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  • 작성자 사진5G포럼

IMT-2020 (5G) 무선기술 성능 요구사항 및 평가방법

최종 수정일: 2018년 4월 25일

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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