5G PHY Layer (2) - PHY의 역할 및 절차

통신이나 네트워크 전공을 한다고 하면, 또는, 전공과 관련된 면접을 받으러 가면, '어느 Layer를 공부하시나요?'라는 말을 많이 듣는다. 그러면, '5G 용어'라는 글에서 5G의 Layer에서 신경쓰는 Layer는 크게 3종류가 있다는 말을 했다. 그 중에 가장 아래 Layer를 PHY Layer라고 했는데, 이 글에서는 PHY Layer에서 어떤 일을 어떤 절차를 통해서 하는지 알아보도록 한다.

 

5G의 PHY Layer의 역할

PHY Layer는 모든 Layer 중에 가장 복잡하고 많은 일을 하고, 물리적인 개념도 알아야하기 때문에 공부하기가 상당히 까다롭다. 따라서, 하나씩 신호의 처리 순서에 맞게 설명하되, Channel Coding이나 CRC 같은 기본적인 개념에 대해서는 '통신 및 네트워크' 카테고리에 별도로 정리를 해 놓았으니 참고하면 좋을 것 같다.

TS 38.202라는 표준 문서를 참고하면, PHY Layer의 역할은

• Error Detection / Correction을 위한 Channel Coding
• Physical Channel의 Power Weighting
• Physical Channel의 Modulation (e.g., BPSK, QAM 등)
• Frequency, Time Sync 맞추기
• Radio 특성을 Measurement하고, High Layer에 전달하는 역할
• MIMO를 위한 Antenna Processing
• 실제 신호를 보내기 위한 RF processing

이 있다. 5G에서는 새롭게 추가된 절차가 있다기 보다는, 각 절차를 이루는 기술들이 Use case에 맞는 새로운 기술로 바뀌었다는 특징이 있다. 절차를 이루는 기본적인 개념들은  '통신 및 네트워크' 카테고리에 정리해 놓았고, 5G Communication 부터는 해당 기술을 알고 있다는 전제하에, 5G에서 바뀐 부분들을 정리하도록 한다.

 

5G의 PHY Layer의 절차

 이를 위해 PHY Layer의 가장 General한 절차를 보면서 정리해보자. PHY Layer 바로 위에는 MAC Layer가 있는데, MAC Layer에서 PHY Layer로 내려온 정보를 Transport Block (TB)라 한다.

 첫 번째 순서는, Channel Coding을 설명할 때, '보내려는 bit' 부분을 언급했는데, 이 '보내려는 Bit'가 TB의 개념이다. TB에 CRC를 붙여서 Detection이 가능하도록 하고, Correction을 위한 Redundancy를 붙인다는 말을 했다. 이 Correction을 위한 방법으로 DL-SCH에서는 LDPC Coding을, DL-CCH에서는 Polar Coding을 사용한다. Bit Rate를 맞춰주기 위한 Rate Matching을 하고, Error burst를 피하는 Interleaving을 진행한다. 이 단계에서 Code-Block Segmentation과 Concatenation을 진행함으로써, HARQ에서 Code-Block Group 단위로, HARQ의 재전송을 진행할 수 있게 된다.

두 번째 순서는, Scarmbling이다. Radio Ntwork Temporary Identifier (RNTI)라고 불리는 ID와 함께 bit가 섞이게 되는데, 이를 통해서 Receiver입장에서는 De-Scrambling을 했을 때 자신에게 온 message가 맞는지, 확인을 할 수 있다. RNTI에 대해서는 별도의 페이지에서 다루도록 한다.

 세 번째 순서는, Modulation으로 BPSK, QPSK, QAM 등의 방법이 있다. Scrambling을 통해 들어온 비트를 뭉치고, Symbol의 형태로 만들어서 RF Signal을 만들 준비를 한다. Channel 상황이 좋으면, 1 Symbol에 많은 비트를 뭉칠 수 있지만, 좋지 않을 때는 적은 비트를 Symbol로 뭉친다. 논문을 읽다보면 Modulation Coding Scheme (MCS)를 조절한다는 말이 있을텐데, 여기서 말하는 Modulation을 조절하는 방식이 이런 내용이다.

 네 번째 순서는, MIMO를 위해 여러 개의 Layer를 통해 데이터를 처리하는 Layer Mapping이다. Layer Mapping 단계로 들어온 Bit들을 Codeword라고 한다. Layer Mapping에서는 Codeword를 최대 4개의 Layer로 나눠서 각각을 Antenna Port에 할당하게 된다. 아래 그림처럼 2개의 경로로 들어온다는 의미는 최대 2개의 Codeword를 허용한다는 말이다. 각 Codeword는 최대 4개씩 Layer가 할당될 수 있기 때문에, 최대 8개의 Antenna Port로 Mapping될 수 있다. 각 Antenna Port는 1개의 Resource Grid를 갖기 때문에, 해당 Resource Grid에서 Resource Block (RB)를 할당받게 된다.

 마지막으로, RB를 할당받게되면, 거의 다 왔다. RB를 할당받았다는 말은, Resource Element (RE)를 할당받았고, OFDM으로 만들 수 있는 Sub-carrier를 Generate할 수 있다. 이를 통해 실제 RF Signal을 Generate하고, Physical Antenna로 보내면 PHY Layer의 절차가 끝나게 된다. OFDM에 대해서는 '통신 네트워크' 카테고리에서 설명하였고, 5G의 Numerology와 세부적인 기술들은 5G NR - Flexible Numerology에서 조금 더 자세히 다루고 있다. Physical Antenna를 다루는 방식에 대해서는 별도의 Beam Management 글에서 다루도록 한다.

PDSCH Physical Layer processing

 PHY Layer가 가장 절차도 복잡하고, Physical한 내용도 있기 때문에 이해하기가 상당히 까다롭다. 하지만, 크게 Channel Coding 부분 / Modulation / Layer Mapping / Resource block 구조를 조금 뜯어서 이해하도록 노력했다. Channel Coding은 통신 및 네트워크 이론에서 정리했고, Modulation은 통신이론 수업에서 배웠다. Resource block에 대한 내용은 5G의 OFDM에서 정리했고, Layer Mapping은 MIMO와 Antenna port에서 조금 더 자세히 다룬다. 이렇게 하나씩 PHY layer의 구성요소를 정리했다.