5G 이동통신 기술과 서비스 - 2019 가을 한국통신학회

이동통신 장비 예 :

• Core Network 장비
• RAN 장비 : BBU, RRH

(그림 찾아볼것)

 

RA 에 필요한 기술

• Radio Freq.
• MA
• Modulation
• Channel Coding
• Call Processing

 

[Phy Layer Processing]

bit : Channel Coding → Code symbol : Scrambling → Scrambled Code : Modulation(QAM) →Moduled Symbol : Mapping → Transformed : OFDM (IFFT) → Tx

 

 

[전파의 특징] : 굴절, 반사, 회절, 편파(극성), 산란

전원을 계속 투입 했을 때, 선로의 끝에서 떨어져 나감. 이것이 공간으로 잘 전파되게 하는 것이 안테나

 

 

FSPL 은 1에 가까운게 좋은데 , Freq. 가 ↑ 해지면, Loss가 커진다.

 

이동통신은 지상을 움직이는 것을 전제로 한다. 각종 장애물이 많음 (Fading)

전파에는 Shadowing : 음영지역

 

[MA] : 찾아서 공부 할 것

 

 

 

 

ISI (Inter-Symbol-Interference)

이동통신은 특정 수파수 (Coherence BW) 의 Fading ( 및 Path loss) 가 심한 것이 특징

전파는 물기를 만나면 특성이 달라져서 일관적이지 않다. 아침과 저녁의 특성이 다를 수 있다.

Modulation 이 깨지는 것을 Freq. Selective Fading 이라고 한다 ( Tx BW 가 out-of-range CoBW 일 때)

 

OFDM은 Multi-carrier를 사용하기 때문에 손실된 Sub-Carrier 만 다시 받으면 된다는 점에서 강점을 지님.

( 다시 말하면 Multi-Carrier는 OFDM의 특징,  반대에는 BW를 통으로 사용하는 Single-Carrier가 있다)

 

• SC에서의 간섭 : Adj Channel 간섭, Co-Channel 간섭
• OFDM의 간섭 : ISI, ICI
• 1 Symbol : Freq. 도메인에서의 Multi-Carrier의 Group

 

 

ISI : Multi Path 에서 Delay Spread가 크다 (== Co BW가 좁다) → Time-domain에서 지연돼서 도착 → 수신시 뒤의 심볼에 영향을 줌 → Rx Amp가 감소 = ISI

 

 

Access Engineer관점에서 ISI는 어떻게 줄일 수 있을까?

=> Cyclic Prefix (CP, 뒤의 것을 앞으로 땡겨와서 붙이기)

1. (0 인 신호, Guard Time )를 Symbol 뒤에 붙여서

2. CP는 delay Spread 보다 길게 해야 한다!

 

 

 

ICI (Inter-Carrier-Interference)

 

 

ICI : 이웃 캐리어 간의 간섭으로 발생

=> 해결방법 : OFDM (Orthogonal 하게)

 

Orthogonal 알려면, T-domain의 Rect func. == Freq.-domain의 Sinc Function이고

Rect의 주기 △t가 Freq.의 △f 과 역수이고. Freq.에서 첫번째 0이 되는 지점 이 중요

 

 

 

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샤논의 법칙 - 채널 용량

C (bps) = n (안테나 수) * BW  (hz) * log (1+ SNR)

• 늘이는 방법 : BW를 높게 가져간다. (log 함수라서, SNR을 높게가져가도 Saturation 된다. Amp를 높이는데는 한계가 있다)
• 늘이는 방법 : MIMO를 사용한다.

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채널코딩

: 무선구간에서 Err가 발생했을 때 처리하는 방법.

 

종류 : 

• LDPC (Low Density Parity Check) : 5G 사용 방법
• Polar : 5G Control CH
• Turbo : 4G 사용방법

 

 

• FEC ( Forward Err Connect ) : Data 뒤쪽에서 Err를 수정하는 것을 싣음. 음성/비디오 에 사용 ( 전송 후 끝. CRC같은 느낌)
• ARQ : 다시 보내는 방법

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이동통신 망 구성

Node B (NB) : BTS(기지국) + MSC( 스위칭 센터 )

 

 

 

5G 에서 : BBU = CU + DU

 LTE 때 부터 분리 BS = RF + 신호처리(BBU)   // RRH 찾아볼것)

 

RF 케이블 아니고 광케이블로 전달함 , 전달하는 프로토콜 CPRI

 

 

 

안테나가 쏘는 것 따라 빔패턴이 형성.

 

기지국의 여러개 RRU(==RRH) 가 BBU로 전송됨. 

근데 BBU가 비싸서, 이게 클라우드 랜 개념으로 감. (NFV를 사용)

 

DAS : Distribute Antenna : 중계기

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호처리 = CALL = 부를 호

이동통신은 Layer를 최대한 적게 사용, ( L1~L3 )

 

L1 : 전파

L2 : Multiplex , Err 재전송,  RLC, MAC

L3 : RRC(시그널 전송) 

* L3는 End-point가 다르다. Signal 마다 Core 까지 가는것, IMS망 까지 가는것 .

 

 

 

CP : PDCP(L2) - RRC(L3) - NAS    --- S1- MME (UE가 어디에 있는지)---- HSS(가입자 인증)  : 분리 이유는 데이터 특성이 다름

UP :  --- SGW --- PGW

CP와 UP는 RAN에서 나눠서 Core로 보내준다 

RLC 는 RAN에서 UDP/IP 로 바뀜

PDCP는 RAN에서 터널링 후 GTP (GPRS 터널링 프로토콜)

 

L3, CP , RRC : 중앙집중 되어있음

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* UP :  SDAP : Service Def.

* CP : NAS : 정당한 가입자 인증을 위해 ARQ

* CP : SI : System Information : 사업자(통신사) 확인, 주파수 확인

* CP : Paging : 단방향 통신 이라는 뜻 (전화, 문자, 푸쉬 알림)

 

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CALL PROCESSING

Cell search & DL Sync

1. UE : Cell Search :  현재 위치의 cell 탐색 및 신호 세기 읽음

2. UE : System Info 획득 : 주파수, 대역폭, 안테나 개수

3. UE : 1 slot의 마지막 받은 OFDM 심볼의 PSS 찾음. (PSS 두번 전송됨)

4. UE : 1 slot의 마지막 받은 OFDM 심볼의 SSS 찾음. 획득한 Cell ID로부터 DL_RS(ref sig)받아 동기화.

(제일 쎈 주파수 채널에 붙는다)

 

Sys Info. == Net Config 단계

5. UE : gNB로부터 수신한 PBCH를 Decode한다 (system info단계, MIB 라는 마스터 정보 블록)

- MIB는 BCH를 통해 40ms 간격으로 전송받음

- BCH는 2slot의 중앙에 담겨있으며, 72개의 서브캐리어에 나누어져 전송.

6. UE : Sys IB 에서 PDSCH 받음

- SIB : 서브프레임 정보, 스케줄링정보, UL Bw 정보, UL 전력제어 정보, 셀 선택 정보, ..

* MIB > PBCH

* SIB > PDSCH

* MIB, SIB는 브로드 캐스트 정보이다.

 

Random Access 단계 ,  UL Sync  (충돌시, 임의시간 딜레이, 재전송 전파세기 상승. 이 2개가 중요) , Attach 

7. UE-> RAN : UL 보냄. RACH 로 프리앰블(의미없는정보) 보냄. 이를통해 거리를 추정하고, 전송 타이밍 조정하여 업링크 싱크 맞춤.

8. RAN->UE : DL : 업링크 스케줄링 할당(PDCCH),  PDCCH 랑 PDSCH 정보를 준다. (랜덤액세스 리스폰스)

9. UE-> RAN : UL : PUSCH 보냄. RRC 커넥트 요청 (CP 신호 L3 )

10. RRC 리스폰스 하고, 셋업

11. UE <->RAN<-> Core : USIM - NAS  : 정상 가입자 인증, 보안, IP주소 할당

12. Attach 완료 (UE IDLE State)

 

Data Transfer 단계 , 스케줄링

DL-1.  RAN-> UE: MC(측정 Config) 셋업, ref 신호 보냄

DL-2.  UE-> RAN : DL 상태 송신 ( COL, PMI, RI)

DL-3.  RAN->UE : 기지국에서 스케줄링 후, 패킷 전송

DL-4.  UE->RAN : ACK/NACK 전송 

(반복)

 

UL-1. UE-> RAN : 스케줄링 Req

UL-2. RAN-> UE : 스케줄링 후, UL 자원 할당

UL-3. UE-> RAN : 버퍼상태 송신

UL-4. RAN->UE : 스케줄링 후 UL자원 할당

UL-5. UE->RAN : 패킷전송

UL-6. RAN->UE : ACK/NACK

(반복)

 

HO 단계

1. DL : MC 신호

2. UL : Mesaure Report  to Soucre BS

3. SL : 핸드오버 알고리즘 수행 후 Source BS to Dest BS에게 HO Req.

4. SL : Dest. BS가 Src. BS에게 HO Rsp.

5. DL : Src. BS to UE 로 HO cmd 전송

 

 

UE : 파워 컨트롤 함. 

기지국과 가까우면 약하게, 멀면 강하게 신소 쏨

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LPWAN 쪾

IoT : 기존 이동통신 보다 멀리보내고, 싸고, data 적고, 저전력

* 멀리보내는법 : modulation 줄인다. 같은데이터 여러번 전송한다.

 

 

LTE의 IoT 는  2개의 방식

1. LTE-CAT M1 : 음성+data, HO 가능

2. LTE-CAT NB (NB-IoT) : data only, ho 안됨

 

* CAT = 카테고리

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CU : Central : BaseBand 처리  { PDCP }

DU : Dis ... = RF 처리 { RLC, MAC, PHY } : L1,L2

CU-DU : Front-haul ( CP, UP 있음)

 

latency : one-way. Baseband to Baseband ( < 1ms)

 

 

Massive MIMO = 빔포밍 + MIMO

빔포밍 : 쓰루풋만 상승 (안테나 빔 패턴)

MIMO : 쓰루풋, 채널용량 상승

 

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Diversity 3개

1. 시간 : 여러번 보내면 받을 확률 증가

2. 주파수 다르게

3. 공간 : 안테나 멀리해서

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SDN : BBU를 CU, DU 나눈거와 똑같음

 

네트워크 슬라이싱 : QoS가 달라도, 동시에 처리 가능

 

MEC : 목적  - 빠른 전송

MEC를 RAN에 위치.

MEC는 클라우드랑 같음

(구조 : MEC- Core - 중앙 cloud - 외부 인터넷)

 

MEC에 들어가는거 : VM, 컨테이너, 오픈스택, K8S

 

코어는 SBS ( function 중심으로 bus archi)

 

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RLC : HARQ

MAC : QoS, Mux

RRC : Radio Resource Control

 

SGW 에서 앵커 -> UPF가 앵커 . ,  UPF 분산화 시킴 

 

PGW에서 IP 할당하던게, SMF 로 옮겨짐

 

Core 용어

• AF : App Func. (3rd Party Func)
• NEF : Net Exposure Func
• NSSF : Net Slice Select Func
• NRF : Net Repository Func

 

RRC 가 Conn. Mgmt 함.

 

 

SSC (Session & Service Continuity ) == HO

 

ISP : 인터넷 서비스 Provide (제공)

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[NS 종류 3개]

1. CN에서만

2. RAN에서만

3. CN-RAN 에서

 

SDN 스위치 , 에 SSF(Slice Select Func 붙어있음)

Core(CN)에서 네트워크 슬라이싱(NS)

 

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[MEC]

엣지서버 = LADN (local Area Data Net)

- LADN 은 AMF에서 Config함

 

- UPF에 들어있는 ULCL (UL Classifier) 가 패킷 분류해서 latency 민감한 것만 LADN으로 보냄

- ULCL은 SMF로 부터 정보 받음

- LADN은 UPF 뒷단에 붙어있음

 

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URLLC는 Use-case 별로 spec이 다름

 

TSN (time sensitive Net) : latency를 Ctrl함. 

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5G Phy Layer

 

# 4G

Contents

1. L1 resource

2. LTE ITR Archi

3. LTE DL/UL process

4. LTE-A L1

5. LTE-A pro. L1

 

 

1. BW & Datarate

• Symbol rate : Pulse/sec  (주기 T가 짧아지면 Chan BW가 증가) : Rect func. in t-domain  === Sinc func. in f-domain
  1초에 몇개 심볼 보내냐 
• Datarate : bps = Symbol rate * log Modulation  // Mod가 높아지면 bps 증가.

Digit Mod : I, Q 시그널

 

Mod : bit/symbol ( e.g. QPSK : 00,01,10,11 : 2개 bit/sym 표현가능)

심볼 = bit의 묶음.

 

 

Rel.8 = LTE
Rel.10= LTE-A

Rel. 13 = LTE-pro

 

PAPR : peak -to - avg power ratio = Peak/Avg

 

OFDMA = OFDM + FDMA

 

OFDM :  - FDM : User가 주파수대역을 나눠서 사용.

(여기 1부터 지금까지 잘모름. 다시 찾아보기)

 

 

STE : HSPA 기술 <-> LTE

LTE 특징 : Chann Scheduling

LTE의 SCS = 15Khz 고정.

FFT로 Mod/Demod 가 Simple

len(FFT) = 서브캐리어 개수 =128

서브캐리어 = 72 (데이터용)

그럼 128-72 = ICI용으로 사용하지 않음.

 

UL : DFT-OFDM = SC-OFDM = BW넓은 한개의 캐리어 같음.

- 효과 : PAPR가 낮아짐 (단말기의 파워 소모 적음)

 

LTE 특징 : 스케줄링 - 시간, 주파수 2개의 축으로 스케줄링함

DL 스케줄링 : 1ms 마다 서브프레임 , RB는 180KHz ( 180/15=12 = 서브캐리어 12개)

스케줄링은 RB를 기준으로 함.

 

ICIC : 셀간 간섭. -> 나중에 CoMP로 Rel.11에반영

s

 

HARQ : 채널코딩 특징이 들어감 : FEC(정정)+ARQ(탐지)

• CC (Chase Combin) : CRC를 삽입함. : 에너지 게인
• IR (Inc Redundancy) : CRC를 삽입함 : 에너지게인 + 코딩게인  (IR 많이 사용)

무선채널은 Ctrl이 힘들어서, 잡음이나 간섭을 정정해주려고, 채널코딩 사용

 

 

Diversity : 안테나 여러개를 통해 같은 데이터를 보내고, Combine 해서 멀쩡하게 조합

 

 

공간멀티플렉싱 : 여러개의 안테나가 서로 다른 데이터 전송. (Cap 이 증가됨)

---

[LTE Phy 자원]

 

1) FDD

LTE에서 RAN 구간 Round Trip Latency Spec 은 10ms 이다.

그리고 10개의 Sub-frame으로 나누고 있으므로

1개의 sub-frame은 1ms 주기를 만족해야 한다.

이때, 1개의 sub-frame은 2개의 slot 으로 나누어져 있으며 ( 즉, 1개 slot의 주기는 0.5ms )

1개의 slot은 다시 7개 OFDM symbol로 나뉜다.

Symbol의 앞에는 ISI를 피하기 위한 (multi-path time delay) CP가 있다.

 

1slot (0.5ms) = 7 symbol

즉, 1 symbol = 4.7 us

 

Frame > sub frame (10) > 2 slot > 7 symbol

 

FDD의 sub-carrier = 12개

 

 

2) TDD

LTE의 RAN 구간 RTT는 10ms

TDD Frame은 2개의 half-frame으로 나뉘며,

 1 half-frame = 5 sub frame 이다.

(LTE에서 1 frame = 10 sub frame 이므로)

 

5개의 sub frame 중 첫번쨰 sub frame은 Control frame 이다 ( UL , DL, 가드타임 으로 구성)

4개의 sub frame ( 1sub-frame : 1ms)  --> 2개의 slot

Frame > hale frame > sub frame (10) > 2 slot > 7 symbol

 

• TDD 에서 10개의 sub frame 은 각각 순서와 역할이 정해져 있다
• 가로 sub frame : 
• 세로 7개 심볼 

 

자 이제, 1개의 slot에 있는 7심볼(가로=시간), 세로의 서브캐리어(12개)

로 만들어진 RB 공간이 나온다.

RB의 BW는 12 sub-carrier 이므로 15Khz(SCS) * 12 = 180KHz 를 가진다.

RB의 시간은 7심볼=1슬롯 = 0.5 ms 이다.

 

묶어서 보낼 (스케줄링) RB * N 개수를 하고

Modulation (FFT) 를 곱해주면

 

샘플링 시간과 Peak-data-rate 이 여기서 나온다.

 

 

Ref. sig = 위상정보만 알기위한  데이터 없는 신호

CQI : 채널 퀄리티 인디케이터 : 채널의 상황

---

[LTE Radio ITR Archi]

 

*  베어러 (Bearer) :  전송 운반체/ 컨테이너 등을 의미한

* 무선 베어러 : 무선망 내부에서 이루어지는 데이터 전송 서비스를 의미

 

* L3 : RRC (CP)

* L2 : MAC, RLC, PDCP

* L1 : PHY

 

 

< DL >

 

 

• L3 : RRC : 브로드 캐스트, 페이징
• L2 : PDCP : IP 헤더 압축, 싸이퍼, UserData전송
• L2 : RLC : 세그멘테이션, ARQ (에러 정정)
• L2 : MAC : 멀티플렉싱, 패딩, HARQ, 스케줄링, 채널 맵핑(logic <-> physic)

 

< MAC에서 이루어지는 Logic -> Trans >

 

< PHY에서 이루어지는 Trans -> Phy>

[ User Data : Transport --> Phy ]

• DL ; BCH : 브로드캐스트 채널  (MIB 가지고 있음)   -------------------> PBCH
• DL ; PCH : 페이징 채널                                    ------------------->  PDSCH
• DL ; DL-SCH : DL - Shared                                ------------------->  PDSCH
• DL ; MCH : Multicast                                        -------------------> PMCH
•  
• UL : RACH : Ramdom Access channel          ------------------------> PRACH
• UL ; UL-SCH : UL - shared                        -------------------------> PUSCH

[ Ctrl : Transprot --> Phy]

• DL ; CFI : 컨트롤 포맷 인디케이터 -------> PCFI CH
• DL ; HI : HARQ Indicator  ----------------> PHICH
• DL ; DCI : DL ctrl information ------------> PDCCH
•  
• UL ; HARQ ACK/NACK                        
• UL ; CQI (채널 퀄리티 Indicator)
• UL ; PMI (pre coding matrix indica)
• UL ; RI : Rank indica

[Transport --> phy]

BCH, DCI , DLSCH : CRC붙이고, 코딩 , 매칭 끝.

 

DL-SCH : 

1. CRC 붙이고

2. 코드블록 분할 (세그멘테이션)

3. 채널코딩

4. Rate Matching + HARQ

5. 비트단위 스크램블링

6. 모듈레이션

7. 안테나 맵핑

 

[CRC.]

1. 24bit 로 되어있음

2. HARQ를 요청함

 

 

ARQ : CRC 에러 정정용

 

* RS (ref sig.) : 

* SS (synch sig) :  셀 서치를 위해 사용 , 1. PSS (primary), 2. SSS ( Second)

 

찾아보기 : 

rate mathcing & P HARQ

Channel coding

Scrambling

 

 

 

 

 

< data flow >

 

---

[LTE-A] Rel. 10 ,11,12

• CA
• 다중안테나
• Het net : 서로 다른 TxPower 가진 셀들이 커버리지 겹치도록 구축. - 간섭시나리오 (?)
• CoMP : 셀 엣지에서 복수개의 송신지점. 

[LTE-A. pro.] Rel 12,13

* 셀 엣지 퍼포먼스에 초점을 줌.

* D2D

---

1G 2G : 800-900 Mhz

3g : 2G hz

 

5g 스펙트럼

1. 저 주파수대 : LTE 밴드, 2Ghz

2.  중 : 3-6GHz

3. 고 : mmwave

 

 

Ultra-lean design : foward 방법 , 에너지 퍼포먼스, 인터페이스 감소

 

 

SCS를 넓히면,  Symbol이 짧아진다 -> URLLC를 가능하게 함.

 

 

NR : 짧은 SCS에 대해서는 긴 Cp를 가져감

SCS를 넓히면 BW를 넓게 가져간다.

 

LTE 에서 1 서브프레임 (1ms)는 2슬롯 (1슬롯=0.5ms)  이고, 1슬롯=14개의심볼이었는데

NR에서는, 심볼길이가 바뀜.  서브프레임 자체가 슬롯이 될 수도 있음.

슬롯은 OFDM 심볼 14개를 기준으로 한다. (변하지 않는 원칙)

 

미니슬롯 ??.. 중간에 슬롯 삽입 할 수 있는 것. ( URLLC 하려는 의도가 크다고함. 이게 뭔지 잘 모르겟네)

 

그러면 T-domain에서, RB에서 Subcarrier 12개, 1ms가 깨진다.

시간축은 ofdm 심볼.

시간축 풀어버리면 latency ?  무슨말이지 ..

 

RB의 개념이 NR에 오면 달라진다고 한다 ... 뭔소리일까

 

높은 주파수의 SCS는 slot duration을 짧게 가져감.

e.g. 15Khz SCS에서 14 OFDM symbol 은 1ms   1slot을 가져가는데

e.g 30Khz의 SCS에서 14OFDM symbol은 0.5ms 1slot 을 가져간다.

 

NR의 저주파수 대역은 FDD, 중, 고주파수는 TDD 를 가져간다

 

 

NR 특징 : transport block (TB)기반 전송이었는데(LTE때), 이것을 한번 더 쪼개서 CBG(코드블럭그룹) 기반으로 HARQ 전송.

 

NR 특징 : 채널코딩에 터보코드 쓰지 않는다.  LDPC 쓴다 ( 대표적인 차이점)

변조는 256 QAM 사용한다.

 

NR 에서도 UL 은 DFT-OFDM 쓴다.

NR에서 1frame = 10ms

1 서브프레임 = 1ms ( 서브프레임 10개)

1서브프레임의 슬롯수 = SCS에 의존.

 

BW part

 

안테나 포트에 따라 UL/ DL 채널이 구분되어 있음.

 

[Transport - channel process]

MAC : CRC-LDPC코딩 - Rate 매칭 & HARQ - 스크램블 - 모듈레이션 - 레이어 맵핑 - 안테나 프리코딩 - 리소스 맵핑 - 안테나 맵핑

 

NR에서는 PI/2 BPSK를 DFT-OFDM에 사용할 수 있는데.

이점은 reduce cubic, PAPR 상승.

 

빔: 처음에 스위핑이란 것으로 스캔한다.