UDN을 위한 소형셀 기술동향

1. 소형셀 기지국 정의 및 망구조

(그림 1)

셀의 크기와 용도에 따른 분류[3]

소형셀 기지국(이하 소형셀)이란 기존의 수 km의 영역을 가지는 광역 기지국이 아닌 소출력을 이용하여 수백~수십 m의 영역을 가지는 기지국을 의미한다. 스몰셀 포럼에서는 초기에 셀의 크기와 용도에 따라 가정형 펨토셀, 기업형 피코셀, 도심이나 시골에서 사용되는 메트로셀과 마이크로 셀로 분류하였으며 가입자의 수용 용량으로도 분류되기도 한다[3]. 스몰셀 포럼에서는 현재 다양한 형태의 소형셀들을 통칭하여 스몰셀로 표기하고 있다. (그림 1)은 셀의 크기와 용도에 따른 소형셀별 분류를 나타낸다.

2. 소형셀 표준화 동향

LTE 기반의 소형셀 기술은 Rel. 9부터 Home eNB란 개념으로 제안되어 Homogeneous 셀 환경에서 주파수 도메인에서 셀 간 간섭문제를 고려하였지만 실제 셀 간 간섭에 대한 문제를 해결하기 어려웠다[4]. Rel. 10과 Rel. 11에서는 다양한 형태의 셀 크기와 형상을 고려한 Heterogeneous Network(HetNet) 소형셀 구조를 기반으로 인접 광역셀과의 협력을 통하여 시간 도메인 셀 간 간섭문제를 해결하기 위한 방안 등을 제시하였으며 Rel. 12에서는 Small Cell Enhancement(SCE)란 주제로 스몰셀 기술에 대한 성능 개선을 수행하고 있다. 스몰셀과 관련하여 대표적인 표준화 동향에 대해서 설명한다.

· CRE

일반적인 광역셀들이 존재하는 망구조와는 달리 광역 셀과 스몰셀이 중첩되는 환경에서 광역셀과 스몰셀의 전송 출력의 차이로 인해 동일 주파수를 사용하는 LTE의 경우 셀 경계지역에서는 셀 간 간섭으로 인하여 망 설계에 어려움이 존재한다. 일반적으로 이동 단말은 하향링크 수신 신호의 세기로 셀을 선택하게 되는데 셀의 크기가 다를 경우 HetNet 환경 하에서 셀 경계에 있는 이동 단말은 셀 영역(기지국과 이동 단말간 거리)의 차이로 인해 광역 셀의 상향링크와 스몰셀의 상향링크에 대한 경로 손실에 차이가 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 이동 단말의 셀 선택 시 셀 경계 지역에서 스몰셀을 선택할 수 있도록 스몰셀의 하향링크 신호에 offset을 주어 스몰셀의 크기를 가상적으로 늘리는 Cell Range Extension(CRE) 방안이 제안되었다. (그림 2)의 회색 부분이 offset으로 인하여 늘어난 스몰셀의 영역으로 CRE를 통하여 이 지역에 있는 단말은 스몰셀을 선택할 수 있도록 한다.

(그림 2)

Cell Range Extension의 예

· ICIC

CRE는 셀 선택 시 상향링크의 경로 손실을 보상해 주는 장점이 있지만 HetNet 환경의 셀 경계 지역에서 CRE 영역으로 늘어난 셀 경계 지역에서 소형셀의 하향링크의 신호 세기가 작아지는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 셀 경계지역에서 무선자원을 나누어 쓰기 위한 방안이 제안되었으며 Rel. 8에서는 주파수 도메인에서 분할하는 방안이 제안되었고 Rel. 10에서는 시간 도메인에서 분할하는 방안이 제안되었다. Rel. 8에서는 기지국 간 X2 인터페이스를 통하여 하향링크의 전송 파워에 대한 정보나 상향링크의 간섭정보를 실제 사용되는 물리 무선자원 블록(Physical Resource Block: PRB) 수준으로 정보를 상호 공유하여 셀 간 상호 간섭을 완화하였다. 하지만 이 방법은 서비스 품질을 제공하기 어려우며 특히 데이터 영역에서만 무선자원을 분할하는 제약으로 인하여 제어 채널에 대한 간섭문제를 해결하기가 어려워 셀의 크기가 다른 HetNet 환경에서는 적합하지 않았다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 Rel. 10에서는 시간 도메인을 분할하여 사용하는 Almost Blank Subframe(ABS)이 제안되었다. ABS는 CRE로 인하여 HetNet 환경의 셀 경계에서 스몰셀에 접속한 이동 단말이 광역셀로부터 큰 간섭을 겪는 문제점을 해결하기 위한 방법으로 LTE 무선 구조인 subframe 별을 인접한 기지국들이 분할하여 사용하는 방법이다. Closed Subscriber Group(CSG)을 지원하지 않는 소형셀(Pico 셀)의 경우, 광역 기지국은 ABS 구간에서 제어와 데이터 채널에 대한 정보를 전송하지 않고 mute함으로써 소형셀에 대한 간섭을 완화할 수 있다(역 호환성을 위해 Cell Reference Signal: CRS, Primary Synchronization Signal: PSS, Secondary Synchronization Signal: SSS등은 전송). (그림 3)은 하나의 무선 프레임에서 ABS 패턴이 존재할 때 전송 여부에 대한 예로서 광역 셀과 피코셀인 경우 색칠된 부분에서 mute가 발생한다.

(그림 3)

ABS의 예

Rel. 11에서는 Inter Cell Interference Coordination (ICIC)을 추가적으로 보완하여 주파수 효율을 높이기 위해 ABS 구간에서 작은 전송 파워로 광역셀 근처에 있는 이동 단말에게 서비스를 할 수 있는 Reduced Power ABS(RP-ABS) 방안, CRS의 간섭을 줄이기 위해 스몰셀이 광역셀의 CRS용 무선자원요소(Physical Resource Element: PRE)를 사용하지 않는 방안과 주파수 집성(Carrier Aggregation: CA) 환경에서 스케줄링 정보를 특정 반송파로만 전송하는 cross-carrier 스케줄링 방법들이 제안되었다. Rel. 12에서는 밀집한 스몰셀 환경하에서 동기 신호와 참조 신호들의 심각한 간섭을 완화하기 위하여 기존의 PSS와 SSS외에 CRS와 CSI-RS를 포함하는 추가적인 참조 신호를 포함하는 Discovery Reference Signal(DRS)을 정의하고 muting 패턴에 따라 전송하여 간섭을 제거할 수 있도록 하였다. 또한, 스몰셀을 핸드오버, CA와 Dual Connectivity(DC)의 경우 켜거나 끌 수 있도록 하여 간섭과 에너지 절감을 할 수 있는 방안도 정의하였다.

· 이중 연결(DC)

스몰셀이 밀집한 망 구조에서는 빠른 이동 속도를 가지는 이동 단말들이 많을 경우 잦은 핸드오버로 인한 제어 신호의 증가와 패킷 포워딩의 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 이중 연결(DC)은 광역 기지국과 스몰셀 기지국이 동일 혹은 다른 주파수를 사용하는 환경하에서 이동 단말이 다수의 기지국으로부터 동시에 수신과 송신을 하기 위한 방안으로 Rel. 12에서 제안되었으며 Rel. 12에서는 제어를 담당하는 하나의 Master eNB(MeNB)와 트래픽만을 전송하는 하나의 SeNB(Secondary eNB)로 구성할 수 있도록 하였다. 제어를 MeNB가 담당하게 함으로써 코어 네트워크로 이동성에 관련된 핸드오버 신호를 감소할 수 있으며 이동 단말과 상대적으로 거리가 가까운 스몰셀을 이용함으로써 이용함으로써 신호 세기를 이용하여 전송률을 증가할 수 있으며 데이터의 오프로딩 효과도 가져올 수 있다. DC는 CA와는 달리 도보 혹은 저속의 이동 속도를 가지는 환경에서 적용할 수 있으며 스몰셀의 백홀이 전송 지연을 가지는 non-ideal 백홀 환경을 기반을 고려하고 있다.

(그림 4)

DC 네트워크 참조 모델

DC는 (그림 4)와 같이 MeNB가 하나의 MME와 연결을 가지며 SeNB는 MeNB의 제어를 받는 구조로 기존 노드들에 영향을 최소화했으며 MME와 제어 신호를 최소화할 수 있도록 하였다. MeNB는 SeNB들의 신호세기에 따라 SeNB들의 추가와 삭제를 결정한다. 데이터 전송은 두 개의 망 구조를 가지며 UP 1A와 UP 3C 형태의 (그림 5)와 같다. UP 1A는 데이터 베어러가 S-GW에서 MeNB와 SeNB로 분리되는 구조로 S-GW에서 베어러별로 MeNB 혹은 SeNB로 전송하는 구조로 기지국의 데이터 평면에 해당되는 스택에 영향을 최소화하며 베어러 별로 독립적으로 처리된다. UP 3C 구조는 MeNB의 PDCP에서 베어러가 분리되는 구조로 UP 1A와는 달리 하향링크의 경우 하나의 베어러가 패킷 단위로 분리되어 MeNB와 SeNB에서 처리될 수 있다. UP 1A구조는 MeNB에 따로 SeNB로 보내기 위한 전송 데이터 트래픽용 버퍼가 필요 없으며 기지국의 프로토콜 스택에 영향을 최소화할 수 있고 MeNB와 SeNB에 추가적인 백홀을 요구하지 않는다. UP 3C 구조는 코어 노드에 SeNB의 변경을 알리지 않아 핸드오버 메시지의 부하를 줄일 수 있으며 SeNB와 추가적인 보안 설정이 필요없고 핸드오버 시 SeNB간 패킷 포워딩이 필요 없는 장점을 가진다.

DC는 상향링크와 하향링크를 서로 다른 셀을 통하여 분리하여 전송할 수 있어 서로 다른 주파수를 사용하는 주파수 간 DC인 경우 MeNB와 SeNB의 셀 경계에서 셀 간 간섭을 효과적을 줄일 수 있다. CA와는 달리 MeNB와 SeNB 사이의 백홀 지연으로 인하여 물리 계층의 제어 신호와 상향링크 제어 정보는 별도 각 기지국에서 처리된다.

(그림 5)

DC 네트워크 참조 모델

· LAA

이동통신은 데이터 트래픽의 급증에 따라 이를 처리하기 위한 추가적인 주파수가 필요하지만, 면허 대역의 주파수 고갈 문제에 따라 이를 해결하기 위하여 비면허 대역에 대한 사용 여부를 고민하게 되었다. 3GPP는 비면허 대역에 대한 무선전송기술로 License Assisted Access(LAA)에 대한 표준화를 진행하고 있다. LAA는 Primary Cell(PCell)인 면허 대역의 기지국에서 제어와 데이터 트래픽의 전송을 담당하고 비면허 대역인 SCell(Secondary Cell)에서는 데이터 트래픽을 전송하는 주파수 집성 구조를 가진다. LTE 무선전송기술은 기존 비면서 대역의 Wi-Fi 기술과 비교하여 전송 효율이 높으며 Wi-Fi 통합 기술과 비교하여 상대적으로 용이한 서비스 품질을 제공할 수 있는 장점이 있다. 3GPP는 현재 하향링크 전용으로 LAA를 정의하고 있지만, 상향링크 적용에 대한 기술까지는 포함하여 설계 중이며 LAA를 위하여 Rel. 13에서 CA의 수를 32까지 확장하였다. PCell인 면허 대역에서는 제어 정보와 서비스 품질이 보장되는 서비스를 제공하며 SCell인 비면허 대역에서는 대용량의 대이터 트래픽을 적용하는 시나리오를 고려할 수 있다.

LAA는 비면허 대역을 이용하기 때문에 비면허 대역에서 요구하는 규정을 준수하여야 하며, 데이터 전송 전에 채널의 사용 여부를 조사해야 하는 Listen-Before-Talk(LBT)과 레이더 시스템에 방해를 주지 않기 위해서 스펙트럼을 모니터하고 주파수를 선택하는 동적 주파수 선택(Dynamic Frequency Selection: DFS) 규정을 고려해야 한다. LAA는 물리 계층 측면에서 하향링크에 대한 비연속적인 전송, DRS와 Channel State Indicator(CSI) 측정 문제, 스케줄링 및 Hybrid Automatic Retransmit reQuest(HARQ), LBT 문제 등이 있으며 상위 계층 측면에서는 Random access, HARQ 운영, Discontinuous Reception(DRX), 서비스 품질 제어, 셀 식별자 충돌 문제 등을 해결하여야 한다.

1. UDN 정의

Ultra Dense Network(UDN)이란 작은 크기의 영역을 가지는 소형셀들이 밀집하는 구조를 가진 망구조로, 이동 단말과 기지국 사이의 거리가 짧아 높은 경로 감쇄 이득 및 전송 지연을 통하여 높은 데이터 전송률을 제공할 수 있는 장점을 가진다[5]. UDN은 5G의 근본적인 망구조로 높은 데이터 전송률 제공과 공간 재사용 측면에서 5G의 요구사항인 향상된 광대역 서비스를 제공할 수 있으며 소형셀을 이용한 Mobile Edge Computing(MEC)을 통하여 대규모 사물 인터넷 서비스를 제공할 수 있다. UDN은 이동단말이 밀집하여 대용량의 데이터 트래픽을 발생하는 스테디움, 공연장, 도심의 hot spot 지역 및 공항 등에 적용될 수 있다. 또한, UDN은 다양한 셀의 크기를 가지는 기지국과 다양한 무선전송방식까지를 고려한 복합적인 망구조를 가진다. 이러한 복잡한 망구조를 가짐으로 인하여 다양한 기술적인 문제를 해결해야 한다. UDN에 대한 기술적인 이슈는 짧은 반경을 가지는 셀의 특성을 반영하는 최적의 무선전송기술, 밀집한 셀들 사이의 간섭관리, 대량의 셀들로 인한 중앙 집중적 관리가 아닌 셀 자체의 자동 구성 방법, 소형셀과 광역셀 간의 협력 방안, 작은 반경을 가지는 셀들 사이에서 고속의 이동성을 가지는 이동단말에 대한 이동성 제어와 에너지 효율을 높이기 위한 에너지 절감 방법 등이 있다.

2. METIS UDN 기술동향

2020년 이후의 5G 무선전송기술을 위한 유럽 프로젝트인 METIS에서는 5G 시스템 개념에 대한 연구를 진행 중이며 하나의 분야로 UDN에 대한 연구도 진행하고 있다[6]. UDN에 대한 중요한 특징으로 밀집한 노드들 사이의 무선자원들의 협력, mmWave와 같은 높은 대역폭을 가지는 새로운 스펙트럼에 대한 이용 및 빔 포밍, 광 백홀 외의 빠르고 유연적인 설치가 가능한 무선 백홀, 빠른 복구 및 안정을 위한 광역셀과의 밀접한 관계성, 높은 전송률과 낮은 지연 등이 있다.

UDN에 대한 구조 연구는 중앙 집중적인 기지국 구조가 아닌 지역 사이트에서 대용량 대역폭 및 무선 자기 백홀을 가지는 분산 기지국 구조, 근접 통신을 위한 지역성을 가지는 데이터 패킷들에 대한 네트워크 edge에서 지역성을 제공할 수 있는 데이터 플랜, 제한된 영역을 가지는 UDN 무선전송을 보상하기 위한 광역 기지국과의 이중/다중 연결성을 포함하는 다중 무선 엑세스 기술 등이 있다.

(그림 6)

METIS UDN [7]

UDN을 위한 핵심 개념으로 무선 인터페이스, 무선 백홀 및 무선 노드 간 협력을 정의하고 있다. 무선 인터페이스는 성능 최적화를 위한 모듈레이션 및 코딩 방법, 제어 신호, 지연 감소 및 동적인 상하향 자원 이용 등을 위한 프레임 구조 및 TDD 모드에서 스펙트럼의 유연한 사용 선택 및 사용 등을 가져야 한다. 또한, 이동 단말 및 센서와 같은 기계 장치들의 접속을 위하여 유선 백홀 링크가 없을 때 무선 자기 백홀 및 릴레이 백홀을 지원해야 한다. 이러한 무선 백홀은 망 형태 및 망 부하에 따라 적응적으로 자기 구성이 가능하여야 하며 몇 개의 노드로부터의 트래픽의 집성을 위한 높은 링크 용량 지원 및 멀티 홉 연결을 위한 낮은 지연을 지원해야 한다. 무선 노드 간 협력은 간섭을 줄이기 위해 밀접한 협력과 에너지 절감을 위해 빠른 활성화/비활성화를 정의한다. 향상된 인접셀 발견을 통하여 동적이고 효과적으로 노드들을 선택하고 그룹화함으로써 장/단기 무선자원관리, 간섭관리 및 무선 접속 기술의 선택 등 전송 성능 향상을 향상시킬 수 있다. UDN 노드의 (비)화성화는 망 형상 혹은 망 고장에 신속히 반응하여 밀집한 셀 환경에서 핸드오버 실패율을 줄이고 망의 부하 상태에 따라 망의 에너지를 최적화할 수 있다.

또한, 추가적인 성능 향상을 위하여 핵심 기능 외에 확장된 UDN 개념을 정의하고 있으며 지역성 기반의 UDN 이동성을 위한 context awareness, 무선 접속 기술 혹은 운영자 간 협력, 제어와 관리 기능을 가지는 광역 계층과의 밀접 연결 등이 있다.

3. 스몰셀 포럼 기술동향

스몰셀 포럼은 셀의 크기에 따른 피코셀, 펨토셀, 매트로셀 및 마이크로셀 등 광역 셀이 아닌 스몰셀을 대상으로 산업계 표준 및 기술적인 문제들을 논의하기 위하여 결성된 비영리 기구로 소형셀 시장을 형성하고 개방형 표준을 정의하는 역할을 한다. 스몰셀 포럼에서는 Iuh, Small Cell Application Platform Interface (SCAPI), Self Organization Network(SON), 스몰셀 서비스 API, TR-069와 X2 인터페이스에 대한 확장에 대한 산업체 표준을 정의하고 있다. 스몰셀 포럼은 5G를 위한 기본 원칙을 효율성, 생존성, 모듈화, 확장성, 유연성과 관리성, Software Defined Networking(SDN) /Network Function Virtualization(NFV) 프레임워크와의 호환성, 설치 용이성과 개방형 가치 창조형 프레임워크로 정의하고 스몰셀이 5G를 위한 핵심 요소로 운영될 수 있도록 5G 연구개발이나 표준화 절차에 반영하는 작업을 수행하고 있다. 스몰셀에 대한 정의를 기존의 전형적인 펨토셀에서부터 개인중심으로 형성되는 미래 지향적인 아이디어까지 포함하는 범위로 정의하고 있으며, 새로운 스몰셀에 대한 작업보다는 가상화, 무산 자원의 통합과 면허 대역과 비면허 대역 시스템의 확장을 포함하는 LTE-advanced 기술을 위한 작업을 위주로 표준을 진행하고 있다.

이를 위하여 이미 진행 중인 활동에서 연관된 6가지의 분야를 정의하였다[8].

· 개방형 에코시스템

멀티 벤더를 지원하는 개방형 인터페이스 및 프레임워크, plug-and-play 운영, 다양한 벤더를 지원하는 다수의 물리적 스몰셀 원격 제어

· 유연한 자기 구성 구조

표준 기반의 연결성 및 관리를 포함한 자동 자기 구성 기능, 밀집한 다수의 셀을 지원하는 SON, 스몰셀을 제어 기능과 엑세스 망을 포함하는 가상화, non-ideal한 프론트홀을 고려한 스몰셀 deployment 구조(프로토콜 스택 분할 방안)

· 적응성을 가지는 시스템 구조

저지연 및 신뢰성등 미래의 다양한 특성을 가진 기술의 수용을 위한 가상화 기반의 유연한 스몰셀 구조

· 모듈러 프레임워크

SCAPI와 같은 멀티 벤더를 수용할 수 있는 개방형 네트워크 API기반의 기능 모듈화

· 공통 API 프레임워크

콘텐츠 관리 및 정밀 위치 관리 등 응용 서비스를 위한 표준화된 API 정의, 이를 통한 MEC 기능 제공