5G NR의 Reference Signal (Channel Estimate)

논문이나 통신 관련 문서를 읽다보면 Reference Signal이란 말이 많이 나온다. Reference Signal (RS)은 특정한 목적을 가지고 Transmitter에서 쏘는 미리 정의된 신호인데 주로 'Channel 추정'을 위해 사용된다. CSI-RS은 gNB가 User에게 쏘는 Downlink Channel로 전달되는 RS고, 거꾸로 User에서 gNB로 쏘는 Uplink Channel로 전달되는 RS인 SRS가 있다. LTE인지 NR인지에 따라서 어떤 RS가 정의되어있는지가 달라지는데, LTE 초기에 사용되던 Cell Specific Reference Signal (CRS)를 NR에서는 CSI-RS, SRS, DMRS, PTRS 4가지 종류로 나눴다.

 

CSI-estimate & Report

우선, RS를 이해하기 위해 CSI라는 개념에 대해서 얘기해보자. CSI는 말 그대로 채널의 상태를 알기 위한 정보들이다. 전체 채널을 전지적 작가시점에서 보고 있는 우리들과는 달리 중간에 장애물이 나타난다던지 Channel이 수시로 바뀌기 때문에 gNB에서는 채널의 상황이 어떤지 잘 모른다. 따라서 gNB와 UE는 Channel의 상태를 알기 위한 Reference Signal을 주고 받는다. UE와 gNB는 송신하는 신호를 알고, 수신하는 신호를 알고 있으면 채널 값을 알 수 있다. 이러한 채널 추정방식을 트레이닝 기반 채널 추정방식이라 한다. 5G에서도 이런 방식을 쓰고, 이를 위해 Rx에게 미리 알려진 송신 신호, Pilot Signal / Reference Signal을 전송한다. Reference Signal은 LTE-A까지 주로 사용되던, Cell 전체에 할당되는 Cell-specific Reference signal (CRS)와 User 별로 다른 User-dedicated Reference signal로 나뉜다. LTE-A까지는 CRS라는 Cell전체의 Channel 상황을 알기 위한 CRS를 썼지만 점차 표준화가 거듭됨에 따라서, UE의 다양한 상황에 맞는 RS (e.g., CSI-RS, SRS 등)를 보내고, MIMO의 각 Beam에 맞는 RS를 주고 받음으로써, 효율적인 시스템을 구축하게 되었다.

이번 글에서는 5G에서 사용하는 대표적인 RS들에 대해서 알아본다.

 

Channel State Information - Reference Signal (CSI-RS)

 가장 먼저 소개되는 CSI-RS는 gNB가 UE로 Downlink를 보내는 Channel의 상황을 알아보기 위한 RS다. 이를 위해 CSI-RS를 gNB가 만들어서 CSI-RS를 쏘면, UE는 CSI-RS를 보고, Channel 상황을 파악하고 결과를 gNB로 Reporting하는 절차로 이루어진다. 이 과정에서 어떻게 'CSI-RS를 만들어서', 어떻게 'Channel 상황을 파악'하는지가 중요할텐데, 관련 알고리즘은 TS 38.211에 있다. 간단하게 알아보면, CSI-RS는 주어진 알고리즘으로 만들어지는 Pseudo Random Sequence (유사난수)에 미리 design되어 있는 weighting sequence를 곱해서 만들어진다. 이렇게 만들어진 CSI-RS는 Resource Grid에 Mapping되는데, Resource Grid의 어디에 Mapping될지는 RRC parameter에 의해 정해지게 된다. 관련된 RRC parameter와 Location에 대한 표준은 38.211-Table 7.4.1.5.3-1에 나와있다. 주로, 어느 Frequency, 어느 Time축에 위치하며, Period는 어떻게 되는지에 대한 정보들이 담겨있다.

 정리하면, gNB는 Codebook을 보고 RS를 만들어내고, RRC Layer의 parameter들을 통해 Resource Grid에 자원할당을 해서 UE에게 쏜다. 그러면 UE는 받은 RS를 보고 채널의 상태를 확인한다. 원래 이런 신호가 들어와야하는데, 이상하게 변형되서 들어왔네? 라고 판단하는 등 채널의 상태를 판단해서 다시 gNB에게 채널의 상태에 대한 정보를 Uplink Channel에 담아서 보낸다.

 Channel 상태를 Reporting하는 하나의 예시로 Precoding Matrix Indicator (PMI)가 있다. Precoding은 Multi-Layer로 들어오는 신호 각각에 필요한 weight (가중치)를 표현하는 Matrix를 곱해주게 된다. 이 때, UE가 어떤 가중치 Matrix를 사용하라고 PMI를 추천해줄 수 있는데, gNB는 UE의 PMI 제안을 받아들일 수도, 무시할 수도 있다. gNB가 무시하고 PMI를 Setting해서 보냈을 때는, 해당 Channel을 위한 DMRS를 통해서 UE가 현재 Channel 상태를 파악하고 data를 Decoding하게 된다.

 gNB는 이런 Reference signal Report를 받아서, '오잉? 채널이 안 좋네, 효율이 안 좋더라도, 조금 더 신호 복구를 위한 정보들도 같이 보내줘야겠다.' 또는 '채널이 좋네, 조금 더 꽉꽉 눌러담아 보내도 되겠네?' (e.g., Modulation Coding Scheme (MCS)) 이런 판단을 MAC/PHY Layer에서 하고, 이를 기반으로 다음 전송에 활용한다. 이런 CSI estimate는 Periodic (주기적)으로 할 수도 있고, Aperiodic (비주기적) 하게 할 수도 있다. 이 방법에 따라서 담당하는 Layer과 특성이 달라진다.

3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018.

 

Sounding Reference Signal (SRS)

 SRS는 CSI-RS를 쏘는 주체와 받는 주체가 바뀌었다고 생각하면 된다. 즉, UE가 gNB로 보내는 Uplink Channel의 상태를 알아보기 위해 gNB로 쏘면, gNB는 현재 자신이 파악한 Channel 상태를 기반으로 UE에게 Report해주고, 앞으로의 UL에 반영하는 방식이다. 특히, 5G에서 주요한 기술로 언급되는 Multi-Input and Multi-Output (MIMO)에서 중요하게 사용된다. 아래 그림은 MIMO의 시나리오를 표현한 내용이다. 우선, UE가 여러 방향의 Beam으로 SRS를 전송한다. gNB에서는 Receiver의 SRS를 기반으로 각 방향의 Channel 상태를 파악하고, 이를 기반으로 어떤 Beam을 사용하라던지, Rank는 얼마인지 등의 Uplink Channel에 필요한 정보들을 넘겨준다. 관련한 여러 기술이나 세부절차들은 MIMO에서 조금 더 자세히 다루도록한다. 이렇게 받은 gNB의 Reporting 결과를 기반으로 UE는 Uplink를 진행하게 된다.

NR Physical Layer Design: NR MIMO, 3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018

 여기서 한 가지, DL/UL의 Channel State Information에 대해 짚고 넘어갈 부분이 있다. FDD로 UL과 DL이 다른 주파수를 쓰고 있다면 각각의 CSI가 다르겠지만, 같은 주파수 대역을 시간적으로만 나눠서 사용하는 TDD의 경우에는 생각해볼 점이 있다. Channel 상태를 결정하는 요소는 크게 주파수의 '간섭'과 '장애물' 등으로 구성되어 있기 때문에, TDD의 경우에는 Channel Reciprocity (채널 상호성)이라는 개념이 있다.

 

DeModulate Reference Signal (DMRS)

DMRS는 DeModulate Reference Signal은 전송 데이터를 Demodulate 하기 위해 필요한 채널 값을 추정하기 위한 RS이다. DL과 UL 상관없이 DMRS를 보낼 수 있으며, Power allocation에도 큰 역할을 한다. 예를 들어서, Reference power로 Tx에서 보내면서 Rx에 Transmit Power를 알려주면, Rx는 두 power를 비교하여 Channel을 지나면서 power의 감쇠 정도(attenuation)을 알 수 있다. Channel의 상황이 안 좋아지면 (e.g, Doppler Frequency Shift, SNR이 안 좋아질 때), DMRS의 symbol 수를 4개까지 늘릴 수 있다. DMRS는 Time, Frequency의 할당방식에서 4종류의 Type을 지정한다.

• Type A : slot-based일 때의 DMRS로 첫 번째 DMRS는 1~2 symbol을 차지하는 CORESET 바로 뒤인 2번이나 3번 symbol에 위치하고, 추가 DMRS가 뒤에 나올 수 있다.
• Type B: non-slot based일 때의 DMRS로, 첫 번째 symbol에 위치한다. Mini-slot을 사용해야하는 만큼, Latency를 중시하기 때문에 뒤에 나올 Data Decoding을 빨리 할 수 있도록, 가장 앞의 symbol에 위치하게 된다.
• Type 1는 Sub-carrier를  Non-Contiguous하게 할 때, Type 2는 Contiguous하게 할당할 때의 Type이다.

여기까지 공부했을 때, 문득 궁금한 점이 생겼다. CSI-RS와 SRS는 Downlink / Uplink의 Channel을 구별하는 것은 알겠는데, DMRS와 이 두 RS의 차이는 무엇이길래 별도로 만든걸까?

 

DMRS vs CSI-RS

DMRS와 CSI-RS / SRS 모두 Channel의 상태를 파악하기 위해 전송되는 Reference Signal이라는 것은 알고 있는데, 그러면, DMRS나 CSI-RS 하나만 만들면 되는 것 아니었을까?  

DMRS는 'Decoding을 목적으로' 생성된 RS로, Decoding을 할 Data가 있는 Physical Channel의 특정한 시간, 특정한 Bandwidth에서만 전송된다. 즉, Rx가 Idle Mode이거나, 주변 Cell이나 Beam을 Detection하는 등 보낼 데이터가 있는 것이 아닌, Detecting을 위한 상황만을 위해서는 사용되기 어렵다. 따라서, Demodulate할 Data가 있는 경우에는 DMRS를 함께 보내고, Channel 상황을 알아보기 위한 Detecting 시나리오에서는 CSI-RS나 SRS를 보내게 된다.

 

Phase-Tracking Reference Signal (PT-RS)

PT-RS는 mmWave 등의 고주파 생성시에 생기는 Phase Noise를 보정하기 위한 Reference Signal로, FR 2를 전송할 때 주로, Optional하게 사용한다. PT-RS는 PDSCH와 PUSCH에서만 사용될 수 있고, TS 38.211을 보면, 어떻게 PT-RS를 생성하는지에 대한 정보가 들어있다.

이렇게 5G NR에서 자주 쓰이는 RS인 CSI-RS / SRS / DMRS / PT-RS를 알아보았다. RS는 PHY layer의 모든 절차에서 몹시 중요하게 여겨지는 개념이기 때문에 확실하게 개념을 정리하고 넘어가는 것이 좋을 것 같다.

 

Reference

[1] "NR Physical Layer Design: NR MIMO", 3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018.

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