오성준┃5G포럼 무선기술위원회 위원, TTA SPG33 의장, 고려대학교 교수
최형진┃5G포럼 주파수위원회 부위원장, TTA SPG34 의장, 삼성전자 DMC 연구소 글로벌 표준팀
조영익┃TTA 이동통신 표준팀 책임연구원 임한나┃TTA 이동통신 표준팀 책임연구원
International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) 에서는 5G 이동통신 시스템을 International Mobile Telecommunication system 2020 (IMT-2020) 으로 명명 하였다. 또한, 2015년 6월, 5G 비전 (vision) 권고를 통해 IMT-2020 시스템이 지 원 하는 서비스 시나리오와 주요 성능 지표에 대 한 항목 및 값을 정의 하였으며, 기술/주파수/상 용화 로드맵을 정의한 바 있다. 비전 권고의 주 요 내용으로는 전통적인 고속 무선 데이터 서비스 (enhanced Mobile Broadband, eMBB) 와 더불어, 사물 통신 (massive Machine Type Communication, mMTC) 서비스 및 높은 신뢰성 및 저지연 (UltraReliable Low Latency Communication, URLLC) 서비스 등 3가지 시나리오에서 IMT-2020 시스 템이 사용될 수 있으며, 최대전송속도, 주파수 효 율 등 8가지 주요 성능을 IMT-2020이 제시한다 는 내용이다. 주요 성능 지표에 대한 내용은 [그 림 1]에서 확인할 수 있다.
[그림 1] 5G 비전 권고에서 제시하는 IMT-2020 시스 템의 8가지 주요 성능 지표 및 IMT-Advanced (4G) 시스템 대비 성능 향상 비교
ITU-R은 3GPP와 같은 상세 기술 규격을 개발하는 단체들과 협력을 통해 5G 무선통신 시스 템의 기술 표준 권고를 개발 및 승인한다. 이러한 ITU-R내의 승인 절차는 매우 구체적이고 자세한 성능평가 과정을 요구 한다. 이러한 목적으로, ITU-R 내에서 IMT-system 에 대한 표준을 담 당하는 Working Party 5D(WP 5D)에서는, IMT 시스템의 기능 및 성능에 대한 구체적인 내용과 그것을 평가하는 방법에 대해 2016년 2월부터 2017년 6월에 걸친 5번의 회의를 통하여 결정하 였다. IMT-2020의 성능요구 사항 및 이 성능 요구사항의 만족 여부를 평가하는 평가방법이 ITU-R WP 5D에서 만든 IMT-2020 시스템 승 인에 필요한 구체적인 내용이며, 5G 비전 권고에 기반 하여 만들어 졌다. 이에, 2017년 10월부 터 ITU-R에 제출 되는 IMT-2020 후보기술은 제시된 방법에 따라 평가를 받게 되며, 평가의 결과가 [2]에서 제시한 기준 값을 만족시킬 때, 후 보기술은 IMT-2020 시스템으로 승인 되게 된다.
본 이슈 리포트에서는 각각 2017년 2월과 6월 ITU-R WP 5D에서 결정된 IMT-2020의 성능요구 사항 및 평가방법에 대해 기술 하도록 한 다. 보다 구체적인 후보기술 제출 및 승인에 관한 절차는 역시 2017년 6월에 WP 5D에서 결정된 ITU-R 보고서 에 정의 되어 있다. 성능 요구 사항, 평가방법 및 절차가 정의 되어 있는 5G비전권고, 성능요구 사항 및 평가방법은 2017년 11월 ITU-R Study Group 5 의 공식적인 승인 절차를 기다리고 있다.
5G 비전 문서를 통해서 5G 이동통신의 모습을 상상할 수 있었다면, 2017년 2월과 6월에 결정된 IMT-2020 평가 항목 및 평가 방법을 통하여, 5G의 구체적인 모습을 현실에서 볼 수 있게 되었 다. 4G 평가그룹으로서의 경험을 바탕으로, 5G IEG로 등록된 TTA SPG33은 9개 평가그룹의 리 더로서 우리나라가 5G 국제표준을 주도하는데 중 요한 기여를 할 것으로 기대 된다.
성능 평가 항목 및 요구사항
표준화 일정에 따라 2017년 2월에 열린 WP 5D 26차 회의에서 상기 [표 1]의 13개 요구사항 항목별 정의 및 성능 목표 값, 그리고 해당 요구사 항이 적용되는 사용 시나리오가 최종 결정되었다.
최대전송속도 (Peak data rate)의 경우 오류 가 없는 이상적인 조건 하에 최대로 달성 가능한 전송 속도로 정의되었고, 최대주파수 효율과 대역 폭과의 연산을 통해 그 값을 산출할 수 있다. 최 대주파수 효율 (Peak spectral efficiency)의 경 우 단일 단말에서 오류 없는 조건을 가정하고 있 으며, 하향링크에서 8개 스트림과 상향링크에서 4개 스트림 지원이 가능한 안테나를 가정하고 있 다. 사용자 체감 전송속도 (User experienced data rate)의 경우 사용자 전송속도의 누적분포 함수 (CDF, Cumulative distribution function) 상에서 5% 지점으로 정의하고 있으며, 셀경계 사 용자 주파수 효율과 대역폭의 연산에 의해 도출 가능하다. 셀경계 사용자 주파수 효율 (5th percentile user spectral efficiency)의 경우 사용자 체감 전송속도와 마찬가지로 CDF 상 5% 지점에서의 주파수 효율로 정의하고 있다. 평균 주파수 효율 (Average spectral efficiency)의 경우 성공적으로 수신된 모든 사용자의 전체 전송속도와 관련된다.
[표 1] 13개 요구사항 항목 및 목표 성능 값
면적당 트래픽 용량 (Area traffic capacity) 의 경우 1 제곱미터 면적당 제공되는 트래픽 전송 속도로 정의된다. 사용자 측면의 전송지연 (User plane latency)의 경우 패킷이 전송되어 수신될 때의 시간까지의 시간 (ms)로 정의된다. 제어 측 면의 전송지연 (Control-plane latency)의 경우 가장 배터리가 효율적인 상태 (즉, Idle 상태)에서 연속적인 데이터 전송의 개시까지의 전이 시간으 로 정의된다. 연결밀도 (Connection density)의 경우 단위 면적 (km2 ) 당 특정 QoS를 만족하는 전체 장치 (device)의 수로 정의된다. 에너지 효율의 경우 네트워크 에너지 효율과 단말 에너지 효율로 구분되고, 네트워크 에너지 효율은 제공된 트래픽 용량과 관련하여 무선접속 네트워크 에너 지 소비를 최소화하는 능력으로 정의되며, 단말 에너지 효율은 트래픽 특성과 관련하여 장치 모뎀 에 의해 소비되는 전력을 최소화하는 능력으로 정 의된다. 신뢰성 (Reliability)의 경우 예정된 지속 시간 내 트래픽 총량과 관계되고, 요구되는 최대 시간 내 전송되는 layer 2/3 패킷의 성공 확률로 정의된다. 이동성 (Mobility)는 정의된 QoS를 보 장하는 최대 단말 이동 속도로 정의된다. 이동성 단절 시간 (Mobility interruption time)의 경우 단말이 기지국과 패킷 교환이 이루어지지 않는 가 장 짧은 지속시간으로 정의된다. 마지막으로 대역 폭 (Bandwidth)는 최대 집성 시스템 대역폭으로 정의되고, IMT-2020 기술은 다양한 대역폭을 지원할 수 있는 가변적 대역폭 (Scalable bandwidth)이 필수로 지원되도록 정의되었다.
아울러 각 요구사항 항목별로 어떠한 사용 시 나리오에 매핑이 되어 평가될 것인지에 대해서도 같이 정의되었으며, 그 내용은 [표 1]의 세 번째 열에서 볼 수 있다. 표에서 볼 수 있듯이 eMBB 시나리오 평가 항목에는 전송속도 및 주파수 효율 등이 해당되고, URLLC 시나리오 평가 항목에는 전송지연 시간 등이 해당되며, mMTC 시나리오 평가 항목에는 연결밀도가 해당된다.
평가 항목별 평가 방법
2017년 6월에 열린 WP 5D 27차 회의에서 표준 화 일정에 따라 앞에서 기술한 13개 평가 항목과 관련하여 2017년 10월 이후 제안될 IMT-2020 후 보기술을 어떠한 방법으로 평가할 것인지에 대한 상세한 내용을 최종적으로 결정을 하였다. 상위레 벨에서 항목별 평가 방법은 [표 2]에서 정의 되어 있다.
[표 2]에서 보는 바와 같이, 실험/분석/직관 등 3가지 평가 방법이 있다. 이중 실험은 컴퓨터 모 의실험 (simulation)을 통하여 성능 값을 도출해 내는 것으로, 실제 IMT-2020의 구현 환경을 고 려한 5가지 실험 환경이 정의 되어 있다. 5가지 실험 환경은 eMBB 서비스를 고려하는 실내 핫 스 팟 (Indoor Hotspot-eMBB), 밀집 도심 (Dense Urban-eMBB), 교외 (Rural-eMBB) 환경과, mMTC 서비스를 고려하는 도심 (Urban MacromMTC) 및 URLLC 서비스를 고려하는 도심 (Urban Macro-URLLC) 환경이다. 분석적인 방법은 단 순(straight forward) 하게 계산될 수 있는 값들 로 성능요구 사항[2]에 정의된 내용에 따라 계산 할 수 있는 값들이다. 다만, 분석적인 방법으로 계산되는 항목 중 몇 가지는 실험을 통해 얻어진 값을 기반으로 해서 산출하는 것으로, 실험 결과 값이 필요한 경우도 있어서, 순전히 단순한 계산 만으로 성능을 평가한다고 보기는 어렵니다. 직관 은 후보기술의 기능 및 후보기술 내 관련 파라메 터 값을 검토함으로써 성능을 판단할 수 있는 경 우를 의미한다.
[표 2] 평가 항목별 평가 방법
▷ System-Level Simulation을 통한 eMBB 시나리오 평가
eMBB 성능평가 항목인 평균 주파수 효율과 셀 경계 사용자 주파수 효율은 다수의 기지국과 다수 의 단말이 있는 무선 통신 시스템 컴퓨터 모의실험 을 통하여 결정 하도록 한다. 이때 실내 핫스팟/밀 집 도심/교외 등 실험 환경에 따라, 기지국과 단말 들의 위치 그리고, 무선 채널 모델 등에 대한 자세 한 내용이 평가방법 문서에 설명이 되어 있다.
평가방법 문서에 정의 되어 있는 방법에 따 라, 후보기술의 상향 (단말에서 기지국) 및 하향 (기지국에서 단말) 시스템 평균 주파수 효율 및 셀 경계 사용자 주파수 효율을 얻을 수 있다. 사용자 체감 전송속도와 면적당 트래픽 용량 등의 평가 항목은 실험을 통해서 얻은 평균 주파수 효율 및 셀 경계 사용자 주파수 효율을 이용하여, 가정된 주파수 대역 및 영역을 고려하여 산출 된다.
▷ Link-Level Simulation을 통한 신뢰성 및 이동성 평가
다수의 기지국/단말을 고려한 시스템 실험을 통 하여 시스템 전체의 성능 측면에서 이동성 및 신뢰 성을 평가하는 것이 더 적절할 수도 있으나, 평가 방법론에서 제시하는 system-level simulation 방법은 일반적이며 평균적 상황에서의 성능 평가를 목적으로 하고 있다. 따라서, 500Km/h의 고속 이동성 및 1-10-5 의 매우 높은 신뢰성의 확률을 평가하기 위해서는 이동성/신뢰성 평가를 위한 별 도의 방법론이 필요하며, 이는 한쌍의 단말/기지국 에 대해 평가는 link-level simulation을 통해 평 가를 하고 있다. 다만, system-level simulation 을 통해 전체 시스템 상황을 고려하여 평가에 반 영하도록 하고 있다. Link-level simulation을 통하여 이동성/신뢰성을 평가하는 방법 및 systemlevel simulation의 결과를 반영하는 방법 등은 평가방법 문서[3]에 기술 되어 있다.
▷ 연결 밀도 성능 평가
연결 밀도 성능 평가는 mMTC 시나리오만을 고려하고 있으며, mMTC 시나리오에서는 연결 밀 도 성능만 평가 하고 있다. 즉, 제안된 IMT-2020 후보기술이 mMTC 시나리오에서 성능 요구사항 을 만족시킨다는 결론을 얻기 위해서는 연결 밀도 성능의 요구사항 만족 여부만 검토하면 된다.
연결 밀도의 성능도 다수의 기지국과 단말을 고려하는 시스템 성능을 통하여 얻는 것이 적절할 수 있겠으나, 106 /km2 정도의 높은 밀도 단말 상 황을 system-level simulation을 통하여 신뢰성 있는 결과를 얻기는 어려운 문제가 될 수도 있다. 오히려 하나의 기지국/단말 link 만을 고려한 link-level simulation을 통하여 다양한 상황의 결과를 얻고, system 상황을 고려하여 106/km2 의 연결밀도가 가능한 것인가를 산출하는 평가 방 법도 가능하다. 평가방법 문서[3]에서는 이 두가 지 방법, 즉 system-level simulation을 통한 직접적인 방법과 link-level simulation을 통해 결과를 산출하는 간접적인 방법, 모두가 가능한 방법으로 정의 하였다. IMT-2020 후보기술을 ITU-R에 제안하는 제안자의 자체 성능 평가 시 에 혹은 외부 평가 그룹의 평가에서는 두 가지 방 법 중 원하는 방법 한가지만을 선택하여 평가하는 것이 가능하다.
▷ 분석 또는 직관을 통한 평가
앞에서 설명한 평가 항목을 제외한, 최대 전송 속도, 최대 주파수 효율, 전송 지연 시간, 에너지 효율, 이동성 단절 시간, 대역폭 등의 평가는 컴 퓨터 모의실험을 통한 결과를 이용하지 않고, 후 보기술을 분석/검토를 통하여 성능 요구 사항을 만족시키는 가를 평가 한다.
독립 평가 그룹
앞에서 설명한 IMT-2020 후보 기술에 대한 평가 ITU-R 내부에서 진행 되는 것이 아니라, 독립적인 평가그룹(Independent Evaluation Group, IEG)에 의해 수행된다. IEG는 ITU-R에 등록 후 제출된 IMT-2020 후보기술이 ITU-R이 정의한 요구사항에 부합하는지 검증하기 위해 적합성 기 술 평가를 2018년 10월부터 2020년 2월까지 수 행하며, 다른 평가그룹 간 의견조율과 합의 도출을 진행한다. 이후 ITU-R은 2020년 10월에 이 평가를 통과한 IMT-2020 후보기술을 최종 국제 표준으로 공식 승인하게 된다.
한국에서는 TTA 5G 특별기술위원회 산하 5G 기술평가 프로젝트 그룹인 TTA SPG33이 ITU-R 평가그룹으로 (Independent Evaluation Group, IEG) 등록 되었다. 2017년 9월 현재 한국을 비롯 하여 중국/일본/인도/캐나다/대만/유럽/미국 내 의 단체에서 총 9개(유럽에서는 2개)의 IEG가 등 록 되어 있다.
TTA는 앞서 ITU-R의 4G 평가그룹 활동을 성 공적으로 수행한 바 있다. 지난 2009~2010년, 당 시 TTA IMT 기술평가 프로젝트 그룹(PG707)은 IMT-Advanced 평가 가이드라인의 오류를 정정하 고 시뮬레이션 평가 결과를 제시하는 등 후보기술 평가를 주도하여 TTA가 제안한 LTE-Advanced 기술과 WiBro-Evolution 기술이 4세대 이동통신 공식 국제표준(IMT-Advanced)으로 승인되는데 중요한 역할을 했었다. 이러한 경험을 바탕으로 TTA 5G 기술평가 프로젝트 그룹(TTA SPG33)은 2020년까지 국내 산학연에서 개발된 평가툴을 활 용하여 ITU-R의 IMT-2020 후보기술 평가기준 에 따라 후보기술에 대한 적합성 검증을 수행하고 관련 평가 보고서를 작성하여 ITU-R에 제출할 예정이다.
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