최근 몇년동안 스마트폰이 활발히 보급되어 현재 이미 일상화되었고 또한 갈수록 고성능화되어 멀티미디어 처리기능이 놀랍도록 향상되고 있다. 단말의 발전과 더불어 고성능화된 단말상에서 즐길 수 있는 비디오, 음악, 사진 등의 컨텐츠도 하루가 다르게 대용량화해가고 있다 (비디오 경우, 해상도 SD (480p) → HD (720p) → 현재 Full HD (1080p). 인코딩율 500Kbps → 1Mbps → 2Mbps → 현재 4~8Mbps). 

이로 인해 이동통신사업자의 망에서 데이터 트래픽은 폭증하고 있으며 이러한 추세는 앞으로 더욱 심화되어 갈 것이다(Not Voice, But Data ! 음성트래픽은 소량이고 이미 정체됨, 데이터 트래픽은 대용량이고 지속적으로 증가중). 

그렇다면 망은 ?

음성 트래픽 위주의 기존 망에서는 끊김없는 통화를 위한 서비스 coverage 확보(터지냐 안 터지냐)가 중요한 이슈였지만 데이터 트래픽 위주의 지금의 LTE/LTE-A 망에서는 사용자에게 높은 data throughput(속도, Mbps)을 안정적으로 제공하기 위한 망용량(Capacity) 증대가 과제이다 (Not Coverage, But Capacity!).  

폭증하는 데이터 트래픽에 대응하여 망 용량을 늘리기 위해서¹ LTE/LTE-A macro 셀 크기는 점점 작아지고 있고 (우리나라의 경우 도심지는 LTE/LTE-A 셀반경이 겨우 몇 백 m임), 이로 인해
셀 간 간섭 (Inter-Cell Interference)은 증가하고
작아진 - 따라서 - 수 많아진 셀사이트의 구축 및 운영을 위해 큰 비용(Capex/Opex)이 요구되게 된다.
 

이와 같은 상황의 변화로 이동통신망의 구조는 이용자에게 안정적이고 고품질의 서비스를 제공하면서 망 투자 비용을 절감시킬 수 있는 구조로 진화하고 있으며 본 블로그 글에서는 이러한 추세를 살펴보도록 한다.   

1. 기존의 전통적인 RAN 구조와 문제점 

그림 1. 전통적인 이동통신망 구조와 문제점

1.1 첫 번째 문제점: 셀 간 간섭으로 인한 이용자 품질 저하와 망 성능 저하
 

OFDM을 무선 접속 기술로 사용하는 LTE/LTE-A망에서 셀 경계에 위치한 단말은 동일 주파수 대역을 사용하는 주변 셀들로부터 간섭(Interference)을 받아 품질이 떨어진다 (옆 기지국이 동일 주파수로 나 근처 다른 단말로 보내는 신호와 내가 붙어 있는 기지국이 나 한테 보내는 신호가 간섭을 일으켜 잘 안 들리는 - 양쪽에서 서로 다른 말을 하니까 무슨 말인 지 잘 모르겠는 - 근데 셀 사이즈가 작아 말하는 두 놈(기지국)이 나한테서 가까이에 있는 - 아 미치겠는).

셀 간 간섭으로 인한 셀 경계에서 품질 저하를 막아주기 위해서 LTE-A망에서 CoMP (Coordinated MultiPoint) 기술을 사용하는 데 이는 기지국들이 이웃 기지국들과 단말의 현 상태 정보를 X2 인터페이스를 통해 주고 받아 실시간으로 공유하여 간섭을 최소화하도록 무선 자원을 스케쥴링함으로써 단말의 서비스 품질을 향상시켜주고 망의 성능을 높혀 주는 기술이다.

CoMP가 효과를 내기 위해서는 각 기지국이 자기 셀내 단말들의 현황 정보(CSI: Channel State Information. 예를 들어 자기 셀내에 각 단말은 어느 무선자원을 쓰고 있고, 내(기지국)가 송신한 신호에 대한 단말의 수신 신호 세기가 어떻고, 그 단말이 이웃셀로부터 얼마나 간섭을 받고 있고 등등)를 실시간으로 이웃 셀들에게 전달해주어야 하며, 늦게 전달되면 이미 무의미해진 정보를 토대로 스케쥴링해주게 되므로 CoMP로 인한 품질 개선 효과가 떨어진다 (그림 1의 예에서 4≠10. 오히려 안 하니만 못할 수도...).

특히 단말이 이동중이면 이 CSI값은 상당히 빨리 변한다. 따라서 기지국간에 협력 정보를 주고 받는 X2 인터페이스상에서 발생하는 전달 지연시간(X2 delay)이 최소화되어야 하며 무선 자원 스케쥴링시 단위시간이 1ms이므로 X2 delay가 1ms이면 Best이다. 

그림 1에 보이는 기존의 전통적인 RAN 구조에서는 셀사이트에 기지국이 위치하고 IP 백본망의 Edge(즉, 라우터)까지 TDM, MSPP, PTN, Carrier Ethernet 등의 백홀망(L1 or L2)이 존재한다.

이 구조에서 기지국간 통신을 하기 위해서는 한 기지국에서 발생한 X2 트래픽이 이 백홀망을 통해 IP Edge까지 전달된 후 IP Edge에서 라우팅되어 다시 옆 셀 사이트의 기지국으로 전달되어야 한다. 대개 기지국에서 IP Edge까지의 거리가 수십 Km에서 100+Km에 이르며 여러 홉을 거쳐 전달된다.

따라서 X2 delay가 통상적으로 수msec에서 수십 msec에 이르게 된다. 따라서 이 구조하에서는 CoMP로 인한 셀 에지에서의 성능 향상을 기대하기 어렵다.  

마치 "Long X2 delay: 일주일 전에 날씨가 맑았으니까 오늘 맑겠지 - Short X2 delay:어제 날씨가 맑았으니까 오늘 맑겠지"와 같다.

따라서, LTE-A망에서는 X2 delay를 최소화해줄 수 있도록 백홀망 구조가 바뀌어야 한다. 

1.2 두 번째 문제점: 셀 사이트 구축 및 운용 비용
 

기존의 RAN 구조는 i) 기지국의 데이터 처리 부(DU: Digital Unit)와 무선 송수신부(RU: Radio Unit)가 함께 셀사이트에 설치되는 일체형 기지국이며, ii) 안정적인 전력 공급과 냉방을 위해 주로 중대형 건물의 실내 공간(Indoor)에 설치되는 구조이다.

이로 인해 각 셀 사이트에는 기지국뿐만 아니라 전력시설, 냉방 시설 등이 각 기지국마다 설치되어야 한다. 장비와 시설이 많으니까 넓은 상면이 필요하게 된다(즉 높은 상면 임차료. 5평 빌리면 될 것을 10평을 임대해야하는 것이죠).

또한 장비와 시설이 많으니까 설치비(Civil Works, 인건비)도 많이 들어 가고 설치 시간도 길게 되고(긴 망 구축 시간), 또 장비와 시설이 많으니까 매달 내야하는 전기료도 많아진다.
 

이 모든 게 곱하기 N (셀 사이트 수)이다.

결국 전국망 구축 및 운용을 위한 CAPEX/OPEX가 치솟는 것이고 4G, 5G로 갈 수록 셀 사이즈는 점점 더 작아져 더 많은 수의 셀사이트를 구축, 운영해야 하는 데 이게 다 돈이고 이동통신 사업자로서는 큰 고민이다. 

먼저 LTE-A radio performance를 향상시키기 위해 X2 delay를 줄여주는 RAN 구조에 대해 살펴보자. 

2. 셀 간 간섭으로 인한 품질 및 망 성능 저하 문제 해결책: X2 거리 줄이기

3. 셀 사이트 구축 및 운용 비용 문제 해결책: BBU Centralization (C-RAN)