이 글에서는 실리콘 단계에서부터 배포 가능한, 안전하고 지능적인 O-RAN 라디오를 실현하기 위해 필요한 주요 검증 단계들을 설명한다. 실리콘 이전(pre-silicon) 및 이후(post-silicon) 검증, 다중입출력(MIMO)/매시브 MIMO(mMIMO) 성능 검증, 에너지 효율 측정, 보안 테스트, 무선 자원 관리의 필요성과 과제가 포함된다. 먼저 RAN의 간략한 역사, 진화, 아키텍처에 대해 살펴본다.


아제이 쿠마르(Ajay Kumar) R&D 수석 FPGA 엔지니어
키사이트테크놀로지스


모바일 네트워크 사업자(MNO) 그룹이 주도하는 O-RAN(개방형 무선 액세스 네트워크) 연합은 5G RAN(무선 액세스 네트워크)의 진화를 이끄는 원동력이 되어 왔습니다. 이 연합의 목표는 더 개방적이고 상호 운용 가능하며 가상화된 지능형 아키텍처로 전환하는 데 있습니다.

이 글에서는 실리콘 단계에서부터 배포 가능한, 안전하고 지능적인 O-RAN 라디오를 실현하기 위해 필요한 주요 검증 단계들을 설명합니다. 실리콘 이전(pre-silicon) 및 이후(post-silicon) 검증, 다중입출력(MIMO)/매시브 MIMO(mMIMO) 성능 검증, 에너지 효율 측정, 보안 테스트, 무선 자원 관리의 필요성과 과제가 포함됩니다. 먼저 RAN의 간략한 역사, 진화, 아키텍처에 대해 살펴보겠습니다.



전통적으로 RAN 구축는 소수의 벤더들이 제공하는 독점 하드웨어에 의존해왔으며, 이는 높은 비용과 낮은 유연성을 초래했습니다. O-RAN은 RAN 아키텍처를 분리하고, 상호운용성과 가상화를 위한 표준화된 인터페이스를 도입함으로써 이러한 문제를 해결하고자 합니다. 이러한 개방형 접근은 다양한 벤더의 솔루션을 자유롭게 조합할 수 있는 유연성을 제공하여 비용을 절감하고 혁신을 가속화합니다.

최근에는 인공지능(AI)과 머신러닝(ML)의 발전이 O-RAN을 한층 더 지능화하며 그 기능을 강화하고 있습니다. 이를 통해 에너지 효율 개선, 보안 강화, 네트워크 최적화, 유지보수 등의 측면에서 좀 더 높은 수준의 혁신이 가능해집니다. 

O-RAN 아키텍처의 핵심 구성 요소

그림 1은 O-RAN 아키텍처의 주요 구성 요소를 세분화하여 보여줍니다: 

- O-RAN 라디오 유닛(O-RU): 아날로그/RF 송신기 및 수신기 기능과 함께 고속 푸리에 변환(FFT)/역 FFT(IFFT), 빔포밍, 프리코딩, 순환 접두어 삽입/제거, 압축/복원과 같은 물리 계층의 하위 부분 처리를 수행합니다.

- O-RAN 분산 유닛(O-DU): 베이스밴드 처리, 스케줄링, 무선 링크 제어 (RLC), 매체 액세스 제어 (MAC) 및 물리 계층의 상위 부분을 처리합니다.

- O-RAN 중앙 장치(O-CU): 패킷 데이터 융합 프로토콜 계층을 담당하는 중앙 집중식 가상화 장치입니다.

- O-RAN 인텔리전트 컨트롤러(O-RIC): 준 실시간(near-real time) 및 비실시간 (non-real-time) 서비스를 처리하며, 네트워크에서 정보를 수집하고 인공 지능과 머신 러닝을 활용해 필요한 최적화 작업을 수행합니다.

- 서비스 관리 및 오케스트레이션(SMO): 두 종류의 RIC를 포함하여 RAN 전체를 중앙에서 관리하고 오케스트레이션합니다.




RU(Radio Unit)는 사용자 장비에 무선 연결을 제공하는 핵심 프론트홀 구성 요소입니다. RU는 나머지 O-RAN 구성 요소들과 통신하여 코어 네트워크와의 정보 송수신을 담당합니다. O-RAN 얼라이언스 7.2x 분할 옵션은 프론트홀 대역폭 요구 사항, 지연 시간, 구성 요소의 복잡성 간의 균형을 맞추기 위해 O-RU와 O-DU 간에 물리 계층 기능을 재분배합니다. 이로 인해 디지털 라이더 영역에 신호 처리 기능이 추가하여 전반적인 O-RU 아키텍처 설계에도 영향을 미칩니다. 

제품 개발 주기 동안 설계 팀은 블록 수준 시뮬레이션을 통해 기능을 검증합니다. 그러나 시스템 수준에서는 시뮬레이션 복잡도와 실행 시간이 급격히 증가하게 됩니다. 따라서 테이프 아웃 전에 적절한 단계에서 실리콘 이전(Pre-silicon) 검증을 시작하는 것이 중요합니다.

테이프아웃 전 신뢰 구축을 위한 실리콘 이전(Pre-silicon) 검증

실리콘 이전(Pre-silicon) 검증은 칩을 제작하기 전에 설계를 에뮬레이션하여, 실제 환경에서의 설계 구현을 더욱 정확하게 반영할 수 있도록 합니다. 이를 통해 설계 초기 단계에서 결함을 조기에 발견하여 검증 목표를 합리적인 시간 내에 달성할 수 있습니다.

이를 위해서는 CUSM(Control, User, Synchronization, Management) 평면 프로토콜에 대한 테스트 사양을 충분히 이해하고 있어야 합니다. 5G 표준에 부합하는 테스트 벡터를 생성하는 작업은 고려해야 할 파라미터가 방대하기 때문에 매우 복잡합니다. 더욱이, 이러한 테스트 자극(test stimuli)은 무선 시스템을 검증하기 위해 DU의 이더넷 인터페이스와 비표준화된 시간 영역 IQ 인터페이스 또는 RF 인터페이스를 통해 동기식으로 전송되어야 합니다.

실리콘 이전(Pre-silicon) 테스트 목표를 달성하려면, 사전 검증된 테스트 스위트를 사용하여 테스트 케이스 자체에 소요되는 디버깅 시간을 줄여야 합니다. 또한, 테스트 설정의 가시성을 확보하여 결함을 조기에 식별하고 테이프아웃된 설계로 이어지는 오류를 방지하는 것이 중요합니다. 그림 2는 ASIC 에뮬레이션을 위한 O-RU 테스트 프로토콜 스택과 컨트롤러 테스트 설정을 보여줍니다.

생산을 위한 격차를 해소하기 위한 포스트 실리콘 검증

gNB 단위의 상호운용성 테스트 방식은 크게 바뀌지 않았지만, 컴포넌트 단위의 적합성(Conformance) 테스트는 진화하고 있습니다. 적합성 테스트는 각 구성 요소가 O-RAN 얼라이언스(Alliance)에서 정의한 사양을 충족하는지를 검증합니다.

빠르게 전개되는 설계 주기 속에서 효율성을 유지하려면, 실리콘 이전(Pre-silicon) 검증에서 실리콘 이후(Post-silicon) 검증으로의 원활한 전환이 필수적입니다. 이를 위해 동일한 워크플로와 신호 생성 및 분석 도구를 사용하여 테스트 스위트를 재사용할 수 있어야 합니다.



실리콘 이후(Post-silicon) 단계에서는 테스트 액세스가 주로 O-RU의 O-RAN 및 RF 포트로 제한됩니다. 그림 3과 같이 O-RU를 테스트하려면 다음과 같은 장비가 필요합니다. 

- O-RAN 포트에서 CUSM 플레인 메시지를 송수신하기 위한 O-DU 에뮬레이터,
- O-RU가 송신하는 다운링크 RF 신호를 수신하기 위한 벡터 신호 분석기,
- 업링크 신호를 O-RU로 송신하기 위한 신호 발생기.

비전도(non-conducted) 테스트에는 추가 장비가 필요할 수 있습니다. 이러한 모든 테스트 장비들은 공통 클럭에 동기화되어야 하며, 매우 엄격한 프론트홀 타이밍 요구사항을 충족해야 합니다.

원하는 성능을 달성하기 위한 MIMO 및 매시브 MIMO

MIMO 및 mMIMO 기술은 동일한 주파수 대역에서 여러 사용자에게 동시에 서비스를 제공하기 위해 여러 개의 안테나(일반적으로 mMIMO 시스템의 경우 16개 이상)를 사용합니다. 이를 통해 스펙트럼 효율과 처리량이 증가합니다. mMIMO에서는 신호 품질을 개선하고 간섭을 줄이기 위해 고급 빔포밍 기술을 적용하여 무선 신호를 사용자 방향으로 정밀하게 조향해야 합니다. 그러나 시스템 복잡성이 증가함에 따라 성능 검증은 매우 복잡하고 시간과 비용이 크게 소요될 수 있습니다.

대규모 MIMO 무선 장치(mMIMO RU)를 테스트하려면 다음과 같은 구성을 갖춘 O-DU 에뮬레이터가 필요합니다.:

-이더넷 인터페이스를 통해 O-RAN 트래픽을 생성, 재생, 캡처 및 측정할 수 있는 도구,
-다양한 방향에서 잡음과 간섭이 포함된 빔을 생성하고 동시에 수신할 수 있는 다중 RF 트랜시버.
-테스트 설정은 업링크 및 다운링크 방향의 모든 빔과 신호를 측정해야 할 뿐만 아니라 빔포밍 문제를 정확히 찾아낼 수 있는 기능도 갖춰야 합니다. 그림 4는 크기 및 위상 가중치, 해당 빔 패턴 및 EVM 수치가 포함된 다운링크 빔포밍의 예를 보여줍니다.
 

지속가능성을 위한 에너지 효율

무선 연결 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 에너지 효율성은 통신 사업자에게 운영 비용 절감, 지속가능성 목표 달성, 환경 영향 최소화를 위한 최우선 과제가 되었습니다. 여러 연구에 따르면 RAN이 전체 에너지 소비의 대부분을 차지하므로, O-RAN 커뮤니티는 서비스 품질 저하 없이 전력 소비를 줄일 수 있는 에너지 절감 모드를 표준화하기 위해 노력하고 있습니다.

O-RU는 접속 네트워크에서 가장 전력을 많이 소모하는 구성 요소입니다. 그러나 가변 클로킹(variable clocking), 동적 전력 증폭기 바이어싱(dynamic PA biasing), 셀 및 캐리어 셧다운, RF 채널 재구성, 절전 모드, 불연속 송수신 등 다양한 방법으로 에너지 절약을 달성할 수 있습니다. RAN이 분리되면서, 시스템 및 네트워크 수준에서 트레이드오프를 완전히 이해하기 위해 각 구성 요소를 특성화할 필요가 있습니다. 그림 5는 마이크로슬립을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때의 24시간 동안의 O-RU 사이트 전력 소모량과 잠재적인 절감 효과를 보여줍니다.
 

무중단 무선 접속을 위한 보안 테스트

분산형, 멀티벤더 O-RAN 환경에서는 개별 구성 요소, 인터페이스, 네트워크 기능, 데이터에 대한 보안 위험이 증가합니다. O-RAN 위협 모델링 및 위험 평가 사양에는 O-RU를 포함하여 이러한 요소에 대한 160개 이상의 고유한 위협이 포함되어 있습니다.

각 구성요소, 프로토콜, 인터페이스의 취약점을 스캔하고, 실제 위협 시나리오에서 스트레스를 받고, 시뮬레이션 공격에서 성능을 점검해야 합니다. 또한 효과적인 위험 완화 전략이 마련되어 있는지 확인하는 것도 중요합니다. 따라서 자동화된 보안 테스트는 보안 표준을 준수할 뿐만 아니라 무선 액세스를 보장하고 O-RAN 제로 트러스트(zero trust) 원칙에 부합하는지를 확인하는 데 매우 중요합니다.

운용 효율 향상을 위한 RIC 기반 라디오 관리

서비스 관리 및 오케스트레이션(SMO) 계층이 네트워크 리소스 조정을 처리하는 반면, RIC는 무선 액세스 네트워크 성능을 최적화하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 비실시간(non-real-time) RIC는 rApp을 사용하여 시간에 덜 민감한 작업에 위해 AI/ML 기반의 장기 최적화를 수행합니다. 반면, 준 실시간(near-real-time) RIC는 xApp을 배포하여 10밀리초에서 1초 사이의 실시간 네트워크 조정을 수행합니다. 

이러한 컨트롤러들은 빔 관리 및 무선 리소스 관리와 같은 고급 기능을 통해 네트워크 활용도와 운영 효율성을 향상시킵니다. 안정적인 성능을 보장하려면 개방형 루프 및 폐쇄형 루프 전략을 모두 구현하고 지속적인 최적화를 위해 엄격한 테스트를 거쳐야 합니다.

결론

O-RAN 라디오 유닛이 실리콘 검증 단계에서 스마트 네트워크로 진화하는 여정은 매우 복잡하지만, 개방형 및 지능형 네트워크의 잠재력을 실현하는 데 필수적인 과정입니다. 빠르게 변화하는 설계 주기에 발맞추고, O-RAN 프런트홀 표준을 준수하기 위해서는 철저한 테스트 설계, 견고한 도구, 사전 검증된 테스트 케이스 및 자동화된 테스트 스위트를 갖추는 것이 필수적입니다.



 저자 소개 

아제이 쿠마르(Ajay Kumar)는 키사이트테크놀로지스의 R&D 수석 FPGA 엔지니어이다. 그는 2008년부터(이전의 애질런트 포함) 키사이트에 몸담고 있으며, 전자 및 통신 업계에서 25년 이상의 경력을 보유하고 있다.

그는 O-DU 에뮬레이터, 매시브 MIMO 솔루션, 5G NR UE 에뮬레이터, Wi-Fi 6 솔루션 등 O-RAN, 5G NR, Wi-Fi 기술 관련 측정 제품뿐 아니라, RF 및 고속 디지털 측정 분야에서 디지타이저, 임의 파형 발생기, 비트 오류율 테스터 등도 개발해왔다. 키사이트 입사 전에는 삼성전자에서 디스플레이 기술을, ITI Limited에서 통신 제품 개발에 기여했다. 그는 인도공과대학 델리캠퍼스(IIT Delhi)에서 집적 전자 및 회로 분야 석사 학위를, IIIT Hyderabad에서 IT 분야의 석사 후 디플로마, NIT Silchar에서 전자통신공학 학사 학위를 취득했다.