5G 핵심성과지표 충족을 위한 과제: 5G 백홀

IMT 2020 표준으로 설정된 KPI(핵심성과지표)를 달성하기 위해 많은 고급 프로토콜, 무선 기술 및 인프라 기능이 활용되고 있습니다. 이 문서에서는 5G 백홀에 대해 그리고 gNB 유형 및 백홀 기술을 통해 지연 시간 및 처리량 요구를 달성하는 방법을 자세히 살펴봅니다.

5G의 핵심

가장 기본적인 형태로 봤을 때 5G의 목적은 명백한 장애 요소들에도 불구하고 사용자에게 끊임 없이 연결되는 모습을 제공하는 것입니다. 이러한 장애 요소는 시나리오에 따라 달라질 수 있으며, 도시 환경의 경우에는 사용 중인 스펙트럼 내의 정체 및 간섭을 의미할 수 있습니다. 교외 환경의 경우에는 지역 기지국에 대한 연결 능력 부재로 인한 일반적인 액세스 손실을 의미할 수 있습니다. 또한 HD 비디오, AR/VR(증강/가상 현실), 자율 주행, TI(촉각 인터넷) 사용 등 스트리밍 데이터 소모가 매우 큰 애플리케이션으로 인한 연결 속도 저하를 의미할 수도 있습니다. 또한 문제 없이 모든 기기를 추적/모니터링하기 위해 수천 개의 센서로부터 데이터를 수신해야 하는 산업용 애플리케이션도 이러한 사용 사례에 포함될 수 있습니다.

이 모든 시나리오는 기지국 아키텍처, 백홀 및 스펙트럼 사용 등에서 저마다 고려해야 할 디자인 요소가 다릅니다. 따라서 5G 핵심 성능 파라미터와 관련해서 많은 발전된 디자인 파라미터 및 표준이 출시되었습니다. KPI는 각각의 5G 사용 사례에 대한 규범 및 상한을 형성합니다. 이러한 사용 사례는 일반적으로 다음과 같이 정의됩니다.

• • eMBB(Enhanced Mobile Broadband)
• • uRLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communications)
• • mMTC(Massive Machine Type Communications)

모든 다양한 스트리밍 유형(예: 오디오, 웹 브라우징, 소셜 미디어, 소프트웨어 다운로드 등) 중에서 비디오 스트리밍은 2024년까지 모바일 데이터 트래픽의 74%를 차지할 것으로 예상됩니다^[1]. 또한 2023년까지 전 세계 인구의 70%가 모바일 연결을 이용할 것이며, 네트워크에 연결된 기기의 수가 2018년보다 60% 더 많아진 약 300억 개에 달할 것으로 예상됩니다^[2]. 따라서 eMBB 사용 사례는 높은 용량에도 불구하고 고속 데이터를 충족시키기 위한 방향으로 발전하고 있습니다.

반면에 mMTC의 경우에는 일반적으로 대량의 데이터를 전송/수신하지 않는 수백억 개의 기기가 동시에 연결되어 비교적 낮은 처리량을 지원합니다. 이것은 연결된 형태의 IoT(사물인터넷) 기기의 증가 때문입니다. 2030년에는 IoT를 지원하는 기기 수가 약 500억 개에 달할 것으로 예상됩니다^[3]. 그 이름에서도 쉽게 알 수 있듯이 uRLLC 시나리오는 낮은 지연 시간의 안정적인 통신이 필요합니다. 예를 들어 통신 지연 또는 다운타임으로 인해 공장 다운타임, 기기 손상 또는 생명 손실 등의 위험이 발생할 수 있는 의료/웨어러블, 미션 크리티컬(군사용), 공중 안전, 공장 자동화 애플리케이션 등에 적용됩니다.

핵심성과지표 충족

IMT-2020(International Mobile Telecommunications-2020)은 5G 네트워크에 대한 요구사항을 표준화하며, 2015년 ITU(International Telecommunication Union)에서 제정되었습니다. 하지만 이것은 ITU와 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에 포함된 다른 주요 이동통신 표준 기구들 간의 협력의 결과로 나타났습니다. 2020년 7월 ITU는 IMT 2020 표준의 기술적 요구사항을 쉽게 충족할 수 있도록 3GPP 5G(릴리스 15 및 16)가 5G 단계 1 및 단계 2 요구사항을 모두 이행하도록 결론을 내렸습니다^[4]. IMT 2020으로 설정된 5G에 대한 일반 KPI는 그림 1을 참조하십시오.

그림 1: 5G 요구. 

지금까지 5G KPI를 충족시키기 위해 많은 기술적 요소들이 발전되었고 중요한 순간들이 존재했습니다. 그림 2에서는 몇 가지 발전된 3GPP 요소와 함께 여러 무선 및 시스템 특성이 모든 수직 산업의 요구를 어떻게 충족시키는지와 세 가지 주요 사용 사례를 보여줍니다.

그림 2: 3GPP Rel-16을 통한 수직 산업 통합^[4]. [이미지 출처: ITU]

5G 핵심 지원 기술

대량 MIMI 및 밀리미터파 스펙트럼 사용을 비롯하여 여러 사용 사례에서 5G KPI를 지원하는 몇 가지 중요한 기술적 "기둥"이 존재합니다. 또한 비자립형(NSA) 5G에서 5G NR(New Radio)을 사용한 현재 4G 인프라의 증강은 궁극적으로 진정한 5G를 충족시키기 위한 핵심 단계입니다. 이러한 기술 및 5G 인프라에서의 구현 방식에 대한 논의는 이 문서의 범위를 크게 벗어납니다. 하지만 5GC에 대한 여러 5G gNB 연결은 처리량, 지연 시간, 스펙트럼 효율 요구를 충족시키는 데 있어서 한 가지 핵심적인 과제입니다. 여기에서 바로 5G 백홀 아키텍처가 중요한 역할을 담당합니다. 백홀 구조 유형은 여러 파라미터에 따라 크게 달라집니다. 그림 3에서는 6가지 주요 사용 사례(밀집 도시, 브로드밴드, 연결 차량, 스마트 사무실, IoT, TI)를 분류하기 위해 기본 KPI를 수식하도록 5G-PPP(5G Infrastructure Public Private Partnership)에서 사용되는 몇 가지 기본 범위를 보여줍니다^[5].

그림 3: 여러 5G 사용 사례에 관해 고려해야 할 파라미터^[5]. 

5G 백홀 작동 방식: 기능적 분할

3GPP NG-RAN(Next Generation Radio Access Network) 아키텍처는 5G NR 기지국(gNB)에서 CU(중앙 장치)와 하나 이상의 DU(분산 장치) 사이에 분할된 기능이 사용되고 개별적인 RU(무선 장치)가 추가될 수 있는 분산 형태의 네트워크 토폴로지입니다.

일반적으로 CU가 비실시간 프로토콜을 처리하고 DU는 특정 애플리케이션의 낮은 지연 시간 요구를 충족시키기 위해 PHY 수준 프로토콜 및 실시간 서비스를 처리합니다. 구축 시나리오는 기지국 및 MNO(Mobile Network Operator) 유형에 따라 달라집니다. 각각의 경우마다 프론트홀, 미드홀 및 백홀 네트워크가 달라집니다. 표 1에서는 RAM 구축 시나리오의 여러 토폴로지를 보여줍니다. 이러한 각 사례마다 프론트홀 또는 미드홀 네트워크 사용이 유형 구축에 따라 달라집니다. 예를 들어 핫스팟 또는 소형 셀은 통합 RU, DU 및 CU를 포함할 수 있고, 프론트홀 또는 미드홀 없이 5GC에 대해 백홀만 존재할 수 있습니다.                                        

표 1: RAN 구축 시나리오 

그림 4에 표시된 것처럼 gNB 내의 기능 분할은 네트워킹 시스템 내의 기능 계층을 표시하는 모델인 OSI(Open Systems Interconnection) 모델 내의 LLS(Low Layer Split) 또는 HLS(High Layer Split) 중 하나일 수 있습니다. HLS는 일반적으로 LLS에 비해 낮은 지연 시간과 높은 처리량 통신을 허용합니다. PHY 내부 분할 또는 물리적 계층 내부의 기능 분할은 CA(Carrier Aggregation), MIMO(Network Multiple Input Multiple Output), CoMP(Coordinated Multipoint) 및 DC(Dual-Connectivity)와 같이 NR 기능을 지원하는 이점이 있습니다. 기존에 CPRI 프로토콜은 BBU(Baseband Unit) 및 RRH(Remote Radio Head) 사이의 통신을 지원하기 위해 사용되었습니다. 하지만 CPRI가 PHY 내부 분할을 지원하는 gNB로 확장되지 않기 때문에 프론트홀의 기능 분해를 지원하기 위해 eCPRI(enhanced CPRI) 프로토콜이 표준화되었습니다.

그림 4: (a) 높은 계층 분할, (b) 낮은 계층 분할, (c) 계단식 분할을 사용한 CU 및 DU 기능 사이의 분할 지점^[6]. [이미지 출처: ITU]

물리적 계층에서 이러한 기능 분할을 위해서는 지연 시간 요구를 매우 엄격하게 적용하기 위해 상위 계층에서의 조정이 필요합니다. 예를 들어 3GPP는 TAE(Time Alignment Error)에 대한 한계를 설정합니다. 이러한 한계는 복사 도메인에서 이러한 신호 프레임이 시간 내에 완벽하게 조정되지 않기 때문에 이러한 NR 신호에 대해 수백 나노초 단위로 특정 구성/전송 모드에 대해 2개의 NR 신호 간에 가장 큰 타이밍 차이라고 볼 수 있습니다^[7]. 이를 위해서는 엔드투엔드 통기화 시간이 1.5 µs이고 통신의 최대 단방향 프레임 지연이 25 µs(uRLLC)까지 낮아질 수 있도록 높은 동기화 수준이 필요합니다^[8].

표 2에서는 3GPP 표준에 나열된 운영자 입력을 기준으로 한 여러 유형의 백홀에 대한 단방향 지연 시간은 물론 GHz 미만 및 mmW 주파수 단위의 무선 백홀을 보여줍니다^[9]. MAC에 배치된 HARQ(하이브리드 ARQ) 프로세스는 낮은 지연 시간 요구를 충족시키기 위해 5G에 사용되었습니다. 이 프로세스에는 CU와 DU 사이의 40 km 광섬유 거리에 따라 5 ms의 라운드 트립 시간이 필요합니다.^[10]. 즉, 소형 셀 사이는 물론 소형 셀과 매크로 셀 사이의 동기화 및 비동기화 신호를 모두 포함하는 다양한 NR 신호 및 사용 시나리오가 존재합니다. 그에 따라 다양한 xhaul을 통해 동기화된 방식의 소형 셀 클러스터 구축 및 통신 조정을 통해 간섭 조정, CA, CoMP와 같은 작업을 활용하는 소형 셀 및 매크로 셀을 향상시킬 수 있습니다. 이를 위해서는 CU, DU 및 RU 사이에 특정 gNB 배열이 필요하며, 적절한 백홀 백본(광섬유 또는 무선)은 물론 특정 기능 분해가 필요합니다.

표 2: 백홀 기술 및 해당 단방향 지연 시간 및 처리량^[9]. 

백홀 기술의 선택: 광섬유 또는 무선

끊임 없는 연결 목표를 달성하기 위해 5G에 다양한 무선 기술 및 스펙트럼 공간이 사용되는 것처럼 프론트홀, 미드홀 및 백홀의 인프라도 유선 및 무선 기술 간에 유연하게 적용됩니다. 영역 및 사용 시나리오에 따라 알려진 사이트 구성과 사용되는 gNB 유형이 존재합니다. 표 3에 표시된 것처럼 gNB가 mmW 스펙트럼, 5G MIMO를 사용하거나 eNB일 수도 있는 소형 셀 또는 매크로 셀 간에 달라질 수 있습니다^[11][12]. 밀집 도시 환경은 낮은 지연 시간 통신을 위해 짧은 송신 거리로 5GC에 대한 광섬유 액세스를 사용하는 대량의 소형 셀 인프라를 통해 높은 용량 목표를 달성할 수 있습니다. 교외 및 지방 환경은 주로 액세스 가능성 문제가 있습니다. 이 경우에는 무선 백홀, 매크로 셀 및 비교적 최근에는 GEO(Geosynchronous Orbiting), HTS(High Throughput Satellite) 또는 LEO(Low Earth Orbiting) 위상을 사용하는 위성 백홀을 통해 높은 데이터 속도를 달성할 수 있습니다.

표 3: 여러 서비스 영역 및 해당 파라미터^[11][12]. 

어느 경우에든 5G에는 대규모 광섬유 설비 증가와 함께 마이크로파 및 밀리미터파 백홀이 선택적으로 요구됩니다. ABI 연구에 따르면 2025년까지 매크로 셀에 대한 백홀 링크가 39.6% 증가하고, 마이크로파 백홀은 시장의 45.1%를 차지할 것으로 예상됩니다. 세 번째로 가장 크게 예상되는 백홀 기술은 6.1%를 차지하는 밀리미터파 백홀입니다. 광섬유 구축은 초기 5G 단계에서 시간과 비용이 많이 드는 과정입니다. 따라서 3GPP 릴리스 16 표준의 일부로 IAB(Integrated Access Backhaul)가 지정되었습니다. 이 유형의 백홀은 기존의 gNB(예: 소형 셀, 고정 무선 터미널, 매크로 셀 등)를 사용하여 동일하거나 다른 주파수 대역을 사용해서 일련의 홉을 통해 신호를 백홀합니다.

백홀을 통한 5G의 지연 시간, 처리량, 거리 요구 충족

방대한 거리 및/또는 신호 장애 요소에도 5G 처리량 및 지연 시간 요구를 충족시키기 위해서는 광섬유 및 무선 xhaul을 신중하게 사용해야 합니다. 이 복잡한 문제는 IAB, 마이크로파 백홀, 밀리미터파 백홀, gNB에서의 LLS 또는 HLS를 위한 프론트홀 또는 미드홀(또는 둘 다) 옵션 등 다양한 기술 및 기법을 통해 해결될 수 있습니다.

일반적으로 밀집 도시 환경에는 백홀 및 연결을 위해 광섬유 소형 셀이 집중적으로 사용되고, 교외 환경은 밀리미터파 또는 마이크로파 무선 링크를 통한 무선 연결에 의존할 것입니다.

참조

1. https://www.ericsson.com/491e34/assets/local/mobility-report/documents/2018/ericsson-mobility-report-november-2018.pdf
2. Cisco. “Annual Internet Report (2018–2023) White Paper.” 2020년 3월.
3. https://www.statista.com/statistics/802690/worldwide-connected-devices-by-access-technology/
4. https://www.itu.int/en/ITU-T/Workshops-and-Seminars/201807/Documents/3_Erik_Guttman.pdf
5. 5G PPP, “Version 1: 5G PPP use cases and performance evaluation models.”
6. ITU-T GSTR-TN5G, “Transport network support IMT-2020/5G.” 2018년 2월.
7. 3GPP, “TS 38.104 V16.5.0:Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception.” 3GPP, 2020년 9월.
8. ITU-T G.8271, “Network Limits for Time Synchronization in Packet Networks,” International Telecommunications Union, 2017년 10월.
9. 3GPP, “TR 36.932 V16.0.0; Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN”, Tech. Rep., 3GPP, 2020년 7월.
10. L. M. P. Larsen, A. Checko and H. L. Christiansen, "A Survey of the Functional Splits Proposed for 5G Mobile Crosshaul Networks," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 1, pp. 146-172, Firstquarter 2019, doi: 10.1109/COMST.2018.2868805.
11.  3GPP, “TR 38.913 V16.0.0: Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies.” 3GPP, 2020년 7월.
12. https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/workshops/fsimt2020/Documents/2-Wireless%20X-Haul%20Requirements.pdf