5G Resource Allocation

5G Resource allocation은 LTE와 비교했을 때, 효율적이고 빠르게 자원 할당을 할 수 있도록 설계되었다. 짧은 글로는 모든 내용을 담을 수는 없겠지만, Resource Block (RB) / CBW / BWP / CRB / PRB같은 5G 문서에서 많이 언급되는 용어들을 통해 설명하도록 한다.

 

Resource Element (RE) / Resource Block (RB) / Resource Grid

 통신 시스템에서는 주파수 대역을 어떻게 효율적으로 남들과 나눠서 사용할 수 있을지를 다루는 개념들이 필요하다. 주파수 대역을 Time축과 Frequency 축으로 나눈 2차원 Time-Frequency Plane에서 Time과 Frequency 축을 최소단위들로 나눈다. 즉, 아래 그림에서 격자판을 Resource Grid라고 하고, 1 Sub-carrier로 구성된 사각형 하나를 Resource Element (RE)라고 한다. OFDM에서는 12개의 RE가 모여서 데이터를 전송하기 때문에, 12개의 RE 모인 단위 1개, 즉, SCS= 15kHz 기준 180 kHz를 Resource Block (RB)라 하고, RB가 전송의 최소단위다. RB는 주파수 측면에서 쓰는 단어로, 12개의 Sub-carrier와 1 symbol로 이루어진 사각형을 Resource Element Group (REG)라고 부른다.

TS 38.211 - [출처 : ShareTechnote]

 NR은 SCS의 크기가 달라질 수 있기 때문에 RB의 크기가 바뀔 수 있다는 점을 눈치챌 수 있을 것이다. Time축은 Symbol단위로 나눌 수 있다. 위 그림처럼 1 sub-frame이 14 x (2^u) 개의 Symbol로 구성되어 있고, symbol 단위로 여러 UE가 자원을 할당받을 수 있다. 여기서 나오는 u를 Numerology라 하며, u가 여러 값으로 설정될 수 있다는 내용이 5G의 가장 중요한 특징 Flexible Numerology이다.

 LTE는 자원할당의 단위가 1ms (2 slot) / 180 kHz의 slot단위다. 하지만 3GPP TS 38.211에 따르면, 5G로 넘어가면서 Flexible numerology를 이용해서, 1ms / 180kHz/ 0.5ms / 360kHz, 0.25ms / 720 kHz 등의 다양한 slot duration/ RB size를 구성할 수 있다. 심지어, 1 slot (=14 symbols) 중에서 symbol 단위 (mini-slot)로 할당할 수 있기 때문에, 시간대역을 더 작게 할당할 수 있게 됨으로써, URLLC의 Requirement (1ms) 이내로 자원할당할 때 유리하다.

 

Channel Bandwidth (CBW)

 통신을 위해 어떤 Channel을 사용할 때, 해당 Channel이 얼마나 넓은 대역폭을 가지고 있는지 나타내는 개념으로 Channel Bandwidth (CBW)를 사용한다. OFDM의 구조상, 여러 개의 Sub-Carrier로 묶인 1개의 Carrier를 사용하며, 들어갈 수 있는 각 Resource block의 최소, 최대 갯수가 정해져 있고, 따라서 이에 따른 최대 대역폭이 정해져 있다. 1 Channel Bandwidth에서는 최대 3,300(<4K=4,096)개의 Sub-carrier가 들어갈 수 있도록 설계되었기 때문에, Numerology에 따라서 CBW의 최대값, 최소값을 정해져 있다. 하나의 Channel Bandwidth은 여러 개의 BWP로 나눠질 수 있다. 

같은 BWP에서는 같은 Numerology를 적용받는다.

CBW의 Min & Max 값들

 

1 Resource grid - 1 Numerology - (DL / UL)

이 부분을 공부하다보면, 비슷한 개념이 계속 나오기 때문에 고생했는데, 나름대로 한번 정리를 해보았다. TS 38.211-4.2.2을 보면, 다음과 같은 문장이 있다.

• There is one set of resource grids per transmission direction (uplink or downlink) with the subscript  set to DL and UL for downlink and uplink
• There is one resource grid for a given antenna port p , subcarrier spacing configuration $\mu$, and transmission direction (downlink or uplink).  

Antenna Port는 통신이론 정리에서 언급했고, 결국은 같은 Resource Grid에서는 복잡할 거 없이, 같은 Numerology Parameter들이 고정되어 있다고 생각하는 것이 편할 것 같다.

 

어떤 Numerology를 사용할 지는 Layer 3의 RRC (Radio Resource Control) Layer에서 담당하는데, 다양한 Case의 RRC configuration (e.g., Initial Access를 위한 MIB, RACH message나 PDCCH, PDSCH에 사용되는 BWP Setting)의 IE (Information Element)에 어떤 Sub-carrier Spacing (SCS)을 사용할지 지정해서 보내게 된다.

 Numerology에 따라서 Min, Max BW도 달라지지만, 이런 대역폭을 합치는 Carrier Aggregation (CA)를 통해서 더 넓은 대역폭을 사용할 수 있다. CA는 말 그대로, 1개의 Carrier를 사용하는 것이 아니라, 여러 Carrier를 합치는 기술이다. 5G는 위에서 볼 수 있듯이 약 400 MHz대역을 사용할 수 있고, 이렇게 넓은 대역폭을 CA하여 더 넓은 대역폭을 제공할 수 있다. (c.f. CA를 통해 LTE는 100 MHz까지 가능).

 하지만 모든 대역이 CA가 가능한것은 아니기 때문에, CA를 고려할 때는 3GPP의 Spec를 찾아봐야 한다. LTE 시스템에서의 단일 최대 component carrier bandwidth은 20MHz이나, 5G 시스템의 단일 최대 component carrier bandwidth 400 MHz까지 지원한다. 또한, 5G 시스템은 최대 16개의 Component Carrier (CC)를 지원한다. 즉, 16개 까지 Carrier Aggregation이 가능하다는 얘기다. 근데 보통은 이렇게 많은 양의 대역폭을 합칠 일은 없고, 비면허주파수 대역을 쓸 때 많이 사용한다. 이 부분은 Carrier Aggregation 표준 정리와 비면허주파수 대역에 대한 글에서 추가 설명하도록 한다.

 

Bandwidth Part (BWP)

BWP는 앞서 말했던 Ultra-Lean의 또 하나의 예시로, UE에게 맞춤형 서비스를 제공하기 위한 개념이다. LTE에서는 Channel BW 대역폭 (최대 20 MHz)중 어디로든 데이터가 들어올 수 있기 때문에, UE가 CBW를 전부 신경쓰고 있어야 했다. 모든 대역폭을 주기적으로 둘러보고 뛰어다니면서 신호를 받아들이는 것도 큰 부담이 되었다. Power 소모도 커지고, Channel 중 어디로 들어올지 등 신경써야 할 것들이 너무 많아진다.

 하지만 5G는 LTE보다 훨씬 넓은 대역폭 (최대 400 MHz)을 할당받아서 사용하기 때문에, 이런 부담을 감수할 수는 없다. 특히 High-End UE가 아니면, 이런 부담이 더 크게 느껴지기 마련이다. 따라서, 5G에서는 UE와 gNB 사이에 주어진 대역폭을 쪼개서 어느 대역폭을 사용할건지 합의된 주파수 대역을 알려주기 때문에 그 주파수만 모니터링 하고 있으면 문제 없이 통신을 할 수 있다. 이렇게 합의된 대역폭이 5G에서 처음으로 도입된 BWP라는 개념이다. 많은 대역폭을 필요로 하면 BWP를 늘려서 넓은 대역을 신경쓰면 되고, 적은 대역폭만 고려해도 되면 BWP를 줄이면 된다. 하지만 BWP는 내 맘대로 잡을 수 있는건 아니고, 3 가지 규칙이 있다.

• 1개의 BWP는 Continuous한 Resource Block (RB)로 구성되어 있다.
• 1개의 BWP는 1 종류의 SCS를 가진다. (e.g., 15 kHz, 30 kHz가 섞이지 X)
• 1번에 Active한 BWP는 1개만 가능하다. (Rel-15 기준)

 3번의 경우에, 나중에 조금 더 효율적이고 유기적으로 스케쥴링을 하기 위해서는 여러 개의 BWP가 동시에 Setting되어야 하지 않을까라고 생각한다. BWP는 1개의 User 입장에서 DL, UL 기준으로 각각 4개를 Setting하고 있을 수 있고, BWP는 겹칠 수 있다. BWP의 넓이는 유동적으로 바뀔 수 있다.  

 즉, 현재는 4개의 BWP 중에서 1번에 1개만 Activate가 가능한데, 어떤 BWP를 사용할지는, RRC signal을 통한 Connection Parameter를 Setting할 때 Semi-Static하게 지정해줄 수도, 더 자주 왔다 갔다하는 Downlink Control Information (DCI)를 통해 Dynamic하게 지정해줄 수도 있다. 

BWP는 UE와 gNB 사이에 '우리는 Channel Bandwidth 중에서 이 부분을 사용하자!' 라는 약속이다. 뒤에 설명할 Control channel의 후보군인 CORESET도 BWP 안에 있다. (굳이 표현하자면 Channel BW ≥ BWP ≥ CORESET)

 

Physical Resource Block (PRB) vs Common Resource Block (CRB)

 NR의 UE 입장에서는 전체 Channel Bandwidth를 쓰는 것이 아니라, BWP을 기준으로 자원을 할당하기 때문에, BWP와 BWP에 따른 RB의 위치를 나타내는 개념도 필요하다. Channel Bandwidth 내의 BWP의 상대위치를 알기 위해서 기준점을 잡는데, 이 기준점을 Common Reference Point 또는 Point A라고 한다. Point A는 Channel Bandwidth의 시작점을 잡는것이 일반적이지만, 실제 Channel Bandwidth의 밖에 잡을수도 있다. 처음 UE가 들어와서 받는 신호 중 하나인 System Information Block (SIB) 1를 통해 앞으로의 Point A가 어디인지를 알려주게 된다. SIB가 무엇인지는 뒤에 SSB에 대한 글, Initial Access에서 조금 더 자세히 다루도록 한다.

 PRB는 BWP의 시작점에서 부터의 Resource Block 번호, CRB는 Point A에서부터의 Resource Block 번호를 의미한다. (SIB/DCI 는 Reference Signal / Control Channel에서 다룬다.)

TS 38.211에 있는 PRB와 CRB의 그림

PRB, CRB, Point A에 대한 개념은 Initial Access의 주파수 위치나 Resource Allocation 등 주파수를 할당하는 문제에서 단골 용어로 사용되기 때문에 정리하는 것이 좋을 것 같다.

 

Mini-slot (non-slot based) / Slot Format

 CP-OFDM에서 1 slot은 14개의 symbol로 이루어져 있다고 말했는데, symbol 단위로도 할당이 가능하다. DL은 2, 4, 7 symbol, UL은 2~13 symbol이라는 Mini-slot 단위로 할당 할 수 있다. (TS 38.214 Table 5.1.2, SLIV Table 참고). 이 때 14개의 symbol을 내 마음대로 할당할 수 있는게 아니라, 3GPP에서 정한 61개 패턴에 맞게 할당할 수 있는데 이 패턴을 Slot-Format이라 한다. Slot Format의 14개 symbol에 들어갈 수 있는 경우의 수는 각각 D/U/F가 있는데, Flexible (F)는 D나 U 어떤 것을 보내도 상관이 없다는 뜻이라고 거의 99%의 문서에 설명되어 있다. 이 글만 봐서는 F가 D나 U 어떤 것이든 가능하다고 하면 전부 F로 보내는것이 가장 좋은것 아닌가? 라는 생각을 가졌다. 하지만, 표준 문서와 여러 사이트를 찾아본 결과, Slot Format을 정하는 우선순위 때문에 Flexible Symbol이 따로 나눠진 것이구나 라는 생각을 했다.

F가 D나 U 어떤 것이든 가능하다고 하면 전부 F로 보내는것이 가장 좋은것 아닌가? 라는 생각을 가졌다.

우선, Slot-Format을 정하는 방식과 Use-Case는 1 가지만 있는 것이 아니다. 대표적으로,

• Cell이 전체 상황을 고려해서 Setting한 RRC Signal을 통한 Slot Format 할당방식
• UE-Specific하게 Downlink Control Information (DCI)라는 Control Mesage로 Dynamic하게 조정하는 방식

이 있는데, '5G NR의 TDD 방식'에서 한 번 더 설명하겠지만, RRC Signal을 통한 할당 방식이 시스템적으로 우선순위를 가지기 때문에, Dynamic하게 DCI를 사용해서는, Semi-Static하게 RRC Signal로 정해진 U나 L을 바꾸지는 못한다. 하지만 F는 Cell 입장에서 UL / DL symbol 중 어떤 것을 사용해도 상관없다고 내려보내는 symbol이기 때문에, Dynamic하게 조정할 수 있다. 이런 개념 없이 그냥 F가 D나 U 둘 중 아무거나 사용해도 된다라는 설명만 들었을 때는 이해가 잘 안 갔기 때문에, 이 부분을 참고하면 이해가 쉬울 것 같다.

 여기서 한번 정리를 하면, 보통 RRC Signal을 통해서 보내는 방식은 Semi-Static, DCI를 통해서 보내는 방식은 Dynamic이다. RRC는 한번 정의한 Radio Bearer를 바꿀때, Reconfiguration 절차를 거치게 되는데, 이런 과정은 gNB가 Reconfiguration을 내려 보내고, UE가 Complete를 해줘야 수정이 되는 살짝 귀찮은 과정을 거쳐야한다. 따라서, 조금 더 시간이 걸리는 RRC signaling 방식 vs 빠르지만 우선순위는 살짝 떨어지는 DCI라고 생각하면 될 것 같다.

 

5G의 대표적인 Channel

5G에서는 크게 Control Message를 전송하기 위한 Control Channel, Data를 전송하기 위한 Shared Channel, Cell에 있는 UE들이 모두 알아야 할 정보를 전송하기 위한 Broadcast Channel, BS와 UE가 전송 sync를 맞추는 Synchronization Channel, Cell에 처음 들어왔을 때 기지국과 통신하기 위한 Random Access Channel이 있다.

PDSCH는 Downlink의 데이터를 위한 Channel / PUSCH는 Uplink의 데이터를 위한 Channel이다. 

 PSS, SSS, PBCH는 Tx와 Rx의 synchronization을 위한 채널 및 Broadcast를 위한 채널이다. NR에서는 이 3개의 채널이 Time-Frequency Plane에서 연달아 쭈루룩 나오기 때문에 SSB 채널이라고도 부른다. Synchronization Signal (SS)나 PBCH (Broadcast) 는 4 symbols, 20RB로 이루어져있다. 또한, SSB의 numerology와 대역 (Carrier Frequency)에 따라서 Time-Frequency 어디에 스케줄링이 될지도 정해진다. 자세한 내용은 Initial Access에서 자세하게 다룬다.

 PRACH는 Random Access Channel로, 여기서는 UE가 Cell 내부로 들어왔을 때, RRC Connection이 이루어져 있지 않아서 깔끔하게 스케줄링이 되지 않는다. 따라서, UE가 보내는 Message끼리의 충돌도 있을 수 있는, 말 그대로 Random의 느낌으로 (Contention-based) 자원할당을 요청할 때 사용이 된다. Downlink, Uplink는 gNB에서 할당해주는 타이밍에 데이터를 주고받는 것과 비교했을 때, 4-Step의 protocol을 통해서 RRC Connected가 이뤄져야 한다.

Random Access에서 Preamble은 누군가 데이터를 전송하려고 한다는 의미로 UE가 64개 중 1개를 선택해서 BS에 전송한다. 마치 할 말이 있다고 손을 드는 것과 같다. 지금 당장은 여기까지만 소개하고, Initial Access이후에 소개되는 Random Access에서 조금 더 자세히 다뤄보도록 한다.

 PUCCH를 통해서, HARQ의 ACK나 Channel State Feedback, Uplink request 등을 보낸다. PUCCH에는 2종류의 Channel 있는데, Short PUCCH에서는 HARQ ACK를 빨리 보내야하는 Self-contained Slot처럼 빠른 Feedback을 위해 1~2 symbol만을 사용한다. Long PUCCH에서는 short PUCCH의 짧은 시간으로는 전송하기 힘든 coverage로 전송될 때 많이 쓰인다. Control Channel에서는 HARQ를 사용하지 않는다는 점도 주목해야할 점으로 보인다.

 

이 글을 통해 대략적으로 Resource Allocation에서 알아야 할 기본적인 내용들은 정리가 되었다고 생각한다. 물론 더 많은 용어 소개와 개념이 있지만, 해당 내용들은 표준 문서를 정리하면서 추가 정리하도록 한다.

 

Reference

[1] "NR; Physical channels and modulation", 3GPP TS 38.211, Release 15.

[2] www.sharetechnote.com/

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