2020. 5. 19. 01:16ㆍ이동통신
[SKT] 준비 - TTA 이동통신 표준과정
1. 이동통신 표준화 요소기술
1-1. 5G 이동통신 개요
5G에서 가장 큰 것은 아날로그와 디지털을 결합한 「하이브리드 빔포밍」
- 3GPP 현재 독점 (GSM 기반에서 LTE-A까지, 앞으로 이동통신은 3GPP)
- ITU-R ( 각 나라 대표들이 함. 특징이 조금 다름), 공식적으로는 IMT-2020.
- ITU-R 에서 IMT에 대한 Requirement를 만족하면 ~ 4G다, 5G다 라고 하는 것
「ITU-R에서 심사」가 되면 공식적으로 승인이 된다.
4G 승인 받은 것 : LET-A , WiMAX (WiMAX는 문서로만 승인받고 상용화는 하지 않음 )
현재는 5G 승인받은 곳은 없어요.
현재 우리나라는 Rel 15 중 NSA만 상용화.
Rel 16이 상용화 되려면 2021년 하반기 정도 예상.
완전한 5G 망은 구현이 되지 않았다. (5G 기술은 Rel 16)
요새는 3GPP2 단체 활동 안함 X (CMDA 기술을 했던 곳)
IEEE : Wifi 쪽. 이동통신으로는 mobile wimax = wibro 표준.
10년 주기로 기술이 바뀌고 「Datarate이 10배씩」 증가합니다. (4G = 10Mbps , 5G=100Mbps)
다중접속 : Multiple Access(MA) , 「한 cell 에서 여러개 접속」을 어떻게 지원하느냐.
1세대 | 2세대 | 3세대 | 4세대(LTE-A) | 5세대 |
FMDA | TDMA | CDMA | OFDMA | OFDMA |
OFDMA에는 단점이 많았다 (구현대비 큰 장점이 없엇지만, OFDMA으로 가는 방향, 다시한번 OFDMA)
5세대가 4세대와 차이는, Sub-Carrier 간격이 15kHz 한개에서, 여러개로 바뀜 (30,60,120,... 230)
굉장히 복잡한 OFDMA를 사용한다. 5G를 정확히 하려면 OFDMA의 원천기술을 알아야한다.
어떤 상황에서는 어떤것을 쓰고.
[ OFDMA 의 피할수 없는 단점 ]
- Cell Edge에서 Performance 가 좋지 않다. (기지국의 Cell coverage 이슈, 일반적으로는 Hard HO 사용)
- Cell Edge에서 Datarate이 안나오고 , SNR이 좋지 않다.
- MIMO 필수 요건 2개 : SNR이 높고, Channel rate 높고(?)
■ 3G→4G→5G 진화
3G | 4G | 5G |
사람간의 전화 | 자동차, 홈 IoT |
Rel 14.부터 LTE 망을 가지고 V2X를 해보자는 3GPP에서 논의 됨 → c_V2X (phase 1,2 : LTE 기반, phase 3: 5G 기반)
이동통신은 통신 시나리오가 중요. 5G가 되면 좀더 다양한 통신 시나리오 (M2M, D2D)
[이동통신에서 단말기가 기지국에 통신링크 (DL/UL)]
DL 채널 이름 : Phy Down Shared CH (PDSCH)
UL 채널 이름 : Phy Up S Ch (PUSCH)
SL 채널 이름 : Phy S Sha Ch (PSSCH) // Side-Link
ITU-R에서는 이러한 시나리오를 3가지로 분류함
- eMBB ( enhanced Mobile Broad Band) : 고속 데이터 서비스 , (브로드밴드 = 무선 인터넷 서비스)
- mMTC ( Massive Machine type Commu) : 3GPP가 GSM 때 부터 썻던 말. 확장해서 '스마트시티' 를 말한다
- URLLC (Ultra Reliable Low Latency Commu) : Reliable(Tx->Rx 시 에러가 나지 않는다), Datarate하고는 별개다. (use-cast : Medical, Autonomous )
◆ KPI of 5G (8개)
*다시 자세히 공부할 것
[NetManias ITU-R 표준화 현황: 5G 이동통신 핵심 성능 파라미터 – ITU-R WP 5D]
Specrum efficiency : 주어진 주파수를 얼마나 효율적으로 쓰느냐 (MIMO, Modulation으로 효율 높임)
Mobility : 단말기 움직이는 속도가 얼마까지 가능하느냐 (4G = 시속 350km=고속열차의 속도 , 5G= 시속 500Km=KTX의 next ver.)
Peak Datarate : LTE = 1 Gbps , NR = 20 Gbps ( 각 국가끼리 합의 본 수치)
User Experience datarate : 최악의 상황을 의미함. cdf5% (cell 의 1~100점 중 5점에 해당하는 사항)
Latency : User plane Latency ( 단말기-기지국 간 one-way latency 를 의미함. UL 한개의 경우나 DL 한개의 경우)
density : 4G가 10만개, 5G가 20만개
오해하면 안되는 Latency 구간 !
구간이 중요하다. |
★ Latency와 Datarate이 Trade-off 관계다.
Datarate 올리려면 Modulation 증가.(QPSK→16QAM→64QAM→256QAM) 그만큼 Symbol이 가까워져서 Error가 증가함
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
◇ 3GPP 에서 → ITU-R : IMT-2020 제안 표준화
3GPP의 5G 제안은 다음 2가지를 포함 ( * RIT : Radio Interface ,무선 인터페이스 기술)
- RIT : NR only
- SRIT : LTE-A pro. + NR (이거는 독자적으로 Require 못맞춤, NR하고 결합해야함)
5G 표준화는 2단계(2 Phase)로 나눠서 진행함
- Phase 1, Rel.15 (3GPP) : 시급하게 필요한 것 먼저 // 2018.06 완료
- Phase 2, Rel.16 (3GPP) : 5G의 모든 요구사항 반영 , L1은 2019.12 완성 , L2&L3 2020.03
[ NR 설계 방법 ]
Backward Compatible : LTE-A를 설계하는데 기존의 LTE와 호환되게 (regacy)
Forward Compatible : 미래와 호환되게 [현재 NR의 설계 방법]
◇ 「3GPP에서 정의」한 Brand Name : 로고의 그림.
[ TS : 3GPP의 규격 ] Technical Specification ,TS
36 = LTE계열 기술 (SRIT 제안) , 3GPP TS 36.211
38 = 5G (RIT) , 3GPP TS 38.211
◇ 이동통신 용어/명칭 ( ★ 제일중요 )
- 시스템 = AN + CN // 시스템에 외부 인터넷이 연결된다.
- AN : 액세스 네트워크 : 단말기 + 기지국
- CN : 코어네트워크 : 자체 사업자 망 (스위치,라우터)
RAN, Radio AN(액세스 네트워크) 의 3요소
- 단말기 : 엔드포인트, Host, Edge라고 말한다. '단말기→망(기지국)'에 접속 된다고 Access Net이라고 부른다
- 기지국
- RA, RAT (Radio Access Topology) : Interface
이동통신에서는 Access가 Radio 시스템이라 『RAN』 이라고 부른다.
(Access 접속 방법은 Wifi, 유선 등등 여러 종류가 있다.)
RAN | Core | System | |||
RA | BS | RAN | Core | System | |
4G LTE | E-UTRA | eNB | E-UTRAN | EPC | EPS |
5G NR | NR | gNB | NG-RAN | 5GC | 5GS |
* 3G는 4G에서 E를 빼면 된다.
5G 는 특징이, LTE와 5G가 공존한다. (5G 기지국이 LTE Core에 붙을 수 있다는 거에요)
◇ 3GPP의 Rel.15 표준 진행
표준도 NSA 먼저 진행 후 SA 진행함.
Rel.15 에서는 eMBB와 URLLC만 유즈케이스
- NSA : {eNB, gNB} + EPC
- SA : gNB + 5GC
- 실선 = User Plane ( 사용자 데이터 )
- 점선 = Control Plane ( 데이터 처리를 위한 Signal)
[표준 진행] ( NSA 後 SA 진행)
Rel.15 에서는 eMBB와 URLLC만 유즈케이스
- NSA 표준-NR : eMBB +LLC
- SA 표준-NR : eMBB + URLLC
[주파수 대역 명칭]
- Sub-6 = Freq.1
- mmWave : Freq.2
◆ IMT-2020 (ITU-R) Requirement (2017.02) (수정 필요)
Peak data rate | DL 20Gbps UL 10Gbps |
Peak Spectral Effi | DL: 30bps/Hz , 계산 : LTE=20Mhz 최대 -> LTE에서 30bps/hz*20Mhz * (4*4MIMO) * 64 QAM= 300Mbps UL : 15 bps /HZ |
User Experi data rate | DL = 100Mbps UL = 50Mbps |
Control Plane Latency ( link setup 시간, 단말기 전환하는 시간 ) ( IDLE→ ACTIVE) | NR : 20ms in NR , LTE=100ms |
User Plane Latency (단말 active 에서, 단말 IP-to-기지국 IP one-way ) | eMBB (4ms, 재전송 포함 시간) URLLC (1ms) |
Density | 10^6 devices/km^2 |
Mobility | ◎ 정지 : 0ms ◎ 보행자 : 0km/h ~ 10 km/h ◎ 이동수단 : 10km/h ~ 120km/h ◎ 빠른 이동수단 : 120km/h ~ 500km/h |
Mobility interrupt time ( Handover , HO ) | 0ms (CA를 써서, 캐리어 여러개중 한개를 먼저 옮기면 0ms가 될 수 있다) |
Chan BW | Sub-6 : 100MHz mmWave : 1GHz |
URLLC | block error rate |
◇ 3GPP의 5G 시나리오 요구사항 38. ver
<3GPP 표준화 과정 : 3단계>
- High level requirement :
- 임원 미팅 결과, 내용은 추상적임.
- 5g시스템은 좋아야 한다. 포워드 컴퓨팅을 하겟다. 이런 것 (이걸로 시스템 못만들죠) - Require 위해 study item :
- 다중 접속은 무엇으로 할지 .. 이런 좀더 구체화- 결과물은 TR Report , xx.913 문서가 나옴 (23=LTE, 36=LTE-A, 38=5G)
- 2에서 정해진 걸로 실제 규격 규정, work item : 결과물은 TS (spec)
[TR 38.913 (2016/10)]
TR 38.913 에서는 12개의 Scenario가 나옴. (비행기 포함)
위성 (Non Penestrial Network , NPN) , 6G에서는 Sattl을 require로 생각함)
TR 38.913에서는 IMT-2020 대비 Control Plane Latency가 10ms 로 바뀜
NFV 지원 ,Network Slicing, D2D, V2X
(3GPP 5G 요구사항)
◆ 5G Phase1 vs LTE Rel.13
NR | LTE | ||
Numerology (숫자를 다룸, 슬롯 등) | BW | (단말의 서비스가 다양함, 적절하게 배분) | 모든 단말이 20MHz |
Sub-Carrier (kHz) | 15/30/...n배 Multiple | 15 (Fix) | |
( 5G : UL/DL one-way에서 한번에 보낼 수 있는 연속된 심볼의 수. 정의가 바뀜) | Flexible : 1 OFDM symbol~ | (1ms 고정) | |
채널코딩 | Data Chann | LDPC code | Turbo code |
Control Chann | Polar code | ||
파형 | DL | CP-OFDM | CP-OFDM |
UL | CP-OFDM & DFT S-OFDM | DFT S-OFDM(SC-FDMA) | |
MIMO | Dimension | 32Tx 32Rx, MU-MIMO | 16Tx 16Rx |
CSI | SU/MU-MIMO |
[5G 스케쥴링 Slot]
5G 에서는 스케쥴링 단위가 slot . slot의 길이는 Sub-carrier spacing에 따라 달라짐
normal slot은 14개 symbol
시간은 sub-carrier spacing에 따라 달라진다.
15개 보내면 1ms // 15*1ms = 15ms
30개 보내면 0.5 ms // 30*0.5ms = 15ms
우리나라는 30개 사용해서, 실제로 스케쥴링은 0.5ms 단위로 된다.
Data Channel은 error가 중요
Control chann은 Decoding을 빨리하는게 중요. Decoding Complexity
* 여기 좀더 찾아볼 것
DFT-S-OFDM으로 만든게 SC-FDMA.
DFT 쓴 중요한 이유는 PAPR이 높기 때문에 (대신 성능이 안좋아짐)
그래서 5G에서는 DFT를 잘 안쓰고, 단말의 파워가 모자랄때, 셀 커버리지의 끝자락에 있을 때 사용한다.
LTE는 실제로 MIMO 기술이 부족함. Single 용.
5G는 Multi랑 Single 규격이 달라요.
◇ 4G & 5G Network Architectures
1. EPC (4G LTE Core Net)
- Circuit Core : 서킷을 처리 - {2G,3G} (음성)
- Packet Core : 패킷을 처리 - {2G ~LTE , Non-3GPP} :: 모든 망과 연결. (데이터)
- User Mgmt : User DB, 주소, 요금정보 등
- IMS domain : IP Multi-media Service 장비
- 외부망 : CS Net :: PSTN (옛날 전화망)
외부망 : IP Network
LTE는 Circuit으로 연결되지 않아요. All-IP (단말기는 3G,4G 둘다 지원)
3G Core 는 패킷코어-IP , 서킷코어-PSTN 분리.
https://sites.google.com/site/lteencyclopedia/lte-network-infrastructure-and-elements
- S1 : LTE에서 eNB와 EPC를 연결하는 부분
S1을 지나 EPC로 들어갈 때 크게 Data Plane / Control Plane으로 나누어진다.
|
* 추가 공부할 거
◆ 3G Core VS 4G Core
3G는 Net 이 3단계 구성 Core + RAN(NodeB+ RNC)
3G의 RAN 구성 : 2단계 = 기지국 + 기지국제어RNC
3G core 는 음성과 데이터를 나눠서 처리. (Core = SGSN + GGSN)
LTE는 RNC가 기지국(eNB)으로 내려옴, 그래서 Net이 2단계, EPC + E-UTRAN
X2 : eNB간 (셀간 ) 통신하는 인터페이스
※ 5G Net Arch는 LTE 처럼 5GC + NG-RAN
- S1 → NG 로 명칭이 변경. 그리고 Plane을 나눔
- S1-C(S1-MME) → NG-C (AMF)
- S1-U → NG-U (UPF) --- UP가 외부인터넷 연결
LTE 때 :
- CP : MME
- UP : SGW, PGW
5GC 특징은, NFV , SDN, Cloud. 가 적용이 됨. 5GC의 핵심은 HW Dependency를 줄임.
또한, EPC에서 C/U가 제대로 분리 안된 것을, Function 기준으로 5GC에서 새롭게 분리함.
이렇게 바뀜. 배치도 조금 바뀌었다. |
UTMS(Universal Mobile Telecommunication System) , IMT-2000, EU 대변, WCDMA
◆ DC, Dual Connectivity. (MeNB + SeNB)
핵심 : 하나의 셀이 Macro Cell과 Small Cell 과 양쪽으로 연결
- CP는 Marco에서 다 처리
- UP는 Macro/small 둘다 받거나 한쪽 받거나 하는 3가지 옵션이 있음.
내용 :
- Macro Cell(Low Freq. , 안정적 Cover)과 Small cell( BW넓게, Cover 작게)을 역할 분담 !
이거를 5G에서 eNB(Macro = MeNB)와 gNB(small, SeNB) 결합시켜서, Multi-Radio DC (MR-DC) 라고 부름.
(Primary Cell, Secondary Cell)
◇ UP of DC
□ DC 에서 UP(data) 처리 3가지 : Macro , Small, Marco&Small
- MCG(MeNB Cell group) cell bearer
- SCG(SeNB Cell group) cell bearer
◇ CP of DC
- MeNB 가 CP for UE : S1-MME, RRC
◇ MR(Multi-RAT) DC :: RAN쪽 기술 (RAT)
규칙 : 1. Control(MeNB) - SeNB 2. Core는 MeNB의 generation 따름
- EN-DC : E-UTRA - NR / Core EPC
- NE-DC : NR - E-UTRA / Core 5GC
- NG E N-DC : NG-RAN - E- UTRA - NR // E-UTRAN이 Control
또 새롭게, NR-NR 도 논의 되고 있다. 이것은 NR-DC 라고 부른다. 이러면 RAT가 Multi가 아니어서, Multi-radio로 이름이 바뀜.
# EN-DC
- Core : EPC (MME + S-GW) , P-GW는 보이지 않는다.
- RAN : E-UTRAN + gNB -> en-gNB 라고 부른다. (S1-U, X2-U)
자기 Core 랑 붙을 때는 이름이 안바뀐다. 남의 Core와 붙을 때는 이름이 바뀐다.
◇ 5G Archi Option : 8개
RAN | Core | |
1. Legacy SA | E-UTRAN | EPC |
2. SA | NG-RAN | 5GC |
3. NSA | EN-DC | EPC |
4. NSA | NE-DC (CP가 NG-RAN, 고주파라 힘듬) | 5GC |
5. NSA | E-UTRAN | 5GC |
6. NSA | NG-RAN | EPC |
7. NSA | (E-UTRAN이 Core) | 5GC |
8. NSA | (잘 안생김) | EPC |
5G의 핵심기술
1. OFDM (Multiplex)
- OFDMA (MA: Cell에서 다중접속) 는 OFDM 전송기술을 기반으로 MA 한 것.
- OFDM 기술은 CDMA와 비슷하다.
- CMDA는 1950년대의 DS-SSCS 전송기술에 기반, 이것을 여러명이 접속하도록 한게 OFDMA
OFDM 기술 개요
- Time domain : Rect Func <-> Freq. 에서 sinc function.
- 특징은 freq의 peak가 time의 면적이다. 1/T 역수로 harmonic 발생
- 시간의 limit은 주파수의 unlimit
OFDM에서 무선채널, Coherence BW가 중요함.
통신에서 Coherence BW를 알아야 OFDM 에서 Sub-carrier 큰거 쓸 때, 작을거 쓸 때 차이를 알 수 있다.
1. 채널의 특성
- 먼저 Tx → Rx 로 무선으로 전송하는 상황에서 동일한 Amp(Power)로 보낼 때,
수신기에서 받는 신호는 Path loss 로 Power가 감소. - 그런데, 실제로 수신은 송신 주파수와 동일하게 받아지지 않고, 주파수 별로 Path loss가 다르게 적용된다.
- (= BW를 넓게 사용할 때, 각 주파수 별로 채널 Gain이 다르다. 채널 Gain에 따라 높낮이)
(이것은 채널 특성, 다른말로 시스템 특성이라고도 부른다) - 여기서 채널 게인이 비슷한 Freq.구간을 Coherent BW 라고 부른다.
Co=함께, herent=Flow=흘러간다.
1. Co BW > Tx BW : Tx BW가 동일한 채널 특성 (Freq. non-symmetric fading)
2. Co BW < Tx BW : Tx BW가 다른 채널 특성 (Freq. channel Selective fading)
CoBW 와 Tx BW는 상대적인 개념이다. 항상 바뀔 수 있는 개념.
OFDM 설계 시 중요할 때, 1개의 Sub-Carrier는 Freq. non-symmetic Fading으로 한다. (수신기의 복잡도를 낮게)
Co는 자연현상이고, Tx는 설계 하는 것.
주파수에 따라 사용할 수 있는 「SCS」 (Sub-Carrier Spacing)은 달라진다.
- Freq 축 : 특정 Channel의 주파수 특성을 알 수 있음
- Time 축 : 주파수 특성이 항상 일정한게 아니고, 시간에 따라 올라갈 수도 내려갈 수도 있음
이 모양이 일반적인 무선 채널 , 이것을 잘 활용해서 시스템을 설계
- OFDM의 Sub-carrier 개수 : 수십~수천개 ( 5G에서는 3300개 정도 )
- OFDM의 Sub-carrier 간격 : 시스템의 요구상황에 따라 다름 (LTE=15Khz, Wibro=10Khz, 5G는 알죠?)
Freq. Selectivity는 예측 할 수 없지만, 주파수-시간영역 성격으로 간접적으로 Freq. Selectivity를 알아낸다.
「Multi-path Delay Spread」 와 「Coherene BW」는 서로 반비례 관계다.
시스템 기지국에서는 Delay Spread가 굉장히 중요한 사항
Delay Spread가 크면, 주파수의 Channel gain이 빠르게 변함. 즉 Co BW가 작아짐
# Multi-path Delay Spread (무선에서 굉장히 중요함)
- 주파수 축에서 어떤 주파수를 1개 고른다.
- 어떤 주파수 1개를 순간적인 Pulse를 발생시킨다.
- Omni Direction 안테나에서 Tx한다.
- 전파가 반사되어서 Rx에 도착한다. 이 때 Rx에 도달하는 Path는 무수히 많다.
- Rx의 도달하는 Time-Power Graph를 그려보면, Propagation Delay, Path loss 가 발생.
- 실제로 측정을 해보면, Smooth 하게 Receive 되지 않는다. 줄어들다가 커지는 이유는, Path가 많고 Path마다 들어오는 「Phase」가 다르다.
Multi-path delay profile = 중요한 신호 Modeling
Variance = Delay Spread (얼마나 퍼져서 들어오느냐)
- Delay Spread가 크면 시간축이 커지니, 주파수 축의 Co BW는 짧아짐.
→ Time-Domain으로 Freq. Domain예측가능 - Tx-Rx 間 간격이 커지면 (= Cell Coverage가 커지면), Delay Spread가 커질 가능성 높아짐.
- 고주파에서 Path loss가 커지고, Delay Spread는 작아질 확률이 높다.
- 뻥 뚫린 지역에서는 Delay Spread가 작아진다.
# Coherent Time
(CoBW가 Freq 개념이면, CoTime은 시간축 개념)
Coherent Time과 도플러확산은 반비례 관계
- 채널이 빠르게 변할수록 도플러 확산은 커짐
만약에 UE가 있고 BS가 있는데, 특정시간부터 Channel을 측정할때, Channel은 안바뀌어요. (UE가 고정)
- CoTime = Channel 상태가 바뀌지 않는 시간 구간 (채널상태가 비슷한 시간 구간)
- 그런데 단말기가 움직이면 채널특성이 같아지는 시간이 짧아지는거에요.
Delay Spread와 대응되는 개념이 Doppler Spread에요.
Doppler Spread : 채널상태가 얼마나 빠르게 변화하느냐
- Tx에서 주파수를 쐇는데, Rx에 받을 때 수신기의 Freq.가 좌우로 흔들리는 !
- Tx와 Rx의 Freq가 달라지는 것. 얼마나 퍼지느냐.
CoTime이 커지면 Doppler Spread가 작아져요.
일반적으로 Doppler Spread가 커질 때는, KTX 타고 있을때 (단말이 빠르게 움직일 때)
이게 왜 중요하냐?
- OFDM에서는 주파수를 겹쳐서 Tx 하게 되는데, Doppler Spread가 생기면, Sub-Carrier의 Orthogonality가 깨짐.
- Freq가 틀어짐 (Freq-offset 발생)
- ICI (Inter-Carrier-Interference)가 발생. Error가 많이 생김
# Orthogonality
- 두 Vector가 Vector-space에서 수직.
- Vector가 직교한다의 의미 : 서로 다른 Dimension에 있음. 이를 알아내는 방법은 inner-product
- 내적의 의미 : Vector 間 서로 얼마나 관련성이 있는가 ( 기하에서는 관련성이 없으면 다른 차원/도메인에 있다고 한다. )
- Orthogonal의 의미 : 뭔가가 섞여있긴 하지만 아무 관계가 없는 상태
- 지금까지는 Vector에서 이야기고 이제 Function에서는, Time-domain에서 두 function 의 inner-product :
f(x) dot g(x) - 두 Signal이 섞여있긴 하지만, 서로 영향을 주지 않는 상태 : Orthogonal
설명안하고 넘어간 것
- OFDM 구현 : IFFT & FFT
- OFDM 에서 ISI와 CP, Symbol
- OFDMA : MA는 스케쥴링
- OFDMA : RB(Resoucre Block), TTI, Freq. Diversity(자원할당방법)
- PAPR : Peak to Average Power Ratio
- OFDMA의 장점과 단점
- CDMA vs OFDM vs OFDMA
'이동통신' 카테고리의 다른 글
SKP - 이동통신과 비즈니스 이해 (0) | 2020.05.30 |
---|---|
3GPP 사실 표준화 사례 (0) | 2020.05.30 |
이동통신 표준화기구별 표준현황 (0) | 2020.05.29 |
[SKT준비] 목차 (0) | 2020.05.18 |
[SKT준비] 5G 개요 (0) | 2020.05.18 |