 사용 - 다양한 PHY 기능 분할 옵션 지원(6, 7-2, 7-3, 8 등) - 데이터 포맷에 벤더 종속성 심함

 

다. O-RAN 프론트홀 인터페이스

<그림. O-RAN 프로토콜 스택>

구 분	설 명
개념	- 5G 기술의 프론트홀 인터페이스에 대한 높은 전송률 요구사항을 완화하고 멀티 벤더간의 호환성을 제공할 수 있는 개방형 프론트홀 인터페이스 - C-Plane(제어 평면) 및 U-Plane(사용자 평면) 메시지를 전송하기 위한 트랜스포트 프로토콜로 eCPRI를 강제적으로 사용함
특징	- eCPRI위에서 동작하는 O-RAN 프론트홀 인터페이스 C-Plane 및 U-Plane 프로토콜을 세부적으로 정의하여 멀티 벤더간 호환이 가능 - S-Plane(동기 평면), 개방형 M-Plane(관리 평면) 규격도 함께 제공 - S-Plane: PTP 및 SyncE 사용 - M-Plane: NETCONF(Network Configuration Protocol)기반으로 사용, SSH(Secure Shell), TLS(Transport Layer Security) 지원

 

4. O-RAN 프론트홀 기술 내용

가. O-RAN 구성요소

구 분	구성 기술	설 명
RIC	- RIC near-RT(Realtime) - RIC non-RT(Realtime)	- RAN Intelligent Controller - 데이터 수집과 분석을 기반으로 RAN 요소 (element)와 자원을 제어하고 최적화를 수행
O-CU	- RRC(Radio Resource Control) - SDAP(Service Data Adaption Protocol) - PDCP(Packet Data Convergence Protocol)	-O-RAN Centralized Unit - RRC 및 PDCP 계층을 실행하는 중앙 집중식 장치 - CU Control Plane과 CU User Plane로 구성 - 미드홀 인터페이스를 통해 여러 O-DU 작동을 제어
O-DU	- RLC - MAC - High PHY	- O-RAN Distributed Unit - O-RU 근처에 위치해서 RLC, MAC 및 PHY 계층 일부를 실행하는 분산 장치 - 다수의 O-RU를 제어
O-RU	- Digital Front End - RF Front End (RF FE) - Low PHY - Beamforming	- O-RAN Radio Unit - 안테나 근처에 위치하거나 혹은 통합 - 안테나에서 송수신되는 무선 신호를 프론트 홀을 통해 O-DU로 전송할 수 있는 디지털 신호로 변환

 

나. O-RAN 기능 분할 구조(옵션 7-2x 기반)

구 분	구성요소	설 명
다운링크	O-RU	- OFDM Phase 보상, IFFT 및 CP 추가, 디지털 빔포밍
	O-DU	- Resource Element Mapping, Layer Mapping - Modulation, Scrambling, Rate Matching - Coding
업링크	O-RU	- OFDM Phase 보상, FFT 및 CP 제거 - 디지털 빔포밍
	O-DU	- Resource Element Demapping, Layer Demapping - Demodulation, Descrambling, Rate Dematching - Decoding