5G Overview

5G 시스템의 분류 및 Requirement

 5G은 4G와 비교했을 때 다양한 Use case를 지원한다고 했다. 그러면 구체적으로 어떤 상황을 지원하는 걸까? 5G에서 지원하는 서비스는 크게 3가지 type로 나뉜다.

• 대용량의 데이터를 보내기 위한 Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
• 정해진 면적의 많은 user에게 데이터를 전송하기 위한 Massive Machine Type Communication (mMTC)
• 빠르고 신뢰성 있는 데이터 전송을 위한 Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC)

eMBB는 영상처럼 큰 데이터를 전송하는데 적합하고, mMTC는 스마트 공장에 밀집되어 있는 많은 센서들을 지원하고, URLLC는 자율주행의 제어를 담당하는 등 다양한 Use case가 있다.

 즉, 5G는 4G처럼 오직 전송속도를 증가시키는 것만이 목표가 아니며, 서비스별로 목표로하는 성능조건이 다르다. eMBB는 Downlink (DL) 기준으로 20Gbps, Uplink (UL) 기준으로 10Gbps를 만족해야하며, URLLC는 1ms 이내의 지연시간과 / 99.999%의 전송 성공률을, mMTC는 1 평방 제곱킬로미터안에 100만개의 devices에게 통신 서비스를 제공해야 한다.

 

5G의 표준화 단계

 5G는 다양한 시나리오 상에 있는 User에게 맞춤형 서비스를 제공하기 위해 3GPP라는 단체에서 다양한 protocol을 논의하고, 표준화하고 있다. 3GPP는 표준화를 시작할 때, 어떤 기술이 필요하고 이에 대한 가능성을 타진하는 Study Item 단계가 있다. 즉, 기술들의 후보군을 선정하는 작업을 거친다. 이를 정리해서 Technical Report (TR)을 쓰고, 실제 표준화 스펙을 정할 Work Item 단계로 넘어간다. 이 단계에서는 회의에 참석한 기업들 (Samsung, Huawei 등)의 제안을 회의록에 담는다. 회의 진행 후, 서로 Agreed (동의)한 부분을 조금씩 정리하고 합의문을 토대로 Technical Specification (TS)으로 정리한다. 

 Release는 5G 이전부터 이동통신의 표준 발전에 따른 단계로, LTE, LTE-A, LTE-A pro등의 이전 Release를 거쳐 Release 15부터 5G에 대한 본격적인 논의가 시작되었고, 2020년 6월 현재 Release 16이 마무리 단계다. 각 Release마다 업그레이드 시키려는 주요 목표가 정해져있다. Release 16은 URLLC 위주로 진행되었고, Release 17은 mMTC 위주로 진행될 예정이다. 표준 문서들은 3GPP의 홈페이지에 들어가면 R1이 앞에 붙어있는 회의록부터 TS가 앞에 붙어있는 스펙까지 모두 열람할 수 있다. 하지만, 대부분의 용어와 개념들은 안다는 가정하에 작성되었기 때문에, 읽기가 몹시 어렵다. 이 후의 글들에서 표준 문서를 이해하기 위한 용어와 개념들을 설명할 예정이다.

 

5G 프로토콜 스텍

 이동통신 프로토콜 스텍은 크게 3개의 Layer로 구성되어 있다.

• 1계층 PHY 계층(Physical Layer)
• 2계층 Link Layer (Sub-layer : MAC / RLC / PDCP / SDAP)
• 3계층 Network Layer (Sub-layer : RRC / NAS)이다. 

 3GPP에서도 각 계층에 맞는 Working Group (WG)이 나눠져 있고, 각각의 WG에서 해당 layer에 대한 표준화가 이루어진다. 한 Layer만 자세히 보더라도 다루는 양이 매우 많고, 몹시 많은 연구 주제들이 있긴 하지만, 이후의 글들에서는 이미 있는 표준문서들, 논문들을 정리하고, 가끔 필자가 생각하는 연구주제들에 대한 Future Work도 언급하고자 한다.

 

eMBB/mMTC/URLLC

 

IMT-2020 Vision Recommendation

 

 eMBB는 보통 Video Streaming (Youtube, Netflix 등) 서비스를 제공하기 위해서 사용된다. 보통 Packet (데이터)의 크기가 크고, ‘반드시’ 데이터가 도착해야하는 건 아닐 때가 많다. 데이터를 보내다가 장애물이 생기거나, 간섭이 심해져서 Receiver에 도착했는데 무슨 데이터를 받았는지 decoding을 할 수 없다면, 'Packet Error'가 생겼다고 표현한다. eMBB는 Packet Error를 어느 정도는 허용하는 대신, Downlink 기준 최대 20Gbps, Uplink 기준 최대 10Gbps라는 큰 전송 속도 (Throughput)를 만족해야 한다. 

 mMTC는 1 제곱 킬로미터에 100만개 이상의 Node에 통신 시스템을 제공해야 한다. 일반 User가 이런 상황에 놓일 케이스는 많지 않고, 보통 작고 많은 센서들에게 통신 서비스를 제공하기 위한 서비스가 있다. 즉, 센서들이 보내는 작은 데이터들을 어떻게 Scheduling해서 받아들일 지가 중요한 이슈가 될 것으로 보인다. 이에 대한 표준화는 아직 많은 부분이 미완성이기 때문에 이제 진행되고 있는 Release -17이 나오는대로 업데이트할 예정이다.

 URLLC는 보통 제어 메시지로, 데이터의 크기도 크지 않고, 전송 횟수도 많지 않기 때문에, 큰 전송속도는 필요 없다. 대신에 데이터가 ‘거의 반드시’ 도착해야 하고 Latency도 몹시 짧아야 한다. 보통 자동화시스템인 Smart Factory, 자율주행차 등에 적용된다. 예를 들어보자, 바로 앞에 긴급한 사고가 나서 뒤따라오는 차에게 멈추라고 신호를 보내야한다. 이 때, 신호가 늦게 도착하거나, 더 나아가 도착을 못한다면 큰 인명사고로 이어질 것이다. 따라서, URLLC는 보통 1ms의 지연시간, 99.999%의 전송성공 확률을 만족해야 한다.

URLLC는 Throughput보다 Latency, Reliability가 중요한 요소다.

 3가지 Type 모두 각 Use case에서 몹시 중요하게 다뤄져야 하는 부분이고, 이에 대한 표준화가 이루어지고 있다. 이 후의 글들에서는 5G의 다양한 기술들을 먼저 소개하고, 이 기술들을 이용한 각 Type에서의 세부적인 통신 절차나 논문에 대해 리뷰할 예정이다.