5G Sub-carrier Spacing (SCS)

 5G에서 가장 중요하게 다루는 기술 중 하나인 Flexible Numerology는 OFDM의 Sub-carrier Spacing (SCS)를 크게 지정해서, 데이터가 전송되는 Slot Duration을 줄이는 방법이다. Numerology는 기존 SCS인 15 kHz에 2를 곱하는 횟수를 말한다.

 여기까지만 알아도, Flexible Numerology에 대한 느낌은 알 수 있지만, 조금 더 자세하게 TS 38.300을 보면, 다음과 같은 표를 볼 수 있다. SCS는 15 kHz부터 240 kHz까지 늘어날 수 있는데, 여기서 눈여겨 볼 부분은 크게 2가지다.

• Extend-CP가 SCS가 60 kHz일 때만 사용된다.
• SCS가 240 kHz인 경우는 Synchronization Signal에서만 사용된다.

추가적으로, 이 Table에서는 표시되어 있지 않지만, 관련 표준 문서를 읽다보면, Data를 전송할 때, FR 1에서는 SCS를 15, 30, 60 kHz를 사용하고, FR 2에서는 60 kHz, 120 kHz를 사용할 수 있다는 내용을 볼 수 있다. 이 글에서는 왜 mmWave에서는 넓은 SCS를 사용하고, 낮은 주파수 대역인 FR 1에서는 좁은 SCS를 사용하는지 알아본다.

 

mmWave에서 Sub-carrier Spacing (SCS)를 크게 하는 이유

 NR에서는 여러 종류의 Sub-carrier Spacing (SCS)를 가지는데, mmWave의 고주파 대역(FR 2)에서는 큰 SCS를 사용하고, 낮은 주파수 대역 (FR 1)에서는 작은 SCS를 사용한다고 했다. 이렇게 그냥 외워도 큰 문제는 없지만, 그 이유와 다양한 상황과 SCS의 관계를 알아보자.

1. SCS가 커지면, Slot의 길이와 함께 Cyclic Prefix (CP) 길이도 짧아지게 된다. CP 길이가 반사파의 시간지연 (Time Spread)으로 인해 생기는 Inter-Symbol Interference (ISI)를 막아줄 정도로 길지 않으면, 신호가 왜곡될 가능성이 커지게 된다. 따라서 Multi-path delay spread의 영향이 큰 상황에서는 작은 SCS를 사용해서 충분한 CP 값을 갖도록 해야 한다.
2. Coherent BW가 작을 때는 SCS를 작게 해야한다. Coherent BW는 주파수에 따라서 Fading의 특성이 변하지 않는 구간이다. 즉, Coherent BW가 작다는 것은 조금만 주파수가 바뀌어도 전파의 특성이 바뀌기 때문에, 할당해주는 주파수 단위를 작게 가져가야 신호의 왜곡없이 전달이 쉬워진다.

정리하면, Coherent BW가 작거나, Multi-Path Fading의 영향이 큰 경우에는 SCS를 작게 설정하여야 한다.

그러면 언제 SCS를 크게 해야할까? 당연히, SCS가 작은 경우와 반대일 때가 된다고 생각하면 된다. mmWave는, multi-path delay spread가 작은 특징이 있다. mmWave는 massive MIMO를 통해 Beamforming을 세세하게 해주고, path-loss가 크기 때문에 Receiver에 도착했을 때는 이미 반사파의 힘이 약해져서, Decoding에 영향이 크지 않다. 따라서 Multi-path delay spread의 영향이 작고, SCS를 크게 가져감으로써 CP가 짧아져도, ISI의 영향을 적게받는다.

mmWave는 반사파의 영향이 크지 않기 때문에, Multi-Path Fading의 영향을 적게 받는다.

 또한, Carrier Frequency를 생성하는 Oscillator는 고주파를 생성할 때, 위상이 조금씩 앞뒤로 흔들린다. 이런 현상을 Phase Noise라 하는데, 이 과정이 Time 축에서는 Jitter라는 원하지 않는 시간차로 이어진다. 일반적으로 이런 Phase Noise는 고주파일수록 심해지기 때문에, Jitter를 줄이는 (보상하는) 과정을 위해서는, 할당된 time축이 짧을수록 좋기 때문에, Symbol은 짧게, SCS는 큰 것이 좋다. 참고로 이런 Phase Noise를 보상하기 위한 Reference Signal을 Phase Tracking Reference Signal (PT-RS)라고 한다. 이런 이유들로 FR 2에서는 넓은 SCS (60 kHz, 120 kHz)를 사용해야한다.

mmWave를 생성할 때 심해지는 Phase Noise (Time 축)의 영향을 줄이기 위해, 넓은 SCS를 사용고 Time을 짧게 한다.
  

SCS를 조절할 수 있는 것이 왜 중요할까?

SCS를 조절할 수 있다는 내용은 5G New Radio (NR)을 설명할 때, 가장 중요한 점으로 꼽힌다. 그 이유는 SCS를 조절함으로써 가장 작은 전송 단위인 Symbol의 길이를 조절할 수 있기 때문이다. SCS를 크게 해서, Symbol 길이를 작게하면, 수십 마이크로 초 단위로 시간 할당과 스케쥴링이 가능해진다. 짧은 시간 단위로 스케쥴링이 가능해진다는 점은 5G URLLC에서 몹시 중요하게 활용된다. 예를 들어서, 스케쥴링 타이밍을 놓쳐서 다음 전송 타이밍인 1ms를 기다리면, URLLC의 1ms는 만족할 수 없지만, 다음 전송 타이밍이 빠르게 돌아온다면, URLLC를 만족시킬 스케쥴링 방법을 찾아낼 수 있을 것이다.

SCS를 크게하여, Transmission Time Interval (TTI)를 작게하면, 짧은 시간을 이용한 전송이 가능해지기 때문에 URLLC Scheduling에 유리해진다.

 

Reference

[1] www.sharetechnote.com/