5G Basic Principle

이번 글부터는 대략적인 통신 용어는 알고 있다는 가정하에, 한 단계 더 깊에 5G 기술들에 대한 리뷰를 진행할 예정이다. 5G RAN을 구성하는 New Radio (NR)은 LTE와 비교했을 때, 많은 부분에서 변화가 있었다. 본 글에서는 LTE와 비교했을 때 어떤 철학을 가지고 설계가 되었는지에 대해 다룰 예정이다. NR은 기본적으로 ‘Low Latency’와 ‘Ultra-Lean’에 초점이 맞춰져서 설계되어있다.

5G는 지연시간이 짧으면서, 필요에 맞는 프로토콜만 유연하게 제공하자는 철학이 담겨있다.

 

5G의 Ultra-lean 철학

 5G에서는 여러 Case를 나눠서 설계가 조금 까다로워져도, 각 UE의 상황에게 맞는 통신 프로토콜을 제공하자는 철학이 들어가 있다. 이 말만 들어서는 몹시 추상적으로 들릴 수 있지만, 하나의 예시로, NR에서는 Always-On Signal을 최소화했다는 점을 들 수 있다. Always-On Signal은 Channel Estimate을 위한 Reference Signal이나, System Information을 Broadcast하거나, Base-station을 Detection하기 위해 꾸준하게 보내는 신호다. Always-On Signal이 많으면, Network 전체적인 Energy Consumption도 많아지고, 다른 Cell에 간섭을 일으켜서, 전체 Network의 성능을 저하시킨다.

 LTE (Rel-8)는 밑의 그림에서 알 수 있듯이, Demodulation, Synchronization, Channel Measurement 등의 다양한 기능을 위해서 Cell-Specific Reference Signal (CRS)라는 범용적인 Reference Signal을 Tx와 Rx가 계속 주고 받아야 한다. 여기서 Reference Signal (RS)은 데이터 전송의 목적이 아니라, 각자 지정된 목적을 위해 지정된 신호를 말한다. 자신이 필요하던, 필요하지 않던 범용적인 시스템 정보를 주고, 받으면 Power 소모도 커질 수 밖에 없다. 즉, CRS에는 내가 원하는 정보들은 거의 다 들어있지만, 내가 필요없는 데이터들도 계속 듣고 있어야 하기 때문에, 간단하지만 시스템이 비효율적으로 구성된다.

LTE와 NR의 Reference Signal 비교

 

 하지만 NR에서는 이런 신호(Reference Signal)들을 분리해서, 필요한 사람만 필요한 부분을 듣도록 했다. 예를 들어서, Channel Estimate를 해야할 때, CSI-RS라는 상대적으로 부담이 적은 Reference Signal를 통해서 절차를 진행하면 된다. 또한, Demodulation을 위한 RS인 DMRS는 Data를 전송할 때만 주고 받고, Data를 전송하지 않을 때는, DMRS를 보내지 않는다. 이와 관련된 각 Reference Signal에 대해서도 뒤에서 다룰 예정이다. 여기서는 ‘자신 상황에 맞는 Reference Signal이 별도로 있구나’정도만 받아들이면 될 것 같다. 가끔 Pilot Signal이라고 나오는 용어도 Reference Signal이라고 생각하면 된다.

LTE에서는 CRS / LTE-A, Pro 등 발전에 따라 DMRS, CSI-RS가 추가 / NR은 SS-Block만 Always-on Signal로 적은 bandwidth, 긴 periodicity을 설정하였다. SSB로도 Power measurement를 할 수 있는데, Rank처럼 더 detail한 특성을 파악하기 위해서는 CSI-RS를 이용한다.

 

5G의 Low-Latency 철학

 5G의 3가지 Type을 소개하면서 URLLC라는 개념을 소개했다. 5G의 여러 활용 사례중 가장 중요한 Use case의 교집합에는 ‘실시간 자동화’ 시스템이 있다. 자율주행, 공장 자동화, 드론 등 대표적인 5G 시스템들이 실시간 자동화 시스템을 필요로 하고 있다. 이를 위해서는 Latency가 가장 중요한 포인트이므로 이를 위한 다양한 기술들이 표준화에 들어오고, 논문들도 제시되고 있다. 

 대표적인 Low-Latency를 위한 기술로 Flexible Numerology를 꼽을 수 있다. 기존 LTE의 자원할당 단위가 1ms, 180 kHz로 고정되어 있었지만, NR에서는 Sub-carrier Spacing (SCS)를 조절하여서, slot duration을 줄일 수 있다. 또한, 1 slot이 14 symbol로 구성되어 있는 CP-OFDM에서 symbol 단위로 할당이 가능해진다. Downlink 기준으로는 2, 4, 7 symbol 할당이 가능한데, URLLC를 위해서 2 symbols 할당이 자주 사용된다.

Low-Latency가 가장 중요한 URLLC를 위해 다양한 기술들도 표준화 및 논문연구가 이루어지고 있다. eMBB처럼 상대적인 Prioirity가 떨어지는 Packet의 차례에 끼어들어서 보내는 Preemptive 기술이나, ACK를 기다리기 전에, 미리 재전송을 하는, Blind-Retransmission에 대한 논문이 많이 나오고 있다. URLLC의 수요가 많은 NR-V2X의 표준화 회의록들 Tdoc(R1 문서)들을 보면, Blind-Retransmission을 위한 별도의 자원을 할당받아놔야 한다는 제안들도 언급되고 있다. 

 이 밖에도, HARQ의 ACK를 1 Slot 내에 보낼 수 있게 설계된 'Self-Contained Slot'과 Short-PUCCH, HARQ processing time에 대한 표준화 논의가 이루어진다. 또한, Reference Signal과 Control Signal을 앞쪽 symbol에 배치하고 이를 이용해서 다른 packet들을 기다릴 거 없이 급한 packet들을 먼저 Decoding할 수 있게 하는 방법 등 Low-Latency를 위한 다양한 기술들이 Design되었다.

 

5G의 High-Frequency Bands

 이 부분부터는 철학이라고 하긴 약간 애매한데, 5G의 특성을 위해 다시 한 번 소개하고 넘어가기로 했다. 5G에서 가장 중요한 기술 중 하나가 mmWave고, mmWave 주파수대역은 넓은 대역폭을 사용한다는 특징이 있다. mmWave를 사용하면 주파수가 높아지기 때문에 Data Rate가 높아지는 것이 아니라, '남들이 아직 선점하지 못한 광대역을 확보'한다는데 의미가 있다. Shannon의 Channel Capacity 공식을 보면,

Shannon의 channel capacity

 Capacity가 SNR에 대해서는 log scale로 증가하기 때문에, 증가폭에 한계가 있지만, Bandwidth를 늘리면 비례해서 증가하기 떄문에, 넓은 주파수대역을 쓰는 것은 그대로 Capacity의 증가로 이어지게 된다. 하지만, mmWave처럼 주파수가 높아지면 Path-loss로 인해 Coverage가 줄어들기 때문에, 이를 보완하기 위한 Beamforming이 5G에서 중요하게 다뤄지고 있다. 쉽게 말하자면, 'Path-loss때문에 coverage가 줄어든다면! 모아서 쏘면 되지!' 라는 개념이다.

 

Forward Compatibility & Backward Compatibility

5G 이전의 기술들 (e.g. LTE)과의 호환성 (Forward Compatibility)과 이후의 기술들 (e.g, 6G)과의 호환성 (Backward Compatibility)를 고려해서 설계를 하자는 내용이다. 가장 대표적인 내용이 Always-On Signal의 Minimize다. LTE처럼 Always-On Signal이 Resource의 상당 부분을 주기적으로 점유하는 방식은 후속 기술들을 전혀 배려하지 않은 기술이다.

 또한, LTE에서는 Channel BW 어디에나 Control Region이 올 수 있는데 반해, NR에서는 Channel BW 안에서도, BWP 안에서도, CORESET이라는 Control Channel이 위치할 수 있는 후보군을 지정하였다. 이렇게 Control Channel 용으로 CORESET을 잡아서 필요한 만큼만 쓰고, 남은 부분은 Data나 다른 용도로 쓰게 풀어준 것이다. 주로, 1~3 Symbol 만큼 사용하고, 여러 Frequency 대역에서 전송해서 Frequency Diversity Gain을 얻도록 설계되어 있다. 이렇게, 뒤에 나오는 기술들을 위해 필요한 부분만 딱 쓰자는 느낌으로 Ultra-Lean과 그 맥락이 비슷하다.

LTE의 Control Region

NR의 CORESET

 

 이렇게 5G의 철학인 Ultra-Lean과 Low Latency를 만족하기 위해서는 다양한 기술들이 표준화되어 있고, 이를 이용한 많은 논문들이 제안되고 있다. 가장 먼저 5G의 철학을 알아본 이유는 새로운 기술을 공부할 때, 그 기술을 설계한 이유가 전체적인 철학과 밀접한 관련이 있기 때문이다. 이어질 글들에서 소개될 복잡한 parameter들과 개념들은 LTE보다 살짝 이해가 어렵더라도, 자신의 상황에 맞는 자원만을 사용하자는 기본 철학이 깔려있다.