O-RAN(개방형 무선 접속망)이란?

O-RAN(개방형 무선 접속망)은 RAN(무선 접속망)의 일종으로, 다양한 공급업체가 개발한 이동통신망 장비 간의 상호운용성을 실현합니다. O-RAN Alliance는 기존 모놀리식 하드웨어 중심 RAN 설계를 완전히 상호운용 가능한 개방형 가상 아키텍처로 변환하는 것을 목표로 하는 산업 단체입니다. 이 목표를 달성하면 무선망 장비 제공업체는 전체 RAN을 구축하는 대신 특정 소프트웨어 컴포넌트를 제공하는 데 집중할 수 있습니다. 이런 컴포넌트화를 통해 무선 서비스 제공업체는 다양한 공급업체가 개발한 컴포넌트를 조합하여 사용할 수 있습니다.

여러 컴포넌트가 포함된 무선 시스템 네트워크를 설계하는 엔지니어는 MATLAB^® 및 5G Toolbox™을 사용하여 O-RAN 프론트홀 적합성 시험을 위한 CU(제어 및 사용자) 평면 메시지를 생성하고 분석할 수 있습니다.

O-RAN 아키텍처

기존 RAN은 단일 공급업체가 제공하는 BBU(기저대역 장치)와 RU(무선 장치) 등의 블록을 사용합니다. 무선 접속망 설계의 유연성 향상을 위해 O-RAN Alliance는 O-RAN 프로토콜을 개발해 기저대역 장치와 무선 장치를 다음과 같은 서로 다른 3개의 모듈 및 5G 프로토콜 계층으로 분할하여 다양한 공급업체가 각각을 제공할 수 있도록 만들었습니다.

• O-RU(O-RAN 무선 장치) - RF와 Low-PHY(하위 물리 계층)를 처리
• O-DU(O-RAN 분산 장치) - High-PHY(상위 물리 계층), MAC(매체 접근 제어), RLC(무선 링크 제어) 작업을 처리
• O-CU(O-RAN 중앙 장치) - PDCP(패킷 데이터 변환 프로토콜), SDAP(서비스 데이터 적응 프로토콜), RRC(무선 자원 제어) 프로토콜 엔터티를 관리

O-RAN 문맥에서 O-CU와 핵심망 사이의 인터페이스를 백홀, O-DU와 O-CU 사이의 인터페이스를 미드홀, O-DU와 O-RU 사이의 인터페이스를 프론트홀이라 합니다. MATLAB과 5G Toolbox를 사용해 프론트홀 및 기타 O-RAN 인터페이스의 데이터를 생성하는 알고리즘을 개발할 수 있습니다. 또한 MATLAB, Simulink^®, Wireless HDL Toolbox™를 사용해 구현한 알고리즘의 복잡도를 절감하고, 모델 기반 설계를 통해 FPGA에서 O-DU 및 O-RU 시스템을 통합, 테스트, 검증할 수 있습니다.

5G 표준 및 O-RAN

5G의 맥락에서 O-RAN Alliance는 Low-PHY(하위 물리 계층)와 High-PHY(상위 물리 계층) 사이에 있는 분할 7.2x를 선택했습니다. O-DU와 O-RU 사이의 개방형 프론트홀 인터페이스는 7.2x 분할에서 정의됩니다.

5G O-RAN 프론트홀 신호 처리

5G O-RAN에서 DL(다운링크) 처리 및 작업 순서는 7.2x 분할 이전에 처리되는 작업과 7.2x 분할 이후에 처리되는 작업으로 나눌 수 있습니다. 7.2x 분할보다 상위 계층에서는 O-DU에서 다음과 같이 자원 요소 매핑으로 같이 처리됩니다.

1. MAC(매체 접근 제어) 계층에서 사용자 비트를 수신합니다.
2. 수신된 비트는 전송 채널로 정리되어 데이터 인코딩, 스크램블링, 변조, 계층 지도작성, 프리코딩 및 자원 요소 매핑 등의 5G NR 상위 계층 신호 처리 작업을 거칩니다.
3. 결과로 나타나는 IQ 표본이 5G NR 자원 그리드를 생성합니다.

7.2x 분할보다 하위 계층에서는 O-RU에서 다음과 같은 기능이 수행됩니다.

1. 프리코딩 및 디지털 빔포밍
2. IFFT(고속 푸리에 역변환)에 이은 순환 전치 삽입으로 구성된 CP-OFDM(순환 전치 직교 주파수 분할 다중화) 신호 생성
3. 디지털-아날로그 변환 및 아날로그 빔포밍
4. 지정된 안테나 포트에서 지정된 RF 주파수로 무선 아날로그 신호 전송

5G O-RAN에서의 신호 흐름

개방형 프론트홀에서 두 7.2x 분할 간에 정보를 전송하려면 다음 지침을 준수해야 합니다. O-DU 측에서 High-PHY 정보를 먼저 압축하고, eCPRI(향상된 공용 무선 인터페이스) 패킷을 통해 캡슐화한 후, 마지막으로 이더넷 프레임 안으로 내장한 뒤 전송합니다. O-RU 측에서는 수신된 이더넷 프레임을 획득하고, eCPRI 패킷을 추출하고, 패킷 내 데이터를 압축 해제한 뒤 Low-PHY 작업을 수행합니다. 압축이 필요한 것은 개방형 프론트홀의 용량이 제한적이기 때문입니다. O-RAN Alliance는 전송 대역폭 감소를 위해 다양한 압축 및 압축 해제 방법을 사용할 것을 권장합니다.

MATLAB을 사용한 5G O-RAN 모델링 및 시뮬레이션

MATLAB과 5G Toolbox를 사용해 O-RAN 프론트홀 시험을 위한 CU(제어 및 사용자) 평면 메시지를 생성하고 분석할 수 있습니다. 적합성 시험에서 이러한 패킷을 생성하고 디코딩할 수 있습니다. O-RAN CU 평면 메시지가 포함된 PCAP(패킷 캡처) 파일의 내용을 분석할 수도 있습니다. 이 툴박스에는 High-PHY와 Low-PHY의 모든 물리 계층 함수가 있습니다.

5G Toolbox의 개방형 프론트홀을 모델링 및 시뮬레이션을 통해 다음과 같은 작업을 할 수 있습니다.

• High-PHY 작업을 적용한 후 자원 그리드에서 오는 IQ 데이터를 7.2x 분할에서 추출.
• 다음 중 하나의 압축 방식을 사용해 데이터 압축. 지원되는 압축 방식은 TS O-RAN.WG4.CUS Annex A.1.1, A.2.1, A.3.1에 각각 정의된 대로 BFP(블록 부동소수점), 블록 스케일링, mu-law 등이 있습니다.
• TS O-RAN.WG4.CUS에 정의된 대로 O-RAN 프론트홀 CU 평면 메시지 구축 및 PCAP 파일에 메시지 작성. 이러한 프론트홀 메시지는 O-DU(O-RAN 분산 장치)에서 O-RU(O-RAN 무선 장치)로 전송됩니다.
• O-RU(O-RAN 무선 장치)에서 CU 평면 메시지 디코딩.
• 자원 그리드 복원, 데이터 압축 해제 및 Low-PHY 작업 계속 진행