O-RAN 소개

O-RAN의 개념과 아키텍처는 분할 RAN 개념을 사용합니다. RAN을 기능적으로 분할하는 방법은 8가지로 알려져 있으며, 각 방법은 프로토콜 스택의 서로 다른 부분이 서로 다른 하드웨어에서 처리되도록 프로세싱을 분할하는 것을 제안합니다. 그림 2에는 8가지 옵션이 요약되어 있습니다.

^{그림 2: RAN 분할 옵션 (소스: NGNM 2018).}

그림 2에서 볼 수 있듯이 O-RAN은 물리적 계층 (PHY)을 high-PHY와 low-PHY로 분할하는 옵션 7-2를 사용합니다. 옵션 7-2의 경우 업링크 (UL), CP 제거, 고속 푸리에 변환 (FFT), 디지털 빔포밍 (해당되는 경우) 및 프리필터링 (PRACH (physical random access channel) 전용) 기능이 모두 RU에서 수행됩니다. 나머지 PHY는 DU에서 처리됩니다. 다운링크 (DL)의 경우, 역 FFT (iFFT), CP 추가, 프리코딩 기능, 디지털 빔포밍 (해당되는 경우)은 RU에서 이루어지고 나머지 PHY 프로세싱은 DU에서 이루어집니다. 2G, 3G 및 4G는 옵션 8 분할을 통해 전달되는 CPRI (Common Public Radio Interface)를 사용합니다.

7-2 분할로 이동하면 DU와 RU 간의 트래픽이 줄어듭니다. O-RAN은 7-2 분할 버전을 지정했습니다. 그림 3은 7-2 분할과 프로토콜 스택의 다른 부분이 CU와 DU로 분할되는 방식을 보여줍니다. 7.2x 분할은 이 기술을 빠르게 시장에 출시하는 것과 배포 비용 사이의 최적의 균형입니다. 트래픽 감소 효과와 개선 효과를 얻는 동시에 분할 세부 사항에 대한 혼란을 줄입니다. 일부 5G 시스템은 DU-RU 인터페이스로 eCPRI (Evolved CPRI)를 사용하며 eCPRI는 공급업체별로 high PHY와 low PHY를 구분하여 제공합니다. 따라서 다중 분할을 지원하여 트래픽 또는 유연성에 맞게 최적화하고, 고유한 안테나 물리적 환경으로 인해 서로 다른 배포 환경을 수용할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 사업자별 연결에 맞게 비용을 최적화할 수 있습니다.

^{그림 3: 옵션 7.2의 CU, DU, RU 간 프로토콜 계층 분할.}

새로운 5G RAN 아키텍처를 위해 3GPP는 CU와 DU 간의 통신을 위한 새로운 인터페이스인 F1 인터페이스를 정의하고 표준화했습니다. CU와 DU가 물리적으로 분할되는 것을 HLS (Higher-Layer Split)라고 합니다. 3GPP에서 정의하지는 않았지만, DU와 RU 사이의 하위 계층 인터페이스를 LLS (Lower-Layer Split)라고 합니다. 여러 가지 방법으로 CU와 DU를 서로 연관시키거나 RU와 연관시켜 설정할 수 있습니다. 그림 4는 다양한 RAN 설정을 다이어그램으로 나타냅니다. F1 인터페이스는 지연에 강한 반면, DU-to-RU 인터페이스는 지연 시간이 짧아야 합니다. 지연 시간이 짧은 인터페이스를 만드는 데 따르는 어려움을 감안하여 이 백서의 나머지 부분에서는 LLS (Lower-Layer Split) 사용 사례와 함께 중앙 RAN에 대해 자세히 설명합니다.

^{그림 4: RAN 기능 단위 위치 유연성 (소스: NGMN, 2018).}

DU와 RU 간의 인터페이스는 프런트 홀 (FH) 인터페이스라고도 합니다. 가장 까다로운 시스템 인터페이스 중 하나인 FH 인터페이스는 지연 시간에 매우 민감합니다. DU와 RU가 동일한 제조업체의 제품인 경우, 대부분의 시스템은 CPRI 또는 eCPRI (5G만 해당)를 FH 인터페이스로 사용합니다. CPRI는 원래 개방형 인터페이스로 고안되었지만, 실제로는 각 공급업체가 자체 하드웨어와 작동하도록 약간씩 다른 방식으로 구현하여 여러 공급업체의 상호 운용성이 어렵거나 불가능하게 만들었습니다. 오픈 화이트박스 하드웨어 아키텍처를 권장하지는 않지만, DU와 RU 간의 긴밀한 동기화를 보다 쉽게 달성할 수 있습니다. DU와 RU가 한 공급업체의 제품인 경우, 전송 시점과 수신 시점이 일치합니다 (유일한 차이점은 DU와 RU 사이의 거리임).

​O-RAN의 두 가지 목표 중 하나는 보다 개방적인 생태계를 조성하는 것이며, 이를 위해서는 새로운 FH 인터페이스를 정의해야 합니다. 7개의 O-RAN 워킹 그룹 중 하나인 워킹 그룹 4 (WG4)는 이 인터페이스를 정의하는 데 전념하고 있습니다. 오픈 프런트 홀 인터페이스 워킹 그룹이라고 하는 이 공급업체의 목표는 "여러 공급업체의 DU-RRU 상호 운용성을 실현할 수 있는 진정한 오픈 프런트 홀 인터페이스를 제공하는 것"입니다. 그림 5는 제안된 DU-to-RU 인터페이스가 서로 다른 평면에서 정보를 교환하는 방법을 보여줍니다. 7개의 서로 다른 흐름과 추가적인 관리 (M) 평면 흐름이 복잡해 보일 수 있지만, 자세히 살펴보면 총 4개의 평면 (제어, 사용자, 동기화, 관리)에 걸쳐 세 가지 데이터 타입 (I/Q 데이터, 타이밍 및 동기화 데이터, 명령 및 제어 정보)만이 존재합니다.

^{그림 5: 하위 계층 프런트 홀 데이터 흐름 (소스: O-RAN).
참고: M 평면 흐름은 여기에 표시되지 않음.}

CPRI는 옵션 8 분할을 기반으로 하기 때문에 FH 인터페이스에서 I/Q 데이터가 전송, 패킹 및 언패킹되는 방식에 있어 CPRI와 비교하여 상당한 차이가 있습니다. 옵션 8 분할은 RF에서 네트워크를 분할하므로 I/Q 샘플은 PHY 처리 (FFT/iFFT)를 거치지 않습니다. 4G 후반과 5G 초기에 네트워크가 발전함에 따라 eCPRI는 대규모 다중 입력 및 다중 출력 (MIMO)에 사용되는 안테나와 샘플링 속도 (안테나당 다중 샘플)의 증가로 인해 발생하는 트래픽을 줄이기 위해 노력했습니다. 시스템 트래픽이 물리적 연결을 압도하고 트래픽을 수용할 수 있는 연결은 구현하는 데 많은 비용이 듭니다.

​이 인터페이스의 트래픽을 줄이기 위해 eCPRI는 PHY의 특정 부분을 RU로 이동하고 압축 알고리즘을 추가합니다. 그러나 어떤 PHY를 RU로 이동하는지는 특정 분할을 따르지 않으며 공급업체마다 다릅니다. 이 시나리오는 일부 공급업체에게는 경쟁 우위가 될 수 있으며, 사업자에게는 잠재적으로 링크 비용을 절감할 수 있는 방법이 될 수 있습니다. 하위 레벨 PHY 기능의 일부가 RU에 있으므로 DU는 이러한 기능을 수행하는 방법을 RU에 알려야 합니다. 이 명령은 eCPRI와 O-RAN의 FH 인터페이스 사이에 다른 명령 및 제어 인터페이스를 생성하지만, 공급업체별 분할은 서비스 공급업체에 대한 종속성을 지속시킵니다. O-RAN의 개방형 FH 인터페이스는 다양한 공급업체의 하드웨어를 통합할 수 있도록 7.2x 분할을 사용하여 어떤 PHY 조각을 RU로 이동하는지를 표준화하는 것을 목표로 합니다.

WG4는 FH 인터페이스를 완성하기 위해 작동하기 때문에 테스트 방법을 고려해야 합니다. 서로 다른 하드웨어 공급업체의 DU와 RU가 포함된 시스템의 경우, 시스템 통합업체와 공급업체는 DU와 RU가 제대로 인터페이스하는지 검증할 수 있는 기능이 필요합니다. 이러한 유형의 테스트를 일반적으로 상호 운용성 테스트라고 합니다. O-RAN은 O-RAN 호환 시스템을 테스트하는 방법을 연구하고 있습니다. 그림 6은 에뮬레이션 또는 상용이 될 수 있는 O-RAN-CU (O-CU) 및 UE를 사용하여 O-RAN-DU (O-DU) 및 O-RAN-RU (O-RU)를 테스트하는 테스트 설정이 어떤 모습일 수 있는지 보여주는 O-RAN 다이어그램입니다. CU와 DU 사이의 인터페이스를 살펴보는 테스트 포인트와 RU RF 입력/출력을 살펴보는 테스트 포인트가 있지만, DU와 RU는 DUT (Device Under Test)로 결합됩니다. 따라서 능동적 자극을 사용할 때는 DU와 RU 간의 FH 인터페이스가 테스트되지 않고 수동적 모니터링에만 고려됩니다.

^{그림 6: O-RAN 테스트 설정, 능동 (왼쪽) 및 수동 (오른쪽) (소스: O-RAN).}

FH 인터페이스에 대해 고려해야 할 능동 테스트에는 프로토콜 테스트와 파라미터형 테스트의 두 가지 종류가 있습니다. O-RAN은 테스트 사례 검증 및 문제 해결을 위해 프로토콜 테스트가 필요하다는 것을 보여주었습니다. 개발 중에 설계를 검증할 수 있는 테스트 도구를 갖추는 것은 다른 O-RAN 호환 디바이스와 성공적으로 연동하기 위한 핵심 요소입니다. 설계가 마무리되고 DU와 RU가 검증 및 생산 단계에 들어가면 파라미터형 테스트를 통해 각 유닛이 예상대로 작동하는지 확인합니다.

​RU는 O-RAN 기지국의 핵심 구성요소입니다. 낮은 PHY 계층을 제공하여 UE를 RAN에 연결합니다. 다른 쪽 끝에서는 O-RAN FH 인터페이스를 통해 DU에 연결됩니다. RU는 확장 가능한 구성요소로, 여러 개의 RU를 단일 DU에 연결할 수 있고, 특정 RU에 여러 개의 안테나를 장착하여 여러 개의 UE에 동시에 연결할 수 있습니다. 이 설정으로 인해 이 구성요소는 기지국에서 가장 많은 테스트 포인트가 있는 구성요소이기도 하므로 빠른 테스트 시간이 운영 효율성에 매우 중요합니다. NI는 이러한 고려 사항을 염두에 두고 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 검증 및 생산 테스트 솔루션을 개발했습니다.

O-RAN RU 검증

​NI는 Spirent와 협력하여 O-RAN RU의 포괄적인 검증을 위한 솔루션을 개발했습니다. UE, RF 채널 에뮬레이터, RU (DUT), DU, CU, 코어 (EPC/5GC)를 제어하는 완전 자동화된 단일 GUI를 갖춘 NI와 Spirent의 협업은 사용자에게 하나의 통합형 연결 테스트 플랫폼에서 엔드투엔드 기능 및 성능 테스트와 RU 검증을 위한 모든 기능을 제공합니다.

^{그림 7: Spirent 및 NI를 사용한 RU 검증 블록다이어그램.}

주요 기능:

1. UE, RF 채널 에뮬레이터, RU (DUT), DU, CU, 코어 (EPC/5GC)를 제어하는 완전히 자동화된 단일 GUI
2. DU, CU, 코어, UE를 위한 리얼타임 라이브 네트워크 에뮬레이션
3. 데이터 성능 (KPI) 및 무선 메시지에 대한 리얼타임 데이터 플로팅
4. O-RAN 얼라이언스 TIFG 종단 간 테스트 사양 섹션 4 및 5의 기능 및 성능 테스트
5. O-RU 성능 벤치마킹 및 근거리/원거리 동적 범위 테스트를 위한 고급 O-RU 감도 성능 테스트
6. 확장 가능한 고성능 계측을 위한 PXI 플랫폼 기반의 완전 통합형 하드웨어

O-RAN RU 생산 테스트

NI의 O-RAN RU 생산 테스트 솔루션은 RU 제조 과정에서 빠르고 효율적인 테스트를 제공합니다. 이 솔루션은 동일한 테스트 및 자동화 인터페이스에서 RF 및 디지털 DUT 제어, 뛰어난 타이밍 및 NI 계측기와의 동기화, 리얼타임 프런트 홀 링크, 높은 처리량의 DU 에뮬레이션을 통해 효율적이고 빠르며 비용 효율적인 RU 생산 테스트를 제공합니다.

NI 파트너와 함께 이 솔루션을 사용하면 전체 테스트 비용을 절감하고 시장 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

^{그림 8: O-RAN RU 생산 테스트 블록다이어그램.}

주요 기능:

1. 높은 처리량의 DU 에뮬레이션 레코딩 및 재생
2. 통합형 DUT 컨트롤
3. 생산 테스트를 위한 O-RAN 및 기존 RAN 테스트 사례
4. PXI VST로 진화하는 무선 표준에 적응
5. 측정값이 나열된 4계층 RU로 테스트 시간 단축
6. 작은 설치 공간으로 비용 효율적인 테스트 플랫폼

O-RAN은 세 가지 목표를 유지합니다.

• 네트워크의 일부를 가상화하여 효율성을 극대화하는 기능을 활용하는 더 스마트한 RAN 생성
• 여러 제공업체의 네트워크 솔루션을 위한 화이트박스 하드웨어 지원
• 네트워크 구성요소 사이에 표준화된 인터페이스 생성

이러한 주요 이니셔티브를 제공함으로써 O-RAN은 네트워크를 더욱 미래지향적으로 발전시키고 URLLC와 같은 5G가 약속한 기능 및 사용 사례를 통합하는 것을 목표로 합니다. 특히 FH 인터페이스는 DU-to-RU 통신에 필요한 짧은 지연 시간 때문에 까다롭습니다. O-RAN의 WG4는 이 인터페이스를 정의하기 위해 진전을 보이고 있으며, 기업들은 다른 O-RAN 호환 하드웨어에 연결하기 위해 O-RAN 호환 RU를 구축하기 시작했습니다. 이 새로운 기술이 시장에 출시되기 위해서는 설계 및 검증 단계와 생산 테스트 모두에서 DU-RU 인터페이스를 검증하고 테스트하는 것이 중요합니다. NI는 IOT 테스트 하드웨어와 소프트웨어, 포괄적인 RU 검증 및 생산 테스트 솔루션을 제공함으로써 새로운 O-RAN 호환 RU의 시장 출시를 가속화할 수 있도록 지원합니다. O-RAN이 5G 네트워크에 널리 채택되어 사용될 시기는 아직 불분명하지만, 현재 이 연합은 새로운 인터페이스를 구현하기 위해 적극적으로 노력하고 있으며, 셀룰러 네트워크 인프라를 개선하고 발전시키기 위해 여러 제공업체의 하드웨어 솔루션을 사용하여 새로운 네트워크를 구축하는 방법을 모색하고 있습니다.