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보희 영
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5G-New Radio MIMO 표준기술 * 최수용, 김윤선 * 연세대학교교수삼성전자수석연구원 본고에서는 5G(5th Generation) 시스템 New Radio(NR)-물리계층기술중에서 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 표준에포함된다중안테나기술에대해살펴보고자한다.

다중빔 (Multi-Beam) 채용및운영기술, 단말당 4개의상향링크계층 (Uplink Layer) 및 8개의하향링크계층 (Downlink Layer) 지원기술, 다중사용자를위한 12개의계층지원기술, 이를위한새로운기준신호 (Reference Signal) 구조등이다.

1 5G-New Radio MIMO 표준기술 * 최수용, 김윤선 * 연세대학교교수삼성전자수석연구원 본고에서는 5G(5th Generation) 시스템 New Radio(NR)-물리계층기술중에서 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 표준에포함된다중안테나기술에대해살펴보고자한다. 밀리미터대역의이용, LTE(Long Term Evolution) 대비 3배의주파수효율그리고더욱확대된시스템유연성을위해 5G MIMO(Multiple Input and Multiple Output) 시스템에서는대표적으로다음과같은기술이표준으로포함되었다. 다중빔 (Multi-Beam) 채용및운영기술, 단말당 4개의상향링크계층 (Uplink Layer) 및 8개의하향링크계층 (Downlink Layer) 지원기술, 다중사용자를위한 12개의계층지원기술, 이를위한새로운기준신호 (Reference Signal) 구조등이다. 이러한대표기술에대해살펴보고, 마지막으로 3GPP Release 16에서현재논의되고있는다중안테나 (MIMO antenna) 기술을소개한다. I. 서론 5G(5th Generation) 시스템은기존의 4G(4th Generation) 주파수대역이외에밀리미터대역을포함하여새로운주파수특성에따른기술이필요하다. 따라서 MIMO(Multiple Input and Multiple Output) 기술또한이러한환경에대응할수있는새로운기술들이표준에반영되었다 [1],[2]. 특히, New Radio(NR)-MIMO 기술은다음의 3가지목표를가지고표준화과정이진행되었다. 첫째, 밀리미터대역의동작에적합한새로운 MIMO 기술의도입, 두번째목적은 LTE(Long Term Evolution) 대비 3배의주파수효율획득이며그리고마지막으로다양한서비스, 다양한단말, 다양한주파수에의적용을위한확대된시스템유연성의확보이다. * 본내용은최수용교수 ( , csyong@yonsei.ac.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP의공식적인입장이아님을밝힙니다. 2

2 기획시리즈 5G 이와같은목표를달성하기위해 5G NR-MIMO 시스템에서는다음과같은기술이표준으로포함되었다. 멀티빔 (Multi-Beam) 채용및운영기술, 단말당 4개의상향링크계층 (Uplink Layer) 및 8개의하향링크계층 (Downlink Layer) 지원기술, 다중사용자를위한 12개의계층지원기술, 이를위한새로운기준신호 (Reference Signal: RS) 구조등이다. 이는 Release 15에서포함된 MIMO 기술이며, 현재진행되고있는 Release 16에서도 MIMO 기술에대한논의는여전히활발히진행되고있다. 본고에서는 5G 시스템 NR-물리계층기술중에서 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 표준에포함된다중안테나기술을소개한다. 현재까지표준에서다루어진 MIMO 기술중에서본고에서는 2018년완성된 Release 15에포함된 MIMO 기술에대해살펴보고자한다. 또한, Release 15에포함된주요 MIMO 표준기술에대해살펴보고, Release 16에서논의되고있는 MIMO 기술을간단히소개한다. II. NR MIMO 설계고려사항 5G NR 시스템에서새로운 MIMO 기술을통해달성하고자하는주요특징은 [ 그림 1] 과같다. 5G 시스템에서새로운 MIMO 기술을고려하고있는요인을살펴보면다음과같다. 먼저밀리미터대역의사용이다. 기존 4G LTE 주파수대역보다높은고주파대역 (Higher Frequency Bands) 으로밀리미터파 (Millimeter Wave: mmwave) 대역이 5G 시스템대역으로결정되었다 [3],[4]. 이에따라각국가에서는 ITU(International Telecommunication Union) 에서요구되는 5G 시스템의최대전송률인 20Gbps를달성하기위해서는 mmwave 대역의이용이필연적이다 [2]-[4]. 따라서기존의대역과는전혀상이한주파수특징을가지는 mmwave 대역에적합한 MIMO 기술이필요하다. 또한, ITU에서요구하는 LTE 시스템주파수효율의 3배를달성하기위해서는보다 [ 그림 1] NR-MIMO 의주요특징 정보통신기획평가원 3

3 적극적인 MIMO 기술의채용이필요하다. 이와더불어보다많은수의송수신안테나를이용한송수신 MIMO 기술의구현이반드시필요하다. 마지막으로폭넓은시스템유연성을들수있다. 5G NR 시스템은다양한주파수대역, 다양한서비스, 다양한응용시스템채용및운용, 다양한대역폭의지원등을위해보다폭넓은시스템유연성이반드시필요하다 [4],[5]. 1. 고주파대역 일반적으로수신신호의전력 는다음식과같이송신신호전력 에대해주파수의 제곱에비례하는경로손실 (Path Loss) 을겪게된다. 여기서 는송신안테나이득, 는수신안테나이득을나타내며, 은송수신기사이의 거리를나타낸다. 또한, 는파장 (wave length) 을, 는광속 (speed of light) 그리고 는반송파 주파수 (carrier frequency) 를나타낸다. 따라서이식에따라서 2.8GHz 와 28GHz 를비교하면 수신안테나의개구크기 (aperture size) 와경로손실은 [ 표 1] 과같다. [ 표 1] 2.8GHz vs. 28GHz 비교 2.8GHz 28GHz 수신개구크기 (RX Aperture Size) 9.135cm cm 2 경로손실 (Path-loss(R = 1m)) -41.4dB -61.4dB 이러한주파수변화에따른성능저하는기존의 4G LTE MIMO 기술에서는필연적이며, 새로운 MIMO 기술을도입하여극복할수있다. 즉, 다중수신안테나의개구크기 (Aperture Size) 의증가와다중송신안테나의송신빔포밍 (Beamforming) 기술을이용하여극복할수있다. 따라서 5G 시스템에서는 4G LTE 시스템과는달리초기 / 임의접속 (Initial/Random Access), 페이징 (paging), 데이터 / 제어정보 (Data/Control Information), 이동성처리 (Mobility Handling) 등모든단계에서다중안테나기술을적극적으로채용하여사용한다. 4

4 기획시리즈 5G 2. 주파수대역과대역폭 5G 시스템은 [ 그림 2] 와같이기존의 LTE 시스템의주파수대역을사용하는주파수영역 (Frequency Range) 1 과 30GHz 주변의주파수대역을사용하는주파수영역 2 를가진다. < 자료 > NR Physical Layer Design: Physical layer structure, numerology and frame structure, 3GPP RAN Workshop, RWS , Brussels, Oct [ 그림 2] NR 시스템의주파수대역 주파수영역 1 의부반송파 (subcarrier) 간격 (spacing) 은 15/30/60kHz 이며각각의최대대역 폭은 50/100/200MHz 이다. 한편, 주파수영역 2 의부반송파간격은 60/120kHz 이며각각의최 대대역폭은 200/400MHz 이다. 따라서 LTE 시스템에서의단일최대요소반송파대역폭 (component- carrier bandwidth) 은 20MHz 이나, 5G 시스템의단일최대요소반송파대역폭은 400MHz 까지지원한다. 또한, [ 그림 3] 과같이 5G 시스템은최대 16 개의요소반송파를제공한다. 4G LTE 시스템에서는개별요소반송파가단일요소반송파의전대역을점유하나, 5G 시스템에서 는단일요소반송파대역폭의일부만을사용할수도있다. 이를통해전대역을사용하지않는단말 의전력소모를줄일수있으며다양한 IoT 디바이스가공존할수있다. [LTE]] [NR] < 자료 > NR Physical Layer Design: Physical layer structure, numernology and frame structure, 3GPP RAN Workshop, RWS , Brussels, Oct [ 그림 3] NR 시스템대역폭 정보통신기획평가원 5

3. 빔포밍 4G LTE 시스템은하나의셀당고정된아날로그빔 (Analog Beam) 을사용한다는가정하에설계하였다. 이러한아날로그빔은 [ 그림 4] 와같이하나의셀전체에대한커버리지를제공할수있다. 그러나 5G 시스템은 [ 그림 4] 와같이셀당다수의조정가능한빔을사용할수있도록설계하였다.

5 3. 빔포밍 4G LTE 시스템은하나의셀당고정된아날로그빔 (Analog Beam) 을사용한다는가정하에설계하였다. 이러한아날로그빔은 [ 그림 4] 와같이하나의셀전체에대한커버리지를제공할수있다. 그러나 5G 시스템은 [ 그림 4] 와같이셀당다수의조정가능한빔을사용할수있도록설계하였다. 이는앞서언급한큰값의경로손실을극복하기위해각각의빔을셀의특정한일부분에집중하여신호를전송하고자함이다. 디지털빔포밍기술은 5G 시스템에서도 LTE 시스템과같은방식으로아날로그빔과함께사용된다. [ 단일고정아날로그빔 (Single Fixed Analog Beam)] [ 다중조절아날로그빔 (Multiple Steerable Analog Beam)] [ 그림 4] LTE 와 NR 에서의빔포밍 [ 그림 5] 와같이디지털방식과아날로그방식의빔포밍결합기술, 즉하이브리드빔포밍 (Hybrid Beamforming) 기술은구현의복잡도를상당히감소시키며동시에큰안테나이득을얻을수있다. [ 그림 5] 하이브리드빔포밍의예 6

5 세대 NR-MIMO 시스템과 4 세대 LTE MIMO 시스템 지금부터는 NR-MIMO 시스템을 4G LTE MIMO 시스템과비교하여새로이변경되거나추가된 MIMO 기술이무엇인지살펴보고자한다. [ 표 2] 는 LTE Rel.

6 기획시리즈 5G [ 주파수 2GHz 에서섹터당단일빔 ] [28GHz 에서섹터당다중빔 ] [ 그림 6] 단일빔과다중빔 또한, 커버리지관점에서단일빔 (single beam) 기술과다중빔 (multi-beam) 기술을살펴보면, [ 그림 6] 과같이 2.8GHz 의상대적으로낮은주파수대역에서는하나의빔으로넓은영역의커버리 지를제공하며, 28GHz 대역의높은주파수대역에서는다수의빔으로커버리지를확장할수있다. III. NR MIMO 기술 1. 5 세대 NR-MIMO 시스템과 4 세대 LTE MIMO 시스템 지금부터는 NR-MIMO 시스템을 4G LTE MIMO 시스템과비교하여새로이변경되거나추가된 MIMO 기술이무엇인지살펴보고자한다. [ 표 2] 는 LTE Rel. 8, LTE-A Pro(3GPP Release 15) 그리고 NR(3GPP Release 15) 시스템에서의 MIMO 기술을비교한것이다. 기존 LTE MIMO 기술의목적은주로스펙트럼효율 (Spectral Efficiency) 의증대를목적으로사용되었다. 그러나앞에서언급하였듯이 NR-MIMO 시스템에서는스펙트럼효율의증대뿐만아니라셀커버리지확장을위해다중빔기술을이용한다. 따라서이러한다중빔활용기술들이표준기술에반영되었다. 나머지기술의차이점은각세부절에서살펴보기로한다. 정보통신기획평가원 7

7 [ 표 2] LTE MIMO 시스템과 NR-MIMO 시스템비교 LTE Rel. 8 LTE-A Pro Rel. 15 NR Rel. 15 Purpose - Spectral efficiency enhancement - Spectral efficiency enhancement - Coverage enhancement (especially for above 6GHz) - Spectral efficiency enhancement Multi-beam operation - No specification support - No specification support - Beam measurement, reporting - Beam indices - Beam failure recovery Uplink transmission - Up to 4 layers per UE - Up to 8 layers for MU-MIMO(cyclic shifts for ZC-sequence) - Up to 4 layers per UE - Up to 8 layers for MU-MIMO(cyclic shifts for ZC-sequence) - Up to 4 layers per UE - Up to 12 layers for MU-MIMO (orthogonal ports) Downlink transmission - Up to 4 layers per UE - Up to 8 layers per UE - Up to 4 layers for MU-MIMO(orthogonal ports) - Up to 8 layers per UE - Up to 12 layers for MU-MIMO (orthogonal ports) Reference signal - Fixed pattern, overhead - Up to 4 Tx antenna ports(crs) - Fixed pattern, overhead - Up to 32 Tx antenna ports(csi-rs) - Configurable pattern, overhead - Up to 32 Tx antenna ports (CSI-RS) - Support for above 6GHz < 자료 > NR Physical Layer Design: NR MIMO, 3GPP RAN Workshop, RWS , Brussels, Oct 상향링크와하향링크전송 NR-MIMO 시스템에서는 [ 그림 7] 과같이코드북 (Codebook) 기반의상향링크전송뿐만아니 라비코드북 (Non-Codebook) 기반의상향링크전송기술또한지원한다. 코드북기반의전송 방법은다음과같다. 먼저각 UE 는다수의 SRS 를서로다른방향으로전송한다. 기지국 (gnb) 은 [ 코드북기반의상향전송 ] [ 비코드북기반의상향전송 ] [ 그림 7] 코드북기반과비코드북기반의상향전송 8

기획시리즈 5G 수신된 SRS를바탕으로빔방향 (SRS Index), 랭크, 그리고상향링크를위한전송부호화 (Transmit Precoding) 정보를 UE로전송하며, 각 UE는기지국이전송한정보들을바탕으로상향링크전송신호를보낸다. 비코드북기반의상향링크전송방법은다음과같다. 먼저각 UE는다수의 SRS를서로다른방향으로전송한다.

8 기획시리즈 5G 수신된 SRS를바탕으로빔방향 (SRS Index), 랭크, 그리고상향링크를위한전송부호화 (Transmit Precoding) 정보를 UE로전송하며, 각 UE는기지국이전송한정보들을바탕으로상향링크전송신호를보낸다. 비코드북기반의상향링크전송방법은다음과같다. 먼저각 UE는다수의 SRS를서로다른방향으로전송한다. 기지국은수신된 SRS를바탕으로 SRS 색인에포함된빔 / 부호화방향과랭크정보를 UE로전송하며, 각 UE는기지국이전송한 SRS 방향에맞추어상향링크전송신호를보낸다. 5G 하향링크전송기법을살펴보면, 5G 시스템의기지국인 gnb는단말로부터전송되는 SRS 신호또는채널상태리포트를바탕으로하향링크전송을위한부호화를결정한다. 따라서실제 gnb에서결정하여전송되는부호화기술은단말이요청한부호화와다를수있어단말은실제로기지국이결정하여전송하는부호화방법을알수없다. 이를 UE transparent 라한다. 단말은신호복조를위해채널을알필요도없고부호화를알필요도없으며, 단지채널과부호화의결합결과만이필요할뿐이다. NR-MIMO에서는단말당랭크 8을지원할수있으며, 직교 DM-RS (demodulation reference signal) 를이용하여동시에 12명의동시스케줄된 UE를지원한다. 3. 채널상태정보 NR-MIMO 시스템에서는 [ 그림 8] 과같이 CSI(Channel Status Information) 로 Type I과 Type II를지원한다. Type-I CSI는단일사용자 MIMO 전송기술을위해최적화되었으며상대적으로작은상향링크오버헤드를가지며, Type-II CSI는다중사용자 MIMO 전송기술을위해최적화되었으며보다정교한채널정보를가지므로상대적으로큰상향링크오버헤드를가진다. [Type-I Channel Status Information] [Type-II Channel Status Information] [ 그림 8] Type-I and Type-II 채널상태정보 정보통신기획평가원 9

4. NR 기준신호 LTE 시스템은일종의 one size fits all 이라할수있는하향링크기준신호인 CRS(Cell- Specific RS) 를이용한다. 그러나이러한 CRS의사용은망구성의유연성을제한하는동시에상당히에너지비효율적인방법이다.

따라서이러한단점을보완하기위해 [ 그림 9] 와같이 TRS(Tracking RS), DM-RS(DeModulation RS), CSI-RS(Channel Status Information RS), PT-RS(Phase Tracking RS) 라는새로운기준신호 (RS)

이는상향 [ 표 3] NR Type 1 DM-RS 와 NR Type 2 DM-RS 의특징 구분 NR Type 1 DM-RS NR Type 2 DM-RS Orthogonal Ports Up to 8 Up to 12 Flexibility Can be adapted for

9 4. NR 기준신호 LTE 시스템은일종의 one size fits all 이라할수있는하향링크기준신호인 CRS(Cell- Specific RS) 를이용한다. 그러나이러한 CRS의사용은망구성의유연성을제한하는동시에상당히에너지비효율적인방법이다. 또한, 6GHz 이상의고주파영역에적용하기어려우며다수의안테나를사용하는 MIMO 시스템에적합하지않다. 따라서이러한단점을보완하기위해 [ 그림 9] 와같이 TRS(Tracking RS), DM-RS(DeModulation RS), CSI-RS(Channel Status Information RS), PT-RS(Phase Tracking RS) 라는새로운기준신호 (RS) 들을도입하여서로다른주파수대역과다양한시나리오에대응할수있게하였다. [ 그림 9] 4 세대 LTE 기준신호와 5 세대 NR 기준신호 NR 5G 시스템에서 DM-RS 는 NR Type 1 DM-RS 와 NR type 2 DM-RS 가있다. 이는상향 [ 표 3] NR Type 1 DM-RS 와 NR Type 2 DM-RS 의특징 구분 NR Type 1 DM-RS NR Type 2 DM-RS Orthogonal Ports Up to 8 Up to 12 Flexibility Can be adapted for frequency/time selectivity, robustness, number of co-scheduled UEs for MU-MIMO, etc Waveform CP-OFDM (UL/DL) or DFT-S-OFDM (UL) CP-OFDM only (UL/DL) Design (Figure for single symbol Dm-RS) IFDMA based Frequency domain orthogonal cover code based Overhead/Port Higher Lower 10

10 기획시리즈 5G 링크 / 하향링크채널추정을위해설계되었으며이를통해동조복조 (coherent demodulation) 가가능하게된다. 이러한 2가지형태의 DM-RS의특징을정리하면 [ 표 3] 과같다. CSI-RS는하향링크채널상태를측정하고자설계되었으며이를통해단말은 CSI를기지국에리포트한다. CSI-RS는주기 (periodic), 비주기 (aperiodic), 반영속적인 (semi-persistent) CSI- RS의 3가지형태를가진다. 각각의주요한특징을정리하면 [ 표 4] 와같다. [ 표 4] 주기, 비주기, 반영속적 (Periodic, aperiodic and semi-persistent) CSI-RS 의특징 Periodic CSI-RS Aperiodic CSI-RS Semi-Persistent CSI-RS Orthogonal Ports Up to 32 Up to 32 Up to 32 Time domain behavior Periodic transmission once configured Single transmission when triggered Periodic transmission once activated until deactivated Activation/ Deactivation RRC signaling L1 signaling MAC CE Characteristics No L1 overhead Low latency Hybrid of periodic and aperiodiccsi-rs 또한, TRS는시간 / 주파수추적 (tracking) 과지연 / 도플러확산 (delay/doppler spread) 의추정을위해설계되었으며, PT-RS는상향 / 하향링크에서위상잡음의보상을위해설계되었다. 즉, DM-RS와연동하여복조시에위상잡음을제거하는역할을제공한다. 이러한 PT-RS 구성은대역폭이나사용되는변조기법과부호화방법에따라밀도를정의하여사용된다. 마지막으로 SRS 는상향링크채널품질과타이밍동기측정을위해설계되었다. 따라서채널상호성 (reciprocity) 이적용되는환경에서는하향링크채널정보를위해사용할수있다. SRS는주기, 비주기, 반영속적 SRS의 3가지형태가지원된다. 1개의심볼만을사용하는 LTE 시스템 (Release 8 기준 ) 에비해 SRS의성능을향상시키기위해 SRS 전송을 6개의 OFDM 심볼까지사용할수있다. IV. 5 세대 NR-MIMO 시스템의발전방향과동향 지금까지 NR-MIMO 시스템의주요특징에대해살펴보았다. 현재 Release 15 NR 표준화논의가마무리되고 Release 16 표준화논의가활발히진행되고있다. 많은기술들이 Release 15에서마무리가되고더이상표준에서논의의필요성이사라져 Release 16에서는다루지않으나 MIMO 기술은 Release 15에이어서 Release 16에서도계속하여논의가진행되고있다. 그만큼 정보통신기획평가원 11

11 MIMO 기술은중요하다. 본절에서는 Release 16에서진행중이거나향후논의가언급되는 MIMO 기술을소개하면서본고를마무리하고자한다. 먼저 MU-MIMO 기술에대한성능증대방법에대한논의를들수있다. MU-MIMO 기술은과도한오버헤드가뒤따른다. 따라서오버헤드를감소시킬방법이나 MU-MIMO를위한효율적인 CSI 정보의교환방법에대한논의가진행중이다. 또한, 백홀의신뢰성및강인성향상을위해 multi-trp(tx/rx point)/ 패널전송기술에대한논의가진행되고있다. 이와동시에 NR-MIMO 기술에서새로이소개된다중빔기술에대한다양한성능개선작업이활발히논의되고있으며 CSI-RS와 DMRS에서의 PPR 문제도활발히논의되고있다. [ 참고문헌 ] [1] Younsun Kim, NR Physical Layer Design: NR MIMO, 3GPP RAN Workshop, Brussels, Oct [2] 3GPP RAN Workshop, Brussels, Oct [3] ITU-R WP5D, [4] Huawei, 5G Spectrum Public Policy Position [5] 김대중, 5G 이동통신표준화현황및전망, TTA 저널, [6] Havish Koorapaty, NR Physical Layer Design: Physical layer structure, numernology and frame structure, 3GPP RAN Workshop, RWS , Brussels, Oct

[ 차세대이동통신 ] 3GPP LTE Rel-14 에서의 V2X 표준화동향 서론 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 에서는 LTE(Long Term Evolution) 의릴리즈 (Release)-14 버전 (version) 을위한연

[ 차세대이동통신 ] 3GPP LTE Rel-14 에서의 V2X 표준화동향 서론 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 에서는 LTE(Long Term Evolution) 의릴리즈 (Release)-14 버전 (version) 을위한연구과제 (Study Item, SI) 중하나로써, V2X에대한연구를 2015년 3/4분기부터시작하여