LTE 기반 소형셀 기지국 기술동향

소형셀 기지국이란 통상 수 km의 광대역 커버리지를 지원하는 매크로셀과는 달리 10~수백 m 정도의 소출력 커버리지를 갖는 기지국을 말한다. Small Cell Forum에서는 (그림 1)과 같이 소형셀 기지국을 셀의 크기와 용도에 따라 Residential Femtocell, Enterprise형 Picocell, 도심이나 시골지역에서 사용하는 Metrocell과 Microcell로 구분하여 정의하고 있으며, 실제 이러한 기준에 의한 유형의 소형셀 제품들이 출시되고 있다[2].

(그림 1)

셀 크기 및 용도에 따른 소형셀의 분류

소형셀 기지국은 기술적으로 3G UMTS 기반의 Femto Cell에서 시작하여 4G LTE 기반의 3GPP Rel. 8/9의 Home eNB, Rel. 10/11의 Small Cell을 포함하는 HetNet 기술, Rel. 12에서의 SCE(Small Cell Enhancement) 기술로 진화하고 있으며, Rel. 13의 LTE-LAA(Licensed-Assisted Access) 기술도 소형셀을 대상으로 표준화를 진행 중에 있다. 이러한 소형셀은 Mar-tin Cooper의 법칙에 따라 셀의 크기를 줄이는 것이 단위면적당 주파수 이용 효율을 늘릴 수 있기 때문에 5G 이동통신에서도 점점 소형화된 형태의 셀 크기를 고려할 것이고 이에 따른 연구도 계속 진행될 것으로 전망된다.

LTE 기반 소형셀 기지국은 (그림 2)의 소형셀 기지국망 구조와 같이 매크로 기지국과의 커버리지 포함 관계에 따라 HetNet 망 구조에 포함되거나, 혹은 단독 망 구조를 가질 수 있다.

(그림 2)

소형셀 기지국 망 구조

소형셀 기지국은 접속 제한에 따라 특정 사용자만 사용할 수 있는 폐쇄형(CSG: Closed Subscriber Group) 과 일반 사용자에게 접속을 허용하는 개방형 그리고 이 두 가지 방식을 혼합하여 사용하는 하이브리드형으로 운영할 수 있고, (그림 2)와 같이 S-GW(Security Gate-way)를 통해 HeNB GW(Home eNB Gateway)와 인터페이스할 수 있다. 그리고 소형셀 기지국은 가정용, 혹은 오피스 및 기업용으로 설치 가능함에 따라 소형셀 형상을 자동으로 설정해주는 SON(Self Organizing Network) 서버 및 HeMS(Home eNodeB Management System) 서버와 연동하는 구조를 갖는다.

가. 소형셀 기지국 구조

소형셀 기지국은 RF 및 L1 칩을 포함하는 하드웨어와 L2/L3 프로토콜 및 응용 소프트웨어로 구성되며 (그림 3)과 같은 구조를 갖는다.

소형셀 기지국의 하드웨어는 L1 칩셋에 의존성을 가지며 L1 칩셋에 따라 하드웨어 구조가 달라진다. 소형셀 L1 칩셋은 Small Cell Forum에서 발간한 SCAPI (Small Cell Application Platform Interface) 기반 L1 인터페이스를 제공해야 하며, 이는 L2/L3 프로토콜 소프트웨어를 하드웨어와의 종속성을 최소화하여 구현할 수 있게 한다.

(그림 3)의 소형셀 기지국 구조에서 L2 프로토콜은 MAC 스케줄러와 MAC, RLC, PDCP을 포함하고, L3 프로토콜은 RRC, GTP, S1AP, X2AP로 구성되고 응용 소프트웨어는 RRM, SON Agent, OAM Agent로 구성된다. 그리고 소형셀 기지국 소프트웨어 프레임워크(SW Framework)는 L2/L3 프로토콜 및 응용 소프트웨어들이 동작하기 위한 기반 구조와 소프트웨어들이 공통으로 사용하는 기능을 API(Application Program Interface)로 제공한다.

(그림 3)

소형셀 기지국 내부 구조

나. 소형셀 기지국 요소기술

소형셀 기지국을 설계 및 구현하기 위하여 아래와 같은 요소 기술들이 고려되어야 한다.

1) 유연한 소프트웨어 프레임워크 기술

소프트웨어 프레임워크는 소형셀 기지국 L2/L3 프로토콜 소프트웨어 개발환경을 제공하고, 소형셀 기지국 소프트웨어가 다양한 L1 칩셋 하드웨어에서 동작할 수 있도록 OS(Operating System) 및 하드웨어 장치 드라이버에 대한 API를 제공하며 주요 기능은 아래와 같다.

2) 소형셀 기지국 프로토콜 스택 기술

소형셀 기지국 프로토콜 스택은 3GPP 규격 기반으로 설계 및 구현되고, 3GPP 규격의 지속적인 업그레이드에 대하여 유연한 구조를 제공해야 한다. 또한, 저사양의 소형셀 하드웨어 자원에서 안정적이면서 고속의 L2/L3 프로토콜 처리가 가능해야 하고 아래와 같은 소형셀 기지국 소프트웨어 상용화 요소 기술이 요구된다.

3) 애플리케이션 기술

소형셀 기지국 응용 소프트웨어(애플리케이션) 기술은 무선 자원 관리(RRM: Radio Resource Management), SON(Self-Optimizing Network) Agent, OAM (Operation And Maintenance) Agent 기술이 있으며, 고려해야 하는 요소기술은 아래와 같다.

소형셀 기지국 연관 기술은 소형셀과 연관된 기술로 매크로 기지국에서는 경우 고려하지 않아도 되지만 셀의 소형화, 그리고 Macro 기지국과의 중첩화(HetNet) 에 의하여 필요한 기술이다.

가. 소형셀 백홀(Backhaul) 기술

소형셀 백홀은 소형셀과 코어 네트워크 간의 물리적인 인터페이스를 말하며, Direct Fiber, xDSL, FTTx, HFC(Hybrid fibre-coax)와 DOCSIS(Data Over Cable Service Interface Specification) 등의 유선 솔루션들과 Milimeter 70-80GHz, Milimeter 60GHz, Microwave Point-to-Point, Microwave Point-to-multipoint, 6GHz 대역 이하, TVWS(TV White Space), 위성 등의 무선 솔루션이 있다[5].

소형셀 백홀 기술에 대한 요구사항은 Backhaul Coverage, 용량 예측, Delay 및 Jitter, 동기화, 가용성, 보안, QoS 관리 이슈 들이 있으며, 소형셀의 사용 용량, Coverage에 따라 백홀 고려사항도 달라진다.

나. SON 기술

소형셀 기지국은 매크로 기지국에 비하여 상대적으로 많은 개수가 배치되게 되고, 이에 따라 소형셀을 자동으로 초기화하고 설치하고 관리하는 SON 기술은 소형셀과 연관된 중요한 기술 중 하나이다. SON 기술은 초기 기지국 설치 및 구동 시 기지국에 대한 구성 정보를 자동으로 설정하는 자동 설정(Self-Configuration), 운용단계인 이웃 셀 관리 최적화 및 Coverage Parameter 설정을 위한 자동 최적화(Self-Optimization), 그리고 운용 중 오류 감지 및 치유를 위한 자동 힐링(Self-Heal-ing) 단계로 나누어 동작한다.

SON 기술은 SON 알고리즘의 위치에 따라 Centralized SON, Distributed SON, Hybrid SON 구조로 나누어지며 (그림 4)에서는 Hybrid SON 구조를 예로 보여준다.

SON 기술은 기지국 Self-Configuration, ANR(Auto-matic Neighbor Relation), PCI(Physical Cell ID) Plan-ning, Load Balancing, Mobility Robustness/ Handover Optimization, RACH(Random Access Channel) Opti-mization, ICIC(InterCell Interference Coordination), Energy Saving, Cell Outage Detection and Compensation, CCO(Coverage and Capacity Optimization) 등이 있다.

(그림 4)

Hybrid SON 구조 예

LTE 기반 소형셀 기지국은 3GPP Rel. 8에서 Home eNB 개념으로 다루어졌으나 이후 매크로 기지국 커버리지 안에 소형셀 기지국을 설치하는 이종망 네트워크(HetNet), 급증하는 트래픽을 분산하기 위한 소형셀 향상 기술로 진화하고 있다.

3GPP에서는 Rel. 11에서 LTE Advanced 주요 기술에 대한 표준화를 완료하였고 Rel. 12에서는 소형셀 향상 기술(SCE) 표준화 작업을 활발히 진행하였다. 2014년 9월 3GPP RAN 총회에서는 LAA 기술이 Rel. 13의 Study Item으로 승인됨에 따라 비면허 대역에서 LTE를 사용하기 위한 논의가 본격적으로 시작되었다. LTE 기반 소형셀 기지국의 주요 표준화 기술은 다음과 같다.

가. Enhanced ICIC 기술

매크로 기지국 커버리지 안에 소형셀 기지국이 설치된 환경에서 매크로 셀과 소형셀 간 간섭문제를 완화하기 위하여 3GPP Rel. 10에서는 시간 영역에서 셀 간 간섭을 제어하는 ABS(Almost Blank Subframe) 기술과 CRE(Cell Range Expansion) 기술을 정의하였다.

나. 반송파 집성 기술

반송파 집성 기술은 단말에 부 반송파를 추가적으로 설정하여 대역폭을 확장하는 기술로 3GPP Rel. 10에서 도입되었으며 Rel. 11에서는 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 반송파 간 집성이 가능한 기술로 확장되었다. 그리고 Rel. 12에서는 이종 듀플렉스 반송파 간 집성 기술이 정의되어 FDD(Frequency Division Duplex) 매크로 셀과 TDD(Time Division Duplex) 소형셀 간 반송파 집성을 지원한다.

다. 이중 연결성 기술

Non-ideal Backhaul로 연결된 매크로 기지국과 소형셀 기지국이 서로 다른 주파수를 사용하는 환경에서 단말이 매크로 기지국과 소형셀 기지국에 동시에 연결이 가능한 기술로 3GPP Rel. 12에서 정의되었으며, 용량을 증대시키고 소형셀 기지국이 밀집된 환경에서 갖은 핸드오버에 따른 시그널링 부하를 최소화하고 mobility robustness를 제공한다. 이중 연결성에서 소형셀 무선 자원을 통하여 사용자 평면 데이터 전송 예는 (그림 5)[6]와 같다.

(그림 5)

Inter-node radio resource aggregation[6]

라. LAA

면허 대역을 사용하는 셀을 주 반송파로 하고 비면허 대역을 사용하는 셀을 부 반송파로 집성시키는 기술로 면허 대역을 통하여 서비스 커버리지 확보, 이동성 제공, QoS 서비스를 보장하면서, 비면허 대역을 통하여 급증하는 사용자 트래픽 부하를 분산하고 용량을 증대시킨다. LAA 기술에서 면허 대역을 사용하는 매크로 셀 및 소형셀 그리고 비면허 대역을 사용하는 소형셀의 배치 시나리오는 (그림 6)[7]과 같다.

(그림 6)

Deployment scenario for LAA[7]

Small Cell Forum은 매크로 셀이 아닌 소형셀들 즉, 피코셀, 펨토셀, 매트로셀, 마이크로셀 등을 대상으로 산업계 표준 및 기술적 이슈들을 논의하고 소형셀 사용을 장려하기 위하여 2007년에 결성된 비영리 국제기구로 소형셀 시장을 형성하고 개방형 표준을 주도하는 임무를 지향한다. Small Cell Forum은 (그림 7)[2]과 같이 전 세계 다양한 통신사업자와 기지국 장비업체를 비롯하여 소형셀 기술업체와 테스트 및 인증 기관들을 회원사로 보유하고 있다.

(그림 7)

Small Cell Forum 회원사[2]

Small Cell Forum에서 정의하는 소형셀 기지국 개방형 인터페이스는 소형셀 기지국 업계 표준 인터페이스로 사용되고 있으며 이전 명칭인 FAPI(Femto Application Platform Interface)로도 널리 알려져 있고, 현재는 더 넓은 범위의 소형셀 기지국을 커버하기 위하여 SCAPI로 명칭이 변경되었다. 현재 Small Cell Forum에서는 SON API 정의를 위한 작업을 활발히 진행하고 있으며 이후 2015까지 Cloud RAN(Radio Access Net-work)을 주제로 하는 Virtualization 기술과 5G LTE-Unlicensed 및 LAA, HetNet, SON 관련 소형셀 기지국 진화 기술을 우선적으로 논의할 계획이다. Small Cell Forum의 주요 표준화 기술은 다음과 같다.

가. SCAPI 인터페이스 기술

Small Cell Forum의 RPH(Radio and Physical Layer) 그룹에서는 3GPP Rel. 8 규격을 지원하는 LTE 소형셀 기지국 L2/L3 프로토콜 계층과 PHY 계층 사이의 개방형 인터페이스 L1 API((그림 8) 참조)를 2010년에 배포하고[8], 이후 2014년 2월에 Rel. 10 기능을 지원하는 L1 API를 배포하였다. 그리고 소형셀 기지국의 주변 셀 정보를 모니터링 하기 위한 LTE Network Monitor Mode 인터페이스와 LTE MAC 스케줄러 인터페이스를 정의하여 배포하였다.

(그림 8)

SCAPI L1 API[8]

나. SON 인터페이스 기술

Small Cell Forum에서는 소형셀 기지국 내부에서 동작하는 SON 기능과 소형셀 기지국 외부 네트워크에서 동작하는 SON 기능 간 상호연동을 지원하는 개방형 인터페이스 SON API 정의 작업을 2014년 내에 Stage 2 완료를 목표로 진행하고 있다. SON API는 3GPP TS 32.592 규격과 Broadband Forum의 TR 196 데이터 모델을 따르며, SON 기능별 요구사항을 도출하고 파라미터 및 API를 정의하고 있다.

다. Virtualization 기술

Virtualization 기술은 Small Cell Forum에서 2014년 6월 Plenary 회의에서 시작하여 2015년까지 우선적으로 논의할 주제이다. Cloud RAN 구조는 소형셀 기지국 간의 협력 송수신, 간섭 제어 및 이동성 향상 등 진화된 기술들을 효과적으로 지원할 수 있는 구조이지만, 다양한 소형셀 기지국 시나리오에서 Centralized eNB와 Remote eNB 사이의 지연 요구사항을 보장할 수 있는 L1/L2/L3 프로토콜 기능 분리 구조와 fronthaul 및 backhaul 기술이 중요한 이슈로 논의되고 있다.

소형셀 기지국 제조업체들은 소형셀 기지국 L1 칩셋에 L2/L3 프로토콜 소프트웨어를 탑재하고 안정화 시험과 사업자 요구사항에 대한 커스터마이징 과정을 거쳐 소형셀 기지국 장비를 상품화 한다. 따라서 소형셀 기지국 장비의 출시 버전은 L1 칩셋과 L2/L3 소프트웨어 로드맵에 의존성이 크다. 국외 소형셀 기지국 장비 제조업체는 Airvana, Alcatel-Lucent, Cisco, Ericsson, Huawei, ip.access, NEC, Nokia, Samsung, SpiderCloud[10] 등이 있고, 국내 소형셀 기지국 제조업체는 ㈜이노와이어리스, ㈜콘텔라, ㈜삼지전자, ㈜아리텔, ㈜Juni KOREA 등이 있으며 3GPP Rel. 9 규격 기반 4G(LTE) Residential, Enterprise, Outdoor급 소형셀 기지국 장비를 생산 중이다.

소형셀 기지국 모뎀을 공급하는 업체는 Broadcom, Cavium, Coherent Logix, Freescale, Intel, Qualcomm, Texas Instruments[10] 등이 있으며, 대부분 모뎀 칩셋 업체들이 현재는 Rel. 9기반의 모뎀 칩셋을 공급하고 있고 Rel. 10 기반의 모뎀 칩셋은 2014년 말 또는 2015년에 공급할 계획이다.

소형셀 기지국 L2/L3 프로토콜 솔루션을 제공하는 업체는 Aricent, Cavium, MIMOon, Radisys 등이 있으며 기지국 L2/L3 프로토콜 계층과 PHY 계층 사이의 인터페이스는 SCAPI 규격을 지원하고 ARM9 칩과 Linux 플랫폼에서 동작한다[5].

Radisys와 Aricent는 L2/L3 프로토콜과 소형셀 기지국 소프트웨어 프레임워크, RRM, SON 기능 소프트웨어를 추가로 제공하고, MIMOon과 Cavium은 소형셀 기지국 L1 칩셋 제초 업체이면서 L2/L3 프로토롤 소프트웨어를 자체 개발하여 공급하고 있다.

UDN(Ultra Dense Network)은 소형셀을 밀집하게 배치하여 단위면적당 전송 용량 및 사용자의 데이터 전송 Rate를 늘릴 수 있는 개념으로 (그림 10)은 UDN 구조 예를 보여준다.

(그림 10)

Ultra-Dense Network 구조 예[12]

^*Metis UDN concepts for 5G에서 발췌[12]

UDN은 용량을 증대하고, 무선링크 에너지 효율성을 증가시키고, 유연한 스펙트럼 이용을 목표로 한다. 이를 위하여 무선전송 측면에서는 소형화된 보다 촘촘한 환경에 적합한 수 GHz부터 mmW까지의 유연한 스펙트럼 사용, TDD 기반의 유연한 상향링크-하향링크 프레임 구조, 보다 높은 모듈레이션 기법, 여러 개의 셀이 하나의 단말로 빔포밍을 하는 Distributed MIMO 등에 대한 연구가 있을 수 있다. 또한 소형셀 노드들을 빠르게 활성화/비활성화 하고 연관된 소형셀 간의 클러스터링 알고리즘에 근거한 소형셀 연동 기술과 소형셀들의 무선 셀프 백홀링과 네트워크 코딩 스킴 등이 연구 주제가 될 수 있다. 추가적으로 UDN을 구성하는 소형셀과 매크로 셀의 연동 기술, UDN을 위한 효율적인 백홀, 컨텍스트 정보, 서비스 신뢰성, 개선된 관리 등이 UDN의 확장 주제로 연구될 수 있다[12].

소형셀의 밀집한 배치, 무선전송방식의 다양화는 무선 액세스 망의 구조에도 변화를 가져올 것으로 예측된다. 장소 및 용도에 따라 소형셀은 독립적으로 구축될 수도 있고, 무선라디오 유닛과 베이스밴드 유닛이 분리된 Cloud RAN 구조로 구축될 수도 있을 것이다.

Cloud(or centralized) RAN 구조는 통신사와 제조업체들을 중심으로 연구 및 초기 상용화가 진행 중에 있다. ALU(Alcatel Lucent)의 Light Radio, China Mobile, ZTE, HUAWEI 등의 C-RAN, NSN의 LightNet, IBM의 Cloud 기반의 WiMAX, Ericsson의 LTE 기반의 Cloud RAN 등이 현재 PoC(Proof-of-Concept) Level에서 검증되었다. Cloud RAN 구조의 경우 현재는 RRH(Remote Radio Head)와 DU(Digital Unit)를 분리하는 수준으로 조기 상용 시스템이 구축되고 있으나, 향후 4G와 5G 이동통신을 위한 무선 액세스 가상화는 유연한 자원의 사용, 다양한 무선액세스의 지원, 다양한 스펙트럼의 사용 등을 고려하여 연구될 것으로 생각된다.

소형셀의 밀집화된 배치와 함께 고려해야 하는 무선 액세스 망구조 중 하나는 HetNet이다. 5G 이동통신에서 소형셀은 음영지역이나, 도심 밀집지역의 트래픽이 폭주하는 지역에 사용될 가능성이 높으며, 매크로 기지국과 함께 HetNet 구조를 이루게 될 것이다. HetNet 환경에서의 간섭제어, 협력전송 등의 기법은 무선망 용량 증대 기술로 함께 연구되어야 할 것이다[13].

결론적으로 5G 이동통신에서 소형셀을 고려한 무선 액세스 망구조는 HetNet 구조를 가정한 무선 액세스 가상화, RF, L1, L2, L3 각 프로토콜 계층에서의 분산과 중앙집중 제어를 고려한 가상화 구조, 다양한 무선전송 방식에 유연한 가상화 구조, 통합된 무선 자원 제어가 가능한 구조들에 대한 연구가 진행될 것으로 전망한다.

소형셀은 밀집한 환경의 소형셀(Dense Network)에서 Ultra Dense Network으로 진화할 것으로 예상되며[14] 이때 모든 소형셀이 각자의 자원을 관리하는 방안 보다는 Cloud 구조에서 통합된 자원관리가 보다 효율적일 것으로 생각된다. UDN의 경우 다양한 RAT(Radio Access Technology)들이 존재할 것으로 생각되며, 이때 효율적인 간섭제어 및 사용자의 QoS를 고려한 스케줄링 기능을 포함한 RRM 기능, 그리고 여러 개의 셀이 하나의 단말에게 빔포밍에 의하여 자원을 할당하는 Distributed MIMO 형태의 Cell이 존재하는 경우 통합 RRM에 의한 자원할당 기능, 간섭제어, 전원제어 기능들이 주요 연구 주제가 될 것이다.

소형셀의 배치와 함께 주목 받을 기술 중 하나가 Advanced SON이 될 것이다. 많은 소형셀의 배치는 운 용자가 하나하나 관리하기에는 많은 부담이 될 것으로 생각되어 소형셀 배치와 함께 Advanced SON 기술은 더욱 부각되어 사업자의 OPEX(Operating Expenditure)를 줄이는 기술이 될 것이다. Advanced SON 기술은 초기 설정부터 셀 형상을 자동으로 감지하여 설정하는 Self-Configuration을 포함한 기존의 SON 기술에, 추가적으로 HetNet을 고려한 보다 향상된 간섭제어, 기지국 상태 관리에 의한 자가 치료, 밀집한 소형셀의 에너지 절감을 관리하는 기술들이 연구되어야 할 것이다.

소형셀과 관련된 Advanced SON 기술과 관련하여 Qualcomm에서는 다음과 같은 기능을 수행하는 UltraSON을 선보이고 있다[15].