강충구 | 5G포럼 무선기술위원회 위원장, 고려대학교
권종형 | 5G포럼 무선기술위원회 부위원장, 삼성전자 DMC 연구소 글로벌 표준팀
김하성 | 5G포럼 무선기술위원회 부위원장, KT 융합기술원
박병성 | 5G포럼 무선기술위원회 부위원장, Ericsson-LG
예충일 | 5G포럼 무선기술위원회 부위원장, ETRI
육영수 | 5G포럼 무선기술위원회 부위원장, 노키아솔류션앤네트웍스코리아
권기범 | 5G포럼 무선기술위원회 위원, 주식회사 아이티엘
이상욱 | LG전자, 차세대표준(연)ACS팀 수석연구원
ITU-R의 IMT-2020에 대한 비전 및 기술 성능 요구사항, 평가방법에 대한 정의가 완료되었으며, 3GPP는 이를 위한 5G 기술 규격을 두 단계에 걸쳐 완성할 예정이다. 첫 번째 단계인 Phase1 기술 규격은 2018년 6월에 완성될 계획이며, 이를 위해 3GPP TSG RAN의 각 WG들은 새로운 NR 규격 마련을 진행하고 있으며, 이 중, NR의 L1/L2 기능으로 기존 LTE와 함께 운용이 가능한 NSA규격이 2017년 12월에 우선적으로 완성되었다.
RAN1은 광대역 지원기술, 다중 접속 방식, 채널 코딩, 다중 안테나/빔포밍 기술, 제어 채널, HARQ/스케줄링, 저지연 지원 기술등을 새롭게 도입하였으며, NSA에 필요한 핵심 기능을 우선적으로 표준화를 진행하였다. RAN2는 EPC 코어 네트워크를 기반으로 LTE 기지국과 NR 기지국으로 구성되는 EN-DC 형태의 구조를 지원하기 위한 표준 논의를 주로 진행하였다. RAN3에서는 NSA 지원을 위해 EPC와의 S1 인터페이스, EN-DC를 위한 X2 인터페이스, gNB 내부의 CU-DU 간 F1 인터페이스에 대한 규격을 마련하 였다. RAN4에서는 5G 단말, 기지국등에 대한 RF 및 RRM Core 규격을 중심으로 6GHz 이하 대역인 FR1과 24.25GHz 이상 대역인 FR2에 대한 5G 운용 대역을 정의하였다.
이와 같이 3GPP의 5G 기술 규격은 조기 상용화 요구에 따라 2020년 ITU-R제출 이전에 eMBB중심의 Phase 1 (Rel-15)과, 기존 LTE망을 활용한 NSA 모드 등이 우선적으로 마련되었다.
대한민국은 미래 이동통신 산업화전략을 마련하여 5G를 미래 성장동력으로 활용할 구체적인 전략을 수립하여 진행해 왔다. 또한, 그 결과로 2018년 평창 동계 올림픽에서 5G 시범 서비스와 2019년 5G 상용 서비스를 세계 최초로 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
Rel-15 5G 표준화 일정
4세대까지의 이동통신은 주로 이동 환경에서 무선 데이터 속도를 증대하는 방향으로 진화된 반면, 5G에서는 속도의 지속적인 증대뿐만 아니라 기존 네트워크에서 지원할 수 없었던 다양한 응용 서비스의 수용이 가능한 무선연결 (connectivity) 제공을 목표로 한다. 따라서 전통적인 무선데이터 서비스(enhanced Mobile BroadBand : eMBB) 뿐만 아니라, 다양한 응용에서의 센서 네트워크, 모니터링 등의 대규모 사물간 통신(massive Machine Type Communication: mMTC), 그리고 산업자동화, 차량간 통신 등의 저지연과 신뢰도가 엄격히 요구되는 고신뢰 저지연 서비스(Ultra-Reliable Low Latency Communi cation : URLLC) 등의 사용자 응용 시나리오(usage scenario)들도 5G 이동통신을 통해 제공할 예정이다.
3GPP에서는 이러한 5G 이동통신 표준화를 위해 5G 성능 요구조건을 자체적으로 정의하고, 이를 만족하는 5G 무선접속 기술 규격을 제정하여 ITU-R IMT-2020 요구조건을 만족시키는 후보안으로서 제안할 예정이다. 후보안이 ITU-R 평가 절차를 통과하면 최종 5G 표준으로 승인된다.
3GPP에서는 이러한 과정을 단계적으로 진행 중이며 전체일정은 그림1과 같다. 먼저 Rel-14에서 5G 표준을 위한 선행 연구 과정(SI, Study Item)을 완료하였고 Rel-15와 Rel-16에 본격적인 5G 규격화 작업 과정(Work Item)을 진행할 계획이다. Rel-15에서는 상대적으로 상업적인 요구가 명확하고 우선순위가 높은 eMBB 및 URLLC 관련 기본 feature들을 정의하여 2018년 6월까지 5G Phase-I 규격을 완료한 후 배포할 예정이고 Rel-16에서는 mMTC를 포함한 나머지 모든 use case와 요구사항을 만족시키는 추가 feature들을 정의하여 2019년 12월까지 최적의 5G Phase-II 규격을 완료한 후 배포하고 ITU-R에도 제출할 예정이다.
[그림 1] 3GPP의 5G 표준화 일정
Rel-15 5G Phase-I 규격의 범위는 NR (New Radio)과 LTE가 공존하는 NSA(nonstandalone) 방식과 NR이 독립적으로 존재하는 SA(standalone) 방식을 모두 포함하며 NSA를 위한 규격을 우선적으로 제정할 예정이다. 즉, NR과 LTE가 연계되어 동작할 수 있도록 NR의 제어 평면(control plane) 시그널링을 LTE 연결을 통해(anchoring) 송수신하는 방법을 먼저 논의하였고, 2017년 12월까지 NSA 모드를 지원하는 규격 작성을 완료하였다. 이후 NR만 단독으로 존재하는 SA 모드도 지원하는 규격은 2018년 6월까지 제정할 예정이다.
NR 주요 표준 기술
▷ RAN WG1 NR 표준 기술
RAN WG1은 NR의 물리계층 표준 개발을 담당하며, 2015년 3월부터 2017년 3월까지 NR SI을 통해 선정된 후보 기술들을 기반으로 2017년 3월부터 2018년 6월까지 표준 규격을 제정하는 작업을 진행중이다.
특히, 2017년 RAN1 91차 회의에서 600여개의 RRC 파라미터를 확정하여, RAN2에 전달하였으며, 최초의 5G 표준 기술로 불릴 수 있는 NSA기반 표준 규격 문서를 작성하였으며, RAN 78차 회의에서 승인되었다.
RAN1에서는 NSA 표준의 빠른 완성을 위해 NSA에 필요한 핵심 기능 위주의 표준화를 진행하였으며, 동적 TDD, 다중 panel/TRP 송수신 등 일부 기능은 2018년 6월 또는 Rel-16으로 미뤄진 상태이다. 완료된 표준 규격에 대해서는 CR(Change Request)를 통해 완성도를 높여가는 작업을 계속 진행하게 된다. Rel-15에서 승인된 표준 규격은 다음과 같은 특징을 담고 있다.
◎ 광대역 지원 기술
NR은 다양한 주파수 대역을 지원하기 위해 다양한 부반송파 간격을 지원하며, LTE 부반송파인 15 kHz의 2m 배수인 15, 30, 60, 120, 240 kHz의 부반송파가 사용되어, 넓은 대역의 신호를 생성하는데 효율적이다. 최대 4K IFFT의 지원을 통해 LTE의 20MHz 대비 높은 100MHz (6GHz 이하 주파수) 또는 400MHz (6GHz 이상 주파수) 까지의 광대역을 지원한다.
[표 1] 다양한 부반송파 간격에 따른 슬롯 길이
또한, 기존 LTE의 CA (Carrier Aggregation)의 보조적 수단으로 BWP (Bandwidth Part)라는 개념이 도입되어, 기지국에서 광대역 전송이 이루어지더라도, 단말에서는 그 중 일부의 BWP를 할당받아 송수신을 수행하여 스케줄링 효율을 높이고, 단말의 전력 소모를 낮출 수 있다.
[그림 2] UE Bandwidth Part
◎ Common/ Flexible 프레임 구조
전송 단위는 14 심볼로 구성된 슬롯이며, 하향 링크 제어 채널, 상향 또는 하향 데이터 채널 및 상향링크 데이터 채널의 조합으로 다양한형태의 슬롯 포맷을 구성하게 된다. 특히, 부반송파 간격이 커짐에 따라 슬롯의 길이가 줄어 저지연 고속 데이터를 전송하는데 더욱더 효율적이다.
기존 LTE 시스템이 FDD (Frequency Division Duplex)와 TDD (Time Division Duplex)가 서로 다른 프레임 구조를 가졌던 것과 달리, NR에 서는 앞서 언급한 다양한 슬롯의 조합을 통해 FDD 또는 TDD 프레임을 구성하는 common 프레임 구조를 지원한다. 또한, 기존의 TDD의 경우 인접한 모든 셀이 전송방향을 맞춰야 했으나, NR 에서는 동적 TDD 방식이 도입되어 트래픽 특성에 따라서 개별 셀의 전송 방향을 자유롭게 조절할 수 있게 하여 주파수 효율을 높일 수 있다.
◎ NR 변복조 기술
NR 초기부터 다양한 신규 기술들에 대한 논의가 진행되었으나, NR study를 통해서 RAN WG1 차원에서 보면 LTE 대비 새로운 기술들의 도입은 최소화되도록 결정되었다. LTE 대비 변경사항으로는 상향링크에도 CP-OFDM이 도입되어 DFT-s-OFDM (SC-FDMA)과 함께 사용되며, 상향링크의 커버리지 증대를 위해 π/2-BPSK가 DFT-s-OFDM의 경우에 한해 사용된다.
◎ 채널코딩
NR의 요구사항인 초고속, 저지연 및 고신뢰 통신을 지원하기 위해 3G부터 사용되던 터보코드가 LDPC (Low Density Parity Check)코드와 Polar 코드로 대체되었다. 대용량 데이터 전송을 위해 데이터 채널은 LDPC가 적용되며, 제어채널 및 PBCH (Physical Broadcasting Channel)에는 Polar 코드가 사용되어 높은 오류 정정 기능을 제공하게 되었다.
◎ 다중 안테나/빔포밍 기술
NR에서는 기존 LTE-A FD-MIMO의 연장선상에서 다중안테나 기술이 개발되었으며, 특히 24 GHz 이상 고주파 대역에서 적용될 하이브리드 빔포밍 기술을 적용하기 위한 다양한 기술들이 개발되었다. 기존의 LTE에서 존재했던 많은 전송 모드가 DMRS (Demodulation Reference Signal) 기반의 전송으로 단일화 되었으며, 스펙트럼 효율을 높이기 위해 기존 LTE 대비 정확도가 높은 Type II 코드북이 도입되었다. 또한, 낮은 간섭과 높은 빔포임 이득을 지원할 수 있도록, 빔기반 통신이 도입되었으며, 이를 위해 다양한 빔관리 절차가 정의되었다.
빔기반의 동작을 지원하기 위해서 SS 블록이라는 동기신호 블록이 정의되어 빔을 변경하면서 전송이 가능하며, 기존 셀 기반 이동성에 추가하여 빔기반의 이동성을 지원하는 기능이 추가되었다.
송수신을 위한 RS(reference signal) 측면에서는 크게 LTE의 CRS (Cell-specific RS)와 같은 주기적 신호를 제거하여, 간섭을 최소화 하였으며, front-loaded DMRS의 도입을 통해 저지연 통신이 가능하게되었다. 또한, 빔 기반 통신을 위해 CSI-RS (Channel State Information –RS), SRS (Sounding RS) 등의 신호는 송수신 빔스위칭을 지원하도록 설계되었다. 또한, 높은 주파수 대역에서 단말의 높은 위상 잡음을 보상하기 위해 PT-RS (Phase Tracking RS)라는 새로운 RS가 도입되었다.
[그림 3] 단일 빔, 다중 빔 지원 동기 채널 블록
◎ 제어 채널 및 HARQ/스케줄링
NR 하향링크 제어채널은 LTE와 유사한 구조를 가지고 있다. DL PDCCH (Physical Downlink Control Channel)은 1-3 심볼의 크기를 갖는 CORESET에서 전송되며, 상하향 스케줄링 정보와 SFI (Slot format Index), TPC(Transmit Power Control) 정보등을 전송하게 된다.
NR 상향링크 제어채널인 PUCCH (Physical Uplink Control Channel)의 특징으로는 소형셀에서 효율을 높이기 위해 LTE와 달리 OFDM 기반으로 1-2심볼로 전송되는 short PUCCH와 커버리지 확대를 위해 사용되는 long PUCCH로 구성된다. PDCCH와 short PUCCH는 슬롯의 데이터의 전송 방향과 관계 없이 항상 사용될 수 있어, 기존 TDD 설계 복잡도의 주원인이었던, HARQ ACK/NACK 전송이 보다 유연한 구조를 갖게 되었다.
[그림 4] 다양한 슬롯 구조
또한, HARQ에서는 재전송 효율을 높이기위해 기존 전송 블록단위의 ACK/NACK에 추가하여 코드블록 그룹 기반의 HARQ 재전송 기능이 도입되어 재전송에 의한 지연 및 자원낭비를 막을 수 있게 되었다.
◎ 저지연 지원 기술
5G의 주요 요구사항인 저지연 서비스를 위해 다양한 기능들이 추가되었다. 먼저, HARQ 지연을 줄이기 위해 전송 슬롯에서 바로 HARQ ACK/NACK을 송신할 수 있는 프레임 구조와 모드가 지원된다. 또한, 2,4 및 7개의 OFDM 심볼로 구성되는 미니슬롯이 도입되어 전송 지연을 낮출 수 있으며, UL에 grant-free 전송이 가능하여 UL 전송 지연의 요인인 복잡한 동작들을 생략할 수 있게 되었다.
▷ RAN WG2 NR 표준 기술
RAN WG2에서는 EPC (Evolved Packet Core) 네트워크를 기반으로 LTE 기지국이 마스터 기지국(Master eNB)이 되고 NR 기지국이 세컨더리 기지국(secondary gNB)로 구성되는 EN-DC (EN-Dual Connectivity) 형태의 배치구조를 지원하기 위한 주요 표준안을 논의하였다. RAN WG1에서 논의된 결과를 기반으로 RAN WG2 내 무선접속계층에서 지원해야하는 시그널링 및 절차 등에 대하여 결정하였고 기지국/코어 네트워크와 RAN간의 프로토콜에 대한 표준 개발을 담당하는 RAN WG3 및 시스템 구조에 대한 표준 개발을 담당하는 SA WG2 등 RAN 이외의 WG들에서 전달된 이슈들을 해결하기 위한 논의를 진행하였다. 현재까지 주요기술에 대한 RAN WG2의 결정사항은 다음과 같다.
◎ User plane – SDAP 논의 연기
SDAP (Service Data Application Protocol)는 NR 네트워크에서 PDU (Packet Data Unit) 세션 기반 구조가 도입됨에 따라 변경된 QoS 지원 방식에 대응하기 위해 IP 기반 QoS정보를 기반으로 RAN내 무선 베어러와의 매핑관계를 설정하고 관련 정보를 관리하는 신규 계층이다. 따라서 2017년 12월까지 완료되어야 하는 EN-DC에서는 구성되지 않을 UP (User Plane)내 계층이기 때문에 논의를 연기하기로 결정하였다. 하지만 2018 년 6월 Rel-15가 종료되는 시점에서 SDAP에 대한 모든 표준안이 완료되어야 하기 때문에 논의를 완전히 배제하지 않고 일부 SA2와의 공동논의가 필요한 이슈들에 대하여 논의를 진행하여 SDAP PDU 포맷의 기본 구성방식에 대하여 합의하였다.
◎ User plane - PDCP
URLLC 서비스를 지원하기 위해 NR PDCP (Packet Data Convergence Protocol)의 주요 기능으로 논의 중이던 데이터 패킷 중복(packet duplication) 전송 기능은 EN-DC에서 상향링크 부분이 동작할 수 없기 때문에 이에 대한 논의 우선순위도 하향되었다. 규격 작업 우선 순위가 조정, 지연되었다. 한편, EN-DC 구조에서 기지국 간 베어러 구성을 변경했을 경우에 발생할 수 있는 문제점들을 제거하기 위해 ng-eNB (Rel-15 이후 LTE 기지국)에서 NR-PDCP를 무선베어러 구성 시 기본적으로 고려하는 것으로 합의하였다.
◎ User plane - RLC
EN-DC 구조에서 무선베어러를 분리하여 구성하는 MCG/SCG(Master Cell Group/Seceondary Cell Group) split bearer 구성 시 PDCP가 구성되는 기지국이 아닌 특정 기지국에 RLC만이 구성되는 형태에 대하여 해당 RLC 만으로 구성된 부분을 ‘RLC bearer’라는 용어로 정의하기로 하였다. 또한 RLC UM도 split bearer 구성을 허용하기로 하였다.
◎ User plane - MAC
RAN WG1에서 추가하기로한 SUL (Supplementary Uplink)와 광대역 시스템 주파수 대역을 지원하지 않는 단말에게 해당 시스템 주파수 대역 내 일부를 구성할 수 있도록 하기 위한 BWP를 지원하기 위해 랜덤접속절차 허용 여부와 이에 필요한 자원할당에 대하여 합의하였으며, BWP 운용 시 발생가능한 전력소모를 줄이기 위한 BWP inactivity timer를 도입키로 하였다. 이 외에 numerology 기반 복수의 SR 구성과 새로운 타입의 BSR 정의 등이 합의되었다.
◎ RRM
빔 기반 측정치를 필터링 시각 주파수 대역마다 필터계수(filtering factor)를 서로 다르게 설정할 수 있도록 하였으며, 단말이 빔 복구를 위해 랜덤접속절차를 이용하여 요청할 수 있도록 하였다. 또한 구체적으로 어떠한 동기신호 혹은 참조 신호를 기반으로 빔세기 측정 및 SINR 측정을 진행해야 하는지에 대한 측정 구성 정보들의 세부 사항에 대하여 정리를 완료하였다.
[그림 5] Measurement model
◎ NSA
앞서 설명한 EN-DC의 표준화 완료를 목표로 진행된 논의에서 중점적으로 논의된 이슈 중 하나는 단말의 capability에 대한 것이다. LTE와 NR을 동시에 지원하는 단말은 각각의 RAT (Radio Access Technology)에 대한 주파수 지원, MCS (Modulation and Coding Scheme) 방식, 가용 MIMO 지원 범위 등이 정의될 수 있다. 따라서 이에 대한 capability 조합이 매우 많아질 수 있으며 이 때문에 발생하는 무선 및 기지국간 시그널링 부하가 우려되기 때문에 이를 위한 세부논의가 진행되었다. 기본적인 EN-DC 동작과 관련된 내용들은 합의하였으나 모든 세부이슈들에 대하여 합의하지 못하고 2018년 1월까지 이메일 논의를 진행하기로 결정하였다.
◎ RRC inactive 모드
RAN WG3에서 결정한 RNA (RAN notification area) 정의방법을 기반으로 논의하였다. RAN WG3의 합의사항에 따라 추가적으로 단말별 구성방법 및 운용방법에 대하여 정리하였다. RRC inactive 모드는 NR의 SA 동작 시 도입될 것이므로 앞서 설명한 사항 이외의 논의는 진행되지 못했다.
▷ RAN WG3 NR 표준 기술
◎ 5G NSA 규격 및 인터페이스
RAN WG3에서는 ’17년 12월의 5G NSA Option 3 Rel-15 규격에 포함될 5G 무선 액세스 네트워크 (RAN)의 구조, NSA를 지원하기 위한 EPC와의 연동을 위한 S1 인터페이스 및 LTE 기지국(eNB)과의 EN-DC 연동을 위한 X2 인터 페이스, gNB 기지국 내부의 CU와 DU간의 연동을 위한 F1 인터페이스에 초점을 맞추어 규격화하였다. RAN WG3의 NSA 관련 규격은 다음과 같다.
38.401 : NG-RAN 구조
38.425 : Xn/X2 EN-DC/F1 UP 프로토콜
38.470 : gNB F1 인터페이스
38.471 : gNB F1 Layer 1
38.472 : gNB F1 시그널링 전송
38.473 : gNB F1AP 프로토콜
38.474 : gNB F1 데이터 전송
37.340 : 멀티 커넥티비티(EN-DC)
36.413 : E-UTRAN S1AP 프로토콜
36.423 : E-UTRAN X2AP 프로토콜(EN-DC)
그림 6은 5G NSA Option 3 아키텍처와 연동 인터페이스를 보여준다.
[그림 6] EPC 기반 NSA 네트워크 구조
한편, Rel-15 SI인 ‘Study on separation of CP and UP for split option 2 of NR’은 Rel-15 WI으로 승인되어 규격 작업을 시작했다.
◎ X2 기반 NSA EN-DC 지원 프로토콜
NSA EN-DC 지원을 위해 기지국 간 RRC 전달, 기지국 이동성, gNB가 변경되지 않은 eNB 간 핸드오버, 단일 TX 단말 지원, 베어러 Harmonization 및 타입 변경, UE AMBR 처리, NR RAT 데이터 사용량 보고(S1 및 X2), RLC Indication, UL 링크 스위칭, 기지국 간 데이터 포워딩, 에너지 절감 기능을 지원하게 된다.
셀 단위의 DL 및 UL 공유(Sharing)을 통한 LTE와 NR 간 공존을 위해 X2 시그널링으로 FDM/TDM 패턴 정보의 교환이 지원된다(eNB 및 gNB가 요청 가능). 또한, NR SON(ANR)을 지원하기 위한 EN-DC용 X2 셋업 절차와 설정 업데이트 절차가 추가되었다.
한편, 베어러타입은 총 6가지, 즉 MCG Bearer, SCG Bearer, MCG Split Bearer, SCG Split Bearer, MN terminated SCG Bearer, SN terminated MCG Bearer를 지원된다.
[그림 7] EN-DC 기지국 프로토콜 구조
◎ F1 기반 CU-DU 연동 지원 프로토콜 및 UP 프로토콜
gNB(CU) ID는 22~32 bit의 가변 길이를 가지며, DU ID(36 bit)가 새로 도입되었다. DU의 시스템 정보 IE는 MIB와 SIB1를 포함한다(2개의 개별 Container 사용).
CU-DU간 F1AP 프로토콜 기능으로서, F1 인터페이스 셋업, 셀셋업, 초기 단말 액세스/재개, Context 및 베어러 관리, CU-DU 간 RRC 메시지 전송, Inter-DU 이동성, 페이징, 무선 링크 절단 Indication, CU에서의 Centralized PDU 재전송 기능이 새로 도입되었다.
또한, NR UP 프로토콜인 X2-UP(EN-DC), Xn-UP, F1-UP 프로토콜은 TS 38.425로 통합 규격화되어 지원되며, 각 인터페이스에 한정된 기능들은 별도로 기술하게 된다. 따라서, 신규 GTP-U Exten sion 헤더(NR RAN Container 포함)가 정의되며, 중복 PDCP PDU의 폐기 기능도 지원된다.
▷ RAN WG4 NR 표준 기술
RAN WG4에서는 단말, 기지국, 중계기, 릴레이 등에 대한 성능 요구 조건을 규격화한다. 여기서 말하는 성능 요구조건은 분야별로 핵심 성능 요구조건에 해당하는 RF, RRM (Radio Resource Manage ment)과 복조 성능 요구조건으로 구분한다. 5G NSA 표준을 제정하기 위해서 RAN4에서는 RF와 RRM 의 핵심 성능 요구조건 규격에 집중을 하였다. 5G RAN4 단말 규격은 주파수 대역인 6GHz 이하에 대해서는 규격 TS 38.101-1, mmWave 대역에 대해서는 규격 TS 38.101-2, 두 대역간 인터워킹에 대해서는 규격 TS 38.101-3, 성능 요구사항에 대해서는 규격 TS 38.101-4에 기술되어있다. 본고에서는 가장 많은 기술적 논의가 진행된 단말 RF 규격 (TS 38.101-1/2)을 중심으로 5G NSA의 RAN WG4 규격을 설명한다.
◎ 공존 연구 (Coexistence Study)
새로운 시스템 (간섭원-Aggressor)이 망에 깔리면 기존 시스템 (피간섭원-Victim)에 주는 간섭이 허용레벨 이하이어야 한다.
RAN WG4에서는 5G 시스템이 인접 주파수 대역에 미치는 간섭에 대한 영향을 시스템 레벨 시뮬레이션을 기반으로 한 공존연구를 통해서 수행하였다. 공존 연구의 결과를 이용해서 기지국, 단말의 인접 대역 대역 방사 규격인 ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio)과 ACS (Adjacent Channel Select ivity)를 정의한다. 5G 주파수는 450MHz ~ 6GHz까지 대역인 FR 1 (Frequency Range 1)과 24.25 GHz ~ 52.6GHz 대역인 FR 2 (Frequency Range 2)로 나뉜다. 공존 연구는 FR1에서는 수행하지 않았고 FR2의 30GHz, 45GHz, 70GHz 중심 주파수 200MHz 채널 대역폭에 대해서만 수행되었고 이를 기반으로 새로운 ACLR/ACS값이 규격화되었다.
[그림 8] 공존 연구를 위한 간섭 분석 개념도
▷ RF 일반
FR 1은 기존 LTE와 동일하게 안테나 커넥터단에서 테스트를 진행하는 테스트가 기본 가정이나 FR 2는 고주파의 특성상 안테나 커넥터 단으로 케이블 연결이 매우 어렵기 때문에 OTA(Over The Air) 테스트를 기본으로 가정한다. OTA 테스트를 위한 측정 단위는 EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power), TRP (Total Radiated Power), EIS (Effective Isotropic Sensitivity) 등이 있다. 그림 9는 FR2 대역 단말 아키텍쳐 예이다.
주파수 대역은 LTE 재분배 대역과 5G용 새로운 주파수 대역으로 나눌 수 있다. 5G용 새로운 주파수 대역은 FR1에서 3.5GHz 대역(n77, n78)과 4.4.GHz 대역(n79), FR2에서 28GHz 대역 (n257,n258)과 39GHz 대역(n260)에서 표 2와 같이 정의되었다.
[그림 9] FR2 대역 단말 아키텍쳐
[표 2] 5G 신규 주파수 대역
5G의 채널 대역폭(CBW-Channel Band Width)은 FR1에서는 5/10/15/20/25/30/40/50/60/ 70/80/90/100 MHz 13개가 있고 FR 2에서는 50/100/200/400 MHz 4개가 있다.
초기 접속을 위한 중심 주파수 위치 정보인 채널 라스터(Channel Raster)는 NR-ARFCN(New Radio - Absolute Radio Frequency Channel Number)이라고 하며, 동기 신호중심 주파수를 나타내는 동기 라스터 (Synchronization Raster) 는 GSCN (Global Synchronization Channel Number)라고 한다. 이 두 라스터는 모든 주파수 대역에서 LTE와 달리 새롭게 정의되었다. 동기 라스터는 빠른 단말 동기를 찾도록 하기 위해서 채널 라스터보다 주파수 축에서 길게 정의하여 찾아야 되는 경우의 수를 줄였다. 주파수 대역별로 동기 신호가 가질 수 있는 SCS (Sub-Carrier Spacing)은 FR1에서는 기본적으로 15kHz 또는 30kHz 하나로 정해져 있으나 몇몇 대역에서는 15kHz와 30kHz가 모두 사용될 수 있다. FR2에서는 모든 주파수 대역에서 동기 신호 SCS는 120kHz 혹은 240kHz를 가질 수 있으며 추가 논의될 수 있는 내용이다. 데이터가 가질 수 있는 SCS는 FR1에서는 15/30/60kHz이고 FR2에서는 60/120kHz이다.
[표 3] 데이터와 동기 신호의 SCS
5G의 특징 중 하나는 기지국과 단말이 서로 다른 채널 대역폭(CBW)를 가질 수 있다는 점이다. 또한 단말은 상향링크와 하향링크의 채널 대역폭 역시 다를 수 있다.
LTE와 5G를 동시 지원하는 단말의 경우 상향 링크로 기본적으로 2개의 송신을 지원할 수 있어야 한다. 다만 2개의 송신에 의해 발생하는 비선형 왜곡이 수신대역으로 떨어져서 수신감도를 열화시키는 경우에는 예외적으로 하나의 송신만 허용할 수 있다.
◎ 단말 송신 RF
FR1의 단말 RF는 대역폭이 LTE의 20MHz 대비 최대 100MHz까지 지원해야 하는 등 몇몇 부분을 제외하면 대부분 기존 LTE의 요구사항과 동일하다. 따라서 본고에서는 주로 FR2의 단말 RF 요구사항에 대해서 기술한다.
FR2에서는 OTA에서 단말 요구사항이 정의되어야 한다는 전제에 따라서 많은 부분들이 새로 정의되었다. 최대 송신 전력은 최대 EIRP로 정의되었고 그 값은 28GHz에서는 [21.2 ~ 25.2] dBm, 39GHz에서는 [19.4 ~ 23.7]dBm 사이의 값을 가질 수 있고 최종 값은 확정되지 않았다.
FR2의 대역 외 불요 방사 (SE: Spurious Emission)는 –13dBm/MHz로 정의되었다. 새로운 전송 waveform인 pi/2 BPSK의 도입에 따라 전송신호의 정확한 성상도 측정 지표인 EVM (Error Vector Magnitude)이 pi/2 BPSK에 대하여 추가로 규격화되었다. RF 스위칭 시간인 ON to OFF, OFF to ON, ON to ON 스위칭 시간에 대한 요구사항은 FR1에서 10u sec (기존 LTE는 20usec), FR2에서 5usec으로 규격화되었다. 그 외 ACLR, SEM(Spectrum Emission Mask), MPR (Maximum Power Reduction), UE2UE Coexistence 규격 등이 정의되었다.
◎ 단말 수신 RF
단말 수신과 관련된 RF 규격 정의의 기본은 기준감도 (Reference Sensitivity)이다. FR1에서는 기본적으로 LTE와 유사한 값을 재활용하고 FR2에 서는 OTA에서 EIS 기반으로 새로운 값을 정의하였다. 다만 기준감도 계산을 위해 필요한 수신 SNR을 LTE와 동일한 –1dB기준으로 기준 감도를 도출하였으며 이는 추후 변경될 수 있다. 그 외에 최대 입력 파워 레벨, ACS (Adjacent Channel Selectivity), 대역 내 블로킹(In-band blocking), 대역 외 블로킹(Out-of-band blocking)등이 규격화 되었다.
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