강충구┃5G포럼 무선기술위원회 위원장, 고려대학교 교수
권종형┃5G포럼 무선기술위원회 부위원장, 삼성전자 차세대통신연구팀
김하성┃5G포럼 무선기술위원회 부위원장, KT 융합기술원 책임
박병성┃5G포럼 무선기술위원회 부위원장, Ericsson-LG 수석
예충일┃5G포럼 무선기술위원회 부위원장, ETRI 박사
육영수┃5G포럼 무선기술위원회 부위원장, 노키아솔루션앤네트웍스코리아 수석
권기범┃5G포럼 무선기술위원회 위원, 주식회사 아이티엘 실장
2015년 6월 ITU-R의 IMT-2020의 비전 문서가 발행된 이후로 WCDMA/HSPA/LTE 등의 주요 이동통신 표준규격을 제공하고 있는 3GPP 에서는 2020년 IMT-2020 공인을 목표로 5G 기술 규격 마련을 진행해오고 있다. 초고주파 대역에서의 안테나 기술을 도입하기 위해 채널 모델링 연구를 우선적으로 진행하였으며, 본격적인 규격 논의 이전에 기술 성능 요구사항과 평가방법 등 을 정의하였다. 현재 진행되고 있는 규격 제정 작업을 통해 5G 무선접속 기술이 동작하게 될 NR 대역을 정의하고, 기술 성능 요구사항을 충족할 무선접속 기술들이 합의과정을 거쳐 마련될 것이다. 또한, 망구성의 유연성을 제공하기 위한 아키 텍쳐 논의도 주요 이슈 중의 하나이다. 3GPP의 5G 기술 규격은 다양한 시장의 요구 에 따라 2020년에 ITU-R에 제출되기 이전에 eMBB중심의 Phase-1(Release 15)이나, 기존 LTE 망을 활용한 NSA 모드가 우선적으로 구축될 것으로 예상된다. 5G의 개념 정립 이전부터 한국은 미래 이동통신 산업화 전략을 마련하여 5G를 미래 성장동력으로 활용할 구체적인 전략을 수립하여 진행해 오고 있으며, 5G 포럼에서는 민･관･학･연이 참여하여 5G를 활성화시키기 위 한 활동을 지속해 오고 있다. 2018년에 개최되는 평창 올림픽을 통해 5G에 대한 관심은 더욱 높아질 것이며, 진행상황 및 준비과정을 봤을 때 한국에서 5G가 가장 먼저 선보일 것으로 기대된다. 현재 진행되고 있는 표준 논의에 적극적으로 참여하고 5G 생태계 수립에 기여함으로서 5G를 통해 향후 전개되는 4차 산업 혁명에 대비할 수 있을 것으로 보인다.
5G 무선기술의 개념 및 요구사항
4세대까지의 이동통신은 이동 환경에서 무선 데이터 속도를 증대하는 방향으로 진화된 반면, 5G에 서는 그 속도의 지속적인 증대뿐만 아니라 기존 네트워크에서 지원할 수 없었던 다양한 응용 서비스의 수용이 가능하도록 하는 무선연결(connectivity)의 제공을 목표로 한다. ITU-R에서는 5G 시스템을 IMT-2020이라고 명명하였으며, 그림 1과 같이 이동성, 데이터 전송속도 이외에 신뢰성, 연결성, 에너지 효율 등의 주요 성능 지표(key performance indicator) 값을 중심으로 5G의 비젼(vision)을 제시하였다. 여기서 보는 바와 같이, 모든 지표면에서 4G 시스템(IMT-Advanced)과 대비할 때 확연한 성능 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 전통적인 무선데이터 서비스(enhanced Mobile BroadBand: eMBB)뿐만 아니라, 다양한 응용에서의 센서 네트워크, 모니터링 등의 대규모 사물간 통신(massive Machine Type Com munication : mMTC), 그리고 산업 자동화, 차량간 통신 등의 저지연과 신뢰도가 엄격히 요구되는 고신뢰 저지연 서비스(ultra-Reliable Low Latency Communication: uRLLC) 등의 사용자 응용 시나리오(usage scenario)들을 5G 이동통신에 의해 실현하고자 하는 것이다.
[그림 1] ITU-R의 5G vision에 따른 주요 성능 지표
이러한 5G의 진화된 성능을 제공하기 위해서는 현재 이동통신에서 활용되지 않는 고주파 대역의 광대역폭 사용이 필수적이며, 이때 고주파 대역의 열악한 전파환경을 극복하고 이동 환경에 적합한 다중 안테나 기술을 포함한 새로운 무선 기술들이 도입될 것이다.
한편, 다양한 요구사항과 응용 서비스를 수용 하기 위해 5G 무선 기술은 그림 2에서 예시하는 바와 같이, 기존의 4G 진화 기술과 새로운 무선 접속 기술(New Radio Access Technology: New RAT)이 밀접하게 연동되는 형태로 정의된다.
IMT-2020 규격으로 공인받기 위해서는 표1 의 기술 성능 요구사항을 만족해야 하며, 현재 이동통신 표준 단체인 3GPP에서는 이를 위한 무선 접속 기술 규격에 대한 표준화를 진행하고 있다.
[표 1] 3GPP 5G 기술성능 주요 요구사항
표준화 현황 및 일정
5G 표준화는 ITU-R과 3GPP에서 진행중이며, 그 일정은 그림 3과 같다.
[그림 3] ITU-R 및 3GPP의 5G 표준화 일정
ITU-R은 IMT-2020 표준화 일정으로서, 이미 완료된 Vision 수립과정 이후에 요구사항 정의, 평가방법론 도출, 후보안 제출, 평가, 승인등의 절차를 순차적으로 2020년 말까지 진행할 예정이다. 2017년 6월까지 요구사항과 평가방법론 도출 단계를 완료하였으며, 현재 세부 표준규격을 제정하기 위한 표준화가 진행 중에 있다.
앞서 언급한 바와 같이 3GPP에서는 자체적인 5G 성능 요구 조건을 정의하고, 이를 만족하는 5G 무선접속 기술 규격을 제정하여 ITU-R에 요구조건을 만족시키는 후보안으로 제안할 예정이다. 후보안이 ITU-R 평가절차를 통과하면 최종 5G 표준으로 승인된다. 33GPP는 Rel-14 규격에서 5G 표준을 위한 연구과정(Study Item)을 시작하였으며, Rel-15와 Rel-16의 5G 규격에 대한 작업과정(Work Item)을 진행하고 있다. 5G 규격은 단계적으로 개발될 예정이며, Rel-15에서는 5G 응용 시나리오 중에서 주로 eMBB를 지원하기 위한 5G Phase-I 규격을 2018년 6월까지 완료한 후 배포할 예정이며, Rel-16에서는 나머지 시나리오인 mMTC와 URLLC 지원을 포함한 최적화된 5G Phase-II 규격을 2019년 12월까지 완료한 후 배포할 예정이다. 또한, Rel-15 5G Phase-I 규격에서는 4G와 5G가 공존하는 non-standalone(NSA)를 위한 규격을 우선적으로 제정한다. 즉, 5G와 4G가 연계되어 동작할 수 있도록 5G의 제어 평면 데이터(control plane)를 4G연결을 통해(anchoring) 송수신하는 방법을 논의중이며, 2017년 12월까지 NSA 모드를 지원하는 규격 작성을 완료할 예정이다. 이후에 5G만 단독으로 존재하는 Standalone (SA) 모드도 지원하는 규격을 2018년 6월까지 제정할 예정이다.
이러한 무선기술 표준화와 동시에 IMT-2020를 위한 후보 주파수 대역에 대한 선정작업이 또한 진행 중이며, 2019년에 개최되는 World Radiocommunication Conference(WRC)를 통해 5G 후보 주파수 대역이 선정될 예정이다. 그리고 국내에서는 표준화중인 5G 기술을 기반으로 2018년 평창 동계 올림픽에서 최초의 5G 시범 서비스를 선보일 예정이며, 2020년 도쿄 올림픽에서도 5G기술을 통한 신규 서비스를 제공할 것으로 예상된다.
주요 표준 기술
◎ 3GPP Radio Access Network Working Group 1 (RAN WG1) 표준 기술
RAN WG1은 NR (New Radio)의 물리계층에 대한 표준 규격을 담당한다. 2015년 3월부터 2017년 3월까지 NR study item을 통해 5G 기술의 주요 기술 요소들을 평가하고, 이를 기반으로 5G NR에 적용되는 주요 기술들을 결정한 바 있다. 또한, 2017년 3월부터 2018년 6월까지 해당 규격의 제정을 목표로 NR normative work을 진행하고 있으며, 이 과정을 통해 실제 표준 규격을 완성하게 된다.
NR study는 new waveform, 다중 접속, 변복조, 다중 안테나 기술, 채널 코딩, 프레임구조 등과 같은 주요 요소 기술들에 대한 논의를 포함하였다. 이와 같은 기본 논의를 전제로, 2017년 3월부터 시작된 Work Item에서는 주요 기술에 대한 세부 규격을 결정하고 있다. 2017년 12월까지 NR NSA 모드를 위한 규격을 마무리하기로 일정에 따라, RAN WG1은 올해 6월까지 성능을 결정 짓는 주요 규격을 모두 완성하여 RAN4에 전달하는 것을 목표로 하고 있다. 또한, 2017년 9월까지는 대부분의 핵심 기능들에 대한 표준화를 완성하고, 이후에는 주로 상위 계층 시그널링에 대한 표준화를 진행하게 된다.
현재까지 주요 기술에 대한 RAN WG1의 결정사항은 다음과 같다.
▷ New Waveform, 다중 접속, 변복조
NR 표준화 초기 단계부터 다양한 신규 기술들에 대한 논의가 진행되었으나, NR study를 통해서 RAN WG1 차원에서 보면 LTE 대비 새로운 기술들의 도입은 최소화되도록 결정되었다. LTE 규격과 비교할 때 주요 변경사항은 uplink에도 CP-OFDM waveform을 도입하는 것이며, 다중 접속 및 변복조 기술들은 LTE와 동일한 기술을 채택하였다.
▷ 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 PBCH에는 Polar 코드가 사용되어 높은 오류 정정 기능을 제공하게 되었으며, 현재 세부 규격에 대한 표준화가 진행되고 있다.
▷ 다중 안테나/빔포밍 기술
NR에서는 기존 LTE-A FD-MIMO의 연장선상에서 다중안테나 기술이 개발 되었으며, 특히 24GHz 이상 고주파 대역에서 적용될 하이브리드 빔포밍 기술을 적용하기 위한 다양한 기술들이 개발되었다. 기존의 LTE에서 존재했던 많은 전송모드가 DMRS 기반의 전송으로 단일화 되었으며, 스펙트럼 효율을 높이기 위해 기존 LTE 대비 정확도가 높은 Type-II 코드북이 도입되었다. 또한, 낮은 간섭과 높은 빔포밍 이득을 지원할 수 있도록 빔 기반 통신이 도입되었으며, 이를 위해 다양한 빔관리 절차가 정의되었다. 빔기반의 동작을 지원하기 위해서 SS 블록이라는 동기 신호 블락이 정의되어 빔을 변경하면서 전송이 가능하며, 기존 셀 기반 이동성에 추가하여 빔 기반의 이동성을 지원하는 기능이 추가되었다.
송수신을 위한 reference signal (RS) 측면에서는 LTE의 CRS와 같은 주기적 신호를 제거하여 간섭을 최소화하였으며, front-loaded DMRS의 도입을 통해 저지연 통신이 가능하게 되었다. 또한, 빔기반 통신을 위해 CSI-RS와 SRS등의 신호는 송수신 빔스위칭(beam switching)을 지원하도록 설계되었다. 또한, 높은 주파수 대역에서 단말의 높은 위상 잡음을 보상하기 위해 PT-RS라는 새로운 RS가 도입되었다.
▷ 프레임 구조 및 HARQ/스케줄링
NR은 다양한 주파수 대역을 지원하기 위해 서로 다른 부반송파 간격을 지원하며, LTE에서 적용된 15kHz의 부반송파 간격을 기준으로 2m 배수인 15, 30, 60, 120 kHz의 부반송파 간격이 사용되며, 최대 4K IFFT의 지원을 통해 LTE의 20MHz와 비교할 때 보다 넓은 대역폭(6GHz 이하의 주파수에서 100MHz, 6GHz 이상 주파수에서는 400MHz)을 지원한다.
기존의 부프레임 기반의 전송에서 더 작은 단위인 슬롯 단위의 전송을 통해 전송 지연을 낮추었으며, DL only, UL only, DL 중심, UL 중심의 4가지 공통 슬롯 구조를 조합하여 FDD/TDD를 모두 지원하게 된다. 또한, HARQ 재전송 효율을 높이기 위해 코드블록 그룹 기반의 HARQ 재전송 기능이 도입되었다.
NR에서는 동적 TDD 방식이 도입되어 트래픽 특성에 따라서 개별셀의 전송 방향을 자유롭게 조절할 수 있게 하여 주파수 효율을 높일 수 있다.
▷ 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, 1개 또는 2개의 OFDM 심볼로 구성되는 미니슬롯(mini-slot)이 도입되어 전송지연을 낮출 수 있으며, UL에 grant-free 전송이 가능하여 UL 전송 지연의 요인인 복잡한 동작들을 생략할 수 있게 되었다.
▷ LTE연동 기술
또한, LTE와 Multi-RAT 이중 접속(Dual connectivity)를 통해 연동되는 구조를 일차적으로 지원하며, 이를 위해 LTE와 공존하는 기술과 LTE와 UL 캐리어를 공유하는 기술 등에 대한 표준화가 진행되고 있다.
◎ 3GPP Radio Access Network Working Group 2(RAN WG2) 표준 기술
RAN WG2은 무선접속 구간 내에서 MAC(Media Access Control) 및 RLC(Radio Link Control), 그 리고 PDCP(Packet Data Convergence Protocol)으로 구성되는 사용자 평면(user plane)과 브로 드캐스팅 전송 및 이동성 지원을 위한 품질 측정 등을 포함한 RRC(Radio Resource Control)으로 구성되는 제어 평면(control plane)에 대한 표준화를 담당한다. RAN WG1에서 정의하는 물리계층과 기지국/코어 네트워크와 RAN 간의 프로토콜에 대한 표준 개발을 담당하는 RAN WG3 및 시스템 구조에 대한 표준 개발을 담당하는 SA WG2등 RAN 이외의 WG의 이슈들과도 많은 연관성을 가지고 있다. 현재까지 주요 기술에 대한 RAN WG2의 결정사항은 다음과 같다.
▷ User plane - New AS sublayer 도입
NR 네트워크는 LTE와 달리 가상화(network function virtualization: NFV) 및 소프트웨어 기반의 네트워크(software-defined network: SDN) 구조를 도입하기로 결정함에 따라, 기존 EPS 베어러 구조가 아닌 PDU 세션 기반 구조가 도입되었다. 이와 같이 변경된 QoS 지원 방식에 대응하기 위해 그림 4에서 보는 바와 같이 IP 기반 QoS 정보를 기반으로 RAN내 무선 베어러와의 맵핑 관계를 설정하고, 관련 정보를 관리하는 신규 계층으로서 AS sublayer을 정의하였다.
[그림 4] New AS sublayer의 도입 및 동작 개념도
▷ User plane - PDCP
5G의 uRLLC를 지원하기 위해 PDCP에서 동일한 데이터 패킷을 중복(duplication)하여 전송할 수 있는 기능을 도입하였다. 구체적으로 이 기능은 필요에 따라 활성화/비활성화 시킬 수 있으며, Carrier Aggregation(CA)을 사용하는 경우에 한하여 각 요소 반송파(component subcarrier)마다 중복된 패킷 중 하나의 패킷을 전송하는 방식이다.
▷ User plane - RLC
재전송을 통해 오류 복구가 가능한 ARQ 기능을 지원하는 RLC AM(Acknowledge Mode)에서 수신된 데이터가 원래 데이터 배열 순서대로 도착 하지 않을 때, 이를 순서대로 재배열하는 기능을 선택적으로 구성할 수 있도록 하였다. 한편, 실시간 데이터 처리 속도를 빠르게 하기 위해 기존 LTE RLC 기능인 데이터 패킷 접합(concatenation) 기능을 제거하였다.
▷ User plane - MAC
RLC에서 데이터 패킷 접합(concatenation) 기능을 제거함에 따라 실시간 데이터 처리를 용이하게 하기 위해 기존 LTE에서 사용되던 MAC PDU 형식을 수정하였다. 또한, 랜덤접속 절차, 스케줄링 요청 등 물리계층에서 새롭게 도입되는 복수의 numerology 지원 및 새롭게 정의된 RS 등과 같은 시그널링에 대응하기 위해 기존 LTE의 동작을 기반으로 일부 기능을 강화하기 위한 논의를 진행하였다.
▷ Radio Resource Management(RRM) measurement
NR에서 밀리미터파(mmWave) 통신을 도입하면서 서비스 지역을 확장하기 위해 사실상 필수적으로 빔(beam)을 이용하게 되었다. 따라서 셀 선택 및 핸드오버 등 단말의 이동성을 지원하기 위해 필요한 셀 단위의 신호세기 측정치를 산출하기 위해 빔단위로 먼저 신호세기를 측정하고, 상기 빔이 포함되어 있는 셀에 대한 측정치를 도출하는 방식을 도입하였다. 구체적으로 특정셀 내의 N개 빔들에 대한 측정치의 평균으로 셀의 신호세기 를 도출한다. 단말은 기지국의 요구에 따라 각 빔에 대한 측정치도 보고할 수 있다.
▷ NSA (Non-Standalone) 모드
NR이 도입되는 초기에는 LTE망이 대부분의 지역에서 이미 서비스되고 있다고 가정할 수 있다. 이러한 환경에서 NR 서비스의 신속한 도입과 연착륙을 위해 기존 LTE망에 NR 기지국이 추가적으로 구성되는 NSA 모드로 망구성이 진행될 수 있다. 이를 지원하기 위해 LTE와 NR 기지국 간의 협력절차 등을 정의하고, 이와 같이 LTE와 NR을 동시에 사용하기 위한 단말의 capability에 대한 정의를 추가로 진행할 예정이다.
[그림 5] NSA Option 3 구성도
▷ RRC inactive 모드
단말의 전력소모를 줄이고, 단말관리를 위해 필요한 망 내 시그널링 부하를 줄이기 위해 현재 LTE에서 논의 중인 Light connection과 유사한 개념의 RRC inactive 모드를 추가하였다. 이를 위해 RAN notification area(RNA)와 같이 새로운 개념의 페이징 영역을 정의하였다.
▷ 3GPP Radio Access Network Working Group 3(RAN WG3) 표준 기술
RAN WG3에서는 5G RAN의 구축 및 진화 시나리오, NG-RAN 구조 및 인터페이스, 기지국 내부 및 기지국간 인터페이스와 전송 프로토콜, NG-NSA 구조 및 RAN 연동, 네트워크 슬라이싱, QoS 플로우 제어에 초점을 맞추어 규격화하고 있다. 즉, Release-15 WI인 ‘NR Radio Access Technology’과 더불어 ‘Study on CU-DU lower layer split for New Radio’, ‘Study on Architecture Evolution E-UTRAN’의 SI 작업을 진행한다. 특히 신속하고 다양한 SA 및 NSA 모드의 5G 네트워크 진화와 구축 시나리오를 지원하기 위해 NR 및 eLTE(Evolution of LTE) 기지국에 걸쳐 규격화를 수행하고 있다. 특히 5G를 LTE 기반으로 조기에 구축하고자 하는 사업자들을 위해 ’18년 3월까지 LTE EPC 기반의 NSA 네트워크 구조를 최우선 규격화할 예정이며, 5G 코어(5GC) 기반 SA 네트워크의 규격화는 이어서 ’18년 6월에 완료할 예정이다. 따라서 5GC 기반 NSA 네트워크의 규격화는 Release-16 이후에 가능할 것으로 보인다.
그림 6과 같이 NG-RAN으로 표기된 5G RAN 구 조 및 인터페이스는 LTE RAN과 유사하나, 5G 기지 국인 gNB가 CU(Central Unit)와 DU (Distributed Unit) 노드로 분리하여 구성되며, 이들간의 개방형 인터페이스는 F1 인터페이스로 추가 표준화될 예정이다. 여기서 NG-RAN은 5GC에 연결 가능한 NR gNB와 LTE eNB 모두를 포함한다. 또한, 5GC 와 gNB는 NG 인터페이스로 연동되며, gNB 노드간 상호연결은 Xn 인터페이스로 연동된다. 또한, NR gNB는 신규 Layer2 계층인 SDAP(Service Data Adaptation Protocol)을 도입함으로써 5G에서 새로 도입된 QoS 플로우 처리를 담당하게 하였다.
[그림 6] 5G RAN 구조 및 인터페이스
한편, NSA와 SA 모드에 따라 LTE 혹은 NR 기지국이 앵커가 될 수 있다. 즉, Layer 1/2는 대부분 공통이나 Layer 3는 이동성 지원 등의 일부 차이가 있으며, 그림 7은 EPC기반 NSA 구조로서, 기존 LTE의 DC(dual connectivity)를 확장한MR-DC (Multi-RAT DC)를 5G-LTE간 연동 및 SCG Split Bearer가 추가된 4가지 유형의 베이러(bearer) 지원이 가능하다. 즉, 기지국의 무선 접속기술이 서로 다른 MN (마스터 기지국)와 SN(세컨더리 기지국)으로 구성되며, 단말은 MN의 RRC 기준의 단일 RRC로 동작하게 된다. 한편, NG, Xn, 그리고 F1의 전송 프로토콜은 LTE와 동일하게 SCP/IP(제어 평면)와 GTP-U/ UDP/IP(사용자 평면)를 사용하게 된다.
[그림 7] EPC 기반 NSA 네트워크 구조
5G를 미래 성장동력으로 활용할 구체적인 전략을 수립하여 진행해오고 있으며, 5G 포럼에서는 민･관･학･연이 참여하여 5G를 활성화시키기 위한 활동을 지속해오고 있다. 2018년에 개최되는 평창 올림픽을 통해 5G에 대한 관심은 더욱 높아질 것이며, 진행 상황 및 준비 과정을 봤을때 한국에서 5G가 가장 먼저 선보일 것으로 기대된다. 현재 진행되고 있는 표준 논의에 적극적으로 참여 하고 5G 생태계 수립에 기여함으로서 5G를 통해 향후 전개되는 4차 산업 혁명에 대비할 수 있을 것으로 보인다.
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