5G와 Open RAN
세계 각지의 가입자들이 어디서든 모바일 애플리케이션과 서비스를 지원하는 고속 인터넷을 끊기지 않고 이용할 수 있게 되면서, 5세대(5G) 네트워크 기술이 글로벌 모바일 산업의 중점으로 부상하고 있습니다.
기술, 네트워크 아키텍처와 가용 무선 스펙트럼이 급속하게 변화하면서 새로운 5G 모바일 네트워크 구현을 향한 길이 열렸습니다. 네트워크가 소프트웨어 중심적으로 진화하며 클라우드 기반 배포 모델을 수용함에 따라, 오픈 소프트웨어를 활용하여 오픈 멀티벤더 상호운용성을 지원하는 표준화된 개방형 아키텍처를 여러 네트워크에 걸쳐 구축할 수 있는 기회가 생겼습니다.
이러한 Open RAN 컨셉은 미래의 모바일 네트워크를 위한 경제, 운영 및 배포 모델의 변화를 약속합니다.
Why 5G/Open RAN?
향상된 네트워크 용량 및 성능
지연 시간을 크게 줄인 무선 기가비트급 모바일 브로드밴드 성능
소프트웨어 중심의 가상화 네트워크
자동화된 배포 기능으로 네트워크 조건 변화에 따라 운영 효율성과 동적 유연성 실현
혁신을 위한 개방형 플랫폼
새로운 기술 기능으로 여러 소비자, 산업 및 기기에 걸쳐 더욱 다양한 응용 분야 및 서비스 지원
모바일 표준의 발전
디지털 모바일 기술이 최초로 배포된 1990년대 초 이래 이 기술에 대한 글로벌 표준은 지속적으로 발전해 왔습니다. 1990년대 초 이동통신 세계화 시스템(GSM)의 탄생과 함께, 이전의 아날로그 휴대폰 서비스(‘AMPS’) 시스템 기능은 디지털 방식으로 인코딩된 음성 통화, 양방향 메시지 및 전 세계적으로 상호 연결되어 사업자 간 로밍을 지원하는 네트워크로 확대되었습니다. 이러한 기술은 ‘2세대’ 또는 ‘2G’ 모바일 기술로 명명되었습니다.
글로벌 네트워크에서 GSM을 계승한 3세대(3G) 모바일 기술은 범용 휴대폰 서비스(UMTS) 표준을 기반으로 했습니다. 이 시스템은 더욱 큰 용량의 보다 높은 주파수 대역을 지원하고, 스펙트럼을 효율적으로 활용하는 새로운 변조 기법을 도입했습니다. 반도체의 극소화로 인해 단말기 기술이 개선되면서 이 시스템은 이메일, 기본적인 미디어 서비스, 그리고 일부 경우 웹 액세스를 지원하며 널리 배포된 최초의 모바일 데이터 서비스를 위한 플랫폼이 되었습니다.
3G 기술의 성숙도가 높아지고 완전히 배포된 시점에는 유선 네트워크에서 고속 인터넷 액세스 기술이 널리 활용되면서 대다수 고객의 삶에서 웹 기반 서비스 및 애플리케이션이 보편화되었습니다. 3G 네트워크의 데이터 서비스를 향상하기 위해 고속 다운스트림 패킷 액세스(HSDPA)와 같은 일부 기술이 도입되었으나, 진정한 의미의 고속 모바일 데이터 서비스를 제공하기 위한 솔루션이 필요했습니다.
주요한 4세대(4G) 네트워크 기술로서 자리잡는 데 성공한 Long Term Evolution(LTE) 표준은 최초로 모바일 네트워크 설계에 패킷 데이터를 적용하여 처음으로 진정한 의미의 모바일 고속 인터넷 액세스 기능을 실현했습니다. 이는 진화된 패킷 핵심망(EPC)이라는 100% 패킷 기반 코어 데이터 네트워크에 의해 지원되었습니다. LTE의 회로 교환 패러다임이 제거되면서 Hi-Fi(광대역) 음성 코덱, 보이스오버 IP 기술(VoLTE) 및 IP 멀티미디어 서브시스템(IMS)이 지원하는 리치 미디어 통신 서비스를 향한 길도 열렸습니다.
LTE는 실시간 인터랙티브 통신 서비스를 충분히 지원할 수 있었으나, 사용자의 기대치는 고해상도 스트리밍 미디어, 몰입형 게이밍, 화상 회의, 웹 협업, 사물 인터넷(IoT)과 같은 새로운 경험과 애플리케이션에 맞춰 끊임없이 상향 조정되었습니다. 이러한 새로운 클라우드 중심 서비스는 유비쿼터스 네트워크 성능, 용량 및 저지연 작동에 대한 새로운 요구 사항을 제시하며, 따라서 새로운 5세대(5G) 모바일 네트워크 기술을 필요로 하는 여러 소스 중 하나에 해당합니다.
5G 네트워크 컨셉
5G 표준 개발 프로젝트는 초창기부터 개선된 모바일 네트워크 기능 제공에 관한 세 가지 중점 영역과 목표를 규정했습니다.
- 향상된 모바일 브로드밴드(eMBB)
- 고신뢰 저지연 통신(URLLC)
- 초대량연결(mMTC)
향상된 모바일 브로드밴드(eMBB)
향상된 모바일 브로드밴드(eMBB)는 더 높은 처리량과 네트워크 용량에 중점을 두고 시장에 출시된 최초의 기능입니다. 이 기능은 개인 사용자가 밀집된 서비스 지역에서 개인 사용자를 위한 무선 멀티 기가비트 성능을 실현했습니다. eMBB의 목표를 달성할 수 있게 하는 주요 요인은 새로운 밀리미터파(mmWave) 대역을 포함한 스펙트럼의 추가, 기지국의 고밀도화, 보다 낮은 전력을 소모하는 소형 셀을 포함한 더 많은 무선 사이트로의 총 사용자 부하 분산입니다.
고신뢰 저지연 통신(URLLC)
5G의 고신뢰 저지연 통신(URLLC) 목표는 미션 중심적이고 안전지향적이며 실시간 제어를 요구하는 애플리케이션에 적합합니다. 이러한 경우, 네트워크 성능이 결정론적이고, 성능에 최적화되어 있으며 패킷/데이터 손실을 제거하는 동시에 최소한의 전환 지연을 유지해야 합니다. 많은 애플리케이션 아키텍처는 연산과 데이터 센터 리소스가 운영 환경, 사용 지점 또는 제어된 기기와 병치되지 않는 모델로 전환할 것으로 예상되므로, 이러한 차이가 드러나지 않게 하려면 지속적이고 안정성이 높은 고성능 연결성을 제공해야 합니다.
초대량연결(mMTC)
5G의 초대량연결(mMTC) 애플리케이션은 주 단말기 또는 클라이언트 기기가 가입자가 아니라 강력한 네트워크 액세스가 있어야만 미션을 달성할 수 있는 지능형 기기인 아키텍처에 최적화하는 것을 목표로 합니다. 이 목표의 주요 요인은 네트워크의 활성/연결된 기기의 총 지원 인구 수를 급격하게 확대하는 동시에 전체 네트워크 효율성 증대를 위해 통신 오버헤드를 최소화하는 것입니다.
5G 표준화
3세대 파트너십 프로젝트(3GPP)는 4G에 이어 현재 5G에 이르기까지 여전히 모바일 무선 및 네트워크 기술을 위한 주요 글로벌 표준의 보고입니다. 5G를 위한 표준 작업은 2017년에 최초로 탄생한 사양인 Release 15로 시작되었습니다.
이 초기 릴리스는 5G New Radio(5G NR) 무선 인터페이스의 기반을 제공했습니다. 여기에는 Frequency Range 1(FR1)이라고도 하며 ‘Sub-7’(7GHz 미만) 주파수를 확대하는, 전 세계적으로도 사용된 추가 대역이 포함되었습니다. 5G NR이 탄생하면서 극초단파 범위에 해당하는 ‘밀리미터파'(mmWave) 주파수, 즉 Frequency Range 2(FR2)도 도입되어 최초로 지상파 모바일 통신에 사용되었습니다. 무선 인터페이스의 가용 스펙트럼이 이처럼 급속하게 넓어지면서 개별 기기에도 5G로 멀티 기가비트 속도를 실현할 수 있게 되어 고정형 네트워크 도메인의 광 브로드밴드 기술과 어느 정도의 동등성이 갖추어졌습니다.
Release 15 사양에서는 5G를 위한 새로운 패킷 코어, 즉 ‘5G 코어'(5GC)도 규정했습니다. 이로 인해 5G New Radio 지원 기지국(‘gNB’) 배포가 가능해졌습니다. 이러한 기지국은 ‘비단독'(NSA) 모드로 기존의 진화된 패킷 핵심 데이터망과 연결하여 역호환성을 제공하거나, ‘단독'(SA) 모드로 5G 전용 네트워크의 5G 코어와 연결할 수 있습니다.
5G 표준의 특징은 이전 구현의 여러 모바일 한정 시그널 및 제어 프로토콜을 클라우드에 최적화된 애플리케이션(HTTPS, REST 등)에 사용되는 기술에 더 부합하는 웹 중심의 대안으로 교체했다는 것입니다. 또한 이러한 설계 전략 덕분에 5GC에서 제어 영역과 사용자/데이터 영역 주체의 분리도 공식화되었습니다. 이러한 접근법을 ‘Control and User Plane Separation'(CUPS)이라고 합니다. 패킷 코어에서 하위 시스템의 소프트웨어 중심적 구현과 CUPS 접근법의 결합은 확장성을 증대하고, 하드웨어 리소스의 균형을 이루고, 지연 및 전송 활용에 최적화한 특정 네트워크 영역으로의 개별 인스턴스 분산/현지화를 실현했습니다.
5G를 위한 Release 16 사양에서는 Dynamic Spectrum Sharing(DSS) 지원이 도입되었습니다. DSS는 같은 주파수 대역에서 5G 무선 접속 기술(RAT)과 기존 4G 시스템을 동시 배포할 수 있게 했습니다. 이를 통해 새로운 5G 전용 스펙트럼 대역을 사용할 수 없거나 이러한 스펙트럼 대역을 구현할 준비가 되지 않은 환경에서도 5G를 배포할 수 있게 되었습니다. 5G New Radio Unlicensed(NR-U) 기능이 추가됨으로써 5G 네트워크의 제어 하에 보통 WiFi로 공유되는 미인가 스펙트럼 대역 사용이 가능해졌습니다. 이는 스펙트럼의 제약을 받는 사업자에게 또 하나의 이점으로 작용합니다.
Release 16의 또 다른 주요 기능은 네트워크 슬라이싱 지원 추가입니다. 이 컨셉은 네트워크 리소스의 end-to-end 파티션 생성(공유 인프라 내 포함)을 가능하게 합니다. 따라서 개별 ‘슬라이스’를 개별 사용자 클래스, 특정 애플리케이션 또는 개별 고객(Private 5G의 경우)에게도 할당할 수 있습니다.
더 최근에 규정된 Release 17 사양에는 비지상망(NTN)을 사용한 액세스라는 고유한 신규 기능이 추가되었습니다. 얼마 전부터 특수 위성 업링크 또는 백홀 시스템이 지상 모바일 네트워크와 함께 사용되어 왔으나, 통합된 시스템으로서 위성 기반 gNB 스테이션의 단말기에 대한 직접 액세스를 제공하기 위해 지상 네트워크의 무선 시스템, 대역과 절차를 재사용 및 적용한 것은 Release 17의 신규 기능이 최초입니다.
Release 17부터 FR2를 위한 스펙트럼 대부분의 지원도 추가되어 60GHz 영역에서 거의 20GHz의 총 용량을 사용할 수 있게 되었습니다.
RAN 아키텍처의 진보
무선 접속망(RAN)은 5G 아키텍처의 핵심 요소이며, 표준의 기술적 초점에서 큰 비중을 차지합니다. 시간이 흐르며 RAN 구성 요소의 배치 및 상호 연결을 위해 여러 아키텍처가 개발되었습니다.
매크로 셀룰러 네트워크의 모바일 시스템을 위한 원래 모델은 무선 장비, 디지털/베이스밴드 처리 및 네트워크 교환, 전송 또는 우회 요소가 모두 ‘자족적’ 기지국 사이트에 모여 있는 완전분산형 무선 접속망(‘D-RAN’) 아키텍처였습니다. 이 접근법은 다른 네트워크 요소 또는 인프라에 최소한으로만 의존하며 사이트를 운영할 수 있으나, 기지국 또는 ‘노드 B’를 만드는 데 소요되는 최소한의 전력, 공간, 시설과 부수 장비가 상당합니다.
공용 무선 인터페이스(CPRI)와 같은 표준이 확립되면서 ‘프론트홀’ 광 또는 패킷 기반 전송 연결을 사용하여 무선 구성 요소와 안테나 구성 요소를 RAN의 디지털/베이스밴드 레이어 기능을 수행하는 다른 구성 요소와 분리할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 기지국 사이트에서 필요한 장비 수도 최소화할 수 있었습니다. 이러한 특징은 네트워크가 계속해서 확장되고 치밀화되어 무선 기지의 공간이 제한되거나 커버리지 요구 사항 때문에 기존의 기지국 배포가 불가능하거나 바람직하지 않은 위치에 무선 유닛을 설치해야 하는 경우 특히 유용합니다. 이러한 경우 패킷 코어에 추가적인 네트워킹 연결성을 제공하는 데 필요한 디지털 또는 베이스밴드 유닛(BBU)과 모든 추가 요소를 현재 Centralized Radio Access Network(‘C-RAN’) 아키텍처로 알려져 있는 중앙화된 허브 사이트로 옮길 수 있습니다.
이러한 진보의 다음 단계는 Virtualized Radio Access Network(‘V-RAN’) 아키텍처입니다. 이 접근법에서는 디지털 및 베이스밴드 기능의 특수 하드웨어 구현 대신 범용 연산 플랫폼을 사용하여 소프트웨어에서 가상화되거나 컨테이너화된 네트워크 기능을 구현합니다. Enhanced CPRI(eCPRI)와 같은 패킷 기반 형식에서 사용하기 위해 무선 유닛(RU) 인터페이스를 적용하면 가상 베이스밴드 유닛(vBBU)의 무선향 및 코어향(‘백홀’) 인터페이스가 모든 네트워크 연결에 일반적인 이더넷 기반 기술을 사용할 수 있게 되어 통신사 데이터 센터의 공통 표준에 부합하게 됩니다. 네트워크 기능 가상화(‘NFV’) 접근법은 공통의 프레임워크 및 연산 리소스를 사용하여 RAN 기능 워크로드가 여타 비슷한 워크로드 풀과 함께 통신사 데이터 센터에서 배포 및 관리될 수 있게 합니다.
Open RAN
O-RAN ALLIANCE가 확립한 Open RAN 표준의 목표는 BBU 및 RAN 구성 요소를 완전분산형 아키텍처로 분해하여 vRAN 모델을 확장하고, 하위 시스템 간의 표준 인터페이스를 정의하여 인터페이스의 상호 교환 및 상호운용을 실현하는 것입니다.
현재의 O-RAN 아키텍처에서는 RAN 구성 요소를 무선 유닛(RU), 분산 유닛(DU), 중앙화 유닛(CU), 그리고 실시간 무선 지능형 컨트롤러 및 비실시간 무선 지능형 컨트롤러(rtRIC와 nrtRIC)로 기능적으로 분리할 수 있습니다. 이 아키텍처는 시스템 관리 및 오케스트레이션(SMO) 구성 요소도 포함하는데, 이 구성 요소는 네트워크 기능을 호스팅하는 O-Cloud 인프라와의 상호작용을 비롯하여 각 분산된 소프트웨어 네트워크 기능 구성 요소의 배포, 관리 및 원격 측정을 조정합니다. 이러한 요소는 각각 네트워크 상호 연결이 있어야만 기능할 수 있으며, 인접 구성 요소가 원격 사이트에 있는 경우 패킷 교환 또는 전송 기능도 필요합니다.
이 아키텍처에서는 제어를 담당한 업스트림 분산 유닛(DU)의 무선 레이어 데이터를 무선 유닛(RU)이 디지털화합니다. 보통 RU의 기능은 여러 트랜시버 인스턴스, 전력 증폭기, 다중 입출력(MIMO) 구성의 각 공간 스트림을 위한 디지털화 기능, 안테나 제어, DU와의 연결을 위한 업링크 패킷 처리를 포함합니다.
분산 유닛(DU)은 라디오 유닛(RU)에 장착된 요소로서, 해당 RU의 링크 레이어(MAC) 제어 기능뿐만 아니라 무선행 트래픽의 인코딩, 스크램블링, 변조, 동등화, MIMO 레이어 매핑, 빔포밍과 관련된 물리적(PHY) 레이어 신호 처리 일부도 제공합니다.
하나 이상의 DU에서 전송된 트래픽은 중앙화 유닛(CU)에 의해 집계됩니다. CU는 사용자 세션 관리, 부하 분산, 예약 및 핸드오버 기능을 수행합니다. 이러한 기능은 신호와 처리 리소스 소모는 비교적 적으나, 총 패킷 데이터 소모량은 더 큽니다.
무선 지능형 컨트롤러(RIC)는 O-RAN 아키텍처의 분리된 특수 요소로, 서비스 및 정책 관리, RAN 분석, 인공 지능(AI)/머신 러닝(ML) 기능을 수행하여 무선 리소스와 복잡한 네트워크에서의 작동을 지능적이고 자동적으로 관리하고 최적화합니다. 이러한 기능은 비실시간 RIC 서브시스템에서는 긴(1초 이상) 시간 동안, 실시간 RIC 서브시스템에서는 ‘즉각적'(1초 미만)으로 작동합니다. rApps(nrtRIC의 경우) 및 xApps(rtRIC의 경우)를 사용하는 표준화된 개방형 인터페이스를 통한 RIC의 로직 및 기능성 확장을 촉진하기 위해 모듈식 프레임워크도 개발되었습니다.
