[NR] 이동 통신 기초 & 통신 기술 기초

이동 통신 기초

5G의 Usage Scenario

1. eMBB(Enhanced Mobile BroadBand) - 초고속
2. mMTC(Massive Machine Type Communications) - 초연결 
3. URLLC(Ultra-reliable and low latency communications) - 초저지연

 

통신 표준

• 전 세계의 통신 장비와 단말기는 여러 회사들이 개발하고 제조함
  • 따라서, 전 세계 어디에서도 동일하게 통신이 가능하도록 규약을 결정해야 함
• 통신 표준의 예: LTE
  • 원래 통화는 Circuit(회로/HW) 기반, 데이터는 Packet 기반이었는데 4세대부터 통화도 Packet 기반으로 통신

 

5G(5세대 이동통신)

• 초고속: LTE의 20배 속도
• 초저지연: LTE 10분의 1 수준의 지연시간
• 초연결: LTE vs 단위면적($1km^2$) 당 접속가능 기기 10배 
• NR(New Radio): 5G Radio Access 기술
• NSA(None StandAlone): LTE Core + 5G 기지국
• SA(StandAlone): 5G Core + 5G 기지국

 

통신 표준 문서

• 3GPP TS 36.211 / V11.4.0: 36 - LTE 표준을 의미 / Rel.11을 의미
• 3GPP TS 38.211 / V16.4.0: 38 - NR 표준을 의미 / Rel.16을 의미
  • 5G는 Rel.15가 첫번째
• TS(Technical Specification): 3GPP에서 논의되어 채택된 규격
• TR(Technical Report): 3GPP에서 논의한 여러 가지 기술 검토 결과가 포함된 문서

 

주파수(Frequency)

• 1초 동안에 진동하는 수
• 1초에 1번 진동하면 1Hz, 2번 진동하면 2Hz, 200번 진동하면 200Hz
• 주파수가 낮을수록 전파 감쇄(Path Loss)가 적고 장애물 투과력이 좋음

 

파장

• 전파의 1회 진동이 가지는 길이 
• λ = $v/f$ (여기서 λ는 파장, v는 파동의 전파 속도: 빛의 속도 c, f는 주파수를 의미)

 

무선주파수의 사용

• 파장과 주파수는 서로 반비례
  • 빛의 속도가 상수이기 때문에 (3x10^5)
• 주파수 자원은 유한하며, 사용할 수 있는 대역이 한정되어 있음
• 보통 NR에선 3㎓ 근처나 30㎓ 근처의 주파수 대역을 사용
  • 파장은 각각 100m, 10m 정도 됨
• 이에 따라 용도와 특성에 맞게 주파수를 세밀하게 나눠서 국가의 관리하에 이용함

 

대역폭(Bandwidth)

• 어떤 신호가 갖고 있는 주파수 폭
  • 사람의 음성: 300㎐ ~ 4㎑
  • 음악: 20㎐ ~ 20㎑
• 신호가 포함하는 정보가 많다면, 넓은 대역폭이 필요
• 대역폭이 넓을수록 많은 정보를 보낼 수 있음 (통신 속도 증가)

 

전파의 특성

• 주파수의 제곱에 비례해 신호세기가 감쇄
• 직진: 공간에서 직진함
  • 거리가 멀어질수록 거리의 제곱에 비례해 신호세기가 감쇄
• 반사/굴절/회절: 장애물(건물, 지면 등)에 부딪히면 반사되거나, 굴절을 하며 투과되거나, 장애물 뒤쪽으로 일부 회절함
  • 신호세기가 감쇄함
• 간섭: 동일 주파수의 전파끼리 부딪히면 간섭이 발생하여 서로 영향을 미침

 

 

5G 주파수 대역

• FR1 = Below 6㎓ = B6
  • 410㎒~7,125㎒
• FR2 = Above 6㎓ = A6 = mmWave 대역
  • 24.25㎓ ~ 52.6㎓
• 3.5㎓ & 28㎓가 주사용 대역

 

Cellular 통신

• 전체 서비스 지역을 여러 개의 작은 서비스 영역인 cell로 나누어 서비스함

• 원거리 통신의 신호 감쇄 및 delay로 인한 한계 극복
• 사용자 수 증대 및 용량 증대 가능
• 인접 cell 간 간섭이 발생
  • 주파수 재사용(Frequency reuse)이 고려되기도 함
  • LTE/5G에서는 보통 FRF(Frequency Reuse Factor) = 1로 주파수 재사용 미적용
    • 사실 지금은 간섭을 다 맞으면서 다른 방식으로 해결함
• Cell 간 이동 시에도 끊김 없는 통신(Seamless communication)을 위해 Handover 필요

 

기지국

• Cell 내에서, 단말기와 네트워크 사이의 중계 역할을 수행
  • 보통 하나의 Cell 내에 하나의 기지국이 존재함
  • DL 신호 송신, UL 신호 수신, 무선링크와 유선링크에 적합하도록 신호 포맷을 변환하는 기능, 담당 Cell 제어 및 관장의 역할을 수행
  • 보통 Cell 중앙 또는 주변부의 빌딩 옥상에 설치됨
• eNB: evolved Node B, 4세대 기지국
• gNB: next generation Node B, 5세대 기지국
  • 2세대에서 Base Station이라고 불렀었는데 3세대에서 Base Station인 Node다~ 이러다 이렇게 불림

 

• CU(Central Unit): 단말과 기지국 사이의 연결을 관리, 가상화 기술을 이용해 제공(vCU)
• DU(Digital Unit): 주 프로세스 기능, 자원 할당, 데이터 트래픽 처리
• RU(Radio Unit): RF 송수신기, 증폭기(Power Amplifier) 및 안테나를 포함한 통합 RF 모듈
• MMU(MMU): MAssive Antenna를 지원, DU의 일부 기능과 RU의 기능을 통합
• AU(Access Unit): A6 대역에 사용, DU 기능과 RU 기능을 통합한 장치

 

• Backhaul Network: Core Network와 기지국 사이의 인터페이스
• Midhaul Network: CU와 DU 사이의 링크
• Fronthaul Network: DU와 RU 사이의 링크
• 무선 인터페이스: RU와 UE 사이

 

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통신 기술 기초

• FDD: Frequency Division Duplex
  • UE와 기지국이 동시에 송수신
  • 두 개의 주파수 대역이 필요함
    • 보통 낮은 주파수 대역을 UL용으로 사용
    • 주파수가 낮을수록 전파 감쇄가 적고 장애물 투과력이 좋아서, 단말의 송신 전력이 제한되는 Uplink(UL)에 유리함
  • DL/UL 사이에 Guard band 필요
    • Guard band: UL과 기지국이 각자 신호를 걸러내는데 필터가 완벽하지 않기 때문에 간섭의 영향을 최소화시키기 위한 대역을 떨어뜨리는 가드
  • DL:UL 비율이 고정되어 있음
• TDD: Time Division Duplex
  • UE와 기지국이 번갈아 가면서 송수신
  • 한 개의 주파수 대역이 필요함
  • 번갈아 가면서 송수신하는 순서는 표준에 규정되어 있음
  • DL/UL 사이에 Guard Period 필요
    • Guard Period: DL과 Ul의 Time을 분리하기 위한 시간
  • 적응적 DL:UL 비율이 가능함 (Dynamic TDD)
    • ex) 유튜브 시청시 DL 비율이 UL보다 훨씬 많게 설정

 

다중 접속(Multiple Access)

• 기지국이 다수의 UE와 통신을 할 때, UE 간 자원을 어떤 방식으로 구분할지를 결정하는 방법
• FDMA: UE 간 주파수 영역에서 구분
  • 항상 자신의 주파수가 있으므로, 다른 MA보다 지연이 적음
  • 주파수 간섭을 막기 위해 보호 대역을 둬야 하며, 해당 영역은 데이터를 보내지 못하므로 주파수 효율이 떨어짐

주파수

AAAAA
BBBBB
CCCCC

• TDMA: UE 간 주파수 영역에서 구분
  • "송신 → 쉬기 → 송신 → 쉬기" 이런 식으로 동작하므로 RF Power Amplifier를 끌 수 있고, 배터리 절약이 가능
  • 전력 효율만 보면 유리할 수 있지만, 슬롯을 기다리는 시간 때문에 지연이 발생할 수 있음

시간

ABC
ABC
ABC
ABC
ABC

• CDMA: UE 간 code로 구분
  • 여기서 code란 각 단말이 사용자를 식별하기 위한 고유한 신호 패턴을 의미

시간과 주파수는 모두 공유

AAAAAAAA
BBBBBBBB
CCCCCCCC

세 사람이 완전히 겹쳐서 전송

A 코드로 보면 → A만 보임
B 코드로 보면 → B만 보임
C 코드로 보면 → C만 보임

• GSM: TDMA와 FDMA를 혼합한 방식을 적용
• OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing): 직교 FDMA
  • 서로 직교하는 여러 subcarrier를 사용하여 데이터를 전송하는 방식
    • 인접된 신호끼리 직교하도록 설정
    • 직교: 내가 가장 커지는 지점에서 다른 신호가 모두 0이어서 간섭이 없는 상태
    • Guard Band가 필요 없음
  • 시간 영역 신호와 주파수 영역 신호와의 관계에서 Subcarrier 간에 서로 직교하기 때문에 간섭이 없음
• OFDMA: OFDM을 다중 접속 방식으로 사용
  • LTE 및 NR 표준에 채택됨
    • LTE의 DL, NR의 UL/DL
  • Channel에 따라 Time/Frequency에서 dynamic 하게 UE들을 할당하여 이득을 얻을 수 있음
  • 장점: Multi-path channel에서 발생하는 ISI 해결
    • ISI(Inter-Symbol Interference): 반사돼서 오는 지연된 전파로 인한 Symbol 간 간섭
    • CP(Cyclic Prefix): OFDM Symbol의 뒤쪽 일부를 앞쪽에 붙여서 ISI 제거 가능 (Cycle 하게 붙인다는 뜻)
  • 단점: PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)가 높은 단점이 있음
    • Average power 대비 Peak Power의 비율이 커짐 (높은 사양의 Power Amp가 필요하게 됨)
      • 기지국은 감당할 수 있지만, 단말은 힘듦
• SC-FDMA(Single-Carrier FDMA)
  • LTE 및 NR 표준에 채택 (UL만 사용)
  • OFDMA와 유사한 구조
    • OFDMA: 하나의 심볼이 하나의 sub-carrier에 할당됨
    • SC_FDMA: 하나의 심볼을 사용 가능한 모든 sub-carrier 영역으로 확산하여  하나의 주파수 신호처럼 전송함
  • 장점: OFDMA 대비 낮은 PARP를 가짐
  • 단점: 송수신 구조가 OFDMA보다 복잡해지고, 주파수 영역에서 연속적으로 할당해야 하는 제약이 있음

	LTE	NR
DL	OFDMA	OFDMA
UL	SC-FDMA	SC-FDMA / OFDMA

 

전송 속도

• Transmission Channel(전송 채널): Data가 통과할 수 있는 물리적으로 존재하는 통로
  • NR에서 기지국의 DL 채널, UL 채널 등
• SE(Spectral Efficiency) = X bits / SEC or Hz
  • Channel이 주어질 때, 얼마나 많은 Data가 전송되는지를 의미함
  • 주파수당(Hz), 시간당(second) 몇 bit를 전송할 수 있는지로 나타냄
  • Channel이 좋다 = 많은 data를 보낼 수 있다 = SE가 높다 = 전송 속도가 빠르다
• 전송 속도(Transmission Rate)
  • Transmission Rate (bits/sec) = SE x Bandwidth(Hz) x 자원 점유율
  • 전송 속도 증가를 위해서는 (SE를 높이는 기술을 사용하거나), (주파수를 많이 사용하거나), (자원 점유율을 늘리거나)
    
    • SE를 높이는 기술: Link Adaption, Scheduling, MIMO
    • Bandwidth(주파수)를 많이 사용하기 위한 기술: Carrier Aggregation(CA), Dual Connectivity(DC)
    • 자원을 늘리는 방법: TDD에서의 DL/UL ratio를 조절, 기지국 추가 설치

 

Link Adaptation

• Channel에 맞는 SE를 결정하기 위한 기술
  • 너무 높은 SE로 전송 시 에러가 발생하여 수신 불가
  • 너무 낮은 Spectral Efficiency로 전송 시 효율 저하
• 적응적으로 MCS(Modulation and Coding Scheme)를 결정함
  • MCS가 높을수록 높은 SE를 의미
  • Channel이 좋을수록 더 높은 MCS 사용 가능

 

(En/De)coding

• Error correction code 또는 Channel coding을 의미함
• Channel 상에서 발생할 수 있는 error에 대비하여, error 검출 또는 정정을 위해 잉여 data를 추가하는 기법
  • 가장 간단한 예: Repetition code (동일한 data 반복)
• Channel이 좋을수록 higher code rate 사용 가능
  • Channel rate: X information bits를 부호화하여 총 Y coded bits가 되었다면 code rate = X/Y
• 규격에 정의됨
  
  • LTE data: Turbo code
  • NR data: LDPC for data
    • LDPC: Low Density Parity Check Code
• 수신기에서는 decoding이 필요함

 

Scheduling

• 무선 자원(Time, Frequency, Power, Antenna)을 각 UE에게 할당하는 과정
• OFDMA / SC-FDMA는 효율적인 Scheduling을 가능하게 함
• Scheduling Option
  • Option 1: Max C/I, 매 순간 가장 채널 상황이 좋은 UE를 골라서 서비스
    • 성능 ↑, 공평성 ↓
    • 채널이 안 좋으면 계속 서비스 못 받음
  • Option 2: RR(Round Robin), 채널 상황 관계없이 돌아가면서 서비스
    • 성능 ↓, 공평성 ↑ 
    • 채널 상황에 따른 전송 능력이 전혀 반영되지 않음
  • Option 3: PF(Proportional Fair), 많이 서비스받은 UE는 비례해서 우선순위 낮추고, 적게 서비스 받은 UE는 비례해서 우선순위를 높여주는 방식
    • 성능 ↑, 공평성 ↑
    • 효용성 최대화 스케줄링
• 효율적인 Scheduling의 어려움
  1. 무선 채널의 상태 끊임없이 변화함
  2. 우선순위 및 QoS Requirement가 다른 UE/Service의 존재

 

MIMO(Multiple Input Multiple Output)

• Spatial Diversity: 동일 data를 여러 개의 안테나를 이용하여 송신 또는 수신하여 신호의 신뢰성을 향상시키는 방법
  • SISO(Single Input Single Output) - 1 송신기 : 1 수신기
  • SIMO(Single Input Multiple Output) - 1 송신기 : n 수신기 (수신 Diversity)
  • MISO(Multiple Input Single Output) - N 송신기 : 1 수신기 (송신 Diversity)
  • MIMO(Multipple Input Multiple Output) - N 송신기 : N 수신기 (송수신 Diversity)
    • 송신기 또는 수신기에 안테나를 여러 개 사용해 신호 전송의 품질을 향상시키는 기술 
  • Data stream이 하나이기 때문에 용량(최대 전송 속도) 이득은 없음
  • 제어 신호 또는 Channel이 좋지 않은 UE의 Data 신호에 주로 사용 (정확도 상승)
• Spatial Multiplexing: 여러 개의 안테나를 이용하여 서로 다른 data를 동시에 전송하여 전송 용량 향상
  • 전송 Stream 수 이상의 송신 안테나 및 수신 안테나가 필요함
  • Channel이 좋은 UE의 Data 신호에 주로 사용
• 넓은 의미의 MIMO: 다수의 송/수신 안테나를 사용해 시스템의 성능 향상 (Spatial Diversity + Spatial Multiplexing)
• 좁은 의미의 MIMO: 최대 전송 속도를 안테나 개수에 비례해 증가시키는 기술(Spatial Multiplexing)만을 의미

Spatial diversity

• 수신 diversity
  • SC(Selection Combining): 복수개의 안테나로 들어온 신호 중 제일 좋은 신호 사용
  • EGC(Equal Gain Combining): 복수개의 안테나로 들어온 신호를 신호 크기대로 합성
  • MRC(Maximal Ratio Combining): 복수개의 안테나로 들어온 신호를 신호 크기 별로 가중치를 줌
    • 주로 사용
• 송신 diversity
  • EGT(Equal Gain Transmission): EGC의 반대
  • MRT(Maximal Ratio Transmission): MRC의 반대

 

MIMO Precoding

• Spatial diversity 적용 시
  • 송신 Array gain을 얻기 위해 송신 신호를 변환하는 과정
    • Array gain: 여러 개의 안테나(Antenna Array)를 사용하여 파동을 한 곳으로 모았을 때 얻어지는 신호 세기의 증폭(이득, Gain)
  • 전송 방향과 값을 잘 조절해서 수신율을 높이는 과정
• Spatial multiplexing 적용 시
  • Stream 간 간섭의 최소화 및 송신 Array gain을 얻기 위한 과정
  • 간섭을 최소화하기 위해 전송 방향과 값을 조절

 

Open-Loop vs Closed Loop MIMO

• Open-Loop MIMO
  • 기지국이 채널 상태(CSI)를 모르는 상태에서 송신하는 방식
    • 가장 안전하게 보내기 위해 같은 데이터를 여러 안테나와 여러 시간에 나눠서 전송
  • Channel 상태와 무관하게 정해진 전송 방법을 사용
  • 대표적인 예: STBC(Space-time block code)
    
    • 3G WCDMA 표준의 첫 Release부터 표준으로 채택
    • 안테나 별로 동일 신호 전송 → 수신 신호의 정확도 향상 (속도는 그대로)
    • 동일 Data 블록을 Time 축으로 Span 하기 때문에 STBC로 명명함
• Closed-Loop MIMO
  • 기지국이 채널 상태(CSI)를 아는 상태에서 송신하는 방식
  • 수신기가 Channel 정보를 Feedback 하거나, 송신기에서의 채널 추정이 필요함
  • 대표적인 예: Beamforming
    • 다중 송신 안테나를 사용하여 수신기 방향으로 신호가 전송되도록 안테나의 빔을 형성
    • 해당 수신기의 수신 신호 세기를 증가시켜 수신 품질을 향상시킴
    • 수신 신호 세기는 송신 안테나 수에 비례하여 증가

 

Beamforming

• Codebook based beamforming (객관식)
  • 기 정의된 finite size의 전송 beamforming weight 중 하나를 택하여 전송
    • Codebook이라고 하며 이는 표준에 정의되어 UE와 기지국이 공유함
  • UE가 현재 채널에 가장 적합한 codebook을 선택해 기지국에 index 전송
    • 3GPP 표준에서는 그 index를 PMI(Precoding Matrix Indicator)라고 함
  • 기지국은 수신한 index에 해당하는 codebook을 사용해 beamforming
• Non-codebook based beamforming (주관식)
  • 임의의 전송 beamforming weight 사용 가능
  • Index 기반이 아닌, channel 정보 전체를 활용하는 것이 일반적임
  • 대표적인 방법: UL을 추정하여 DC Channel에 활용
    • 일반적으로 같은 주파수에서 channel reciprodity가 성립
    • UE: Channel 추정을 위한 신호를 전송(SRS: Sounding Reference Signal)
    • 기지국: SRS Channel 추정 결과를 사용해 Beamforming
• FDD에서의 DL Beamforming
  • DL과 UL에서 다른 주파수 사용하여, DL Beamforming을 위해 UL 채널 정보 활용 불가
  • DL 채널 정보 기반으로 Beamforming을 하려면 Overhead 증가
    
    • 따라서 Codebook based로 동작함
• TDD에서의 DL Beamforming
  • DL과 UL에서 같은 주파수를 사용하여, UL 채널 정보를 DL Beamforming에 활용 가능
  • Codebook based 뿐 아니라 Non-codebook based로도 동작 가능
• FDD보다 TDD에서 좀 더 성능이 좋게 나오고 효과적임

 

SU-MIMO vs MU-MIMO

• SU-MIMO(Single User MIMO)
  • 하나의 단말기와 하나의 기지국 간 Spatial Multiplexing
  • 단말기의 최대 데이터 속도 증가
• MU-MIMO(Multi-User MIMO)
  • 여러 대의 단말기와 하나의 기지국 간 Spatial Multiplexing
  • 전체 데이터 속도 증가 → 셀 용량 증가

 

Massive MIMO

• 매우 많은 안테나(Massive Antenna)를 사용한 사용자 별 3D Beamforming을 통해 동시 자원 사용자수를 증가시키는 기술
• 다중 사용자 간 간섭 제어가 용이하여, hige-order MU-MIOM를 가능하게 함
• MMU에서 TDD에 한해서 지원하는 대표적인 전송 속도 향상 기술 
• 기존 MIMO: 수평 방향 beamforming → 이득 제한적, 다중 사용자간 간섭 제어 어려움
• Massive MIMO: 수평 방향과 수직 방향의 3D beamforming → 이득 증가, 다중 사용자간 간섭 제어 용이