krnet mobile xhaul 20150603akrnet.or.kr/board/data/dprogram/1991/h3-2-%c1%a4%c8%af... ·...

2015. 6. 23.

광 기반 모바일 프론트홀/백홀 기술

1

2 광기반 모바일 프론트홀 기술광기반 모바일 프론트홀 기술

3 광기반 모바일 백홀 기술광기반 모바일 백홀 기술

4 차세대 모바일 프론트홀 기술차세대 모바일 프론트홀 기술

5 요약요약

1 모바일 네트워크 현안 사항모바일 네트워크 현안 사항

목차

2

Ⅰ. 모바일 네트워크 현안사항

전세계 모바일 데이터 트래픽은 향후 57% CAGR (compound annual growth rate) 수준으로 성장 ’15년 현재 약 4.2 EB (Exa bytes)에서 ’19년 24.3 EB (exa bytes) 로 성장 약 5년간 트래픽 양은 10배 정도 폭증할 것으로 예측

전세계 4G LTE 가입자는 2020년까지 약 18억명 (전세계 인구의 약 1/3) 수준으로 증가 ’15년 이후 LTE 가입자수는 약 5배 이상 성장

’20년 이후 5G 상용시스템 도입시 트래픽 초과 성장 예상이동통신기술의 진화는 트래픽과 신규 가입자의 성장을 견인

2.54.2

6.8

10.7

16.1

24.3

0

5

10

15

20

25

30

2014 2015 2016 2017 2018 2019

EXABYTES PER

MONTH

GLOBAL MOBILE DATA TRAFFIC GROWTH/TOP‐LINE

57% CAGR 2014‐2019

글로벌 모바일 데이터 트래픽 성장 (참고: Cisco, “Cisco VNI Global Mobile Data Traffic Forecast, 2014-2019”)

1,182 8,417 32,577 107,463

203,268 336,210

591,951

912,027

1,201,670

1,517,479

1,812,817

0

500,000

1,000,000

1,500,000

2,000,000

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Subsc

riber

s in

tho

usad

s

Number of 4G mobile subscribers worldwide

from 2010 to 2020 (in 1,000)

전세계 4G 이동통신서비스 가입자수 예측(참고: Jefferies & Company, Statistics 2015)

3


전세계 이동통신 사업자의 CAPEX는 꾸준히 증가 ’14년부터 ’18년까지 매년 350억불 이상 소요 ’15년 이후는 정체될 것으로 예측

반면, 이동통신사업자의 revenue는 ’15년 이후 2% 수준으로 예측투자 대비 수익은 ‘12년 급감이후 연속적으로 정체

이동통신사업자의 CAPEX 예측 (참고: Infonetics, “2014 Market Size and Forecasts: WW, NA, EMEA, APAC, CALA”)

이동통신사업자의 수익 예측 (참고: Infonetics, “2014 Market Size and Forecasts: WW, NA, EMEA, APAC, CALA”)

4

CPRI, OBSAI, ORI ?일체형 기지국

분리형 기지국 (Cloud-RAN)

셀사이트구축/운영비용절감과효율적트래픽대응을위해일체형기지국에서분리형기지국(C-RAN) 구조로진화

5G에서는C-RAN 구조를유지하면서, 광전송구간의 속도를감소시키는혁신적인기술필요


5

II. 광 기반 모바일 프론트홀 기술

이동통신 기지국에서 Base Band Unit (BBU) 와 Remote Radio Head (RRH) 를 연결하는 네트워크

모바일 프론트홀 모바일 백홀

Core Network

단일 BBU와 다수의 RRH가 다양한 네트워크 토폴로지로 연결 (링, 스타, 버스등) CPRI/OBSAI등의 프로토콜을 활용한 디지털 광 전송 방식을 채용 데이터 폭증에 대응하기 위한 새로운 방식의 차세대 프론트홀 구현 방식 (RoF)이 제안

6

모바일 사업자의 ARPU (average revenue per user) 증가를 위한 방안 중 하나로 제안 BBU (DU)를 한 곳으로 모으고 옥외에는 RRH (RU)만을 두어 구축 및 운용 비용 절감

기존 대비 Capex 30%, Opex 53% 절감이 가능할 것으로 예측 CAPEX의 경우 Civil work 및 Air-conditioning을 위한 비용 제거를 통해 수익 개선 OPEX의 경우 site rent 비용 절감을 통해 수익 개선 국내 이동통신사업 3개사 모두 현재 C-RAN 구조를 채택하여 운용 중

D-RAN 에서 C-RAN 으로의 진화

C-RAN 적용시 CAPEX & OPEX 절감효과(참고: http://www.fiercewireless.com/)


7

Standard BS

BBU Remoted

BBU Centralized Intra BBU Pooling+CoMP Inter BBU Pooling+CoMP

Possible future Products

Cloud RAN ArchitecturesConventional Architectures

Future C-RANVirtualized or vRAN

Multiple site per

BBU

Multiple site per

BBU

Multiple site per

BBU

BBU1 BBU2 BBU3

Switching Layer

BBU1 BBU2 BBU3

Fiber Fiber Fiber

Central Office

BackhaulFiber

BackhaulFiber

BackhaulFiber

Phase 2 C-RAN

Multiple site per

BBU

Multiple site per

BBU

Multiple site per

BBU

Fiber Fiber Fiber

Central Office

BackhaulFiber

BackhaulFiber

BackhaulFiber

Phase 1 C-RAN

3 cells (1 site) per BBU

3 cells (1 site) per BBU

Radio

Site 1

Radio

Site 2

BS BS

BBU1 BBU2

BackhaulCopperM-wave

Fiber

FiberFiber


Fiber

Traditional Site

Remote Head Site

(RRU)

Radio

BS

BBU

Fiber

Site


Fiber

Radio

BS

BBU

Site


Fiber

Coaxial

참고: OFC2015 Workshop “Access Networks for High Speed Applications and Mobile Xhaul”


8


방식CPRI over

Dedicated FiberCPRI over TDM-PON

(EPON/GPON)CPRI over WDM(P-to-P WDM)

CPRI over WDM/OTN

구성

Fiber 직접 연결 TDM연결 WDM 연결 OTN 연결

특징

고가 (fiber 소모) 대역폭 보장 단거리 (<20km) Latency 감소 보호절체 미흡 별도 OAM

저가 대역폭 공유 단거리 (<20km) Latency 증가 보호절체 미흡 PON OAM

저가 대역폭 보장 단거리 (<20km) Latency 감소 보호절체 미흡 별도 OAM

고가 대역폭 보장 장거리 (>20km) Latency 증가 보호절체 가능 OTN OAM

DU

RURU

RU

DU

Power Splitter

RU RURU

TDM

TDM ONU

TDM ONU

TDM ONU

DU

RU

WDM

RURU

WDM WDM

WDM

WDM Mux

DU

RU

RU

WDMOTN

WDMOTN

WDMOTN

OTN/WDM

RU

WDMOTN

9

III. 광 기반 모바일 백홀 기술

DUs EPC(SGW, PGW)

Fronthaul Core Network

back·haul(사전적의미) (트럭·화물선 등의) 귀로, 역송(逆送); 귀로화물

(Wikipedia) In a hierarchical telecommunications network the backhaul portion of the network comprises the intermediate links between the core network, or backbone network and the small subnetworks at the "edge" of the entire hierarchical network.

(네트워크 정의)"유선 또는 무선에 흐르는 데이터를 한곳에 모아서 백본(코어) 망으로 전달해주는 역할“

(모바일 정의)"음성 또는 데이터를 기지국에서 모아 해당 통신사업자의 백본(코어)망에 전달해 주는 역할

Mobile Backhaul in LTE

10

III. 광 기반 모바일 백홀 기술

분류 TDM 기반 Ethernet 기반 MPLS-TP 기반 IP/MPLS 기반

표준 ITU-TG.707 VCATG.7041 GFPG.7042 LCAS

IEEE 802/ITU-TY.1731 OAM

G.8031 Linear ProtectionG.8032 Ring Protection

802.1Q PB/PBB

ITU-T/IETFRFC5586 GACh

G.8113.1(/.2) OAMG.8131 Linear

ProtectionG.8132 Ring Protection

IETFRFC 5880 BFDRFC 5286 FRR

장비 MSPP L2 Switch PTN/POTN Router

스위칭 TDM MAC/VLAN MPLS Label IP Addr/MPLS Label

OAM 모두 제공 모두 제공 모두 제공 일부 제공

보호 절체 < 50ms < 50ms < 50ms < 수초

장점 SDH망에 적합고신뢰성

구축비용: 낮음복잡도: 단순

고 신뢰성구축비용 낮음소수 벤더 지원구축비용: 낮음

코어망과 연동 용이고 신뢰성

다수의 벤더 지원

코어망과 연동 용이일부 메이저 벤더 위주

단점 비효율인 데이터처리제한적인 확장성

QoS, 보안 취약복잡도: 약간 복잡

구축비용: 약간 높음복잡도: 약간 복잡

가용성 및 신뢰성 부족구축비용: 높음복잡도: 복잡

DUs EPC(SGW, PGW)

Fronthaul Core Network

Mobile Backhaul in LTE

11

IV. 광 기반 모바일 프론트홀/백홀 운영 예

DU

1

2

8 1

2

16

CWDMCore Ring•••

COT

RT1

9

10

16RT2

16

8 SV

SV

10G

10G CPRIMUX

2.5G

2.5G

2.5G

2.5G

CPRIMUX

CPRIMUX

CPRIMUX

2.5G

2.5G

2.5G

2.5G RU3

RU2

RU1

RU4

8

국내 A사는 Fiber 인프라 부족으로 저가의 CWDM 기반 ring 타입 COT-RT 구조 선호 단일 ring에 CWDM 16개 파장 사용 가능하며, RT에서는 CPRI 채널 이외에 감시제어 채널

1개씩 추가 소요 현재 상용 LTE 서비스는 하나의 RU 당 2.5Gbps(CPRI Option 3) 1채널이 필요하며, 광 파장

절감을 위해 CPRI MUX(2.5G x 4채널)를 사용

RU7

RU6

RU5

RU8

12

이동통신기술이 5G로 진화하면서, 프론트홀 트래픽은 현재 LTE-A 대비 100배 이상급증할 것으로 예상되며, 통신사업자들은 이를 해결하기 위한 기술 대안을 찾고 있음유사하게, 백홀 트래픽은 cell 당 100 G를 제공해야 할것으로 예측

IV. 차세대 광기반 모바일 프론트홀/백홀 기술

13

Requirement Approach Solution

Bandwidth

Latency

Capacity Increase

Data Reduction

New Technology

Large Capacity Transmission

Data Compression

Analog RoF

Midhaul Configuration(Radio over Ethernet)

Fast Signal Processing


14

모바일 프론트홀망에서 디지털 샘플링에 의한 트래픽 폭증을 해소하기 위하여 IQ 데이터 압축 알고리즘 개발 및 표준화 (ORI) 작업이 진행 중 압축률 요구사항: 50% 이상 지연 요구사항: 100 us 이하 EVM 열화 요구사항 : 1% 이하

CPRI Protocol Overview

Original IQ data

time

I/Q

bit w

idth

Compressed IQ data

2nd step: IQ bit width reduction

Down-sampled IQ data

1st step: IQ Data Down-sampling

Data Compression Ratio: ~50%

IQ Data Compression 개념DU RU


15

CPRI IQ압축 알고리즘

개념도 개요 장단점

Up-DownSampling

(Decimation)

- 원 신호를 상세하게 샘플링 한 후전체의 2/3 샘플만 추출 하는 기술- ORI 표준채택 기술

- (장점) 저비용 필터 설계 이용 구현- (단점) 필터 설계에 따라 압축손실 증가 위험(1% 내외)

Non-linearQuantization

ORI 최종 표준문서기술내용

- 정보가 많은 데이터 영역에 집중하여 샘플링 하는 기술- ORI 표준채택 기술

- (장점) 표준손실 우수성으로 표준채택- (단점) 추가적 소자 요구로 인한 구현비용 발생

BlockScaling

- 데이터 샘플링 비트레벨을 감소시켜 압축하는 기술

- (장점) Non-linear Quantization에 비해 단순한 구조- (단점) Non-linear Quantization에 비해 압축손실이 큼

Partial BitSampling

- 하위 일부 비트를 제거 후 전송하고, 복원 시 해당비트에 가우시안분포를 고려 절반은 ‘1’, 나머지는‘0’으로 대체하는 기술

- (장점) 단순 구현과 저 지연(표준 제시20usec 대비 0.4usec 이내 저 지연)- (단점) Non-linear Quantization에 비해 압축손실 발생 가능

CompressiveSensing

- Nyquist 샘플링 률 이하로 압축및 하는 기술

- (장점) 이론적 접근 시 압축손실 측면에서 우수함- (단점) 복원과정에서의 수학적 계산에따른 시간 지연이 발생

b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0

MSB LSB

b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 0 1 0 1 0 1

원신호

b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0하위비트제거

b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6압축신호

복원신호


16

Digital Signal Analog Signal

Upper Layer MAC

OFDMPHY

CPRI Framer/Deframer

CPRI Framer/Deframer

ADC

BBU (DU) RRH (RU)

상대적 데이터율 1612 121

1.2~1.5

-Extraction of User Data -Header Removal-8B/10B coding

-MAC layer overhead

참고: Keiji Tanaka et al., “Next-Generation Optical Access Networks for C-RAN”, OFC 2015, LA


17

corenetwork

corenetwork

corenetwork

EPCEPC

classical eNB

PDCPRLC

PDCPRLC

RFRFMACMAC PHYPHYBIP

variable

corenetwork

corenetwork

corenetwork

EPCEPC

BBU

PDCPRLC

PDCPRLC

MACMAC

slim eNB

RFRFMACMAC PHYPHY≥ BIP

variable

corenetwork

corenetwork

corenetwork

EPCEPC

BBU

PDCPRLC

PDCPRLC

MACMAC PHYPHY

extended RRH

RFRFPHYPHYe.g. 0.2 * BCPRI

fixed

corenetwork

corenetwork

corenetwork

EPCEPC

BBU

PDCPRLC

PDCPRLC

MACMAC PHYPHY CPRICPRI

RRH

RFRFCPRICPRIBCPRIfixed

4. IP backhauling

2. split within L1

1. CPRI fronthauling

3. split within L2

~5 Gbps~0.1-0.4ms

~1 Gbps~0.1-0.4ms

~100 Mbps~1.5 ms

<100 Mbps>4 ms

DU-RU간 “PHY 계층 분리”

DU-RU간 “MAC 계층 분리”


18

아날로그 RoF 기반 모바일 프론트홀 기술 이동통신기술이 5G로 진화하면서, 프론트홀 트래픽은 현재 LTE-A 대비 100배 이

상 급증할 것으로 예상되며, 통신사업자들은 이를 해결하기 위한 기술 대안을 찾고있음

※ LTE의 경우 RU-DU간 ~14.7 Gbps(20 MHz x12ch) 전송용량이 필요하나5G의 경우 ~ 1.6 Tbps(125 MHz x192ch) 전송용량이 필요함

RF 신호를 디지털로 변환하지 않고, 아날로그 형태로 전송하는 RoF 기술은 디지털샘플링에 의한 전송용량 증가 없이 프론트홀 구조의 장점을 수용하는 변혁적 기술

Data

RF

Optical Fiber

DU (Digital Unit) RU (Radio Unit)

RFE/O O/E

디지털 아날로그

아날로그

아날로그Analog OTRx Analog OTRx


19

기술 특징(장/단점) 응용 분야

RFoF 가장 기본이 되는 구조, RU가 단순 RF 주파수에 따른 신호 왜곡 및 열화 증가

광 중계기 시스템 (DAS, in-building) CATV 전송 시스템

IFoF 구조가 비교적 복잡 (중간), RU가 약간 복잡 주파수에 따른 신호 왜곡/열화 경감

모바일 백홀/프론트홀 유무선 융합 가입자 망

Node

…

LD

…

PD

LO~RF

BBI

BBQ

BBI

BBQ

Optical Spectrum

c c+ RF

fRF ~약 수 GHz

c- RF

PD

LD

fRF

RF Spectrum

Central Station (DU/BBU) Remote Station (RU/RRH)

RFoF

Node

…

LD

…

PD

BBI

BBQ

BBI

BBQc c+ IF

fRF ~약 수십 MHz

c- IF

PD

LD

fRF

IFoF

LO~RF

RoF

IFoF


20

RoF 기술은 일본의 마츠시다공업, 중국의 Huawei, EU의 덴마크공대, ETRI 등이 개발진행중 ETRI, Huawei, NICT등이 RoF 관련 기술의 국제 표준화를 진행 중 (ITU-T SG15/Q2 G.Sup.RoF)

RoF기술적용시,기존CPRI 기반이동통신기지국의①에너지(E), ②상면적(S), ③비용(Co), ④자원(R), ⑤트래픽(T)을 획기적으로절감할것으로기대


21

Internet

VoD, internet 서버

RoF트랜시버

Compact RU

RoF트랜시버

Galaxy Note 3 (상용단말)

대용량 DU 아날로그 광전송

Video streaming

• 아날로그 광트랜시버• 하이브리드 등화기• 아날로그 광 링크• 광 링크 관리/제어 모듈

대용량 DU아날로그광링크 Compact

RU

• 제어/관리 모듈• 백홀 전송 모듈• 5G 기저대역신호 처리 모듈• 파워 및 구동 환경 감시 모듈


22

HD Video Streaming with LTE dongle Skype video call with Samsung Galaxy Note 3

Up/Download traffic measurement


23


24

1. 모바일 네트워크 현안

- 트래픽 폭증, 셀 소형화에 따라 비용 절감을 위한 새로운 망 구축/운용 기술 필요

2. 광 기반 모바일 프론트홀 기술

- 4G까지는 CPRI/OBSAI/ORI 표준 기반 전송 기술 및 기존 유선 인프라 활용

3. 광 기반 모바일 백홀 기술- 회선 기반 (TDM)에서 패킷 기반 (IP/MPLS(-TP)/Ethernet)으로 진화

4. 차세대 광 기반 모바일 프론트홀 기술

- 5G를 위한 다양한 프론트홀 후보 기술 대두, 대역폭 및 지연 성능 개선이 중요

5. 새로운 기회: 광 기반 모바일 xhaul

- 광 기반 모바일 xhaul 기술은 광통신 분야의 새로운 생태계 구축을 견인

V. 요약

krnet mobile xhaul 20150603akrnet.or.kr/board/data/dprogram/1991/h3-2-%c1%a4%c8%af... ·...

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