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ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 11
- COOC2017 단기 강좌 -
2017년 6월 7일
ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 2
5G & C‐RAN
전송용량저감기술
광액세스기술
Indoor Analog RoF기술
5G 를위한광액세스기술
3
5G 광액세스망 관계 ?
광통신?
5G ?
5
5G Key Services
5
Enhanced Mobile Broadband
High data rate
Massive Internet of Things
Massive connectivity(Ultra-high reliability/low latency
Low Latency Services
5G
IoT
Demanding conditions
6
5G Vision & Key Capabilities
6
Key capabilities of IMT-2020Inter‐relation between the three usage scenarios & Key capabilities
PeakData Rate
Area TrafficCapacity
Network EnergyEfficiency
ConnectionDensity
Latency
Mobility
SpectrumEfficiency
User ExperiencedData RateGbps
20Mbps100
Times3
Mbps/m210
Times100
km/h500
per km2
(1 per m2)
106msec
(Radio Interface)
1
[Note] Each of the three usage scenarios does not need to meet all the Key Capabilities
7
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 TRAFFIC GROWTH
57% CAGR 2014‐
(Ref: 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)
(ref: Jefferies & Company, Statistics 2015)
모바일 네트워크 현안
Mobile traffic Growth: 57% CAGR (compound annual growth rate)
2015: 4.2 EB (Exa bytes), 2019: 24.3 EB (exa bytes)
10x traffic growth in next 5 years
worldwide 4G LTE subscriber: ~$1.8 billion in 2020 (25% of world population)
5x growth in 5 years
5G prototype service in 2018, commercial service in 2020
8
(ref: Infonetics, “2014 Market Size and Forecasts: WW, NA, EMEA, APAC, CALA”)
(ref: Infonetics, “2014 Market Size and Forecasts: WW, NA, EMEA, APAC, CALA”)
Capex Revenue
Mobile network Capex
average Capex $35 billion (Y2014~Y2018)
Revenue growth: 2%
Big gap between traffic growth and revenue growth
사업자의 수익 정체
C-RAN
10
Standard BS
BBU Remoted
BBU Centralized Intra BBU Pooling+CoMP Inter BBU Pooling+CoMP
Possible future Products
Cloud RAN ArchitecturesConventional Architectures
Future C-RAN
Virtualized 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
BackhaulCopperM-wave
Fiber
Traditional Site
Remote Head Site
(RRU)
Radio
BS
BBU
Fiber
Site
BackhaulCopperM-wave
Fiber
Radio
BS
BBU
Site
BackhaulCopperM-wave
Fiber
Coaxial
참고: OFC2015 Workshop “Access Networks for High Speed Applications and Mobile Xhaul”
기지국의 진화
ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 11
Radio Access Network: Traditional Architecture
ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 12
Radio Access Network: C-RAN
13
Advantage of C-RAN(ref: http://www.fiercewireless.com/)
Capex/Opex Reduction
14
• 인도어 DAS 정의: 건물내 무선 서비스 제공을 위해 호스트장치에 접속된 공간적으로 분리된 다수의 안테나 네트워크
• 인도어 DAS 역할: 다수의 안테나를 공간적으로 분산시켜 실내 환경의 높은 트래픽 용량 문제와 음영지역 해소
• 인도어 DAS 기술현황: 국내 4G망은 디지털 샘플링 방식 기반의 광전송 기술을 적용한 사업자별로 독립된 망을 운용
• Fronthaul 정의: C-RAN 구조의 이동통신 기지국에서 BBU (DU) 와 RRH (RU)를 연결하는 광 전송망을 지칭
• Fronthaul 역할: 모바일 가입자의 음성 및 데이터를 RRU에서 모아 BBU가 위치하는 전화국으로 전달
• Fronthaul 기술현황: 현재 국내 LTE 기반의 4G망에서는 CPRI & OBSAI 와 같은 디지털 방식의 광전송 기술을 적용
In-building DAS network
DAS(distributed antenna system)
모바일용 광인프라 기술
국내 4G LTE 망에서는 C-RAN 구조의 이동통신기지국이 활용되고 있으며, 인
도어 DAS/Fronthaul 구간은 디지털 방식의 광전송 기술이 주로 사용
BackhaulFronthaulIn-building DAS
network
인도어 DAS
프론트홀
5G Key Technologies
ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 16
The Coming 5G
17
Mobile fronthaul
Speed Limitation of Fronthaul
17
Type Data-rate Required data-traffic (CPRI-formatted)
LTE (20MHz)2x2 MIMO
0.15 Gb/s[1]2(antenna) x 30.72 Msps(sample rate) x 16 (bit/sample) x 2 (IQ) x 1.25 (8B/10B) = 2.45 Gb/s
5G (125MHz)2x2 MIMO, 8FA
5 Gb/s2(antenna) x 8(FA) x 184.3 Msps(sample rate) x 16 (bit/sample) x 2 (IQ) x 1.25 (8B/10B) = 117.95 Gb/s
5G (125MHz)4x4 MIMO, 8FA
10 Gb/s4(antenna) x 8(FA) x 184.3 Msps(sample rate) x 16 (bit/sample) x 2 (IQ) x 1.25 (8B/10B) = 235.9 Gb/s
5G (125MHz)8x8 MIMO, 8FA
20 Gb/s8(antenna) x 8(FA) x 184.3 Msps(sample rate) x 16 (bit/sample) x 2 (IQ) x 1.25 (8B/10B) = 471.8 Gb/s
C-RAN
Required data-traffics
* [1] S. Cho et al, “Cost‐effective Next Generation Mobile Fronthaul Architecture with Multi‐IF Carrier Transmission Scheme, OFC 2014
Digital Units
Radio units
Core network
18
5G 를 위한 광액세스 기술
5G Vision from IMT-2020
Quadruple x1000
Capacity1000X
(Capacity/km2
)
Speed1000X
(20Gbps)
LatencyLess than
1ms
Energy 1000X
Reduce
1990 2000 2010 2011 2014 2020
GSM GPRS
EDGE
UMTSHSPA
HSPA+
LTE LTE-A
3GPP Family Technology Evolution
Centralized (cloud)-RAN
Distributed-RANDistributed-RANDigitized RoF
(CPRI, OBSAI, ORI)Digitized RoF
(CPRI, OBSAI, ORI) ??Cost-effective approaches for infrastructure will be very important
ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 19
5G & C‐RAN
전송용량저감기술
광액세스기술
Indoor Analog RoF기술
5G 를위한광액세스기술
5G Field Test 1
21
Requirement Approach Solution
Bandwidth
Latency
Capacity Increase
Data Reduction
New Technology
Large Capacity Transmission
Data Compression
Analog RoF
Function Split
Fast Signal Processing
5G 를 위한 광액세스 후보 기술
22[CPRI Interface] [CPRI Protocol]
CRPI 규격은 현재 버전 7까지 완료되었으며, 24.3Gbps (option 10) 까지 정의
광링크의 전송속도를 줄이기 위해 IQ data 압축기술이 연구 되고 있으며, 전체의 93.75%
를 차지하는 IQ data sample 을 대상으로 함.
무선 장비 제어기(Radio Equipment Controller, REC)에서 무선 장비(Radio Equipment, RE)
사이의 기지국간 디지털 접속을 정의한 규격
REC
REC
CPRI 기반 모바일 프론트홀
23
CPRI frame: IQ data (93.7% of total data), control, timing sync
Requirement of IQ data compression
Compression ratio: ~ 50%
delay: < 20 s
EVM degradation: < 3 %
[CPRI Protocol Overview]
Original IQ data
time
I/Q b
it 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>BBU RRH
IQ Data Compression
2424
CPRI Compression Algorithms
Algorithm Concept Pros & Cons
1st
StepDown
sampling
+ : high compressionquaulity & relatively low EVM degradation
2nd
Step
Non-linearquantization
+ : best in EVM degradation
- : worst in FPGAlogic utilization
Block scaling
+ : good in EVM degradation
- : need a time for processing time
Partial bit sampling
+ : best performance for latency & FPGA logic utilization,relatively good in EVM degradation
b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
MSB LSB
Original signal
Lower-bit decimation
Compress signal
Decompress signal
b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5
b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5
b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5 1 0 1 0 1
25
CPRI Compression Requirements
Requirements Standardization (ORI)Real Field
(Telco needs)
Compression Ratio > 50 %( based I/Q data)
50 %( based CPRI )
EVM degradation < 3 % < 0.5 % *
One-way latency< 100 sec
(preferably 20 sec)< 10 sec
26
CPRI Compression System
VSG
VSA 20km of SMFSFP+ #1, #2
Software Developement Kit& Integrated Logic Analyzer
[ Photograph test-bed for IQ data compression/decompression ]
FPGA board #1, #2
27
EVM degradation
(PB: partial bit sampling, BS: block scaling, NL: non-linear quantization)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0 1 2 3
EVM = 0.70%,∆EVM = 0.55%
Up/down+PBUp/down+BSUp/down+NL
SimulationExperimental
EVM of input signal (%)
EV
M d
egra
datio
n (%
)
EVM = 1.64%,∆EVM = 0.16% EVM = 2.89%,
∆EVM = 0.08%
[ Measured EVM degradation versus EVM of input signal, and constellation of 64QAM ]
28
One-way latency
Transmission distance (km)
One
-way
late
ncy
(µs)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0 5 10 15 20 25
Up/down+PBUp/down+NLUp/down+BS
Speed OptimizedArea Optimized
[ One-way latency of additional compression+decompression ]
29
Function Split & Virtual Access Network
30
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
MAC/PHY 기능 재분리를 통한 데이터 저감
31
DU Function Split 및 종류
Trade off
32
Antenna Configuration and RAN Split
ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 33
5G & C‐RAN
전송용량저감기술
광액세스기술
Indoor Analog RoF기술
5G 를위한광액세스기술
5G Field Test 2
35
5G Access Options (BH/FH)
Transport Options for new 5G Access Points
Always use the available and lowest cost option if possible
IP connection
Dedicated optical fiber
Optical PON
XG_fast
XG-cable
mmWave point-to-point systems
36
Passive Optical Network (PON)
• No needs to use electrical power btw. central office and subscriber
• PON consists with OLT, ONT, and power splitter or WDM filter at Remote node
37
Sub-Channel CWDM Technology
38
Dual Sub-Channel/Multi Sub-Channel
39
Colorless Operation
40
NG-PON2
41
Incremental Upgrade (Pay-as-you-grow)
42
FSAN Standard Roadmap
43
100G-EPON timeline
44
100G-EPON
45
NG-PON2 vs 100G EPON
NG-PON2 100G EPON
Standard body ITU-T SG15 IEEE 802
Standard G.989.1,2,3 IEEE802.3ca
PON capacityDn: 4x10G (8x10G)Up: 4x2.5G (8x10G)
Dn: 4x25GUp: 4x25G (or 10G)
PtP WDM-PON Included Maybe not
Max Capacity of ONU 10G / 2.5G 100G / 100G
Channel bonding No Yes
Wavelength Plan Dn: L+band, Up: C-band Not yet
Tunable Yes No
Co-existence G-PON, XG-PON 10G-EPON
46
100G EPON Homepage
47
25G PON 프로토타입 시험
OE 실험 구성도
상하향 성능 QoS
ETRI연구개발지원사업 연차 평가 (2차년도) 48
5G & C‐RAN
전송 용량 저감 기술
광액세스 기술
Indoor Analog RoF 기술
5G 를 위한광액세스
기술
4949
* 참조: A global leader in infrastructure solutions for communications networks, CommScope
전체 Mobile Traffic의 80%가 Indoor 환경에서 발생
모바일 서비스(SNS 등)은 의사전달 수단에서 개인의 사회적 행동의 도구로 발전
현재는 Data 속도 저하 및 음영지역 해소 필요
Indoor 환경에서 25년 이상 사용되어 검증되고, 급격한 발전이 예상되는 solution은 DAS.
현재 DAS가 적용된 site는 수 만 국소 이상이며, 향후 2023년까지 약 1억 site로 증가 예상
Indoor 5G 기술
50
현재의 디지털 DAS 기술 현황
디지털 DAS의 광전송 용량 증가
호스트 장치 Radio 장치
광트랜시버 광트랜시버
광케이블
디지털 DAS 구조
51
Bandwidth Efficient IFoF based Optical Access
51
Digital Units
Type Properties
Radio frequency over Fiber (RFoF)
Transmission of mobile signal on the RF frequency as air interface through fronthaul link+ Low implementation cost and complexity in RU- Requires many wavelength for increasing data-rate
Intermediate Frequency over Fiber (IFoF)
Transmission of mobile signal on intermediate frequency through fronthaul link+ Bandwidth efficient transmission+ Flexible bandwidth allocation- Increases implementation cost and complexity in RU
Digital Units
Radio Units
ƒc
Radio Units
ƒc
~ƒc
ƒ1 ƒ2 ƒn
IFoF
RFoF Mobile fronthaul
Mobile fronthaul…
52
기지국 최대 20Gbps
단말 1 Gbps
최대 32 FA, 8x8 MIMO 지원
최대 전송거리 5km, 최대 8 분기 수용
5G 이동통신 서비스 음영지역 해소
125 MHz
125 MHz x 8FA = 1GHz
1.7GHz 2.7G
Air:
D-I/F
27.5GHz 28.5GHz
밀리미터파 5G 이동통신시스템 신호 사양
밀리미터파 5G 이동통신 시스템 아날로그 IFoF기반 Indoor DAS
Millimeter wave 5G & indoor
53
5G 프로트타입 성능 시험
54
1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (GHz)
Recieved optical power : 0 dBm
S21
(d
B)
S21
Analog Optical Transceiver
[Analog optical transceiver]
[Frequency response]
< ±1 dBLD
LNA
PD
LD Driver
[Block diagram]
55
Supporting giga-bit mobile service with 28 GHz mmWave 5G prototypeAchieving peak data-rate up to 1.5 Gb/s per each user
Measured Throughput per User @ UE
55
56
1. 모바일 네트워크 현안
- 트래픽 폭증, 셀 소형화에 따라 비용 절감을 위한 새로운 망 구축/운용 기술 필요
2. 광 기반 모바일 인프라 기술
- 4G까지는 CPRI/OBSAI/ORI 표준 기반 전송 기술 및 기존 유선 인프라 활용
3. 5G 를 위한 광액세스망 기술
- 5G를 위한 다양한 프론트홀 후보 기술 대두, 대역폭 및 지연 성능 개선이 중요
- 100G PON, Analog RoF 기술등 새로운 기술 대두
Summary
- 광통신이 무한대의 대역폭을 제공한다는 선입관의 변화: 광액세스망 제한조건
57