계층형·라디오스트라이프 기반 셀프리 CF‑mMIMO를 위한 하이브리드 프론트홀 최적 설계

본 논문은 초밀집 네트워크(UDN)와 셀프리 massive MIMO(CF‑mMIMO) 구현에 있어 가장 큰 제약인 프론트홀 비용과 용량 문제를 해결하기 위해, 광섬유, 밀리미터파(mmWave), 자유공간광(FSO) 세 가지 전송 매체를 결합한 하이브리드 프론트홀 설계 프레임워크를 제안한다. 연구는 크게 두 단계의 최적화로 구성된다. 첫 번째 단계는 Near‑Optimal Fronthaul Association and Configuration(NOFAC) 알고리즘으로, 무작위 배치된 AP들을 K‑Means 클러스터링을 통해 그룹화하고, 각 그룹에 선도 AP를 지정한다. 선도 AP는 DU와 직접 연결되며, 나머지 AP들은 선도 AP를 통해 데이터가 전달된다. 이때 두 가지 토폴로지를 고려한다. 하나는 기존의 라디오스트라이프(RS)와 유사한 직렬 연결 방식이며, 다른 하나는 계층형(Hierarchical Scheme, HS)으로, 선도 AP가 다수의 하위 AP를 트리 구조로 연결해 단일 장애점을 제거하고 복원성을 높인다. 두 번째 단계는 정수선형계획(ILP) 최적화로, 각 그룹‑DU 연결에 사용할 전송 매체와 필요한 장비(광 케이블, OADM, ONU, mmWave 안테나, FSO 트랜시버 등)를 결정한다. 제약조건에는 기능 분할 옵션(Functional Split, FS) 7.2x와 8에 따른 최소 프론트홀 데이터율(ψ), 각 매체별 전송 거리·LOS(직선 시야) 확보, 전체 네트워크 용량·신뢰도 목표, 그리고 비용(TCO) 최소화가 포함된다. FS7.2x는 AP가 일부 PHY 처리를 수행하도록 하여 프론트홀 데이터율을 크게 낮추는 반면, FS8은 RF 처리만 수행해 높은 데이터율을 요구한다. 논문은 두 옵션을 모두 고려해 최적 매체 배치를 도출한다. 시뮬레이션 환경은 1 km² 면적에 200~800개의 AP와 4~12개의 DU를 배치하고, 트래픽을 균등·비균등 두 경우로 나누어 평가한다. 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 하이브리드 프론트홀 설계는 전통적인 전용 광섬유 방식에 비해 평균 25 %~35 % 낮은 TCO를 달성한다. 특히 중간 정도의 중앙집중도(예: DU 6개, 그룹당 AP 30~50개)에서는 mmWave가 비용·용량 균형을 가장 잘 맞추며, 광섬유는 높은 중앙집중도(많은 AP를 소수의 DU에 집중)에서 우수한 성능을 보인다. 둘째, FSO는 광섬유와 mmWave 사이의 “갭”을 메우는 역할을 수행한다. 지리적 제약으로 광섬유 설치가 어려운 구역에 FSO를 배치하면 전체 비용 상승을 억제하면서도 용량 요구를 충족한다. 셋째, HS 토폴로지는 RS에 비해 동일한 링크 수와 비슷한 설치 비용을 유지하면서도 복원성이 크게 향상된다. HS는 선도 AP가 다수의 하위 AP를 직접 연결해 단일 장애점이 존재하지 않으며, 장애 발생 시 대체 경로를 통해 서비스 중단을 최소화한다. 넷째, FS7.2x는 FS8에 비해 약 40 % 낮은 프론트홀 데이터율을 요구한다. 동일 용량을 제공하기 위해 FS7.2x는 저비용 매체(mmWave, FSO)를 활용할 수 있어 전체 TCO를 크게 절감한다. 다섯째, 민감도 분석 결과, AP‑DU 거리 증가 시 mmWave 비용이 급격히 상승하지만, 적절한 FSO 배치를 통해 비용 상승을 억제할 수 있다. 반대로, 매우 높은 분산(많은 DU, 소규모 그룹)에서는 광섬유가 여전히 비용·용량 면에서 최적이다. 논문은 또한 비균등 트래픽 시나리오를 고려해 각 AP별 요구 프론트홀 용량 ψ를 트래픽 프로파일 f_traf(x,y)로 정의한다. 이를 통해 실제 운영 환경에서 트래픽 집중 구역에 고용량 매체를 배치하고, 저트래픽 구역에는 저비용 매체를 할당하는 ‘트래픽 인식형’ 최적화가 가능함을 보여준다. 결론적으로, 이 연구는 O‑RAN 기반 CF‑mMIMO 네트워크에서 하이브리드 프론트홀 설계가 비용·용량·복원성 측면에서 기존 단일 매체 방식보다 현저히 우수함을 입증한다. 또한 기능 분할 옵션 선택이 프론트홀 설계에 미치는 영향을 정량적으로 분석함으로써, 사업자가 네트워크 밀도, 예산, 지리적 조건에 맞는 맞춤형 프론트홀 전략을 수립할 수 있는 실용적인 가이드를 제공한다.