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5G 환경에서 타이밍이 분산 베이스밴드 유닛(BBU)에 미치는 영향

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글/짐 올센(Jim Olsen), 애플리케이션 사업부 수석 테크니컬 스텝 엔지니어, 마이크로칩 테크놀로지

무선 통신의 시대가 도래하면서 네트워크 타이밍(net-work timing)은 무선 서비스의 핵심 요소가 되었다. 타이밍 요건은 종종 ‘절대적(absolute)’인 척도로 언급되는데, 이는 타이밍을 알려진 소스로 추적할 수 있어야 함을 뜻한다. 위상 및 시간 애플리케이션에서 이러한 추적 가능한 소스는 일반적으로 위성군(satellite constellation)이다. 타이밍에 활용되는 1세대 위성군은 GPS(위성항법장치)이다. GPS는 주로 내비게이션 용도로 설계되며, GPS 시스템 사용자에게 위도, 경도, 높이 등 3차원 위치 좌표를 제공한다. 높은 수준의 공간 포지셔닝 정확도를 달성하려면 위성을 매우 정확한 타이밍 소스와 동기화하여 타이밍을 정확히 재생성 할 수 있어야 한다.
잘 설계된 GPS 타이밍 수신기 기술을 통해 GPS 사용자는 GPS 위성에 탑재된 동기화된 원자 시계에서 매우 정확한 타이밍을 복구할 수 있다. 이렇게 조율된 시간 데이터를 사용하여 인접 수신기를 동일한 시간 기준에 정렬할 수 있다. GPS 시스템의 우주 기반 원자 시계는 미국 해군 천문대(USNO)에 의해 동기화된다. USNO는 전 세계 시간 표준을 담당하고 파리에 본부를 둔 국제도량형국(BIPM)과 함께 지속적으로 측정을 수행하며 세계 각국과 시간이 일치하도록 조율하고 있다. 이렇게 조율된 세계 시간, 즉 ‘절대’ 시간을 협정 세계시(Universal Coordinated Time)라고 부르고, 흔히 UTC라는 약어를 사용한다. 미국 국방부가 개발하여 운영 중인 GPS는 최초로 구축된 위치, 항법 및 타이밍(PNT) 정보 제공 위성군이었으나, 현재는 GPS 외에도 갈릴레오(EU), 글로나스(러시아), 베이더우(중국), QZSS(일본), IRNSS(인도) 등 여러 범지구 위성항법시스템(GNSS) 기술이 전 세계적으로 적용되고 있다.
무선 기술이 2G에서 5G로 성공적으로 세대 교체를 하면서 네트워크 타이밍 아키텍처 역시 진화를 거듭했다. 2G/3G 분산 RAN은 대형 기지국에 통합 설치되어 있는 GPS 타이밍 수신기를 사용했고, 5G 네트워크의 경우 GPS를 타이밍 분배용 네트워크 기반 클럭 소스로 활용하는 더욱 중앙 집중적이고 중앙 중점적인 모델을 채택하고 있다.

타이밍 아키텍처는 세 단계로 발전해 왔다. 1단계에서는 주파수 네트워크를 대상으로 물리적 타이밍 또는 패킷 계층 타이밍을 설계하고, TDD(위상) 애플리케이션을 대상으로 분산 RAN(DRAN) 기지국 타워에 GPS를 국지적으로 배치했다. 2단계에서는 보다 집중화된 GPS 소스를 추가하여 패킷을 통해 타이밍을 BBU(Baseband Unit) ‘풀(pool)’로 전달했다. 1단계와 2단계에서는 모두 BBU와 무선 처리 장치(RU)로의 독점 타이밍 링크를 사용했다. 그러나 3단계에서는 타이밍 오버 패킷(ToP) 프로토콜을 무선 처리 장치로 직접 확장함으로써, 독점 타이밍에 의존하지 않고 DRAN 기지국에서의 GPS 요건도 줄어든다. 5G에 오픈랜(Open RAN) 개념이 도입되면서 BBU 기능은 중앙집중형(CU)과 분산형(DU)으로 구분되고, 타이밍 경로에 포함시킬 필요가 없는 가상화 및 서버 기반 기능으로 발전할 것이다.
분산 GPS 타이밍 아키텍처에서 PTP(정밀 시각 프로토콜: 이더넷 프로토콜을 통한 IEEE 1588 타이밍의 텔레콤 버전)에 기초한 네트워크 기반 타이밍 아키텍처로 마이그레이션하는 계기가 되는 중요한 기술적 고려 사항이 있다. 분산 GPS 타이밍 아키텍처는 GNSS 수신기에 전적으로 의존하는 반면, 네트워크 기반 타이밍 아키텍처는 GNSS 수신기와 PTP 그랜드마스터 클럭 기술의 조합이라는 개념을 도입한다. 무선 통신의 타이밍과 관련하여 가장 많이 발생하는 문제는 공동 채널 무선 간섭 현상이다. 기지국에 배치한 GPS 수신기가 위성을 제대로 추적하면 적절한 타임 슬롯 전송 할당이 가능하므로 인접 혹은 근접 주파수에서 동작하는 무선 장치가 서로 간섭하는 것을 방지할 수 있다. 그러나 커버리지가 겹치는 무선 클러스터에서 GPS 수신기가 고장나거나 위성 추적을 제대로 하지 못하면 타이밍이 저하되거나 위상 오차가 누적되면서, GPS 수신기에 연결된 무선 장치와 인접 무선 장치 간 간섭 현상이 발생하게 된다. 무선 장치에는 저비용 저성능 오실레이터가 사용되므로 타이밍 정확성이 매우 빠른 속도로 저하된다(무선 설계의 목표 중 하나는 저사양 부품 채택을 통한 원가절감이다).
간섭 현상을 피하기 위해, 일단 타이밍 저하가 시작되면 서비스에서 무선을 제거하거나 타이밍 저하로 인해 영향을 받는 서비스를 즉시 중단해야 한다. 이러한 유형의 고장 발생 가능성을 줄이기 위해 통합 GPS 수신기로 클러스터의 무선 장치를 PTP 그랜드마스터 클럭에 동기화한 PTP 네트워크 기반 타이밍 서비스를 구축할 수 있다. PTP 그랜드마스터 클럭의 GPS가 고장나거나 위성 추적에 문제가 생길 경우, 그랜드마스터 클럭과 동기화된 무선 장치는 인접 장치와 관련하여 위상 정렬을 보정하므로 간섭 문제가 발생하지 않을 것이다. PTP 그랜드마스터 클럭에 고품질 오실레이터를 적용하면 협정 세계시(UTC)에 대한 시각 동기화를 장기간 유지할 수 있고, 고장 시나리오에서UTC 추적 가능 시간을 유지하는데 도움이 되는 PTP 기반 백업 시나리오를 아키텍처에 포함시킬 수 있다. PTP 그랜드마스터 클럭 네트워크 기반 타이밍 서비스 접근방식은 GPS 고장 시나리오에서 무선 클러스터 위상 보정이라는 추가적인 이점을 제공하며, 보안 및 위성군과의 적절한 가시거리(LOS)를 꼼꼼하게 설계할 수 있는 중앙 집중 접속점(PoP)에 GNSS를 구축할 수 있는 탄력적이면서도 비용 효율적인 방법이다.
      
1단계: CPRI 타이밍 애플리케이션을 위한 대형 기지국의 분산 GPS, 통합 GPS 타이밍 수신기

이 애플리케이션에서 타이밍 소스는 일반적으로 기지국 베이스에 무선 헤드(RH)와 함께 배치되는 BBU에 내장된 GPS 수신기이다. 아래 그림 1에서 볼 수 있듯이 BBU가 GPS 수신기에서 타이밍을 복원한 뒤 공공 무선 인터페이스(CPRI)를 사용하여 몇 미터 길이의 광섬유를 통해 무선 헤드로 전송한다.

[그림 1] 위 그림에서는 BBU에 GPS 타이밍 수신기가 통합되어 있으며 DRAN 아키텍처에서의 분산 GPS 타이밍 아키텍처의 일례를 보여 준다. 타이밍은 CPRI 링크를 통해 BBU에서 무선 장치로 전달된다.

2단계: GPS 소스 네트워크 기반 타이밍 서비스, CPRI 타이밍 애플리케이션을 위한 무선 클러스터 집합점에서의 PTP 그랜드 마스터 클럭

이 애플리케이션에서 BBU는 무선 헤드로부터 멀리 떨어져 있다. BBU는 무선 헤드 클러스터의 집합점이자 중앙 집중 RAN(cRAN) 위치로 알려진 허브에 ‘풀링’된다. 시간 소스는 cRAN 허브에 있는 GPS 수신기로, GPS 신호가 안테나에서 BBU에 장착된 수신기로 전달된다. 다른 방법으로는 GPS 수신기를 PTP 그랜드 마스터 클럭과 결합할 수도 있는데, 이 경우 PTP 타이밍 서비스는 BBU의 PTP 슬레이브로 전달된다. BBU가 PTP 플로우나 GPS 수신기에서 타이밍을 복원한 후 CPRI 링크를 통해 원격 무선 헤드(RRH)로 전달한다. 3G와 4G 서비스 아키텍처에서 CPRI 링크는 약 17KM 정도의 거리 제한이 있다. 아래 그림 2에 잘 나타나 있다.

[그림 2] 위 그림은 PTP 그랜드마스터 클럭을 보여준다. 이는 CPRI 링크를 통해 BBU의 PTP 슬레이브에서 무선 클러스터로 시간을 전송하는 무선 클러스터에 대한 네트워크 기반 타이밍 소스 역할을 한다.

3단계: GPS 소스 네트워크 기반 타이밍 서비스, 이더넷 타이밍 애플리케이션을 위한 무선 클러스터 집합점에서의 PTP 그랜드 마스터 클럭

5G에는 무선 고밀도화가 필요하며, 이외에도 4G보다 더 낮은 주파수와 높은 주파수가 추가로 필요하다. 이 두 가지 모두 무선 장치 간 공동 채널 간섭이 커지지 않도록 더욱 세심한 타이밍 설계가 필요하다는 것을 의미한다. BBU는 동시에 분산 유닛(DU)과 중앙 집중화 유닛(CU) 두 가지 기능으로 구분되는데, 이 두 기능은 모두 가상화가 가능하며 CPRI 기반 타이밍은 이더넷을 통해 무선 장치의 PTP로 직접 이동한다. 이는 타이밍 아키텍처에 엄청난 변화를 일으킨다. GPS는 무선 클러스터의 집합점으로 이동하고, PTP는 네트워크 전반에 편재하게 된다. 이러한 아키텍처는 5G 무선 장치(RU)에 타이밍을 제공하고 GPS 클럭을 체계적으로 백업 및 보호하기 위해 강건하면서도 탄력적인 GPS 시스템과 더 많은 PTP를 네트워크 내에 더 깊이 구축해야 한다.
5G 서비스의 경우 네트워크 전체의 탄력성과 결정적(deterministic) 타이밍을 확보하기 위해 PTP 설계에 대한 의존도가 점점 더 높아질 것이다. 오픈랜 아키텍처가 추진력을 얻어 5G 배포에 채택됨에 따라 PTP 타이밍 흐름은 5G무선 장치에서 종료될 것으로 예상되며, 더 이상 분산 유닛(DU)을 그랜드마스터 클럭에서 5G 무선 장치로 이어지는 타이밍 체인에 포함시킬 필요도 없어질 것이다. 이는 아래 그림 3에 잘 나와 있다.

[그림 3] 위 그림은 PTP 그랜드마스터 클럭이 PTP 프로토콜을 통해 5G 무선 장치의 PTP 슬레이브로 바로 시간을 전송하는 모습을 보여 준다.

요약

5G 기술로 인해 RF 주파수, 무선 I/Q 데이터 전송, 전송 아키텍처, 네트워크 동기화 방식을 비롯한 모바일 무선 네트워크 아키텍처의 거의 모든 측면에서 큰 변화가 일어났다. 3G와 4G 시스템은 GPS에 의존했으나, 새롭게 부상한 보안 및 신뢰성 문제, 위성 시스템과의 가시선(LOS) 없이 5G 무선 장치로의 엄격한 타이밍 보장 필요성, 운영업체의 위상 보정 및 중요 타이밍 서비스 제어 선호 등으로 인해 이제는 정밀 시각 프로토콜(PTP)로 선회하고 있다.
상시 운영(Always-on) 유비쿼터스 광대역 서비스를 가능하게 하는 더욱 엄밀하고 결정적인 타이밍은 5G 네트워크의 품질 보증 마크가 될 것이다.