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이번 글에서는  C-RAN 구조에서 DU (at CO)와 하나의 RU (at CellSite)간에 CPRI link상에 요구되는 대역폭이 왜 수 Gbps에 이르는 지 알아보겠습니다. C-RAN 구조 DU(=BBU)와 RU(=RRH)간의 CPRI link에 요구되는 용량은 아래 표와 같습니다.

LTE Carrier BW가 20MHz이고 2×2 MIMO 안테나를 사용하는 경우 셀내 최대 IP throughput은 150Mbps이며 따라서 이 트래픽을 나르기 위해 IP 백홀망에 요구되는 대역폭도 150Mbps이면 됩니다. 그런데 이 경우 국사의 DU와 셀 사이트의 RU간의 CPRI 링크에는 2.4576Gbps의 대역폭이 요구되네요. 왜 이렇게 많은 대역폭이 필요할까요?

 

먼저 아래 그림 (a)에 보이는 DU와 RU가 분리되기 전의 일체형 기지국에서 데이터의 전달 과정을 살펴봅시다.

(안테나가 2개를 그리면 그림이 지저분해져 안테나를 하나만 그렸음)

LTE Baseband PHY에서 Channel coding, Modulation, IFFT(inverse FFT) 등의 신호처리 과정을 거치면 OFDM symbol waveform (I waveform and Q waveform)이 생성되고 이를 샘플링하면 Digital sample data (I sample 15 bits and Q sample 15 bits)가 생성됩니다. 이 digital sample data는 DAC (Digital to Analog Converter)로 보내져 analog I/Q signal로 변환됩니다. 이후 Modulation/Mixing/Power amplification의 RF 절차를 거처 안테나를 통해 방사됩니다.

OFDM symbol waveform을 샘플링하는 과정에서 sampling frequency가 30.72MHz(LTE carrier BW가 20MHz인 경우)이고 I와 Q sample의 sampling bit-width가 15bits (LTE case)이므로 I/Q sample data는 0.923 Gbps (=30bit/30.72MHz)의 rate으로 발생합니다.

이렇게 발생한 대량의 I/Q sample들은 Base station system내의 internal digital bus를 통해 DAC로 전달되게 됩니다.

C-RAN에서는 DU와 RU가 분리되어 원격으로 이격되어 있고 CPRI 인터페이스를 통해 연결되어 있지요. RU에 Radio part가 있기 때문에 RU의 DAC까지 Baseband I/Q sample를 전달해주어야 합니다.

아래 그림 (b)에 보이듯이 I/Q sample data (0.9216Gbps)는 CPRI frame의 payload에 실리고 여기에 Control word가 삽입되어 CPRI frame(0.983Gbps=16/15*0.9216Gbps)을 형성하고 이후 8B/10B encoding된 후 CPRI link (1.2288Gbps = 10/8*0.983Gbps)를 통해 RU로 전달됩니다.
2×2 MIMO의 경우 안테나가 2개이므로 두배인 2.4576Gbps의 용량이 필요하게 됩니다(4개면 4배, 8개면 8배).

즉, 일체형 기지국에서는 시스템내 내부 버스를 통해 DAC로 전달되던 I/Q sample들이 C-RAN 환경에서는 국사에 위치한 DU에서 I/Q sample이 생성되고 셀 사이트에 위치한 RU내의 DAC까지 CPRI 링크를 통해 이 대량의 I/Q sample들을 전달해야 하기 때문에 CPRI 링크가 높은 대역폭을 필요하게 된 것입니다.  

LTE Carrier BW가 20MHz이고 안테나가 2×2이고 하나의 셀 사이트에 RU가 3개(3-sector)이면, 각 RU 마다 2.4576Gbps의 CPRI 링크가 필요하게 되며 하나의 셀 사이트당 총 7.3728Gbps의 용량이 필요하게 됩니다.

2.4576 Gbps/RU (20MHz, 2×2) x 3 RUs = 7.3728Gbps

만약 2개의 Band를 사용한다면,
2.4576 Gbps/RU (20MHz, 2×2) x 3 RUs x 2 band = 14.7456Gbps
의 CPRI 용량이 필요하구요.

이 경우에 RU당 하나의 fiber link를 쓰면 셀사이트당 6개의 fiber가 필요하며 fiber cost가 너무 커집니다.

(그래서 SK Telecom은 WDM을 쓰고 있고 광이 풍부한 KT는 그냥 fiber로 직결합니다)

Fiber cost를 절감하기 위해 국사와 셀사이트간에 WDM 장비를 사용하여 RU마다 서로 다른 파장을 할당해주는 방식이 주로 사용되고 있습니다.

또 하나의 fiber cost 절감 방안은 I/Q sample을 compression하여 전송할 I/Q sample data량 자체를 줄여 전달하는 것인 데 이에 관해서는 다음 블로그에서 기술하도록 하겠습니다.

출처: 넷마니아즈 C-RAN에서 DU 와 RU 간에 왜 초고용량 전송링크가 필요한가?

1. C-RAN의 출현 (기지국의 DU와 RU를 분리, DU 집중화)

세계 각국의 LTE 사업자들의 속도 및 서비스 품질 경쟁이 갈수록 치열해지고 있습니다. 기존 인터넷 서비스와 더불어 YouTube, Mobile IPTV 등의 OTT 서비스에 의한 모바일 트래픽이 급격히 증가함에 따라, 각 사업자별로 서비스 커버리지 내에 Macro 및 Small cell 등의 기지국 사이트를 경쟁적으로 늘려 나갈 수 밖에 없는 상황입니다.  

사업자 입장에서 다행인 것은 현재의 LTE 기지국이 무선 사이트 확장 및 설치가 용이한 구조를 가지고 있다는 점입니다. 

과거에는 

1) 기지국의 데이터 처리 부(DU: Digital Unit)와 무선 송수신부(RU: Radio Unit)가 함께 셀 사이트에 설치되는 일체형 기지국이며

2) 안정적인 전력 공급과 냉방을 위해 주로 중대형 건물의 실내 공간(Indoor)에 설치하는 구조였습니다.

이로 인해 각 셀 사이트에는 기지국 뿐만 아니라 전력시설, 냉방 시설 등이 각 기지국별로 설치되어야 합니다. 장비와 시설이 많으니까 넓은 면적이 필요합니다.(즉 높은 상면 임차료). 또한 장비와 시설이 많으니까 설치/유지 보수(인건비) 비용 또한 많이 들며, 설치 시간도 길게 되고(긴 망 구축 시간), 부가적으로 장비와 시설에 사용하는 전기료도 많아집니다.

결국 전국망 구축 및 운용을 위한 CAPEX/OPEX가 치솟는 것이고 3G, 4G, 5G로 갈 수록 셀 사이즈는 점점 더 작아져 더 많은 수의 셀사이트를 구축, 운영해야 하는 데 이동통신 사업자로서는 큰 고민입니다. 

이문제를해결하기위해제시된새로운RAN구조가C-RAN(Centralized/CloudRAN)입니다. C-RAN은 기존에 하나의 셀사이트에 있던 DU와 RU를 분리하고, 각 셀사이트에 있던 DU들은 한 곳에 모아서(Centralized) 시원하게 해주며 잘 관리하고 실제 무선 신호가 송수신 되는 셀사이트에는 RU만 남겨 놓는 구조입니다. 서로 떨어져 다른 장소에 설치되는 DU와 RU간은 광케이블(Dedicated Fiber per RU or Dedicated λ per RU)으로 연결합니다.

RU는 옥외형 장비로 개발되는 매우 단단하고 단순한 장비이기 때문에 별도의 냉각 시설이 필요 없습니다. 따라서 옥내 상면은 필요없고 옥외 RU만 설치할 공간만 임차하면 되므로 임차 비용을 최소화할 수 있고, 전원을 공급할 장비가 RU 하나이므로 전기 요금 또한 최소화할 수 있습니다.    

국내의 경우 SK Telecom과 KT의 LTE/LTE-A망은 모두 이 C-RAN 구조로 구축되었습니다.

DU와 RU가 분리되면서 이 둘 간에 통신을 위한 인터페이스 규격이 필요한데

1) CPRI (Common Public Radio Interface)

2) OBSAI (Open Baseband Remote Radiohead Interface)

3) ORI (Open Radio Interface)가 있으며 CPRI와 OBSAI는 기지국 벤더들 위주로 만들어진 표준들인데 전세계 기지국 벤더들과 통신사업자들이 대부분 CPRI를 채택하고 있습니다. 이제 CPRI에 관해 간략하게 살펴보도록 하겠습니다. 

2. CPRI (분리된 DU와 RU간 인터페이스 규격)

CPRI 규격은 2003년에 제정되었으며, 주요 기지국 벤더인 Ericsson, NSN, ALU, NEC, Huawei 주도로 기지국 장비 (DU, RU)간 주요 신호 연동 인터페이스 규격을 표준화하여 공개하고 있습니다. 현재는 해당 규격 문서에 대한 지적재산권은 주장하지 않는 대신, 규격 문서를 수정하는 권한은 앞서 언급한 5개 업체만 가지고 있습니다. 현재까지, 2013년 8월에 발표된 CPRI version 6.0이 최신버전이며, CPRI compression 기능이 정의되면 추가로 업데이트가 될 것으로 보입니다.

REC(DU측)와 RE(RU측)는 CPRI 인터페이스를 통해 1. User Data 2. CPRI Control & Management 데이터 3. CPRI 프레임의 동기정보 (Synchronization)를 주고 받습니다.

• User data는 Baseband Digital IQ Stream의 형태로 CPRI Basic Frame내 IQ Data Block에 실려 전달되며 RU는 이를 받아 아날로그로 변환하여 증폭 시킨 후 안테나를 통해 에어(단말들)로 방사합니다.  
• Control & Management 데이타와 동기 정보는 CPRI Subchannel들(구체적으로는 CPRI Basic Frame내 Control Word들)을 통해 전달되며 REC(DU측)와 RE(RU측)만 이 정보들을 이용하며 LTE Layer 와는 무관합니다. 

CPRI Subchannel은 CPRI Hyper frame (66.67us) 단위로 형성되며 이 Hyper frame은 256개의 Basic frame(260.42ns) 으로 구성됩니다. 각 Basic frame은 1 Byte의 Control word와 15 Byte의 Payload으로 구성되고 하나의 Hyper frame내 총 256개의 Control word이 모여 64개의 Subchannel을 형성합니다. 아래 그림에서 Control & Management 데이터와 Sync 데이터들이 CPRI Subframe내에 어디에 매핑이 되어 전달되는 지 나타나 있습니다. 예를 들어 동기정보는 한 Hyper frame내의 첫번째 Basic frame내 Control Word에 실려 전달되게 되며 Subchannel 0번의 첫 Byte 위치에 해당합니다.

이와 같이 CPRI 표준은 REC와 RE간에 User Data를 전달하고 Control Plane상의 제어 및 관리 정보를 주고 받을 프레임 구조를 정의하고 있고 i) 프레임 내의 User data가 실리는 위치와 ii) 오버헤드 바이트들의 의미와 위치를 정의하고 있습니다.(SONET/SDH하고 비슷)

이번 글에서는 CPRI의 도입 배경과 개념을 간략히 살펴보았고 다음 글에서 CPRI 세부 기술 테마에 대해 논해보도록 하겠습니다.  

OBSAI (Open Baseband Remote Radiohead Interface)CPRI와 유사한 경쟁 규격이 OBSAI 입니다. CPRI에 앞선 2002년 말에 정의되었고, 삼성, NSN 등 다수의 기지국 업체가 참여를 하고 있습니다. 개방형 기지국 구조를 만드는 것을 목표로 기지국의 주요 기능을 모듈 단위로 나누고, RP(Reference Point)라는 인터페이스로 각 모듈들을 상호 연결하도록 구성되었습니다. 실제 글로벌 기지국 업체가 현장에서 적용하는 비율은 CPRI가 대세를 이루고 있는 상황입니다. 또한, OBSAI의 하위 규격 중, CPRI 규격에 상응한 하위 규격인 RP3는 2010년 v4.2 문서 공개후 업데이트되지 않고 있습니다.  ORI (Open Radio Interface)CPRI가 여전히 호환성 측면에서 한계가 있는 상황에서, 이를 극복하고 벤더간 호환성을 개선하고자 표준화 기관인ETSI가 주도하고 있는 표준화 활동이 바로 ORI입니다. ORI 표준화 그룹은 ETSI ISG (Industry Specification Group) 산하이며, 삼성, Huawei, ZTE 등의 벤더뿐 아니라, SK Telecom, KDDI 등의 사업자들도 참여하고 있습니다. ORI 규격 내용은 앞서 언급한 것처럼, CPRI 규격을 근간으로 하여 CPRI의 C&M 규격을 중점으로 기존의 옵션사항 등의 모호한 부분을 명확히하고, 미정의된 사항을 새로 규정하는 식으로 진행되고 있습니다. 이를 통해, CPRI 규격이 가지지 못한 벤더간 호환성과 완성도를 높이는 것을 목표로 하고 있습니다.

출처 : https://www.netmanias.com/ko/post/blog/6214/c-ran-fronthaul-cpri-lte/cpri-1-overview-of-lte-enodeb-interface-between-bbu-and-rrh