5G 이동통신 기술과 서비스 - 김현욱 저

• 기지국 : 유선으로 공급 되는 전원이 있음. 고출력으로 전파함

  : FDD에서 DL이 높은 주파수 대역 (스위칭이 빠르면 높은 에너지 소모)

• 단말기 : 배터리를 사용하기 대문에 상대적으로 고출력 송신이 어려움

이동통신 무선구간 :; 주파수 사용 효율 증대가 중요

- 핸드오버 기술, 전력제어 기술

- 핸드오버 : UE에서 수신 되는 전파 세기를 기준으로 결정

 

기지국이 관할하는 지역 : 셀

셀을 더 쪼개서 「섹터」 로 운용 할 수 도 있음.

 

• Pilot CH :  기지국을 구분하는 역할
• Sync CH : 기지국 번호, 기지국 타이밍, 시간 정보
• 주파수 효율 : 데이터 rate / 대역폭 = 변조,코딩 등의 구현기술에 의존

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3세대 : WCDMA 방식

데이터 : 3세대 이동통신 UMTS -> HSPA (데이터 ) -> LTE, NR 의 기본 골격이 됨

망구조, 호처리 : GSM,GPRS -> UMTS

 

LTE : Rel 8.9 (2012-2013)

4세대 : LTE 방식 , OFDM

RF 측면에서, 기존의 UMTS와 호환성을 유지.

2.6 GHz 대역

 

LTE-A : Rel 10,11,12 (2014-2016)

• CA

 

LTE-A pro : Rel 13,14 (2017-2018)

• 4x4 MIMO
• 256-QAM

 

NR : Rel 15,16 (2019-2020)

• NR은 LTE-A Pro를 근간으로 개발 됨
• 3.5 GHz 대역 / 28 GHz 대역

급증하는 트래픽을 수용하기 위해, 기존에 대역의 여유 주파수가 없어서 새로운 주파수 할당

 

 

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• 에코시스템 :  통신사업자, 휴대폰 제조사, 통신장비회사, 컨텐츠 제공 회사
• 이통산업 : 1. 국가기반 / 2. 정부규제 / 3. 과점구도 ( 진입 장벽 높음 ) / 4. 기술집약적 산업 ( 속도가 빠르고 지속적 개발 )

사업자의 경쟁력 : 사업성이 있는 신규 서비스 제공, 안정적인 통신망 운용

 

이동통신 사업의 위기 요소:

1. 단말기 보급률 100% 넘어서, 시장 포화
2. ARPU(월간지출/1인) 하락 (지속적 감소 추세)  // 원인 : 약정 할인폭이 높아짐 --> 이통사업자의 수익 나빠질수잇음
3. 플랫폼 업체 서비스 활성화, 신규서비스 제공의 주도권 감소
4. MVNO(알뜰폰) 으로 MNO사업의 낮은 진입장벽

이러한 추세에 따라, 통신사업자는 5G부터 통신망을 SBA 로 구축하여, 플랫폼으로 활용할 계획

또한 기존 OTT(Over the top) (e.g.  넷플릭스, 페북, 구글) 로 부터 통신망 사용료 요구 ( 망 중립성)

국내는 대부분 서비스를 이후에 결제하는 Postpaid Billing System 사용.

국내 : 이통 가입자 수가 인구수보다 많음 ( IoT 디바이스 를 하나의 가입자로 정의 )

 

[통신망장비]

• Back-haul : 광전송 장비, 광케이블
• Front-haul : 광전송 장비 광케이블
• Micro wave : 접시 안테나

 

[SK 텔레콤]

	삼성	에릭슨	노키아	화웨이
SK 텔레콤	* 충청	* 경상	* 강원
KT	* 울산	* 경상	* 전라
LG-U	* 전라	* 강원	* 수도권 남부	* 강원
점유율	45	18	25	12

 

중계기 개발 : SK 텔레시스

 

(Wibro == WiMax 는 에코시스템이 부족해서 망함)

 

SKT : 2002년 최초로 컬러링 서비스 인기.

       최초로 DMB 서비스

       2006년 최초로 GPS 기능 탑재

 

SKB : 유선 인터넷 사업 (2015년에 SKT의 자회사로 편입, 내부부서가 됨)

SKB : IPTV

 

LTE 는 UMTS와 완전히 다른망 : 사업자는 새로운 기지국과, 코어망을 구축해야함

 

2019년 기준 주파수 보유현황

SKT : 165 MHz     // 40%

KT : 125 MHZ     // 30%

LG : 120 MHz     // 29%

 

 

2013년 LTE-A ( CA ) 사용.

SKT의 경우 800MHz 대역과 1.8 GHZ 대역 CA로 사용

KT : 1.8G + 900M

LG : 2.1G + 800M

 

SKT : 2016년 LPWAN 이라는 LoRa 기술 ( 900Mhz 대역)   // BLE는 전력소모 많고, 쓸데없는 정보 유출로 활용 안되고 있음
LoRA 망 구조는, CN가 Lora 서버 사용하고, thingplug로 연동됨.

SKT : 2016년 옥수수(OTT ) + POOQ ---> 웨이브

 

이동통신 산업은, 통신 서비스 자체 보다는, 일종의 사회 시스템을 동작 시키는 인프라.
전체적으로 국제 경제발전의 기반, 사람들의 좀 더 편리한 생활.
파급효과가 크다.

 

5G는 트래픽이 많은 도심지 지역부터 5G 구축.

기타지역은 4G 활용해서 투자비 절감.

 

전세게 사업자는 Rel. 16으로 서비스를 준비하고 있다.

 

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전파 특징 : 주파수 대역별 특성(감쇠정도가 다름), 멀티패스 페이딩,  빛의속도, 산란, 굴절, 회절 ,편파, 반사

전파는 도체에서 반사

주파수가 높을 수록 : 입자성(직진성) , 감쇠가 큼, 커버리지가 작음, 다른 매징에 에너지가 흡수됨(감쇄-산소,물),

낮을수록 : 회절성 (빛의 성질)

 

800M 대역 : 황금주파수

sub 6 와 mmwave 의 감쇄정도는 100배임 (20dB)

(기지국을 10배이상 설치해야함)

 

5G에서는 전파 감쇄를 보완하기 위해, massive MIMO, 빔포밍

 

[멀티패스 페이딩]

1. 감쇄

2. 반사로 인한 다중 경로 --> 쉐도잉 ( 신호 세기가 천천히 변함)

3. 장애물에 의해 순간적으로 빠르게 변하는 short term fading

4.  다른 기지국의 간섭신호

5.  LoS 에서 물,공기에 의한 감쇄

 

이론적 : LoS에서 거리의 제곱으로 감쇄

 

FSPL (주파수의 물리적 특성) --> Multi path fading 

반사 굴절등 에 의해 : Delay spread --> Multi path fading  --> CP로 해결 / 전파 방향 변경/ 기지국 위치 변경

Doppler Spread --> 중심주파수 변경 --> 해결 방법 : BW를 넓게 설정하여 통화품질을 유지

 

전파의 터널링 :  도심지역에서, 장애물 없는 도로쪽으로 전파가 잘 됨.

전파의 Duct : 낮은 구름이 많을때, 반사되어서 멀리 전송됨

 

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[MA]

TDMA : 전체 주파수 대역폭 25M 에서 서브캐리어(200K)로 나눠서, 서브캐리어 내에서 TDMA로 동작

- 서브캐리어란 큰 규모로 주파수 나눈다. : 가드타임 

( e.g. 나 : 0~10초 : 25M +200K offset freq. 구간에서  사용 ) 

(      너 : 20~30초 : 25M + 200K offset freq. 구간에서 사용)

(이것도 걍 내가 이해하려고 쓴 예시)

 

FDMA : 큰 주파수 대역폭 내에서, 가입자 별로 주파수를 나누어서 할당. : 가드밴드

( e.g. 나는 0~10 사용, 너는 20 ~ 30 사용 ... : 말도 안되는 예시긴 한데, 내가 이해하려고 씀0

 

CDMA : 같은 공간에서, 영어,한국어 등 동시에 쏴도, 사람끼리 서로 이야기가 가능한 것

- 정교한 Power Control이 요구됨. 하나의 단말기게 고출력할 경우 다른 UE에 Noise로 작용.

 

OFMDA : FDMA에서 Sub-carrier를 중첩 시키는 기술. 

 

OFDM : FDM에서 서브캐리어 묶음 ( 서브캐리어xN으로 대역폭 넓게 가져감)

OFDM : TMDA + 서브캐리어 여러개 느낌 : 가드타임

 

OFMDA : 서브캐리어 여러개 + TMDA + TMDA에서 주파수 대역 혼자쓴걸 여러개 나눠씀

- RB를 사용.

 

OFDM 장점

- ISI 에 강하다. : Delay spread , multi-path , CP를 사용.

- OFDM은 심볼단위(로 변조)

- 서브캐리어 써서, 멀티패스 페이딩에 강하다. ( 특정 주파수 왜곡, selective fading)

- 서브캐리어로, 특정 서브 캐리어의 이득을 높여줌.

 

 

CMDA와 OFDM 성능 비교 할 경우, 멀티패스 페이딩에서 OFDM이 더 좋은 성능을 보인다.

 

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기지국에서 UL/DL 구분 : TDD/ FDD

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Modulation 변조 :  Baseband --> 고주파 대역.

변조하는 이유 : MA하도록, 신호를 물리적으로 특성에 맞추기 위해서.

 

Modulation 을 통해서 Symbol에 담기는 Bit 수가 결정된다.

 

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HO 결정은 RAN에서 한다.

이통에서 HO는 기본적으로 중앙처리 방식이다. ( 모든 리소스 관리를 기지국 쪽에서 한다)

 

백홀 : 광통신

최근은 클라우드 랜으로 발전 : BBU 에서 RRh 까지를 프론트홀 (광케이블지하선로 및, 전봇대의 전화선으로 연결)

통신국사 - 인입건물의 꼭대기에 기지국.

 

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[코어]

(UP) S-GW : Anchoring : 안정적인 통신을 보장함 

(CP) HSS : QoS 정보가 있음.

(UP) P-GW : IP할당

 

백워드 방식(LTE)

UMTS 에서 IMS는 SIP(세션-이닛)프로토콜 사용해서, 멀티미디어를 호처리함.

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투자비 Capex

운영비 Opex

기지국이 코어보다 ㅁ낳이 듬.

 

기지국의 역할

• RRM (라디오 리소스 mgmt) : 주파수 용량을 기반으로 데이터 속도를 관리
• RB(라디오-베어러) 컨트롤 : UE와 Core 간 연동 처리

Macro cell : 커버리지 직경 30Km

Small cell : 커버리지 직경 500m

인접셀에 다른 주파수 사용 (잡음 안시키고, 품질)

기지국의 송신 출력에 따라 ,macro, small, pico, femto 등 정의

 

eNB는 NB 대비 : 광선로를 도입한 것이 특징.,

BBU - RRH : 광케이블로 연결 (이게 Central-RAN 구조)

디지털 처리를 한곳에 집중, BBU가 비싼 장비임, RRH 가 싼 장비임. 중앙처리식.

 

BBU- RRH : 통신 CPRI  (Common Public Radio itr) : 신호 품질을 받음

이를 통해 기지국이 분리형으로 될 수 있음

(기존에는 동축 케이블 사용했는데, 초고속 통신이 어렵고 주변 잡음에 영향을 받음)

 

[RRH 구조]

신호 받아서, 변조하고, PA/LNA - 외부 안테나.

 

 

백홀 : 코어-BBU 거리 짧게 만듬 (BBU를 EPC 근처에 위치 시킴)

 

 

Central -RAN(C-RAN) -----------> 클라우드 랜 :

-차이점 :  BBU가 NFV랑 연동되어 있음. 코어랑 밀접하게 연동 됨.

 

DAS 중계기는 건물내에 설치되어서, 음영지역을 해소함

- IF 중간주파수 받을 때는, BBU로부터 수신 . 광선로를 이용함

- RF 를 수신할 때는 RRh 로 부터 수신.

 

기지국은 건물 옥상에 설치

건물 내부나 지하에는 DAS 가 설치.

 

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[호처리]

 

무선채널은, 채널용량, 단말기 배터리, 등 제약조건 때문에 7 레이어 안쓰고, 3레이어 사용한다.

 

7레이어 : app-표현(암호)-세션-전송(TCP)-네트(IP)-데이터-물리

 

RRC IDLE : UE가 안테나와 RF 부품을 OFF 하여 기지국과 정보를 송수신 하지 않음.

 

RRC Connect:

- Active 상태 : 기지국과 정보를 송수신 하는 상태

- DRX 상태 : 드문드문 기지국의 정보를 수신하는 상태 (푸쉬정보, 등등..)
DRX on 상태가 많으면 단말기 배터리 소모가 많아짐.
DRX는 이통사업자가 결정함. UE 배터리 소모에 직접적인 영향을 줌.

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1.단말기 전원  on

2. UE 내부적으로 준비 : IMSI라고 전세계 유일한 번호

- IMSI (15 digit) : MCC(국가 코드) 3 digit , MNC(사업자 코드) 2 digit , MSIN( identi num = 단말기 번호) 있음

 

3. 기지국이 UE로 SIB 전송 . ACK 없이 지속적으로 보냄. (유심없어도 모든 UE가 이 신호를 받음)

4. UE가 기지국에 붙기 위한 Attach 과정 (랜덤액세스):

- PRACH 프리앰블을 UL

- Rsp (DL)

- 실패시 임의의 시간 지난 후 다시 요청

 

5. 커넥션 성립 되면 RAN 하고 MME -HSS 까지 엔드투엔드로 주고받음 (인증, 시큐리티) --> 이후 attach 성공

 

6. 코어망에서 UE 의 데이터 속도를 확인하고 RAN에 RRM(리소스 mgmt) 으로 속도와  QoS 설정.

-이동통신은 HTTp 안쓰고, QUIC를 씀

 

 

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5G KPI

	Require
Peak Data rate	UL : 10 Gbps
Peak Spectral Efficiency	UL : 15 bps/Hz
User Experi Data rate	DL : 100 Mbps UL : 50 Mbps
Area Traffic Capacity	인도어 트래픽 : DL : 10 Mbps /m2
UserPlane Capacity	URLLC : 1ms
ControlPlane Capacity	10 ms
Connection Density	1 M device / km2  (100만개)
Reliability	99.9999999%
BW	mmWave : 1GHz 이상

 

5G 초기에는 eMBB와 URLLC 만을 생각했으나

IoT 니즈가 증가하면서 mMTC가 추가되었다.

 

eMBB를 위해 새로운 주파수 대역(3.5GHz, 28GHz) 를 할당.

 

5G에 적용된 신기술로

• massive MIMO
• 망 장비 분산화 : MEC, Cloud-RAN
• NR
• 가상화
• 네트워크 슬라이싱
• 뉴 채널코딩 : LDPC
• DC
• 엣지 컴퓨팅 : 기존의 cloud에서 제공되는 기능이, 코어, 기지국, 단말기 까지 내려감
• 등등 으로 정의

장비와 기능을 분산하는 이유는, 장비 가격을 낮추고, SBA를 구현하기 위해

5G에서 초고속 통신이 가능한 기본적인 이유는 넓은BW를 쓰기 때문

 

5G의 ultra-lean 은 단말기가 변경사항이 있을 경우만 깨어나서 기지국 정보를 수신한다.

5G의 sub-frame에는 1. 응답시간을 빨리. 2.프레임효율 증가

(ultra-lean , self-contained architecture 검색.)

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[Core]

• AUSF : Authen Server Func. : 단말기 인증 처리
• UDM : User Data Mgmt : 사용자의 데이터 관리
• CP와 UP를 분리하는 것을 CUPS . Separation이라고 부른다.

 

오케스트레이션 : SDN , NFV 올리고 돌리는거

 

네트워크 슬라이싱 : QoS에 따라 다른 가상 네트워크 선 제공 (end-to-end 로 logical 연결)

이를 통해 이통 사업자는 각각 서비스에 대해 별도의 과금체계를 적용할 수도 있음 

 

MEC 필요한 이유 : 대용량 처리, URLLC 요구.

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RAT : NR, LTE, UMTS , Wifi 등등 무선 접속 기술

 

gNB = gNB-CU + gNB-DU

구축비용 절감, 유연한확장, 운용을 편리성 위해서.

 

L3 를 처리하는 CU는 복잡한 통신 프로토콜, 비싸고 비용 많이듬(BBU)

DU(RRH)는 쌈

 

• 빔포밍 : 가수에게 조명을 줌
• 빔트래킹 : 가수가 움직이면 조명도 따라다님

mmWave 는 민감하고 정교한 기술 필요.

28GHz 대역은 평탄하게 감쇠하는성질 있음.

감쇄가 불균일 하면 무선망 운용이 복잡해짐.

 

 

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[PHY L1]

채널코딩 : 오류를 정정하는 기술

FEC : 패킷 뒤에 오류정정코드

ARQ : 오류에 대한 재전송

HARQ = FEC + ARQ  // 장점 : 두번 받아서 Diversity가 증가하고, 정정확률이 증가됨. (받은것들을 합쳐서 정정함)

(e.g. 1번 보낼떄 에러가 10이면, 2번 보내면 에러가 5로 줄음)

 

5G : LDPC 방식(FEC)    --> data rate이 증가할때 성능이 좋아짐.

LTE : 터보코딩(FEC)

 

 

5G의 PHY layer Frame은 10ms 로 동작 (LTE와 연동 고려)

5G의 Sub-Frame은 1ms 로 동작 (LTE와 연동 고려)

Scalable OFDM : SCS를 변경하는거

flexible slot : 주파수와 시간을 유연하게 가져감

 

CSI (Chan State Info) 알면, 공간다중화로 채널용량 증대 가능

 

빔포밍 효과적으로 사용하려면, 수신자가 물리적으로 떨어져 있어야한다.

수신자가 여러명이 붙어있으면 채널용량이 감소할수도있다.

 

MIMO 의 효과 : 기존 cellular 방식의 cell 이 없어지는 구조가 될 수 있다.

 

4G 때는 UE가 RAN으로 부터 SIB를 계속 받아야하는데

5G 는 아님. 이것을 Lean-Design 이라고 함. - 단말기 배터리를 아끼게 됨

(Self contained 구조). URLLC에서 이점을 가짐

 

5G는 self-contained로 subframe을 변경해서 4G 대비 TTI를 줄여서 응답속도를 빠르게 함.

 

TTI는 sub-frame와 같은 의미이다.

LTE의 TTI는 1ms 이지만, 5G는 1ms 이하로 만들 수 있다.

이렇게 URLLC를 달성 할 수 있다.

 

 

L2 : 위에서부터 SDAP - PDCP - RLC - MAC 으로 구성됨.

- logical로 구분되는데 API의 집합이라고 봐도 됨.

 

 

CP,UP 나누는 것은 유선에도 동일하게 적용.

 

Core의 AMF에는 NAS가 있고, UE의 NAS 와 연동하여, 단말기의 이동성을 관리함.

 

 

5G에서 추가된 호처리는 : Attach, RRC 연결 이후, 빔포밍 설정 파라미터를 협상한다.