통신의 기본 개념

 

Channel

Tx에서 신호를 만들어서 Rx로 보내면 그 가운데 신호가 이동하는 경로를 Channel이라 한다. 즉, Channel 상태가 좋지 않으면 빌딩같은 장애물이 많거나, 다른 UE와의 간섭이 심한 상황으로 같은 Power로 전송을 하더라도, SINR값이 낮게 나올 수 밖에 없다. Physical Downlink Control Channel (PDCCH)처럼 끝이 CH로 끝나면 대부분이 Channel을 나타낸다. Channel 특성에 영향을 주는 것 중 Large-scale Fading과 small-scale fading이 있다.

 

DL/UL

Downlink (DL)은 BS에서 UE로 데이터를 보내는 과정으로, Download라고 생각하면 편하다. Uplink (UL)은 UE에서 BS로 메시지를 보내는 과정으로, Upload를 생각하면 편하다.

 우리가 사용하는 통신을 곰곰히 생각해보면, DL이 더 많이 사용된다는 것을 알 수 있다. 이를 고려한 DL과 UL의 효율적인 자원관리를 위한 연구도 필요하다. 결국 DL이던 UL이던 Time-Frequency을 나눠서 사용해야 하기 때문에 이를 위한 자원할당을 시간적으로 나누는 Time Division Duplex (TDD)와 주파수적으로 나누는 Frequency Division Duplex (FDD) 방식이 나눠져 있다. 각 경우에 따라서 장점과 단점이 있다. 이에 대해서는 뒤에 나오는 TDD/FDD와 TDM/FDM 비교에서 조금 더 자세히 다루도록 한다.

 

Large Scale Fading vs Small Scale Fading

일단 Fading이라 함은, 채널을 이동하는 과정에서 신호에 왜곡이 생기는 현상을 말한다. 당연히 Fading의 영향을 최소화할 수록 신호에 왜곡이 적어지고, Rx에서 decoding을 잘할 수 있게 된다. 공간적인 분류로는 Large-Scale Fading (장거리)은 Path-loss, Small-scale Fading (단거리) Shadowing이 있다.

 Path-loss는 전파가 날아갈 때 거리에 따라서 신호가 약해지는 모델링이다. 거리에 따라서 완만하게 변동하는 특징을 가지고 있다. Shadowing은 장애물로 인한 신호의 감쇠를 모델링한다. 주변에 건물이 있어서 Tx에서 Rx에 바로 들어가는 파동과와 건물에 튕겨서 조금 늦게 들어가는 반사파 사이에 간섭이 발생하게 되기 때문에, 급격한 신호의 변동이 있다. 조금 더 알기 쉽게, 거리에 따라서 1차적인 Fading이 생기는데 주변에 건물이 있건 말건, 이건 평균적으로 스무스하게 그려진다. 하지만, 주변에 건물이 막고 있으면 Rx의 상대적인 위치에 따라서 상대적으로 급격한 변화가 생긴다.

 이런 Fading model은 건물의 반사파 영향이 큰 Rayleigh Model, 반사파의 영향이 작은 Rician Model 등 여러 모델로 나뉜다. 각자의 시나리오에 맞게, 건물이 많은 도시에서는 Rayleigh, 앞이 뻥 뚫린 드론은 Rician Model 등 여러 모델을 가져다 쓰면 된다. 

 전파를 직접 연구하지는 않는 사람들은 3GPP의 시나리오에서 정리해 준 모델링 공식을 가져다 쓰면 되지만, PHY layer나 안테나를 설계하는 사람들은 더 어려운 공식을 유도하고 계산한다.

Delay Spread는 Channel을 통과하면서 생기는 신호가 늦게 도착하는 여러 개의 반사파로 퍼져보이는 시간지연 현상을 의미하고, Doppler Spread는 User Mobility에서 생기는 Doppler 효과로 인해 다른 주파수에 영향을 주는 현상을 말한다.

위에서 말한 Fading들을 줄이면서 효율적으로 신호를 보내기 위한 기술들이 5G의 표준화 회의와 논문에서 제안되었고, Numerology부분에서 이에 대한 추가설명을 진행할 예정이다.

 

Time -Frequency Plane과 TDD / FDD

주파수를 할당하는 문제는 통신 시스템에서 매우 중요한 이슈다. 주파수 할당에 대해서 다룰 때, 주파수 축과 시간 축으로 이루어진 2차 평면을 많이 보는데, 이 평면을 Time-Frequency Plane이라 한다. 우리는 이 평면에서 직사각형을 겹치지 않게 배치하는 퍼즐 놀이를 한다라고 생각하면 된다.

Time-Frequency Plane

Frequency Division Duplex (FDD)

Time Division Duplex (TDD)

UL과 DL에게 별도의 주파수를 할당하는 방식을 Frequency Division Duplex (FDD)라고 하고, 같은 주파수대역을 UL과 DL이 번갈아가면서 쓰는 방식을 Time Division Duplex (TDD)라고 한다. 

 

  TDD/FDD vs TDM/FDM

이 용어들의 가운데 Division (D)이 들어간 것에서 알 수 있듯이 주파수 자원을 나누는 내용이다. Time Division Multiplexing (TDM)과 Frequency Division Multiplexing (FDM)은 여러 명이 주파수 자원을 나눠 갖는 방식이다. 시간에 따라서 나눠 가지면 TDM, 주파수에 따라 나눠 가지면 FDM이다.  그런데, TDD/FDD도 자원할당을 시간축으로 자를지, 주파수 축으로 자를지에 대한 문제다. 헷갈리겠지만, TDM/FDM은 ‘여러 명이 주파수를 할당’받는 문제일 때, TDD/FDD는 ‘UL과 DL를 할당할 때’ 시간으로 나눌지, 주파수로 나눌지에 대한 문제에 쓰인다고 생각하면 된다.