5G Fixed Wireless Access (FWA)

고정 무선 액세스 (Fixed Wireless Access : FWA)는 두 고정 지점간의 무선 연결을 제공하는 방법입니다. 즉, 고정 무선은 연결을 제공하기 위해 광섬유 및 케이블을 배치하지 않고 가정이나 기업에 무선 인터넷 액세스를 제공하는 방법입니다. 네트워크 사업자는 광섬유를 설치하거나 광섬유 라인을 유지하는데 드는 비용이 엄청나게 비싼 교외 및 농촌 지역에 FWA를 통해 초고속 광대역을 제공할 수 있습니다. 특히 FWA 방법에 5G 통신을 사용하면 유용할 수 있습니다.

 

고정 무선 기술 (LTE, WiMAX 등)은 꽤 오랫동안 사용되어 왔습니다. 그러나 고정 광대역을 제공하는데 드는 비용과 복잡성은 고속 데이터 서비스의 출시에 지속적으로 어려움을 겪고 있습니다. WiMAX와 같은 기술은 완전히 새로운 인프라와 값비싼 전용 장비를 요구했기 때문에 대부분 실패했습니다. 4G/LTE 기술을 기반으로 한 FWA도 시도되었지만 이 기술은 스펙트럼적으로 비효율적이고 설치 비용이 많이 들고 유선 광대역 연결과 경쟁하는데 필요한 속도를 제공할 수 없습니다.

 

이런 이유로 5G 통신이 유용한 기술로 부각되고 있습니다. 5G FWA는 표준화된 3GPP 아키텍처와 일반 모바일 구성 요소를 사용하여 주거용 가입자와 기업 고객에게 초고속 광대역 서비스를 제공합니다. 밀리미터 파장의 New Radio를 특징으로 하는 5G FWA는 모든 시장에서 유선 DSL, 케이블 및 광섬유에 대한 경쟁력있는 대안을 제공할 수 있습니다. 이를 통해 교외 및 농촌 소비자는 고화질 스트리밍 서비스 및 고속 인터넷 액세스를 지원하는데 필요한 대역폭을 받을 수 있습니다.

 

차세대 5G 기반 고정 무선 기술은 기존 광섬유 기술 범위내에서 몇 Gbps 정도의 데이터 속도에 도달할 것으로 예상됩니다. 5G와 이전 기술간의 데이터 속도 향상의 큰 부분은 스펙트럼 용량 증가에서 비롯됩니다. 5G 고정 무선 네트워크는 더 넓은 스펙트럼을 쉽게 사용할 수 있는 mm-Wave 대역 (28GHz, 37GHz, 39GHz 등)을 활용할 것으로 예상됩니다. 스펙트럼 증가외에도 5G 네트워크는 이전 4G 제품과 비교할때 스펙트럼 효율성을 몇 배나 높이도록 설계되고 있습니다. Massive MIMO, 빔 포밍 및 빔 추적과 같은 고급 안테나 기술이 핵심 요소가 될것 입니다.

 

고정 무선 액세스가 직면한 주요 과제

 

mm-Wave 대역의 무선 전송은 본질적으로 손실이 있습니다. 또한 환경 변화 (단풍, 눈, 비 등)에 매우 민감합니다. 서비스 제공 업체는 가구당 인프라 비용을 증가시킬 수 있는 더 작은 셀 크기를 계획해야 합니다. 빔 포밍 및 대규모 MIMO 기술은 이러한 문제중 일부를 완화하기 위한 것입니다. 그러나 이러한 기술은 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

 

전파 손실이 높을수록 허용 가능한 링크를 유지하기 위해 더 높은 수준의 무선 전력을 방출하기 위해 고객의 가정용 게이트웨이가 필요합니다. RF 노출로부터 적절한 안전을 유지하기 위해 새로운 기술이 개발되어야 합니다.

 

지역 규제 기관은 지역 제한을 완화하여 운영자가 쉽게 무선 장치를 설치할 수 있도록 해야 합니다. 승인 기간이 길수록 비즈니스를 더욱 악화시킬 수 있습니다.

 

정부, 서비스 제공 업체, 장비 제조업체, 반도체 공급 업체는 모두 전세계적으로 조화된 스펙트럼 내에서 단일 5G 표준을 중심으로 통합해야 합니다. 표준화는 비용 절감에 도움이 되는 여러 공급 업체의 강력한 에코 시스템을 가능하게 합니다.

 

Frequency	FWA	Coverage	Throughput
700MHz	N	Excellent	Poor
3.4~3.8GHz	Y	Good	Good
24.25~27.5GHz	Y	Poor	Excellent

  

mmWave (millimeter Wave)

"밀리미터파"라고 하는 mmWave는 5G가 할 수 있는 것을 실제로 보여주는 단거리 고주파 네트워크 기술입니다. 더 많은 사람들을 위해 더 많은 데이터를 네트워크를 통해 전달할 수 있도록 더 새롭고 더 넓은 통로를 준비하기 위해 필요한 것인 mmWave입니다.

4G LTE 기술은 고속으로 데이터를 전달하며, 이를 통해 통신, 미디어 소비, 생활 관리, 심지어는 타고 다니는 방식을 크게 바꿔 놓았습니다. 그러나 기술이 발전함에 따라 기술을 활용하고 사용할 방법에 대한 기대도 높아졌습니다. 사회가 점점 더 디지털에 의존하게 됨에 따라 가상 현실이든 실시간 설계 프로그램이든 관계없이 미래의 더욱 데이터 집약적인 응용 프로그램의 요구는 데이터 흐름 방식을 근본적으로 재구성해야 합니다.

이를 위해 5G 네트워크는 더 높은 주파수, 특히 밀리미터파 스펙트럼으로 알려진 28 및 39GHz 주파수를 기반으로서비스를 준비해야 합니다. 이러한 주파수는 매우 빠른 속도로 지연 시간이나 지연이 거의없이 대량의 데이터를 전달할 수 있습니다. 따라서 모바일 우선 사용자, 커넥티드 홈, AR / VR 장치, 클라우드 게임 시스템, 자율 주행 차량, IoT 센서 및 기타 클라우드 연결 장치의 데이터 수요가 크게 증가하는데 적합합니다.

mmWave는 더 많은 대역폭을 제공합니다. 초고속 및 더 많은 용량으로 5G의 잠재력을 실현하기 위한 또 다른 단계입니다.

mmWave는 휴대 전화가 모바일 기지국과 통신하여 전화를 걸고 문자를 보내며 데이터를 빠르고 원활하게 실행하는 데 사용하는 주파수 유형에서 잘 알려진 이름에서 유래되었습니다.

mmWave 고주파수는 단거리에 걸쳐 많은 용량과 대역폭을 제공할 수 있는데, mmWave 셀은 기지국에서 수백 미터까지 신호를 전달합니다. 이는 쇼핑 센터와 같은 많은 사용자가 집중된 지역에 가장 적합합니다. 붐비는 도심 기차역과 경기장까지 모두 mmWave의 기능을 활용할 수 있습니다.

현재 5G에서 사용하는 주파수 대역은 Sub-6GHz 밴드로 한국의 경우 SKT는 3.6~3.7 GHz, KT는 3.5~3.6GHz, U+는 3.42~3.5GHz로 주파수 경매된 대역에서 서비스를 하고 있는데, mmWave 주파수 대역에서는 SKT 28.1~28.9GHz, KT 26.5~27.3GHz, U+ 27.3~28.1GHz로 보다 많은 대역으로 할당되어 있습니다. Sub-6GHz 대역에서는 3개사에 280MHz 대역폭이 할당되어 있으나, mmWave 대역에서는 2400MHz 대역폭이 할당되어 있어 진정한 5G 속도를 제공할 것으로 보입니다.

5G VoNR (Voice over New Radio)

VoLTE와 같은 새로운 음성 서비스를 계획, 테스트 및 상용화하는데도 몇년이 걸렸으며 5G VoNR도 비슷한 일정을 따를 것으로 생각합니다. 그리고 4G는 5G NR 구축의 기반이므로 VoLTE는 앞으로 5G 음성 솔루션으로 남아있을 것으로 기대합니다.

5G NSA (Non-Standalone)

옵션 3을 사용한 초기 5G 설치에서는 5G EPS에 RAN에 독립형 NR이 포함됩니다. 코어 네트워크 업그레이드없이 4G 음성 (VoLTE) 및 기타 IMS 서비스가 계속 사용됩니다. IMS가 업데이트된 RAN을 인식하지 못합니다. 모든 4G VoLTE 원칙이 유지됩니다.

5G SA (Standalone)

5G 독립형 NR 설치의 경우 SA2는 RNR에서 VoNR (Voice over NR) 및 VoNR->VoLTE 폴백을 음성 솔루션으로 정의했습니다.

옵션 2를 사용하는 5G 시스템 (5GS)은 RAN에 NR 독립형을 포함합니다. 적어도 처음에는 5G 시스템 (5GS)이 전체 네트워크 범위로 배포되지 않습니다. 따라서 5GS는 기존 4G VoLTE 구축에 긴밀하게 연결되어 전체 4G + 5G 네트워크에서 원활한 음성 서비스를 우수한 성능으로 제공해야 합니다.

EPC 폴백 (Fallback)

EPS 폴백은 5GS 초기에 사용됩니다. UE는 호 설정 동안 5G RAN에서 LTE로 폴백한다. 따라서 모든 음성 관련 기능은 5G RAN, 5GC 및 IMS에서 필요하며 NG-RAN을 통한 호출을 완전히 설정하는 데 필요한 기능은 제외됩니다.

Voice over NR (New Radio)은 5G New Radio에서 음성 통화를 할 수 있음을 의미합니다. 이를 위해서는 5G의 NR이 모든 음성 기능을 지원하고 음성 범위에 맞게 조정되어야 합니다. 5GS와 5G EPS 사이의 음성 호의 핸드 오버는 UE에 의해 제공된 측정보고에 기초하여 수행될 수 있습니다.

5G는 음성 솔루션을 위한 3단계

▶ 5G NSA 단계 : 5G 서비스가 시작되면 운영자는 기본적으로 5G NSA 가입자에게 VoLTE 서비스를 활성화해야 합니다.

▶ 5G SA 초기 단계 : 3GPP R-15에 정의된 대로 5G에서 2G / 3G 로의 CS 폴백은 지원되지 않습니다. 이는 음성 통화 설정 단계에서 5G SA 네트워크가 LTE 네트워크로의 음성 폴백을 위해 EPS FB (Evolved Packet System Fallback) 기술을 사용하여 VoLTE를 통한 연결을 완료해야함을 의미합니다.

▶ 5G SA 성숙 단계 : 5G SA에 대한 터미널 지원은 주류가 되어야 하며 기본 구성은 VoNR에 대한 것이어야 합니다 (기본적으로 ON으로 설정). 통화중에 사용자가 5G 서비스 범위를 벗어나면 PSHO (Packet Switched Handover) 기술을 사용하여 세션을 NR에서 LTE로 원활하게 전환하여 VoLTE가 음성 서비스를 인수할 수 있습니다. (이것은 4G의 SRVCC와 같지만 원리는 다릅니다.)

5G망에서의 Control and User Plane Separation (CUPS)

CUPS (Control and User Plane Separation)는 3GPP Release 14 규격의 Evolved Packet Core (EPC)를 위해 도입되었다.

전세계의 서비스 제공 업체는 비디오, 온라인 게임 및 소셜 미디어 서비스의 소비 증가로 인해 매년 모바일 데이터 증가가 급증하고 있습니다. 5G는 더 빠른 데이터 속도를 지원해야 할뿐만 아니라 고객의 네트워크 대기 시간을 줄여야 합니다. 네트워크 대기 시간은 고객 경험에 직접적인 영향을 미치며 새로운 5G 사용 사례에서는 거의 협상할 수 없는 것입니다.

5G 설계자는 스마트 자동차, AR / VR 및 홀로그램과 같은 새로운 5G 사용 사례의 요구 사항을 충족하기 위해 고객의 네트워크 대기 시간을 줄이는 여러가지 방법을 모색하고 있습니다. 5G 아키텍처는 네트워크 슬라이싱, Massive MIMO, 스몰 셀 및 MEC (Multi-access Edge Computing)와 같은 여러 메커니즘을 통해 네트워크 대기 시간을 줄입니다. 사용자에게 더 가까운 MEC 인프라는 OTT (Over-The-Top) 및 IOT (Internet of Things) 서비스를 위한 컴퓨팅 인프라를 제공함으로써 네트워크 대기 시간을 줄이는데 중요한 역할을합니다. CUPS는 5G망을 위한 또 다른 대안으로 네트워크 대기 시간을 줄이는데 도움이 됩니다.

▲ 대량 데이터 지원 : 최근 몇년 동안 이동 통신 사업자의 사용자 데이터 트래픽이 매년 두배로 증가했으며, 이러한 트래픽 증가의 이유는 스마트 장치의 사용, 비디오 및 기타 응용 프로그램의 확산과 셀룰러 네트워크를 사용하는 USB 모뎀 동글 및 개인 핫스팟의 사용이 급격히 증가하고 있기 때문입니다.

▲ RCS (Rich Communication Services) : 전세계적으로 모바일 단말기의 보급이 증가하고 있으며 콘텐츠가 풍부한 멀티미디어 서비스 (예 : OTT 비디오 스트리밍 서비스, P2P 비디오, 콘텐츠 공유)에 대한 관심이 높아짐에 따라 데이터 트래픽이 빠르게 증가하는 추세입니다.

▲ 고객 경험 및 낮은 대기 시간 : 사용자 경험 개선에 대한 강력한 소비자 요구가 있으며, 대기 시간이 단축되는 것은 중요한 KPI중 하나입니다.

CUPS가 지원하는 다중 배치 옵션은 서비스 제공 업체에게 뛰어난 유연성을 제공하고 고객 서비스의 대역폭 및 대기 시간 요구 사항을 충족시키기 위해 하나이상의 위치에 User Plane 기능을 배치합니다. 예를 들어, 서비스 제공 업체는 수백명의 학생들이 비디오를 보고 온라인 게임을 하는 대학 근처에 더많은 User Plane 기능 인스턴스를 배치해야 할 수 있습니다. 그러나 상점가에는 상점과 쇼핑 거래에 대한 정보를 확인하기 위해 인터넷을 탐색하는 수천 명의 모바일 사용자가 있습니다. 이러한 위치에서 Control Plane은 수천 개의 고객 세션을 지원하도록 확장되어야합니다. 따라서 서비스 제공 업체는 이러한 지역에 1000명의 모바일 사용자를 지원하기 위해 더 많은 Control Plane 기능을 배치해야 할 수 있습니다.

5G Core에는 4G EPC에서 SGW-U 및 PGW-U가 수행하는 모든 User Plane 기능을 처리하는 고유한 UPF (User Plane Function)가 있습니다. 5G의 제어 기능은 ASF (Authentication Server Function), UMD (User Data Management), PCF (Policy and Charging Function) 및 SMF (Session Management Function)와 같은 다양한 네트워크 기능에 분산되어 있습니다. 이는 서비스 제공 업체가 네트워크 기능을 결정할 수있는 유연성을 제공합니다.

5G는 클라우드 네이티브 네트워크 서비스를 지원하기 때문에 공급 업체와 서비스 제공 업체는 5G 네트워크 아키텍처 (4G 네트워크와 비교할때)에서 CUPS를 구현하기가 쉬워집니다.

CUPS 아키텍처 장점은 아래와 같습니다.

▲ 애플리케이션 서비스 대기 시간 감소 (예 : Control Plane 노드의 수를 증가시키지 않으면서 의도된 UE 사용 유형에 대해 RAN에 더 가깝거나 더 적합한 User Plane 노드를 선택
▲ 네트워크에서 SGW-C, PGW-C 및 TDF-C의 수를 변경하지 않고 User Plane 노드를 추가할 수 있으므로 데이터 트래픽 증가 지원
▲ EPC 노드의 Control Plane 및 User Plane 리소스를 독립적으로 찾고 확장
▲ Control Plane과 User Plane 기능의 독립적 진화.
▲ 소프트웨어 정의 네트워킹을 활성화하여 User Plane 데이터를 보다 효율적으로 제공

5G DSS (5G Dynamic Spectrum Sharing)

많은 사업자들은 5G의 Dynamic Spectrum Sharing이 4G 고객의 성능 저하없이 기존 인프라를 활용할 수 있는 매력적인 기술이라는 사실을 알고 있습니다. 3GPP Release 15의 일부으로서 사업자는 이미 사용중인 4G LTE 스펙트럼의 일부를 5G NR에 할당할 수 있습니다. 이는 4G LTE와 5G NR 사용자가 동시에 동일한 주파수 대역/채널에 공존할 수 있음을 의미합니다. 단순히 소프트웨어 업그레이드를 수행함으로써 기존 RAN (5G 가능)을 사용하여 5G 서비스를 제공할 수 있습니다.

DSS를 통해 네트워크 운영자는 동일한 스펙트럼내에서 4G와 5G를 모두 제공할 수 있으므로 두 기술간에 원활하게 전환할 수 있어 보다 비용 효율적입니다. DSS는 기존 4G 고객을 계속 지원하면서 점점 더 많은 고객이 기술을 채택함에 따라 사업자가 새로운 5G 사용자를 점진적으로 도입할 수 있는 효과적인 방법입니다. 과거에는 사업자가 새로운 기술로 업그레이드하고 싶을때 스펙트럼 재배치을 수행해야 했습니다. 즉, 기존 사용자를 스펙트럼의 일부로 옮기고 새로운 사용자를 위해 블록을 예약해야 했습니다.

DSS가 없으면 20MHz의 중간 대역 스펙트럼을 가진 사업자는 해당 스펙트럼을 2개로 분할해야 합니다. 다시 말해, 그들은 4MHz LTE에 10MHz 스펙트럼을 할당하고 모든 LTE 사용자를 10MHz 스펙트럼에 포함시켜야 합니다. 그러면 처음에는 최소 5G 사용자만 있을지라도 나머지 10MHz의 AWS 스펙트럼을 5G에 사용할 수 있습니다.

DSS를 사용하면 운영자는 중간 대역 스펙트럼을 분할하거나 4G LTE 또는 5G 전용 스펙트럼을 가질 필요가 없습니다. 대신, 두 기술간에 20MHz의 스펙트럼을 공유할 수 있습니다. 5G의 Dynamic Spectrum Sharing을 통해 운영자는 동일한 스펙트럼 블록에 4G와 5G를 모두 배치하고 수요에 따라 다양한 유형의 사용자에게 적절한 양을 동적으로 할당할 수 있습니다.

DSS의 유연성은 이동 통신 사업자를위한 실용적인 솔루션으로 인기를 끌고 있습니다.

5G : Standalone (SA) vs Non-Standalone (NSA) Network

5G 네트워킹을 다루는 최근의 3GPP Release 15 표준에 따르면 네트워크 및 장치의 첫번째 진행 방향은 5G 네트워크가 기존의 4G 인프라에서 지원될 것이라고 하는, NSA (Non-Standalone)로 분류됩니다. 여기서 5G 지원 스마트폰은 데이터 처리량 향상을 위해 5G 주파수에 연결되지만 셀 및 서버와 통신하는 것과 같은 비데이터 업무에도 4G를 사용합니다.

5G 셀룰러 인프라의 초기 출시는 강화된 모바일 광대역 (eMBB)에 초점을 맞추어 두가지 새로운 무선 주파수 범위를 통해 증가된 데이터 대역폭 및 연결 안정성을 제공합니다.

주파수 범위 1은 450MHz ~ 6,000MHz에서 작동하는 4G LTE 주파수를 중첩 및 확장합니다. 밴드는 1에서 255 사이의 번호가 지정되며 일반적으로 New Radio (NR) 또는 Sub-6GHz라고 합니다.

주파수 범위 2는 훨씬 높은 24,250 MHz (~ 24GHz)에서 52,600 MHz (~ 52GHz)까지 작동합니다. 밴드는 257에서 511까지 번호가 매겨지며 엄격히 말하면 '밀리미터' 주파수 길이가 30 GHz에서 시작한다고 해도 일반적으로 밀리미터파 (mmWave)라고 합니다.

사용 가능한 주파수 영역이 국가마다 다르므로 위의 모든 주파수 범위가 사용되는 것은 아니므로 장치가 작동하는 위치에 따라 다른 슬라이스를 사용할 수 있습니다. 이는 단일의 간단한 플랫폼으로 설계 비용을 최소화해야하는 스마트폰 설계 (또는 특히 5G 모뎀 설계자)에게 엄청난 기술적 과제를 안겨 주었으며 최상의 성능, 연결 신뢰성 및 전력 효율성으로 가능한 모든 주파수 조합을 지원해야 했습니다 .

5G 독립형 (Standalone, SA) 네트워크 및 장치 표준은 아직 검토 중이며 올해 3GPP에 의해 승인될 것으로 예상됩니다. Standalone의 장점은 단순화 및 효율성 개선으로 비용을 절감하고 네트워크 에지까지 처리량의 성능을 꾸준히 향상시키며 동시에 URLLC (Ultra Latency Communication)와 같은 새로운 셀룰러 사용 사례 개발을 지원합니다. SA 표준이 올해 승인되면 운영자에 의한 5G NSA에서 SA로의 최종 마이그레이션은 사용자에게 인지되지 않게 진행되어야 합니다.

5G 네트워크에서 핵심이 될 Fronthaul (프론트홀) 이란?

Fronthaul은 기지국의 (무선) 셀 사이트 장치 (원격 무선 헤드 또는 무선 장치라고도 함)를 데이터 센터의 중앙에 있는 디지털 장치 (베이스밴드 장치라고도 함)에 연결하는 경로입니다.

목표로 하는 대용량 및 데이터 속도 KPI는 대역폭면에서 대용량의 안테나 요소 (예 : 방대한 MIMO)와 대규모 스펙트럼 (예 : mmWave)에 대한 액세스 필요성을 의미합니다. 그 결과 Fronthaul (수십 Gbps 광통신 및 무선)에서 훨씬 더 큰 파이프의 필요성을 높이고 필요한 Fronthaul 용량을 제한하는 방법을 제시합니다. 이 기능이 없으면 현재 CPRI 기반 방법과 비교하여 압축 및/또는 새로운 덜 요구되는 기능적 분할을 통해 확장할 수 없게 됩니다. 이 새로운 기능 분리는 종종 다양한 포럼에서 핵심인 최신규격 NGFI (Next Generation Fronthaul Interface)라고 합니다.

Backhaul보다 훨씬 더 엄격한 레이턴시 (Latency) 방식의 Fronthaul은 에지 네트워킹 (Edge Networking) 및 컴퓨팅 리소스를 지능적으로 활용할 뿐만 아니라 매우 빠르고 탄력적인 포워딩이 필요합니다.

비용 측면에서 볼때 광섬유 및 전용 CPRI에서 Fronthaul에 대한 종속성을 낮출 필요가 있습니다. 또한 특수화된 BBU 하드웨어에서 네트워크 기능을 원활하게 이동시킬 수 있는 가상화된 중앙 및 원격 장치로 전환해야 할 필요도 있습니다. 따라서 NFV는 Fronthaul이 포용해야할 핵심 기술입니다. Fronthaul 스위칭 네트워크를 제어하려면 융통성과 민첩성을 실현하는데 필요한 프로그래밍 가능하고 중앙 집중화가 필요합니다. SDN은 분명히 Fronthaul 스위치를 제어하기 위해 수용해야할 패러다임입니다.

5G KPI를 충족하는 Backhaul 및 Fronthaul을 위해서는 가용한 공통 기술을 사용하여 진화해야 한다는 것이 분명해 집니다. 이들은 다음을 포함합니다.

● Gbps 광 또는 무선 전송

● 빠르고 유연하며 탄력적인 패킷 기반 스위칭 (시간에 민감한 네트워킹 사용)

● SDN 기반 제어

● NFV

● 에지 네트워킹 및 컴퓨팅

이 공통기술 세트는 전통적으로 Backhaul 및 Fronthaul이었던 것의 경계를 제거하고 완전한 융합으로 이끌고 있습니다.

5G에서 Fronthaul 및 Backhaul에 대한 논의가 동일한 SDN 기반 제어하에서 동일한 패킷 기반 스위칭 패브릭 (Packet-based Switching Fabric)을 통해 전송되고 다중화되는 트래픽 클래스중 하나로 변환될 수 있는 통합 교차 네트워크 (Integrated Crosshaul Network)의 출현을 보게될 것입니다. 따라서 교차 네트워크 (Crosshaul Networking) 리소스 및 기능의 통합 세트는 인프라에서 사용할 수 있는 연산 자원 (에지 포함)의 잇점을 얻고 코어 네트워크와의 의사 결정을 조정할 지능형 NFV 담당자에게 제공됩니다.

Fronthaul과 Backhaul의 융합이 오고 있으며, 내일 볼 수 있는 5G 네트워크의 큰 부분을 형성할 것입니다.

5G용 새로운 CPRI 사양 발표

CPRI (Common Public Radio Interface)에 대한 업계 이니셔티브가 계속 진화하고 있습니다. CPRI 협력체는 이제 첫번째 eCPRI 사양 (1.0)을 발표했습니다. 새로운 사양은 5G Fronthaul을 지원하고 5G의 증가된 요구 사항을 충족시키는 향상된 기능을 제공합니다.

에릭슨, 화웨이 테크놀로지, NEC 및 노키아는 새로운 무선 액세스 기술을 지원하고 용량 요구를 늘리기 위해 CPRI 사양을 향상시킨 성공적인 프로그램에 따라 기존 사양 외에 2017년  8월 31일 새로운 사양을 발표했습니다. 5G Front-haul 지원이 포함된 새로운 사양 (eCPRI)에는 5G 모바일 네트워크에 대한 요구 사항을 충족시키기 위한 효율성 향상이 포함됩니다. eCPRI 사양은 물리 계층 (즉, Layer 1)내에 분할 포인트를 위치시키는 셀룰러 기지국 기능의 새로운 기능적 분할에 기반으로 합니다.

eCPRI 규격은 기지국 설계에 몇 가지 장점을 제공합니다.

■ 새로운 인터페이스로 필요한 대역폭을 10배까지 줄일 수 있습니다.

■ 필요한 대역폭은 유저 플레인 (User Plane) 트래픽에 따라 유연하게 확장할 수 있습니다.

■ 패킷 기반 전송 기술을 사용할 수 있습니다. 이더넷과 같은 주요 스트림 기술은 eCPRI 트래픽과 다른 트래픽을 동일한 스위치 네트워크에서 동시에 전송할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 하나의 이더넷 네트워크가 여러 시스템 공급 업체의 eCPRI 트래픽을 동시에 전송할 수 있습니다. 또한 네트워크의 운영, 관리, 유지 보수, 프로비저닝 및 문제 해결에 Etherne-OAM과 같은 잘 정립된 프로토콜을 사용할 수 있습니다

■ 새로운 인터페이스는 최상의 트래픽 성능을 보장하는 정교한 조정 알고리즘을 사용할 수 있는 실시간 트래픽 인터페이스입니다.

■ 이 인터페이스는 무선 네트워크에서 SW 업데이트에 의한 새로운 기능 도입을 허용합니다.

새로운 eCPRI 사양 외에도 이 연구는 기존 CPRI 사양을 계속 개발하여 5G를 포함한 Fronthaul의 전용 광섬유 연결을 통해 모든 배치에 경쟁력있는 옵션을 제공합니다.

CPRI 사양은 무선 업계를 위해 공개될 예정입니다. 네트워크 운영자의 주요 이점은 모든 배치 시나리오에 적응할 수 있고 출시 시간을 단축할 수있는 더 넓은 무선 기지국 포트폴리오를 사용할 수 있다는 것입니다. CPRI 규격을 통해 기지국 제조사와 부품 공급 업체는 핵심 역량에 연구 개발 노력을 집중할 수 있습니다.

CPRI 인터페이스 사양은 다음 범위를 갖습니다.

1. 무선 장비 제어 (Radio Equipment Control) 및 무선 장비 (Radio Equipment).

2. 수송, 연결 및 통제에 필요한 항목 (여기에는 User Plane 데이터, Control Plane 전송 메커니즘 및 동기화 수단이 포함).

3. 이 규격은 OSI 스택의 Layer 1과 Layer 2를 정의.

   3a. 물리 계층 (Layer 1)은 전기 인터페이스 (즉, 종래의 기지국에서 사용되는 것) 및 (예를 들어, 원격 무선 장비를 갖는 기지국에 대한) 광학 인터페이스 모두를 지원.

   3b. Layer 2는 유연성과 확장성을 지원.

4. 규격은 3GPP UTRA FDD Release 5를 준수.

CPRI 사양 버전 1.4, 2.1, 3.0, 4.0, 4.1, 4.2, 5.0, 6.0, 6.1, 7.0 및 eCPRI 1.0이 발표되어 있는데, 버전 1.4에는 버전 1.3의 편집 및 수정된 변경 사항이 포함되어 있습니다. 버전 2.1에는 버전 2.0의 편집 및 수정된 변경 사항이 포함되어 있습니다. 버전 3.0에는 WiMAX의 추가, 회선 비트 전송률의 증가 및 변경 요청이 포함되며 버전 4.0은 LTE를 사양에 추가하는 것입니다. 버전 4.1과 4.2는 향상된 회선 전송률이 추가되었습니다. 버전 5.0에는 GSM이 포함되며 버전 6.0에는 LTE-Advanced가 포함되며 버전 6.1에는 8G 및 12G 회선 속도가 추가되었습니다. 버전 7.0은 24G 회선 속도가 추가되어 있습니다.

5G 네트워크 동향

ITU-R은 관련 스펙트럼 관리 및 스펙트럼 식별 측면과 함께 5G 이해 관계자의 전체 영역과 긴밀히 협력하여 IMT-2020의 사양을 개발하는 중입니다.

IMT 2020 (일명 5G)에 3GPP 사양 제출에는 5G New Radio (일명 5G NR)와 LTE가 포함됩니다.

3GPP 5G에 따르면 새로운 Radio (NR) 기능은 단계적으로 진행될 예정이므로 Rel-15 완료 및 초기 배포를 위해 모든 표준을 표준화할 수는 없습니다.

Release 15는 2020년에 예상되는 배치의 첫 번째 단계를 목표로 할 것입니다. 상업적 요구의 보다 긴급한 부분을 다루고 2018년 9월까지 완료될 예정입니다.

2단계는 2020년 3월 까지 완료될 예정입니다 . Rel-16은 IMT 2020 제출을 목표로 하고 있으며 확인된 모든 용도 및 요구 사항을 다룰 것입니다.

3GPP는 아직 5G NR 요구 사항을 조율하고 있습니다. 초기 요구 사항중 일부는 다음과 같습니다.

5G NR (New Radio) 개요

5G NR (New Radio) 개발은 3G 및 4G 무선 네트워크의 초기 발전과 유사하게 IMT-2020에 의해 약술된대로 5G의 요구 사항을 충족시키는 지속적인 모바일 광대역 발전 프로세스의 일부입니다.

그림 1 5G 무선 액세스 아키텍처는 LTE Evolution과 LTE와 호환되지 않으며 1GHz 미만에서 100GHz까지 작동할 수 있는 새로운 무선 액세스 기술 (NR)로 구성

OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)은 다수의 인접한 직교 서브 캐리어 신호 (Orthogonal Sub-carrier Signal)들이 다수의 병렬 데이터 스트림들 또는 채널들을 통해 데이터를 운반하는데 사용되는"디지털 멀티 캐리어 변조 방법 (Digital Multi-carrier Modulation Method)"을 지칭합니다.

LTE를 능가하는 새로운 무선 액세스 기술 (RAT)이 필요한데, 이 기술은 6GHz 이하에서 100GHz까지의 밀리미터파 대역까지 훨씬 넓은 범위의 주파수 대역을 지원할만큼 충분히 유연해야 합니다. OFDM 기반의 통일되고 보다 능력있는 무선 인터페이스가 이 작업을 위해 선택되었습니다.

OFDM은 매우 잘 정의되고 익숙한 파형 설계 원리입니다. 4G (LTE 및 지금까지의 진화) 및 IEEE 802.11 (WiFi)은 데이터를 무선으로 전송하기 위한 기본 신호 형식으로 OFDM을 사용합니다. 기본적으로 OFDM은 정보를 전송하기 위해 단일 와이드 밴드 캐리어 대신 다수의 병렬, 협대역 서브 캐리어 (Narrow-band Subcarrier)를 사용합니다.

Brooklyn 5G Summit 2017에서 Qualcomm의 Durga Malladi, Sr. 부사장이 발표한 마일스톤은 아래와 같습니다.

그림 2 5G의 글로벌 표준으로 가속화되는 5G NR (Qualcomm)

왜 OFDM인가?

OFDM을 선택한 몇 가지 이유는 다음과 같습니다.

■ OFDM은 더 낮은 복잡도의 수신기로 확장 가능한 파형입니다.

■ OFDM은 높은 스펙트럼 효율을 의미하는 MIMO 공간 다중화를 위한 보다 효율적인 프레임 워크를 가지고 있습니다.

■ OFDM은 윈도우/필터링 (Windowing/Filtering)과 같은 개선 사항을 가능하게 합니다.

■ SC-FDM 및 SC-FDMA는 매크로 배치에서의 업링크 전송 (Uplink Transmission)에 적합합니다.

5G가 직면하고있는 어려움은 통신 기술의 한계를 넘어서고 5G NR의 공격적인 일정과 기술적 열망을 충족시키기 위해 표준 기관과 설계자는 5G 무선 인터페이스를 위해 계획된 다양한 스펙트럼을 최대한 활용해 야합니다.

3GPP는 3가지 주요 5G 사용 사례에 중점을 둡니다.

■ 향상된 모바일 광대역 (eMBB : Enhanced Mobile Broadband)

■ mMTC (massive Machine Type Communication)

■ 매우 안정적인 저지연 통신 (URLLC : Ultra-Reliable Low Latency Communication).

네트워크 용량 증가와 eMBB에 대한 최고 데이터 전송률, mMTC에 대한 연결 밀도 및 에너지 효율성, URLLC에 대한 높은 안정성 및 낮은 대기 시간과 같은 사항이 우선 순위가 높은 중요한 핵심 성과 지표 (KPI)입니다.

채택된 파형

Huawei의 Peiying Zhu 박사는 Cyclic Prefix-based OFDM (CP-OFDM) 파형을 선택하면 LTE보다 우수한 스펙트럼이 가능하다고 언급했습니다. 하향 링크 (DL) 및 상향 링크 (UL)는 대칭 파형을 가지며 UL에 상호 보완적인 DFT-OFDM이 있습니다 (그림 3).

그림 3 5G NR (Huawei)에 채택된 파형

오늘날 OFDM을 LTE와 비교하면 OFDM의 경우 훨씬 낮은 대기 시간 (오늘날 LTE보다 왕복 시간 (RTT)이 훨씬 짧음)까지 확장성이 향상됩니다. OFDM은 새로운 배치 시나리오를 지원하여 보다 빠르고 유연한 TDD 스위칭 및 턴어라운드를 가능하게 하는 독립적인 TDD 서브프레임 디자인을 가지고 있습니다 (그림 4).

그림 4 OFDM의 자체 내장형 TDD 서브프레임 설계는 TDD 스위칭 및 LTE의 8개 HARQ 인터페이스보다 신속하고 융통성이 뛰어남.

네트워크 슬라이싱 (Network Slicing) 이란?

네트워크 슬라이싱 (Network Slicing)을 통해 네트워크 운영자는 공통 네트워크 인프라를 통해 서비스 또는 고객에게 대한 기능을 전용 가상 네트워크에 제공할 수 있습니다. 따라서 5G에서 예상되는 다양하고 다양한 서비스를 지원할 수 있습니다.

네트워크 슬라이싱이란?

네트워크 슬라이싱은 고정 네트워크 (Fixed Network)에서 소프트웨어 정의 네트워킹 (Software Defined Networking : SDN) 및 네트워크 기능 가상화 (Network Function Virtualisation : NFV)와 동일한 원칙을 사용하는 가상 네트워크 아키텍처 (Virtual Network Architecture)의 한 형태입니다. SDN과 NFV는 이제 전통적인 네트워크 아키텍처를 (소프트웨어를 통해서도) 연결될 수있는 가상 요소로 분할할 수 있게 함으로써 더 큰 네트워크 유연성을 제공하기 위해 상업적으로 배포되고 있습니다.

네트워크 슬라이스를 사용하면 공통의 물리적 인프라를 기반으로 여러 가상 네트워크를 만들 수 있습니다.

그런 다음 가상 네트워크는 응용프로그램, 서비스, 장치, 고객 또는 운영자의 특정 요구를 충족하도록 사용자 정의됩니다.

5G와의 연관성

5G의 경우 단일 물리적 네트워크가 여러 RAN (Radio Access Network) 또는 단일 RAN에서 실행되는 서로 다른 서비스 유형을 지원할 수 있는 여러 가상 네트워크로 분할됩니다. 네트워크 슬라이싱은 주로 코어 네트워크를 분할하는데 사용되지만 RAN에서 구현될 수도 있습니다.

네트워크 슬라이싱 역할

네트워크 슬라이싱은 5G 네트워크에서 중요한 역할을 담당할 것으로 예상됩니다. 5G는 다양한 사용 사례와 새로운 서비스가 지원될 것이기 때문입니다. 이러한 새로운 유스 케이스와 서비스는 기능 측면에서 네트워크에 대한 다양한 요구 사항을 제시할 것이며 성능 요구 사항이 엄청나게 달라질 것입니다.

예를 들어, 자율 주행 차량은 대기 시간은 짧지만 반드시 높은 처리량을 요구하는 차량간 통신 (vehicle-to-anything : V2X)에 의존합니다. 자동차가 움직이는 동안 시청되는 스트리밍 서비스는 높은 처리량을 필요로 하고 대기 시간에 영향을 받기 쉽습니다. 둘다 물리적 네트워크의 사용을 최적화하기 위해 가상 네트워크 슬라이스의 동일한 공통 물리적 네트워크를 통해 제공될 수 있습니다.

네트워크 슬라이싱 동작

각 가상 네트워크 (네트워크 슬라이스)는 특정 유스 케이스의 요구 사항을 지원하는 논리적 네트워크 기능의 독립적인 세트로 구성되며, '논리'라는 용어는 소프트웨어를 나타냅니다.

각각은 슬라이스를 사용할 특정 서비스 및 트래픽에 대한 리소스 및 네트워크 토폴로지를 제공하도록 최적화됩니다. 속도, 용량, 연결성 및 적용 범위와 같은 기능은 각 유스 케이스의 특정 요구를 충족시키도록 할당되지만 기능 구성 요소는 다른 네트워크 슬라이스간에 공유될 수도 있습니다.

각각의 슬라이스는 완전히 격리되어 다른 슬라이스의 트래픽을 방해할 수 없습니다. 이렇게 하면 새로운 서비스를 도입하고 실행할 위험이 줄어들고 새로운 기술이나 아키텍처가 격리된 슬라이스로 시작될 수 있으므로 마이그레이션이 지원됩니다. 또한 사이버 공격이 하나의 슬라이스를 침범하면 해당 슬라이스를 넘어 확산될 수 없기 때문에 보안에 영향을 미칩니다.

각각은 자체 네트워크 아키텍처, 엔지니어링 메커니즘 및 네트워크 프로비저닝으로 구성됩니다. 일반적으로 사용 사례에 따라 네트워크 운영자 또는 고객이 관리할 수있는 관리 기능이 포함됩니다. 독립적으로 관리되고 조정됩니다.

네트워크 슬라이싱 기술개발

네트워크 슬라이싱은 미래 5G 네트워크의 주요 구성 요소가 될 것으로 예상되며 모든 주요 모바일 장비 제조업체는이 기술을 개발 중입니다. 그들은 주요 이동 통신사와 연구 및 데모를 수행하기 위해 팀을 구성했으며, 2016년 초에 5GIC에서 제안한 Flat Distributed Cloud 아키텍처가 네트워크 슬라이싱이라는 개념을 포함합니다.

2014년 9월부터 일본의 NTT 도코모 (NTT Docomo)와 네트워크 슬라이싱 연구를 하고 있는 에릭슨 (Ericsson)이 가장 진전을 보였습니다. 2016년 6월 두 회사는 5G 코어 네트워크를 위한 동적 네트워크 슬라이싱 기술의 개념을 성공적으로 입증했습니다. 이들은 대기 시간, 보안 또는 용량과 같은 요구 사항을 기반으로 슬라이스 관리 기능과 네트워크 슬라이스를 만들었습니다. Docomo는 네트워크 슬라이스 생성 및 선택 기능을 설계하고 Ericsson은 네트워크 슬라이스 수명주기 및 서비스 관리 기술을 개발했습니다.

2015년 7월 에릭슨 (Ericsson)과 한국의 SK 텔레콤 (SK Telecom)은 5G 서비스에 최적화된 네트워크 슬라이싱 기술을 개발 및 배치하고 기존 파트너십을 지속하기로 합의했습니다. 그해 10월 두 회사는 수퍼 멀티뷰 (Super Multi-view) 및 증강 현실 / 가상 현실, 거대한 사물인터넷 (IoT) 제공 및 엔터프라이즈 솔루션을 비롯하여 서비스에 최적화된 가상 네트워크 슬라이스의 생성을 시연했습니다.

2016년 11월 Huawei와 Deutsche Telekom은 세계 최초의 5G 종단간 자율 네트워크 슬라이싱이라고 주장한 것을 시연했습니다. 이 데모에서는 공유 RAN, 코어 및 전송 네트워크에서 서로 다른 네트워크 슬라이스를 자동으로 최적화된 방식으로 생성하는 방법을 보여주었습니다.

5세대 트랜스포머 프로젝트

네트워크 슬라이스는 2016년 6월 18개의 이동통신 사업자, 공급 업체 및 교육 기관의 연합인 5G-Transformer Project의 구성으로 진행되었습니다. 이 프로젝트는 유럽 집행위원회 (European Commission)로부터 890만 달러를 지원 받아 30개월간 지속될 예정이며 특히 네트워크 슬라이싱에 중점을 둡니다.

이 프로젝트는 세 가지 주요 목표를 가지고 있습니다 :

▲ 추상화, 간단한 인터페이스 및 서비스 청사진을 통해 수직 분할을 위한 네트워크 슬라이스를 만들고 관리하는 방법을 개발합니다.

▲ 5GEx 크로스 도메인 오케스트레이션 이니셔티브 (Cross-domain Orchestration Initiative)를 발전시키기 위해 Horizon 2020 (H2020)에서 개발된 기존 프로젝트인 5GPPP가 포함된 연구 및 혁신을 위한 유럽 연합 (EU)의 프레임워크 프로그램을 발전시킵니다.

▲ 수직 산업을 지원하기 위해 멀티 액세스 에지 컴퓨팅 (Multi-access Edge Computing : MEC) 플랫폼과 통합하여 근본적인 5G-Crosshaul 전송 네트워크 (2017년 말까지 완료 예정인 또 다른 H2020 프로젝트)의 현재 디자인을 보완합니다.

유럽의 다른 테스트배드에서의 시험은 2018년과 2019년에 예상됩니다.

대다수의 회원은 프랑스, 이탈리아, 스페인 출신의 학술 연구 단체이며, 관련 사업자는 Orange와 Telefonica이며, 장비 공급 업체는 Ericsson, NEC 및 Nokia입니다.

현재 진행 상황

5G에 대한 네트워크 슬라이싱은 아직 연구 단계에 있으며 3GPP와 NGMN Alliance는 정의와 사용 사례를 개발해 왔습니다. 5G 네트워크 슬라이싱에 대한 제안된 요구 사항은 2014년 9월에 시작되어 2017년에 완료될 예정인 Release 14의 일부인 3GPP 기술 보고서 22.891 ("새로운 서비스 및 시장 기술 지원자 연구" - "Study on New Services and Markets Technology Enablers")에 나와 있습니다. 최신본은 2016년 9월에 발표되었습니다.

2016년 11월, 5G 아메리카 산업 협회는 사용자 지정된 네트워크 슬라이스을 위한 종단간 (End-to-End) 5G 시스템 프레임워크를 탐색하는 백서 ("5G 네트워크 및 서비스를 위한 네트워크 슬라이스" - "Network Slicing for 5G Networks and Services")를 발표했습니다. 또한 5G에서 네트워크 슬라이싱을 무선 인터페이스 기술에 적용하고 장기 기술 로드맵과 네트워크 슬라이싱 솔루션을 고려합니다. 백서 작업 그룹은 에릭슨과 인텔의 대표가 주도했습니다.

네트워크 슬라이싱이 상용화 시기는 아직 미정입니다.