eCPRI

CPRI는 주로 3G와 4G LTE 네트워크에서 기지국의 무선 장치(RU)와 디지털 장치(DU)를 연결하는 데 널리 사용된 표준 인터페이스이다. 그러나 5G 네트워크의 도래와 함께 CPRI는 몇 가지 근본적인 한계에 직면하게 되었다. 가장 큰 문제는 대역폭 요구사항이었다. CPRI는 IQ 데이터를 비압축 형태로 전송하기 때문에, 5G의 넓은 채널 대역폭(예: 100MHz)과 대규모 MIMO 안테나를 지원하려면 엄청난 양의 전송 용량이 필요했다. 예를 들어, 하나의 5G 안테나 캐리어를 처리하는 데 필요한 CPRI 대역폭은 수십 Gbps에 달할 수 있어, 기존의 프론트홀 네트워크 인프라로는 비용 효율적인 구축이 매우 어려워졌다.

5G 네트워크는 단순히 더 빠른 속도뿐만 아니라, 초저지연, 대규모 기기 연결, 네트워크 슬라이싱과 같은 새로운 요구사항을 제시했다. 이러한 요구사항은 프론트홀 네트워크에 더 높은 유연성과 효율성을 요구했다. CPRI 기반의 엄격한 포인트-투-포인트 연결은 네트워크 기능을 중앙에 집중시키거나(클라우드 RAN), 여러 공급업체의 장비를 혼용하는(다중공급자 환경) 5G의 유연한 아키텍처 구현에 적합하지 않았다. 또한, CPRI는 지연 시간과 동기화에 매우 엄격한 요구사항을 부과하여, 표준 이더넷 네트워크를 통한 전송을 복잡하고 비용이 많이 들게 만들었다.

결과적으로, CPRI의 한계와 5G의 새로운 요구사항 사이의 간극을 해결하기 위해 새로운 인터페이스 표준이 필요하게 되었다. 이는 기능 분할 개념을 채택하여 대역폭을 줄이고, 표준 IP/이더넷 네트워크를 활용할 수 있는 eCPRI의 등장으로 이어졌다.

기능 분할(Functional Split)은 기지국의 기능을 여러 논리적 블록으로 나누고, 이 블록들 간의 인터페이스를 표준화하는 개념이다. 전통적인 CPRI 기반의 무선 접속 네트워크(RAN) 아키텍처에서는 기지국의 거의 모든 물리층(PHY) 처리 기능이 원격 무선 유닛(RRU)이 아닌 기지대국 제어장치(BBU)에 집중되어 있었다. 이로 인해 BBU와 RRU 사이를 연결하는 프론트홀(Fronthaul) 링크에는 매우 엄격한 대역폭과 낮은 지연 시간 요구사항이 부과되었다.

기능 분할은 이러한 집중된 아키텍처의 한계를 해결하기 위해 도입되었다. 기지국의 기능을 8가지 옵션(Option 1부터 Option 8)으로 세분화하여, 처리 부하와 데이터 요구사항에 따라 BBU와 RRU 사이에 기능을 유연하게 배분할 수 있게 한다. 예를 들어, 상위 계층의 기능 분할(Option 7-1, 7-2, 7-3, 8)은 CPRI에 비해 프론트홀 링크의 대역폭 요구량을 크게 줄인다. 이는 고비용의 전용 광 링크 대신 표준 이더넷 기반의 패킷 전송 네트워크를 프론트홀에 사용할 수 있는 가능성을 열어준다.

다양한 기능 분할 옵션은 서비스 요구사항과 네트워크 배포 시나리오에 맞춰 선택된다. 주요 옵션은 다음과 같이 구분된다.

이러한 기능 분할 개념은 네트워크의 유연성과 경제성을 동시에 향상시키는 eCPRI 표준의 근간이 되었다. 특히 5G 네트워크에서 요구되는 다양한 서비스(예: 초고신뢰 저지연 통신(URLLC), 대규모 기계 통신(mMTC))에 맞춰 최적의 분할 옵션을 선택할 수 있게 한다.

eCPRI는 CPRI 대비 상당히 향상된 네트워크 효율성을 제공하는 것이 핵심 특징 중 하나이다. 이는 주로 기능 분할 방식을 도입하여 전송해야 하는 데이터의 양을 크게 줄임으로써 달성된다. CPRI는 무선 신호의 원시 IQ 데이터를 그대로 전송하지만, eCPRI는 일부 베이스밴드 처리 기능을 원격 무선 유닛에 이전하여 처리된 데이터만을 전송한다. 이로 인해 동일한 무선 용량을 지원하는 데 필요한 프론트홀 링크의 대역폭이 CPRI 대비 최대 10배 이상 감소할 수 있다[3].

향상된 효율성은 네트워크 운영 비용(CAPEX/OPEX) 절감으로 직접적으로 이어진다. 낮은 대역폭 요구사항은 더 값싼 이더넷 기반의 표준 IP 네트워크 장비를 프론트홀 링크에 사용할 수 있게 하며, 광섬유 자원의 소모를 줄인다. 또한, 데이터 센터 원칙에 기반한 클라우드 RAN 아키텍처 구현을 가능하게 한다. 집중화된 베이스밴드 유닛 풀을 효율적으로 구성하고, 네트워크 자원을 수요에 따라 유연하게 할당 및 스케일링할 수 있는 기반을 마련한다.

다음 표는 CPRI와 eCPRI의 대역폭 요구사항을 간략히 비교한 것이다.

이러한 효율성 개선은 특히 대역폭이 넓고 다중 입출력 안테나를 사용하는 5G 네트워크에서 필수적이다. eCPRI는 고비용의 전용 CPRI 링크 없이도 5G의 높은 데이터 속도와 용량 요구사항을 경제적으로 수용할 수 있는 토대를 제공한다.

eCPRI는 기능 분할의 구체적인 지점을 단일 옵션으로 고정하지 않고, 여러 가지 옵션을 표준으로 정의하여 네트워크 운영자의 요구에 맞게 선택할 수 있도록 설계되었다. 이는 CPRI가 무선 기저대역 처리의 거의 모든 기능을 원격 무선 유닛에 집중시키는 단일 분할 방식(주로 물리층 상위 분할)을 채택한 것과 대비되는 핵심 차이점이다.

표준화 기구인 CPRI 협회는 eCPRI 사양에서 여러 가지 기능 분할 옵션을 명시한다. 주요 옵션은 다음과 같다.

이러한 옵션들은 네트워크 운영자가 프런트홀 링크의 대역폭, 지연 시간, 원격 무선 유닛의 복잡도 및 비용, 중앙 집중식 처리의 이점 사이에서 최적의 균형을 찾을 수 있게 해준다. 예를 들어, 대역폭이 제한된 구간에서는 옵션 6 또는 7과 같은 상위 계층 분할을 선택하여 프런트홀 트래픽을 최소화할 수 있다. 반면, 지연 시간이 매우 중요한 초저지연 통신 서비스를 위해서는 옵션 2와 같이 물리층 처리를 원격 무선 유닛에 더 많이 배치하여 지연을 줄일 수 있다. 이 유연성은 5G의 다양한 서비스 및 배포 시나리오를 효과적으로 지원하는 기반이 된다.

eCPRI는 3GPP와 O-RAN 얼라이언스와 같은 표준화 기구에서 정의한 공개된 표준을 기반으로 설계되었다. 이는 서로 다른 공급업체의 장비 간에 상호운용성을 보장하는 핵심 요소이다. 표준화된 인터페이스는 네트워크 운영자가 단일 벤더에 종속되는 것을 피하고, 최적의 구성 요소를 선택하여 네트워크를 구축할 수 있도록 한다.

eCPRI 표준은 인터페이스의 논리적 구조, 메시지 형식, 프로토콜 스택, 그리고 기본적인 동작 절차를 명시한다. 주요 표준 문서는 O-RAN 얼라이언스의 O-RAN.WG4.CUS.0-vxx.xx (Control, User and Synchronization Plane Specification)와 IEEE의 1914.3 (Radio over Ethernet) 표준 등이 포함된다[5]. 이러한 표준은 이더넷과 IP 기반의 패킷 전송 방식을 채택함으로써, 범용적인 네트워크 장비와의 호환성을 자연스럽게 제공한다.

상호운용성의 실현을 위해 다음과 같은 표준화 영역이 중요하게 다루어진다.

이러한 표준 기반의 접근 방식은 O-RAN 아키텍처의 핵심 원칙인 개방성과 다중공급자 생태계 구축을 실현하는 토대가 된다. 결과적으로 네트워크 운영자는 비용을 절감하고 혁신 속도를 높일 수 있다.

eCPRI 포인트-투-포인트 인터페이스는 eCPRI 표준의 핵심 물리적 및 논리적 연결을 정의한다. 이 인터페이스는 전통적인 CPRI의 엄격한 포인트-투-포인트 링크 개념을 계승하지만, 전송되는 데이터의 종류와 프로토콜 스택에서 근본적인 차이를 보인다. 주로 RU(Radio Unit)와 DU(Distributed Unit) 사이의 프론트홀(Fronthaul) 연결에 사용된다.

이 인터페이스는 사용자 평면 데이터, 제어 평면 데이터, 동기화 및 관리 정보를 패킷화된 형태로 전송한다. 주요 프로토콜 스택은 이더넷과 IP(Internet Protocol)을 기반으로 구성된다. 데이터는 이더넷 프레임 내에 캡슐화되어 전송되며, 이는 표준 IP 네트워크 장비를 활용한 유연한 라우팅과 스위칭을 가능하게 한다. 전송을 위한 특정 매핑 규칙과 프레임 구조는 IEEE 및 eCPRI 표준 문서에 정의되어 있다.

인터페이스의 주요 특성은 다음과 같이 정리할 수 있다.

이러한 설계는 네트워크 토폴로지에 큰 유연성을 부여한다. 예를 들어, 하나의 DU가 지리적으로 분산된 여러 RU와 논리적인 포인트-투-포인트 연결을 맺을 수 있으며, 이 모든 트래픽이 하나의 공유된 이더넷 네트워크 인프라를 통해 전송될 수 있다[6]. 이는 초기 CPRI 기반의 전용 광 링크 아키텍처에 비해 배포 비용과 복잡성을 크게 낮추는 장점이다.

eCPRI 인터페이스는 패킷 기반 네트워크 상에서 운용되도록 설계되었다. 따라서 실제 데이터 전송은 다양한 표준화된 전송 네트워크 계층과 프로토콜을 통해 이루어진다. 이는 CPRI가 전용 광 링크를 사용한 비트 투명 전송에 의존했던 것과 대비되는 핵심 차이점이다.

주로 사용되는 전송 기술과 프로토콜 스택은 다음과 같다. 물리 계층에는 이더넷이 널리 채택되며, IP 네트워크를 통해 라우팅된다. 전송 계층에서는 신뢰성 있는 전송을 위해 UDP가 일반적으로 사용되며, IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP)이나 SyncE와 같은 기술이 엄격한 시간 동기화 요구사항을 충족시킨다. 네트워크 계층에서는 라우팅과 품질 보장을 위해 MPLS나 SRv6와 같은 기술이 활용될 수 있다.

이러한 계층화된 접근 방식은 상당한 유연성과 효율성을 제공한다. 네트워크 운영자는 기존의 범용 이더넷 스위치와 IP 라우터를 활용하여 프론트홀 네트워크를 구축할 수 있으며, 네트워크 기능 가상화 및 소프트웨어 정의 네트워킹 원칙과도 자연스럽게 결합된다. 또한, 트래픽 엔지니어링과 네트워크 슬라이싱을 통해 다른 서비스 트래픽과 함께 전송되면서도 필요한 대역폭과 지연 시간을 보장받을 수 있다.

CPRI는 무선 신호의 원시 IQ 데이터를 그대로 전송하기 때문에 필요한 대역폭이 매우 크다. 예를 들어, 20MHz 대역폭의 LTE 신호 하나를 전송하는 데 약 2.5Gbps가 필요하며, MIMO 안테나 수와 반송파 집합이 증가하면 이 요구사항은 기하급수적으로 늘어난다. 5G의 광대역 채널과 대규모 MIMO를 지원하려면 CPRI 링크당 수십 Gbps에 이르는 대역폭이 필요해져 전송 비용과 복잡도가 매우 높아지는 문제가 있었다.

반면, eCPRI는 기능 분할을 통해 기지국의 기능 중 일부를 원격 무선 장치(RU)에서 처리한 후, 처리된 데이터만을 전송한다. 이는 전송해야 할 데이터의 양과 형태를 근본적으로 줄여준다. eCPRI는 압축된 사용자 평면 데이터, 제어 평면 메시지, 동기화 정보 등을 패킷 형태로 효율적으로 전송하므로, 동일한 무선 용량을 지원할 때 CPRI 대비 대역폭 요구량을 10배에서 70% 이상까지 절감할 수 있다[8].

이러한 대역폭 효율성의 향상은 네트워크 운영자에게 직접적인 경제적 이점을 제공한다. 기가비트 이더넷 또는 10기가비트 이더넷과 같은 표준 이더넷 기반의 상용 전송 장비를 사용할 수 있게 되어, 고유의 CPRI 전용 장비에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 프런트홀 네트워크를 구축하고 운영할 수 있다. 또한, 대역폭 요구량 감소는 광섬유 자원의 효율적 활용을 가능하게 하여, 특히 광케이블 배치가 어려운 지역에서의 네트워크 배포 비용을 낮추는 데 기여한다.

CPRI는 무선 기지국의 무선 주파수 처리 기능을 수행하는 원격 무선 헤드와 디지털 베이스밴드 처리를 담당하는 베이스밴드 유닛 간의 전용, 폐쇄형, 계층적 연결을 전제로 설계되었다. 이는 중앙 집중식 제어가 용이한 단일 공급업체 환경에 최적화된 구조였다.

반면, eCPRI는 기능 분할을 통해 원격 무선 헤드와 베이스밴드 유닛 간의 논리적 경계를 재정의하며, 보다 유연하고 분산된 네트워크 아키텍처를 가능하게 한다. eCPRI 인터페이스는 이더넷과 같은 표준화된 패킷 기반 전송 네트워크를 활용하여, 트래픽을 여러 논리적 경로로 라우팅하고 집적화할 수 있다. 이는 프론트홀 네트워크를 전용 회선에서 공유된 패킷 네트워크로 전환하는 패러다임의 변화를 의미한다.

이러한 변화는 네트워크 구성에 큰 유연성을 부여한다. 예를 들어, 여러 원격 무선 헤드의 트래픽을 하나의 집중화된 베이스밴드 유닛 풀에 연결하거나, 지리적으로 분산된 컴퓨팅 자원을 활용하는 것이 용이해진다. 이는 클라우드 RAN 및 가상화 RAN 구현의 핵심 기반이 된다. 또한, 표준 이더넷 스위치와 라우터를 사용할 수 있어, 네트워크 구축 비용을 절감하고 다중 공급업체 환경에서의 상호운용성을 촉진한다.

결과적으로, eCPRI 기반 아키텍처는 네트워크를 더욱 평평하고 유연하며 효율적으로 만든다. 이는 5G가 요구하는 다양한 서비스와 애플리케이션에 맞춰 네트워크 리소스를 동적으로 할당하고 관리하는 데 필수적인 조건이다.

eCPRI는 주로 5G 네트워크의 전면적 구축과 진화에 핵심적으로 적용됩니다. 특히 대용량, 저지연, 다중 연결을 요구하는 5G 서비스를 효율적으로 지원하기 위해 설계되었습니다. O-RAN 아키텍처의 실질적 구현을 가능하게 하는 기반 기술로서, 기지국의 기능을 RU, DU, CU로 분리하는 기능 분할 방식을 표준화된 인터페이스로 연결합니다. 이는 기존의 폐쇄형 통합 기지국 시스템에서 벗어나, 다중 공급자 환경에서 유연한 네트워크 구축과 혁신을 촉진합니다.

주요 적용 분야는 다음과 같습니다.

또한, eCPRI는 4G 네트워크의 진화 과정에서도 점진적으로 도입될 수 있습니다. 기존 CPRI 기반의 장비와 병행하거나, 네트워크의 특정 부분을 현대화하는 과도기적 솔루션으로 활용됩니다. 이는 통신 사업자가 자본 지출을 효율적으로 관리하면서 5G로의 전환을 준비할 수 있게 합니다. 결국 eCPRI는 미래 지향적이고 개방형인 무선 접속 네트워크의 표준 구성 요소로 자리 잡았습니다.

O-RAN 아키텍처는 무선 접속 네트워크를 개방형, 상호운용 가능하며, 지능형으로 재정의하는 것을 목표로 한다. 이 아키텍처의 핵심은 RU(Radio Unit), DU(Distributed Unit), CU(Centralized Unit) 간의 표준화된 인터페이스를 정의하는 것이다. eCPRI는 특히 O-RAN 얼라이언스가 정의한 O-RAN 프론트홀 인터페이스의 물리적 계층 및 데이터 전송을 위한 실질적인 프로토콜로 채택되었다[9]. 이는 eCPRI가 O-RAN의 개방성 원칙을 구현하는 데 필수적인 기술 기반을 제공함을 의미한다.

eCPRI는 O-RAN의 다양한 기능 분할(Functional Split) 옵션, 특히 Split 옵션 7.2x를 지원한다. 이 분할 방식은 물리층의 상위 기능(예: 프리코딩, 빔포밍)은 DU에서 처리하고, 하위의 디지털-아날로그 변환 및 무선 주파수 처리 기능은 RU에 남겨둔다. eCPRI는 이렇게 분리된 DU와 RU 사이에서 압축된 IQ 데이터와 제어/동기화 메시지를 효율적으로 전송하는 역할을 담당한다. 이를 통해 서로 다른 공급업체의 RU와 DU가 표준화된 eCPRI 인터페이스를 통해 연결될 수 있는 기반이 마련된다.

O-RAN 아키텍처에서 eCPRI의 도입은 네트워크 유연성과 혁신을 촉진한다. 네트워크 운영자는 최적의 성능과 비용 효율성을 위해 다양한 벤더의 RU, DU를 자유롭게 선택하고 조합할 수 있다. 또한, 가상화 및 클라우드 네이티브 원칙에 기반한 DU와 CU의 배포가 가능해지며, eCPRI는 이러한 분산된 요소들 간의 효율적인 프론트홀 연결을 보장한다. 결국, eCPRI는 O-RAN이 추구하는 다중공급자 생태계와 소프트웨어 중심의 유연한 네트워크 구축을 가능하게 하는 핵심 전송 기술로 자리 잡았다.

O-RAN 아키텍처의 핵심 원칙 중 하나는 다중 공급자(vendor) 환경을 가능하게 하는 개방성과 상호운용성이다. eCPRI는 이러한 환경을 실현하는 데 중요한 기술적 기반을 제공한다. 기존 CPRI 기반의 통합형 BBU-RRU 솔루션은 주로 단일 공급자에 종속되는 폐쇄적 시스템이었으나, eCPRI와 표준화된 기능 분할은 RU(Radio Unit), DU(Distributed Unit), CU(Centralized Unit)를 서로 다른 공급자로부터 조달하고 연동하는 것을 용이하게 한다.

이를 가능하게 하는 주요 메커니즘은 eCPRI 인터페이스의 명확한 규격과 O-RAN 얼라이언스에서 정의한 개방형 표준이다. eCPRI는 이더넷 기반의 표준 IP 네트워크를 전송 매체로 사용하며, 메시지 형식과 프로토콜이 표준화되어 있다. 따라서 A사의 DU와 B사의 RU가 표준 eCPRI 인터페이스를 준수한다면, 별도의 독점적 통합 없이도 연결 및 동작이 가능해진다. 이는 네트워크 운영자에게 공급자 잠금(Vendor Lock-in)으로부터의 자유와 더 큰 유연성, 비용 경쟁력을 부여한다.

다중공급자 환경의 성공적 운영을 위해서는 엄격한 상호운용성 테스트와 인증이 필수적이다. O-RAN 얼라이언스는 이러한 테스트와 인증 프로세스를 주도하며, 다양한 공급자의 장비가 표준을 준수하고 서로 원활하게 협업할 수 있도록 보장한다. eCPRI는 이 협업의 물리적 및 프로토콜 계층을 구성하는 핵심 요소로 작동한다.

기존 CPRI 기반의 무선 접속 네트워크(RAN) 인프라에서 eCPRI로 전환할 때는 여러 기술적 고려사항이 필요합니다. 기존의 BBU와 RRH는 CPRI의 엄격한 대역폭 및 지연 시간 요구사항에 맞춰 설계된 전용 광 링크로 연결되는 경우가 많습니다. eCPRI는 이더넷 기반의 표준화된 패킷 전송 네트워크를 사용하므로, 기존의 전용 광 인프라를 재활용하거나 패킷 기반의 기존 백홀 네트워크와 통합해야 합니다. 이 과정에서는 장비 교체, 네트워크 재설계, 그리고 특히 중요한 시간 동기화 보장이 주요 과제로 떠오릅니다.

통합을 위한 구체적인 접근 방식은 기존 인프라의 상태와 새로 도입할 O-RAN 아키텍처의 수준에 따라 달라집니다. 일반적으로 다음과 같은 시나리오를 고려할 수 있습니다.

가장 중요한 기술적 난제는 정밀 시간 프로토콜(PTP)을 이용한 동기화 구현입니다. CPRI는 자체 인터페이스가 타이밍 정보를 전달했지만, eCPRI는 패킷 네트워크 상에서 마이크로초(μs) 수준의 정확한 시간과 주파수 동기를 보장해야 합니다. 이를 위해 네트워크 전 구간에 걸쳐 PTP 그랜드마스터 클록, 경계 클록, 그리고 최종 RU에서의 동기화 성능을 엄격하게 관리하고 측정해야 합니다. 또한, 프론트홀 트래픽의 극도로 짧은 지연 시간(일반적으로 100~250 마이크로초 이내) 요구사항을 만족시키기 위해 네트워크 토폴로지 설계, 품질 보장(QoS) 설정, 트래픽 엔지니어링이 필수적입니다.