5G Physical Layer survey (논문 리뷰)

이 논문은 5G URLLC를 지원하기 위해 제안된 다양한 기술들에 대해서 정리를 했다. 특히, Release-15를 기준으로 하는  표준화 문서에 대한 내용도 들어있다.

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제목: Ultra-Reliable and Low-Latency Communications in 5G Downlink : Physical Layer Aspects

 

저널명 : IEEE Wireless Communications

 

출판년도 : June, 2018

 

저자 : Hyoungju Ji, Sunho Park, Jeongho Yeo, Younsun Kim, Juho Lee, and Byonghyo Shim

 

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Abstarct & Introduction

이 논문은 URLLC를 만족하기 위한 Physical Layer의 기술들, Frame Structure, Scheduling, Reliability를 높이기 위한 방법들에 대한 방법들이 담겨있다. Introduction에서 주요하게 봐야하는 포인트는

' 기존의 통신 방식은 짧은 시간에 많은 데이터를 보내기 위한 Throughput Maximization에 초점이 맞춰져있지만, URLLC는 양이 많지 않고, Packet size도 작기 때문에, Throughput보다는 Reliablity와 Latency에 대한 issue에 초점을 맞춰야 한다.' 라는 점이다. 

 

eMBB / mMTC / URLLC

 eMBB에서는 Throughput 최대화에 초점을 맞춘 버전으로 5G에서는 Carrier Aggregation (CA)나 MIMO, Hetnet 등을 이용하여 주어진 주파수를 효율적으로 사용하는 방법이 연구되고 있다. mMTC는 센서같이 작으면서 많은 양을 지원하기 위해서 Power consumption 최소화에 초점을 맞추고, SigFox, LoRa, NB-IOT 같은 기술들과의 연계도 연구되고 있다. 최근에는 Orthogonal만으로는 많은 User에게 service를 제공하기 힘들기 때문에 Non-orthogonal하게 자원을 할당하는 NOMA 기술이 연구되고 있다.

 URLLC는 packet의 size가 작아지고, Reliability를 높이기 위해 많은 Control message가 보내진다. 그러다 보니, control message의 overhead도 무시하지 못할 정도로 커지기 때문에, control overhead를 줄이면서, reliablity를 보장하는 새로운 Phyiscal layer 방식을 찾는것이 관건이다.

 3GPP에서 말하는 URLLC의 Latency는 Tx의 L2/L3에서 Rx의 L2/L3로 들어갈 때까지의 시간으로, Channel Estimation과 Feedback delay가 Bottleneck으로 지목된다. LTE에서는 Reliabilty를 0.99로 만족하기 위해, Channel Coding (e.g., Turbo)나 HARQ에 초점을 맞췄다. 하지만 URLLC에서는 0.99999를 만족하면서 Latency 또한 줄여야하니 특단의 대책을 세워야했다. 또한, URLLC의 packet size가 작기 때문에 기존 Channel coding으로 얻을 수 있는 coding gain도 적을 수 밖에 없었고, 이를 보완하기 위해, 미리 Channel 상태를 알기 위한 Pilot 신호가 추가되고, Channel Coding 방식도 발전했다. 또한, Packet이 작기 때문에 가능한 '같은 Packet을 여러 번 보내는 방식'도 제안되었다.

 

URLLC Physical Layer in 5G NR

URLLC의 Reliability를 위해서는 많은 논문들이 제시되고 있고 있지만, Latency를 줄이기 위한 논의가 충분치 않다. 심지어 3GPP의 회의에서조차 Latency에 대한 연구가 우선진행되어야 한다는데 동의한다. 

주요 Latency를 분류할 때, 하늘을 가로질러 날아가는 Propagation delay를 무시하면, 전송시간 (Transmit Time) / Rx가 받아들여서 데이터를 processing하는 시간 (Processing Time)이 있다. Processing Time을 줄이기 위해서는 Pilot / Control / Data가 순서대로 들어와야 효율적으로 Data를 복구할 수 있다.

 Packet에 Cyclic Redundancy Check (CRC)를 붙이고 Channel coding하여서 Reliability를 높이는 4G의 방식의 발전형으로, 5G에서는 Control message를 위한 Polar coding, 일반 data를 위한 LDPC coding이 있다. Processing delay를 줄이기 위한 Complexity와 성능 향상이 중요하게 연구되었다. 최근에는 Sparse vector Coding (SVC)와 Compressed Sensing (CS)라는 방식에 대한 연구가 이루어지고 있다. PDCCH에서 SVC는 LTE-A의 Convolution Coding보다 더 좋은 Packet Error Rate (PER) 성능을 보였다.

 

eMBB / URLLC Coexistence Challenge

5G에서는 eMBB차례에 미리 Scheduling되어 있지 않은 우선순위가 높은 URLLC packet이 끼어드는 Puncturing을 용인하게 되면서, eMBB나 mMTC같은 Non-URLLC 시스템의 performance 저하가 심각한 문제로 대두되었다. 심지어 URLLC로 인해 Interrupt되는 다른 message들에게 interrupt 당했다고 알려주지 않음으로 인해 생기는 문제점에 대한 solution이 필요했고, 이에 대한 논의가 표준화에서 이루어지고 있는것으로 알고있다.

 URLLC는 기본적으로 symbol 단위의 Mini-slot을 이용하는데, Scheduling 방법은 필요할 때마다 보내는 방식과 미리 URLLC를 위한 자원을 할당해놓는 방법이 있다. 필요할 때마다 Puncturing하면 URLLC는 좋겠지만, 충돌이 나는 eMBB의 QoS가 너무 안 좋아지고, URLLC를 위한 자원을 미리 할당해놓으면, 안 보냈을 경우 자원의 낭비가 심해질 수 있다.

 

eMBB와 URLLC Coexistence Solution

위에서 설명한 eMBB와 URLLC의 자원할당 문제점에 대해 다양한 논의가 이루어지고 있다. 그 중 3GPP의 표준화 논의에서 거론되는 방법은 크게 두개다.

- Reactive Strategy

URLLC에게 Priority를 주되, interrupt 당하는 Channel의 Reliability도 어느 정도 보장해주자는 내용이다. 

1) Preemption Indicator Transmission : URLLC에게 의해 충돌나는 지점 (Time-Frequency)을 BS가 책임지고 Broadcast 해주자라는 주장이다. 따라서 이 Indicator에는 Packet Error의 이유, 어디까지 안전한지 등이 담겨서 전송되게 된다.

2) Retransmission of Selected Codeblock : 보내려는 메시지 Transport Block은 여러개의 Codeblock으로 쪼개져서, Indicator를 받아들었을 때, 문제가 생긴 Codeblock만 재전송하자는 기술이다. 재전송할 Packet의 Code-rate를 조절하는 방법도 포함되어 있다.

 

- Proactive Strategy

URLLC가 양이 많아진다면, 재전송되는 packet이 많아져서 Reactive Strategy가 비효율적이라는 주장이다. 애초에 충돌이 나서 Error가 생기는 확률을 줄여보자는 방식이다.

1) Robustness imporvement : non-URLLC 메시지에 추가 Parity bits를 넣어서 보내는 등 Code-rate을 낮춰서 보내는 방식을 통해, URLLC에 의해 충돌되더라도 Decoding이 가능한 확률을 높여보자는 방식이다.

2) Resource Sharing : Multiple Antenaa의 특성을 이용하여, URLLC를 위한 Resource와 일반 데이터를 위한 Resource를 분리해서 제공하자는 방식이다.

 

Conclusion

 이 논문에서는 5G Downlink에서 논의되는 URLLC에서 이용되는 기본적인 이론과 eMBB와의 Coexistence 문제와 그에 대한 Solution이 담겨있다. 수식에 대한 내용은 거의 없고 기존 논의들을 소개하는 내용이기 때문에 Concept을 이해하기 그리 어렵지는 않았다. 처음 읽는 사람도 생각해볼 수 있게 쉽게 쓰인 URLLC 논문이라는 점에서 직접 읽어보는 것도 괜찮을 것 같다.

 

Reference

[1] H. Ji, S. Park, J. Yeo, Y. Kim, J. Lee and B. Shim, "Ultra-Reliable and Low-Latency Communications in 5G Downlink: Physical Layer Aspects," in IEEE Wireless Communications, vol. 25, no. 3, pp. 124-130, JUNE 2018, doi: 10.1109/MWC.2018.1700294.