초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
o 5G+ 기지국 고도화를 위한 20km 프론트홀 광링크 적용 50Gbps급 전송 기술 개발
- 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술
- 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 기술
- 프론트홀 인터페이스 카드 및 시스템 연동 기술

◼ 전체 내용
o 핵심 연구 내용
- 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술
• 클라이언트 이종 신호 수용 기술
• 디지털 프레임을 이용한 50Gbps급 신호 매핑/디매핑 기술

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
o 5G+ 기지국 고도화를 위한 20km 프론트홀 광링크 적용 50Gbps급 전송 기술 개발
- 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술
- 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 기술
- 프론트홀 인터페이스 카드 및 시스템 연동 기술

◼ 전체 내용
o 핵심 연구 내용
- 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술
• 클라이언트 이종 신호 수용 기술
• 디지털 프레임을 이용한 50Gbps급 신호 매핑/디매핑 기술
• 광전송 성능 열화 보상 및 저지연 고효율 오류정정 기술
• 50Gbps급 PAM4 정합 인터페이스 기술
- 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 기술
• 50Gbps급 O-band 파장 가변 LD 칩 기술
• 50Gbps급 PAM4 광송수신 모듈 기술
• 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 설계 및 구현 기술
- 프론트홀 인터페이스 카드 및 시스템 연동 기술
• 프론트홀 광전송 정합 기술
• 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 기술
• 5G+ 프론트홀 시스템 연동을 위한 제어 관리 기술
o 주요 기능(또는 규격)
- 프론트홀 인터페이스 카드 및 프론트홀 시스템
• 클라이언트 신호 (CPRI, eCPRI, Ethernet) 수용 기능
• 채널당 50Gbps급 디지털 신호 매핑 및 처리 기능
• 저지연 고효율 채널 코딩 및 오류정정 기능
• 50Gbps급 초고속 데이터 병렬 처리 및 인터페이스 기능
• 200Gbps급 인터페이스 라인카드 제어 관리 기능
- 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버
• 50Gbps급 PAM4 광신호 송수신 기능
• 50Gbps급 파장 채널 가변 및 제어 기능
• O-band 파장 가변 LD 출력 생성 기능
• 펌웨어 기반 관리 및 제어 기능
o 주요 성능치
- 프론트홀 광링크 파장당 전송용량: 50 Gbps
- 프론트홀 광링크 전송 거리(@50Gbps): 20 km
- 접속 클라이언트 신호: CPRI Option 3/7/8/10, eCPRI 10/25 Gbps, Ethernet 10/25 Gbps
- 양방향 프론트홀 인터페이스 카드 처리 용량: 200 Gbps
- 프론트홀 광트랜시버 전송 속도: 50 Gbps
- 프론트홀 광트랜시버 가변 파장 채널 수(@50Gbps, O-band): 8 채널
- O-band 파장 가변 LD 변조 대역폭: 25 GHz 이상
- O-band 파장 가변 LD 가변 대역폭: 6 nm 이상
o End product
- 5G+ 모바일 프론트홀 시스템 (HW) (TRL7)
- 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 (HW) (TRL7)
- 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 FPGA 구현 HDL (SW) (TRL7)
- 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 (HW(모듈)) (TRL7)
- 50Gbps급 O-band 파장 가변 LD (HW(칩)) (TRL7)

□ 연구개발성과
◾ 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리
• 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술 구현 및 검증
- 다양한 클라이언트 이종 신호 수용 기능: CPRI option 3/7/8/10, eCPRI 10Gbps, 25Gbps, Ethernet 10Gbps, 25Gbps
- 50GbE 디지털 프레임 신호 생성 및 변환을 위한 디지털 신호처리 로직 설계 및 구현
- 양방향 400Gbps 처리 용량을 지원하는 프론트홀 디지털 신호처리 시스템 통합, 구현 및 검증: 25.78125 Gbps x 8 + 53.125 Gbps x 4
- 프론트홀 네트워크의 20km 광링크, 100ps/nm 이상의 색분산 환경에서 error-free 성능을 보장하는 디지털 신호처리 기술 확보
• 50Gbps급 저지연 고효율 오류 정정 기술 개발
- 열화된 채널 환경을 극복할 수 있는 25Gbps RS-FEC, 50Gbps RS-FEC 구현 및 IP 개발
- 체계적 생성 행렬을 이용하여 고속 처리 가능한 병렬 구조의 오류정정 부호와 블록 설계
- 연접 구조를 이용하여 높은 부호화 이득을 갖는 오류정정 기능 구현: RS-FEC (544,514) 대비 ~1dB 이득 향상
- 가변적 부호화 및 신드롬 계산 블록 설계에 용이한 구조 설계
- 병렬 구조의 오류정정 부호화 블록 구현으로 지연 시간 단축 (225nsec@332MHz)
◾ 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드
• 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 개발 완료
- 4G LTE 망의 CPRI Option 3/7/8/10 신호와 5G 망의 eCPRI 10 & 25 Gbps 신호를 모두 수용
- CPRI 및 Ethernet 클라이언트 인터페이스 신호를 새로운 패킷 전송 기술 기반의 RoE 프로토콜 신호로 전송함으로써 전송 효율을 높임
- 50Gbps x 8채널 WDM 방식, 50Gbps 파장가변 광트랜시버를 적용하여, 프론트홀 전송 용량 증대 요구를 만족
- 이종신호 수용 네트워크 스위치 기능과 신호처리 기능의 분리형 보드 구조 채택으로 개발 소요 시간 단축
- 5G+ 이동통신 클럭 정밀도 지원을 위한 PTP/SyncE 지원
◾ 50Gbps 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버
• 세계 최초의 50Gbps 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 개발
- 본 과제에서 개발한 O-band 파장 가변 LD 칩 적용
- 50/25/10 Gbps Multi-rate 동작
- 세계 최고 수준의 8개 파장의 안정적인 구동 및 파장 가변을 구현
- RF 설계 최적화를 통하여 수신감도 –17dBm, TDECQ 1.8 dB 이하의 우수한 성능 달성
• 공인인증 시험 완료 (신뢰성 시험 포함)
- 가변 채널 수: 8개 (1283.367~1289.158nm)
- 레이저 변조속도: 26.5626 GBaud PAM4
- 수신감도: 2.77x10^-6 @10km, 3.55x10^-6 @20km (-17dBm, 2.4x10^-4 기준)
- Aging test (2000hr, Accelerated aging): 정상
- Mechanical shock test (Shock level 500G, 5회 x 6 방향): 정상
◾ O-band 파장 가변 LD 칩
• 세계 최고 수준의 단일 집적형 파장가변 LD칩 제작
- 세계 최고 수준의 통신용 광원 칩 핵심기술 확보
- 50Gbps 이상의 변조기 구현 기술, O-band내 8채널 이상의 파장 가변 범위 구현 기술 확보
- 다기능 구성의 단일집적 칩 구현, 고효율 광결합용 모드크기 변환 구성, 열고립 도파로 구현으로 저전력 동작
- 50Gbps 파장 가변 광트랜시버에 적용하여 우수한 성능 및 신뢰성 확인
• 공인인증 시험 완료
- 광출력: 15.2mW (목표치 초과)
- 파장가변 범위: 14.9nm (목표치 초과)
- 변조 대역폭: 39 GHz (목표치 초과)
◾ 5G+ 모바일 프론트홀 시스템
• 5G+ 모바일 프론트홀 시스템 구현
- 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 이용하여 프론트홀 시스템 운용 관리 및 제어 구현
- 5G 망에서 요구되는 다양한 서비스의 실현을 위해 RoE, eCPRI 등의 새로운 패킷 기반의 인터페이스를 지원
- 네트워크 운용자에게 네트워크 및 링크 상태 모니터링을 위한 OAM 기능지원
- IEEE1588 표준에 정의된 PTP/SyncE 지원
• 공인인증 시험 완료
- 프론트홀 광링크 파장당 전송 용량: 50 Gbps
- 프론트홀 광링크 전송 거리: 20 km 이상
- 디지털 신호 처리 허용 색분산: 100 ps/nm 이상
- 클라이언트 신호 수용: CPRI option 3/7/8/10, eCPRI 10/25 Gbps, Ethernet 10/25 Gbps
- 인터페이스 카드 처리 용량: 양방향 처리 용량 200 Gbps
• 5G NR 테스트베드 연동 시험 및 평가
- 5G NR DU/RU 테스트베드를 이용한 end-to end 통합 연동 시험을 통해 시스템 클럭 타이밍 및 동기화 성능 검증
- 시스템 Downlink/Uplink Throughput 측정 및 성능 확인
- 5G NR 상용망 장비 환경인 SK텔레콤의 액세스 테스트베드와의 연동 시험을 수행하여, 모바일 프론트홀 시스템의 성능, 품질 안정성 확인
◾ 연구개발 종합 성과
• 50Gbps급 프론트홀 전송 핵심 기술 개발
- 패킷 전송 기술 (RoE, eCPRI) 기반의 프론트홀 전송 시스템
- 파장 당 50Gbps의 8 x 50Gbps WDM 방식의 프론트홀 전송 기술 개발
- 프론트홀 용량 확장(10/25Gbps → 50Gbps) 수요를 충족시키고, 프론트홀 전송 효율 및 개방형 프론트홀 인터페이스에 대비
• 세계 최초의 50Gbps 기반 프론트홀 전송 시스템 개발
- 차세대 프론트홀 전송 기술 파장당 50Gbps 기반으로 개발
- 프론트홀 전송 효율 문제 해결
. 4G CPRI 및 5G/5G+ eCPRI의 다양한 프론트홀 신호 접속 및 전송
. 패킷 전송 기술 기반의 다양한 망토폴로지 지원
- 광부품 (파장가변 LD 및 광트랜시버) 기술 및 50Gbps 디지털 신호 처리 기술을 시스템에 통합
• 최종 결과물
- 5G+모바일 프론트홀 시스템 (HW)
- 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 (HW)
- 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 FPGA 구현 HDL (SW)
- 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 (HW(모듈))
- 50Gbps급 O-band 파장 가변 LD (HW(칩))
• 정량적 성과
- 국제 특허 출원 6건 및 등록 2건, 국내 특허 출원 16건 및 등록 3건
- SCIE 논문 4편 게재, 비SCIE 논문 1편 게재, 학술회의 논문 16편 발표
- 기술이전 4건, 165백만원
- SW 등록 7건
- 시제품 제작 17건
- 성과홍보 5건
- 기술문서 130건

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
o (직접 활용 분야) 본 과제의 결과물은 디지털 신호 처리 기술을 포함한 프론트홀 인터페이스 라인 카드 및 50Gbps 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버로서 프론트홀 시스템 장비에 장착되어 활용
- 5G+ 이동통신 프론트홀(fronthaul) 장비에 활용
- 5G+ 이동통신 백홀(backhaul) 장비에 활용
o (적용 분야, Use cases)
- 본 기술 개발의 결과물은 RU와 DU 간의 신호 전송을 위한 50Gbps급 광트랜시버 및 클라이언트 이종 신호 수용 디지털 신호 처리 기술이 적용된 인터페이스 라인 카드이며, 이를 적용한 5G+ 프론트홀 전송 시스템에 해당됨
- 개발 결과물이 적용된 프론트홀 네트워크 구성은 아래와 같으며, 아래 구성의 복합적인 구성도 지원 가능.
① RU와 DU 사이의 광선로 직접 연결: RU와 DU에 직접 50Gbps급 광트랜시버 적용
② 선형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 복합형 WDM 연결: 5G+ 모바일 프론트홀 시스템에서 다수 개의 이종 클라이언트 신호 수용 후 파장 당 50Gbps급 광트랜시버 적용
③ 선형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 점대점 WDM 연결: RU와 DU에 직접 50Gbps급 광트랜시버 적용
④ 링형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 복합형 WDM 연결: 5G+ 모바일 프론트홀 시스템에서 다수 개의 이종 클라이언트 신호 수용 후 파장 당 50Gbps급 광트랜시버 적용
⑤ 링형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 점대점 WDM 연결: RU와 DU에 직접 50Gbps급 광트랜시버 적용
o (수요처)
- SKT, KT, LGU+의 무선통신 사업자
- Verizon, 후지쯔 등의 국외 장비 업체
- HFR, SOLID등 프론트홀, 백홀 장비 업체
- 삼성, 노키아, 화웨이 등 RU/DU 장비 업체
o (기대 효과)
- 5G+ 프론트홀 전송 용량 한계를 해결하기 위한 50Gbps 기반의 전송 기술 확보
- 5G+ 프론트홀 전송 효율을 향상시키기 위한 50Gbps 기반의 디지털 신호 처리 기술 확보
- 50Gbps급 광트랜시버 및 광부품 핵심기술 국산화
- 초광대역 5G+ 서비스의 원활한 제공과 품질 향상으로 5G 서비스 가입자 지속적인 증가 기반을 만들고, UHD, VR/AR, 5G-V2X등과 같은 5G+ 서비스 이용이 증가할 전망

(출처 : 요약문 8p)