5G PHY Layer (1) - OFDM & Flexible Numerology
5G의 OFDM
NR은 LTE처럼 기본적으로는 OFDM방식을 사용한다. 즉, 여러 개의 Sub-Carrier로 나눠서 데이터를 전송한다. OFDM의 특징은 Multi-path Fading에 의한 시간지연의 영향을 최소로 할 수 있다는 점이다. 시간지연의 영향을 최소화하기 위해 신호의 앞 뒤에 같은 파형 Cyclic Prefix (CP)를 복사 붙여넣기하는 CP-OFDM방식을 Downlink (DL)와 Uplink (UL)에서 지원한다.
CP-OFDM은 DL/UL 모두 사용 가능하다.
5G에서 Frame Structure라는 것을 정의한다. 10 ms의 1 Frame은 10개의 1 ms Sub-Frame으로 나뉘고, 각 Sub-Frame은 Normal CP-OFDM일 때 14 개의 Symbols, Extended CP-OFDM일 때 12개의 Symbol로 구성된다. Extended-CP는 Normal-CP보다 Inter-symbol Interference (ISI)의 영향을 줄이기 위한 CP가 길게 설정되어 있다. Extended-CP가 왜 필요한지는 Flexible Numerology의 Sub-Carrier Spacing (SCS)라는 개념을 설명한 이후에 그 필요성에 대해 추가 언급하도록 한다.
기본적으로는 Normal-CP지만 SCS가 60 kHz일 때만 Extended-CP가 허용되어 있다는 내용을 곧 설명하도록 한다.
UL의 경우에는 DFT-S-OFDM이라는 방식을 추가적으로 지원한다. UL에서만 다른 DFT-S-OFDM이 사용될 수 있는 이유로는, OFDM의 약점인 Peak to Average Power Ratio (PAPR)이 크다는 점 때문이다. PAPR은 쉽게 말하면, Power의 평균보다 Power의 Peak 값이 얼마나 클지에 대한 비율이다. OFDM은 여러 Sub-Carrier로 나눠진 신호를 전송하는 방식이기 때문에, 여러 Sub-Carrier의 Frequency 축 병렬 신호를 Time축 직렬 신호로 합치는 Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) 과정에서 Peak값이 커지게 된다. 따라서 OFDM은 PAPR이 커지는 약점이 생기게 된다.
이런 PAPR이 커지면 문제가 생길 수 있는다. 그 이유는 PAPR이 커질 때, 전력소모도 커질 뿐 아니라, 전파를 증폭하기 위해 사용되는 Amplifier의 특성이 달라지기 때문이다. (전자회로에서 배우는 Linear 영역을 벗어나게 된다.) 이러면 전파에 왜곡이 생기기 때문에 Power가 커질 때 문제가 생긴다. 따라서, PAPR 이슈가 생길 때는 Single Carrier인 DFT-S-OFDM을 사용한다.
예를 들어서, Cell Edge에서 UE가 BS로 신호를 세게 보내야할 때, Power 이슈가 생기면, PAPR 이슈를 줄이고자 DFT-S-OFDM을 사용하게 된다. 그러면 왜 UL에서만 DFT-S-OFDM을 고려하는 걸까? 기본적으로 UL은 UE가 BS에게 보내는 신호이며, UE는 BS보다 안 좋은 성능의 Amplifier를 갖고 있을 확률이 크기 때문에 DFT-S-OFDM을 사용하게 해준다. DFT-S-OFDM은 쉽게 생각하면 여러 Sub-carrier로 나누는 것이 아니라 Single-Carrier로 보내는 방식이다. 이렇게 함으로써 OFDM이 여러 Sub-carrier를 합치는 과정에서 생기는 높은 PAPR 원인을 제거하여 PAPR을 낮춰줄 수 있게 된다.
NR의 특징 (1) - Flexible Numerology
OFDM은 데이터를 여러 개의 Orthogonal한 신호로 나눠 보내는 방식이다. 이 때 여러 개의 Orthogonal한 신호를 Sub-carrier (SC)라고 하고, 각 신호의 대역폭을 Sub-carrier Spacing (SCS)라고 한다. LTE에서는 15 kHz라는 고정된 SCS를 갖는 12개의 SC를 1개의 Resource Block (RB)라고 정하고, 12 x 15 kHz = 180 kHz를 전송의 최소 단위로 잡는다.
하지만 NR에서는 SCS가 바뀔 수 있다. 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz의 SCS 중에 선택할 수 있는데, 240 kHz는 Synchronization Signal에서만 사용할 수 있다. SCS가 넓어지면 더 대역폭을 많이 쓰니까 안 좋은 것이라고 생각할 수 있겠지만, SCS가 2배가 되면, 전송하는 시간은 반으로 줄어든다. 즉, 주파수를 더 크게 할당하고, 최소 전송시간을 줄임으로써 긴급한 신호, URLLC에게 Low Latency를 보장할 수 있도록 한다. Time-Frequency Plane에서 설명했던 직사각형을 생각해보면, 넓이는 같을 때, 높이가 2배가 되면, 폭은 1/2가 된다는 점을 생각하면 된다.
NR에서 Time 축으로 자원할당을 생각해보면 1 Frame (10ms)은 10 Sub-Frame (1ms)으로 되어있고, 1 Sub-Frame은 SCS가 15 kHz일때 1개의 slot(14개의 symbols)로 구성된다. Frame과 Sub-Frame의 길이는 고정되어 있고, SCS에 따라서 symbol과 slot의 길이가 바뀌게 된다. 15 kHz에 2가 곱해지는 횟수만큼 slot의 갯수도 두 배로 늘어나고, slot 당 길이는반으로 줄어든다. 여기서, 2를 곱한 횟수가 Numerology다.
(심화) Extend-CP는 왜 SCS가 60 kHz일 때만 사용하는 걸까?
그러면, 한 단계 더 나아가서 Extend-CP에 대한 언급을 해보자. 1 slot이 14개의 symbol로 이루어진 Normal-CP와는 다르게 Extended-CP는 12개의 symbol로 이루어져 있고, 더 긴 CP를 사용한다. 그러면 왜 하필 SCS가 60 kHz일 때만 사용하는걸까?
Extend-CP를 60 kHz에서 사용하는 이유는 CP의 목적과 mmWave의 특성을 통해 생각해볼 수 있다.
CP의 목적은 Multi-Path로 인한 ISI를 최소화하는 것이라는 말을 했었다. 15, 30, 60 kHz에서는 FR 1을 사용하지만, 60 kHz, 120 kHz는 FR 2 (mmWave 대역)을 사용할 수 있다. FR 2는 5G 기본이론에서 설명했듯이, Path-loss의 영향을 크게 받아서, 반사되어 들어오는 신호들의 세기가 약해져서 ISI에 영향을 줄 힘이 없다. 따라서 FR 2 일 때는, CP가 짧아도 ISI의 영향을 크게 받지 않는다.
하지만! FR 1에서는 Multi-Path로 인한 ISI의 영향이 상대적으로 커진다. 초기에 SCS가 15, 30 kHz일 때는 그나마 CP의 길이가 길었지만, 60 kHz일 때는 slot의 길이가 줄어듦에 따라서 CP의 절대적인 길이도 매우 짧아져있는 상태다. 따라서, ISI의 영향을 받기 쉬운 상태에서 CP마저 짧은 매우 취약한 상황에 놓이게 되기 때문에 symbol의 길이는 줄이되, CP의 길이는 확보해놓기 위한 Extended-CP가 필요하게 된다. 예를 들어, URLLC를 위해 symbol의 길이는 짧아야 하지만, ISI의 영향을 줄여야할 때, Extended-CP를 사용하게 된다.
정리하면, FR1에서 ISI의 영향을 받기 쉬운 상태에서 CP마저 짧은 매우 취약한 상황을 극복하고자 Extended-CP가 60 kHz에 적용될 수 있다.