주간기술동향 2018. 3. 21. 5G 이동통신표준화동향 조용호 호서대학교조교수 2015년국제통신연합 (International Telecommunication Union: ITU) 에서 5세대이동통신을 IMT-2020 으로공식승인하면서사실상 IMT-2020 후보기술을제안할가장유력한표준화단체인 3GPP (3rd Generation Partnership Project) 에서 5G 이동통신에대한표준화가활발히진행중이다. 최근 3GPP는기존 LTE 네트워크망기반에서운용가능한비단독 (non-standalone) 5G 이동통신표준규격이완료되었음을발표하였다. 본고에서는 ITU와 3GPP의 5G 이동통신표준화추진계획과동향을살펴보고향후전망을논하고자한다. I. 서론 1980 년대 1 세대아날로그통신을시작으로 1990 년대 2 세대, 2000 년대 3 세대, 2010 년대 4 세대를거쳐 2020 년을목표로 5 세대 (5G) 이동통신기술개발및표준화작업이진행중이다. 국제통신연합 (International Telecommunication Union: ITU) 은국제표준화를담당하는기구로써각이동통신세대별요구사항을결정하고, 각표준화단체는해당요구사항을만족하는표준화규격을 ITU 에제안하며, 제안한규격이요구사항을만족할경우해당규격은 ITU 로부터이동통신시스템으로승인된다. 이때상기표준관련진행은 ITU 의라디오커뮤니케이션섹터인 ITU-R 내 Working Party 5D(WP5D) 에서진행한다. IMT-Advanced 로명명된 4 세대이동통신규격은 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 에서제안한 LTE-Advanced 와 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 에서제안한 WMAN-Advanced 가있다. 2015 년 ITU 는 5G 이동통신을 IMT-2020 으로공식승인하며 5G 이동통신표준화의시작을알렸다 [4]. 현재국제적으로다수의표준화단체가존재하지만 IMT-2020 후보기술을제안할가장유력한표준화단체는사실상 3GPP 한군데이다. 3GPP 는 2015 년 9 월 5G 워크샵에서 5G * 본내용은조용호교수 ( 041-540-5947, yhcho@hoseo.edu) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 2 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 표준화에대한일정과개념을합의하며본격적인 5G 이동통신표준화를시작하였으며 [5], 최근 2017 년 12 월 21 일포르투갈리스본에서개최된 TSG-RAN(Technical Specification Group-Radio Access Network) 분과에서기존 LTE 네트워크망기반에서운용가능한비단독 (non-standalone: NSA) 5G 이동통신표준규격이완료되었음을발표하였다 [2]. 지금까지이동통신의경우 2G 와 3G 에서는음성및약간의데이터서비스를제공하였으며, 4G 에서는본격적인데이터중심의서비스를제공하였다. 이렇게기존이동통신은데이터전송속도향상을목표로발전해왔다. 하지만 5G 이동통신으로의진화로인해다가올미래에는 1 초고용량실감형데이터서비스, 2 초실시간처리서비스, 3 증강현실서비스, 4 초연결 (Hyper-Connectivity) 통신서비스가가능할것으로예상된다 [9]. 이러한유스케이스 (Use Cases) 를지원하고자 5G 이동통신표준화는 [ 그림 1] 과같이향상된데이터전송속도를제공하는 embb(enhanced Mobile BroadBand), 다수의 MTC(Machine Type Communication) 단말을지원하는 mmtc(massive MTC), 고신뢰와초저지연통신을가능하게하는 URLLC(Ultra Reliable and Low Latency Communication) 의세가지서로다른시나리오를지원하도록개발되고있다. 본고에서는 5G 이동통신표준화를주도하고있는국제표준화기구인 ITU 와 IMT-2020 후보기술을제안할가장유력한표준화단체인 3GPP 의표준화추진계획과동향을살펴보고향후전망을논하고자한다. II. 국제표준화동향 1. IMT 표준현황 ITU 는 2012 년부터 ITU-R WP5D 를통해 5G 논의를진행했으며, 2015 년말 5G 요구사항이담긴 5G 비전권고 [4] 와함께 5G 이동통신을 IMT-2020 으로명명하였다. 기존 IMT-advanced 에비해 IMT-2020 은훨씬더넓은범위의다양한시나리오와애플리케이션을지원한다. 5G 비전권고에서는 5G 유스케이스를 [ 그림 1] 과같이크게세가지인 embb, mmtc, URLLC 로정의하였다 [4]. 우선 embb 는사용자중심으로 4G 이동통신에비해향상된전송속도, 최대전송속도, 이동성등을제공받는시나리오이다. 이때 embb 시나리오는모바일핫스팟에서넓은커버리지지원등서로다른요구사항을갖는넓은범위의유스케이스를포 정보통신기술진흥센터 3
주간기술동향 2018. 3. 21. < 자료 > Recommendation ITU-R M.2083-0, ITU, Sep. 2015. [ 그림 1] IMT-2020 의유스케이스함할수있다 [1]. 예를들어모바일핫스팟의경우높은사용자밀도와매우높은통신용량이요구되지만이동성에대한요구사항은상대적으로낮다. 반면, 넓은커버리지지원의경우끊김없는통신과높은수준의이동성이요구되지만핫스팟에비해낮은통신용량이요구된다. mmtc 시나리오에서는굉장히많은수의단말과동시에통신하는초연결서비스를지원한다. 이때단말은굉장히낮은전송속도와이동성을갖고간헐적으로통신하게된다. mmtc 시나리오에서는단말을얼마나낮은비용으로오랫동안구동할수있느냐가핵심이다. URLLC 시나리오는저지연 (low latency) 과통신링크에서의매우높은안정성을지원하는시나리오이다. URLLC 시나리오의예로는산업용기계나생산과정제어, 의료용로봇제어, 교통안전등이있으며, 지연이발생하거나통신에러가발생할경우치명적인손실이야기되기때문에낮은지연과높은수준의통신안정성이요구되는경우가이에속한다. 상기세가지시나리오를지원하기위한 IMT-2020 의 8 개핵심성능지표 (Key Performance Index: KPI) 는최대전송속도 (peak data rate), 사용자체감속도 (user experienced data rate), 지연 (latency), 이동성 (mobility), 접속밀도 (connection density), 에너지효율 (energy efficiency), 주파수효율 (spectrum efficiency), 면적당용량 (area traffic capacity) 이며, [ 그림 2] 에 IMT-advanced 와 IMT-2020 에서의각지표의차이를나타내었다 [4]. 최대전송속도의경우 IMT-advanced 에서는최대 1Gbit/s 를지원함에반해, IMT-2020 에서는최대 20Gbit/s 지원을예상한다. 사용자 4 www.iitp.kr
기획시리즈 5G < 자료 > Recommendation ITU-R M.2083-0, ITU, Sep. 2015. [ 그림 2] IMT-2020 의 8 개핵심성능가체감하는전송속도는 IMT-advanced 보다 10 배빠른최대 100Mbit/s 지원을예상한다. 주파수효율은 IMT-advanced 에비해세배향상될것을예상한다. 면적당용량은모바일핫스팟과같은시나리오에서최대 10Mbit/s/m 2 을지원할것으로예상한다. 5 세대이동통신인 IMT- 2020 은높은에너지효율을요구하며, IMT-advanced 에비해비슷하거나적은에너지소비로도향상된통신성능을제공하기위해서는높은수준의에너지효율이필요할것이다. 지연시간의경우 URLLC 시나리오를지원하기위해 1ms 지연을지원해야하며, 이동성의경우고속열차에서의통신서비스제공을위해최대 500km/h 를지원할것으로예상된다. 접속밀도의경우 mmtc 시나리오를고려하여최대 10 6 /km 2 을지원할것으로예상된다. IMT-2020 의세가지시나리오인 embb, mmtc, URLLC 에서각핵심성능지표의중요도를나타내면 [ 그림 3] 과같다 [4]. embb 시나리오에서는사용자체감속도, 면적당용량, 최대전송속도, 이동성, 에너지효율, 주파수효율이중요하며, 모바일핫스팟과넓은커버리지지원과같이상이한유스케이스에따라사용자체감속도와이동성의중요도는조금씩달라질수있다. 반면, URLLC 시나리오에서는저지연 (low latency) 이가장중요한요소가되며, 고속 정보통신기술진흥센터 5
주간기술동향 2018. 3. 21. < 자료 > Recommendation ITU-R M.2083-0, ITU, Sep. 2015. [ 그림 3] IMT-2020 의시나리오별핵심성능지표의중요도이동성이발생하는교통안전관련응용분야의경우높은이동성역시중요한요소가될것이다. mmtc 시나리오에서는네트워크상에서매우많은단말의동시접속을지원해야하기때문에높은접속밀도가가장중요하며, IoT 단말들의긴수명을위해에너지효율도중요한성능지표가된다. 반면, mmtc 시나리오의경우이동성과주파수효율, 최대전송속도등은상대적으로낮은중요도를갖게된다. IMT-2020 을위한 ITU 표준화계획은 [ 그림 4] 와같다. 우선 WP5D 는 IMT-advanced 개발과동일한과정을사용한다. ITU-R WP5D 는지난 2016 년과 2017 년에 IMT-2020 을위한성능요구사항및이동통신시스템승인을위한평가항목과절차를정의하였다. ITU-R 은 2017 년워크샵이후 2019 년 7 월까지각국의표준화기관으로부터 IMT-2020 후보기술을제안받게되며, 2018 년본격적으로제안기술이등록될것으로예상한다. 이후 2020 년 2 월까지제안된기술에대한평가및의견수렴을거쳐 2020 년 10 월 IMT-2020 최종표준을완료할예정이다. ITU 는 2015 년개최된 WRC(World Radio Conference)-15 에서 5G 통신을위한 6GHz 이하의주파수후보대역을지정한바있다. 2019 년에개최되는 WRC-19 에서는주파수배치, 표준규격확정, 각종전파관련규약등이결정되며, 특히 6GHz 이상의 5G 통신용주파수후보대역이논의될예정이다. 현재예상되는 6GHz 이상의 5G 통신용주파수후보대역은 24.25~ 27.5GHz, 31.8~33.4GHz, 37~43.5GHz, 45.5~50.2GHz, 50.4~52.6GHz, 66~76GHz, 81~86GHz 이며, 사업자, 제조사, 국가별로이해관계에따른후보대역이서로상이하기때문에 WRC-19 에서논 6 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 주 1) Meeting #31bis-if needed focus meeting towards WRC-19(non-Technology), Meeting #33-focus meeting on Evaluation(Technology) 주 2) While not expected to change, details may be adjusted if warranted. < 자료 > Recommendation ITU-R M.2083-0, ITU, Sep. 2015. 의될주파수대역결과에귀추가주목된다. WRC-19 이후에는 IMT-2020 을만족하는국제표준이 구체화될것으로예상된다. [ 그림 4] IMT-2020 의표준화일정 2. 3GPP 표준현황 3GPP 는 IMT-2020 후보기술을제안할가장유력하며유일한후보기관으로여겨진다. 3GPP 는 [ 그림 5] 와같이 Release 14 부터 Release 16 까지세개의 Release 를통해 2020 년 ITU-R 제출규격완성을목표로하고있다. Release 14 에서는 2017 년말까지 5G 규격을위한선행연구가수행하고, 이를기반으로 Release 15(phase1) 에서는 2018 년말까지시장에서의우선적인요구사항을충족하는표준규격을완성하며 Release 16(phase2) 에서는 2019 년말까지 3GPP 의모든요구사항을충족하는표준규격을완성함과동시에 IMT-2020 을위한후보기술제안을목표로한다. Release 14 에서는 5G 기술규격개발에앞서 5G 기술의타당성, 요구사항등이연구되었고 5G 기술보고서 (technical report: TR) 가완료되었다. 대표적인 5G TR 은 TSG(Technical Specification Group) RAN 에서진행된 5G 무선접속기술에대한요구사항 (TR 38.913)[8] 과 TSG SA(Service & System Aspects) 에서진행된 5G 시스템에대한구조 (TR 23.799)[7] 가있다. TR 38.913[9] 에 정보통신기술진흥센터 7
주간기술동향 2018. 3. 21. 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 Rel 13 Rel 14 Rel 15 Rel 16 5G Phase 1 Deployment 5G Phase 2 Deployment SA1 Requirements Study WID SA2 RAN Architecture Study RAN Study WID WID Rel 15 SA1 Requirements Study WID Rel 16 SA2 Architecture Study WID RAN WID < 자료 > 3GPP, 2016. [ 그림 5] 3GPP 5G NR 표준화일정 명시된 5G 핵심성능지표는 [ 표 1] 과같다. [ 표 1] 3GPP 5G NR 핵심성능지표 KPI Peak data rate Peak spectral efficiency Bandwidth Control plane latency User plane latency Latency for infrequent small packets Mobility interruption time Inter-system mobility Reliability(success probability) Coverage Extreme Coverage UE battery life DL: 20Gbps UL: 10Gbps DL: 30bps/Hz UL: 15bps/Hz Target TBD(may be derived by IMT-2020) 10ms embb: 4ms for UL, and 4ms for DL URLLC: 0.5ms for UL, and 0.5ms for DL < 10 sec in UL, at MCL = 164dB 0ms TBD General URLLC: 1-10 -5 with user plane latency 1ms ev2x: 1~10-5 with user plane latency 3~10ms MCL = 164dB, for a data rate of 160bps MCL = 140dB @ DL: 2Mbps and UL: 60kbps MCL = 143dB @ DL: 1Mbps and UL: 30kbps For mmtc, beyond 10 years, 15 years desirable 8 www.iitp.kr
기획시리즈 5G KPI UE energy efficiency Cell/Transmission Point/TRxP spectral efficiency Area traffic capacity User experienced data rate 5th percentile user spectrum efficiency Connection density Mobility Network energy efficiency < 자료 > TR 38.913[8] 참조, 자체작성 Target Efficient data delivery and granular DTX/DRX 3x IMT-A TBD TBD 3x IMT-A 1 000 000 device/km2 in urban environment 500km/h TBD 3GPP 의 5G 표준화활동은기존 LTE 와호환성을유지하며표준을개선하는 LTE-Advanced Pro 규격과기존 LTE 와다른무선접속기술인 5G New Radio(NR) 규격이함께진행되고있다. 한편, 2016 년초 Ericsson, Huawei, ZTE, Qualcomm, Intel 및 AT&T, Deutsche Telekom, KDDI, KT Corp., NTT Docomo, SK Telecom, Sprint, Vodafone 을포함한많은이동통신사업자들은 2019 년 5G 상용화를선언하였고, 이에따라 3GPP 는 5G 표준완료를앞당기고자 2016 년 6 월부터시작되는 Release 15 에서 5G NR 표준화방향을단독 (standalone: SA) 과비단독 (non-standalone: NSA) 모드로구분하여진행하기로결정하였다 [1]. NSA 5G NR 은기존 LTE 코어네트워크를컨트롤플레인앵커로활용하면서그위에새로운 5G 기술을더하는형식의표준으로 2019 년시범서비스를목표로한다. NSA 5G NR 이도입된배경은기존통신사업자들이 2020 년이후 SA 5G NR 서비스에앞서기존 LTE 망을활용하는 NSA 5G NR 운용을통해 2019 년부터 embb 지원을중점으로하는 5G NR 시범서비스를시작할수있게하기위해서이다. 반면, SA 5G NR 은완전히새로운 5G 코어네트워크를기반으로하는규격으로서 2018 년 6 월완료와 embb 와일부 URLLC 지원을목표로한다. 5G NR 네트워크는동종 (homogeneous) 형태와이종 (heterogeneous) 형태가될수있으며, 세가지배치시나리오를가정할수있다 [6]. 첫번째 시나리오는 LTE 와 5G NR 네트워크가비슷한커버 리지를제공하는동종배치시나리오이다. LTE 와 5G NR 이동일주파수에서운용될경우이와같은 < 자료 > Techplayon, 2017. LTE NR 시나리오를가정할수있다. [ 그림 6] 5G NR 의동종배치시나리오 정보통신기술진흥센터 9
주간기술동향 2018. 3. 21. < 자료 > Techplayon, 2017. [ 그림 7] 5G NR 의이종배치시나리오 1 < 자료 > Techplayon, 2017. [ 그림 8] 5G NR 이종배치시나리오 2 두번째시나리오는 LTE 와 5G NR 네트워크가다른커버리지를갖는이종배치시나리오이다. 이경우, LTE 네트워크는커버리지요구사항을만족하기위해넓은커버리지를갖는반면, 5G NR 네트워크는통신용량 (capacity) 을만족하기위해작은커버리지를갖게된다. 이때 5G NR 셀 (cell) 은 LTE 셀과함께배치될수도, 독립적으로배치될수도있다. 세번째시나리오는두번째시나리오와달리 5G NR 네트워크는커버리지요구사항을만족하기위해넓은커버리지를갖는반면, LTE 네트워크는통신용량을만족하기위해작은커버리지를갖는이종배치시나리오이다. 이경우역시 5G NR 셀은 LTE 셀과함께배치될수도, 독립적으로배치될수도있다. 3GPP 는 2017 년 12 월 21 일리스본에서열린 3GPP TSG RAN Plenary Meeting 에서 NSA 5G NR 표준이완성되었음을발표하였다 [2]. SA 5G NR 표준의경우현재진행중이며 Release 15 가종료되는 2018 년 6 월에완성될예정이다. 2016 년 12 월이후 3GPP 5G NR 표준화일정은 < 자료 > 3GPP, 2016. [ 그림 9] 2016 년 12 월이후 3GPP 5G NR 표준화일정 10 www.iitp.kr
기획시리즈 5G [ 그림 9] 와같다. 지금까지이동통신의발전은데이터전송속도향상을목표로진행되어왔다. 하지만 5G 이동통신의경우향상된데이터전송속도를지원하는 embb 시나리오외에 mmtc 나 URLLC 와같은기존과는다른시나리오지원을목표로한다. 이렇게다양한시나리오를지원하기 [ 표 2] 5G NR 물리계층에서논의되고있는기술정리 PHY functionality Downlink(DL) Uplink(UL) Duplexing Both FDD operation on a paired spectrum and TDD operation on an unpaired spectrum. Forward compatibility Explicit signaling to NR UEs can indicate reserved resources. Numerology and Multiplexing Frame structure Modulation Multiple numerologies are supported. Scalable numerology should allow at least from 15kHz to 480 khz subcarrier spacing. Multiplexing different numerologies within a same NR carrier bandwidth is supported in TDM and/or FDM manner for both DL and UL. With normal CP, a slot is defined as 7 and 14 OFDM symbols for subcarrier spacing of up to 60kHz, while 14 OFDM symbols for higher spacing. A slot can contain all DL, all UL, or at least one DL part and at least one UL part. QPSK, 16QAM, 64QAM and 256QAM Waveform CP-OFDM Both CP-OFDM and DFT-S-OFDM. Multiple access scheme Channel coding Multi-antenna-Beam management Multi-antenna MIMO Synchronization/Refer ence signals DL Broadcast UL Initial/Random access Scheduling HARQ Mobility/PHY Measurements Synchronous/scheduling-based orthogonal multiple access, at least targeting embb (Working assumption) embb: LDPC for data; Polar for control channels. Rest is FFS Beam determination, measurement, reporting, and sweeping are supported DL DMRS based spatial multiplexing (SU-MIMO/MU-MIMO) is supported. Two types of synchronization signals; NR- PSS and NR-SSS. At least one broadcast channel (NR-PBCH) is defined. N/A TBD UL DMRS based spatial multiplexing (SU-MIMO/MU-MIMO) is supported. The following NR UL RSs are supported: SRS: CSI acquisition, beam management DM-RS: data and control demodulation Reference signal for phase tracking N/A NR supports multiple RACH preamble formats. NR supports at least same-slot and cross-slot scheduling for DL and UL. NR supports both data and control with the same numerology. Asynch and adaptive DL HARQ, at least for embb. NR supports cell-level mobility based on DL cell-level measurement(e.g., RSRP for each cell) in IDLE(or similar) mode. Asynchronous and adaptive UL HARQ is supported at least for embb. At least one of cell-level and beam-level measurement quantities is supported for UL RRM reporting. < 자료 > Wireless Technology Evolution Towards 5G: 3GPP Release 13 to Release 15 and Beyond, 5G Americas, Feb. 2017. 정보통신기술진흥센터 11
주간기술동향 2018. 3. 21. 위해물리계층 (physical layer) 을포함한이동통신시스템의각계층에서다양한논의가진행되고있다. 물리계층역시기존 4 세대이동통신인 LTE-Advanced 에서사용된기술을확장할뿐만아니라새로운기술도입역시적극적으로검토되고있다. 5G NR 에서는다양한시나리오지원의용이성을확보하기위해다양한부반송파간격, 대역폭을갖는유연한프레임구조가논의중이다. Waveform 의경우 OFDM 과 DFT-spreading OFDM 이사용될것으로예상된다. 채널코딩의경우 LDPC 나폴라코드가검토중이다. 5G NR 에서는성능향상등의목적으로초다중안테나기반빔포밍 (beamforming) 기술이사용될것으로예상된다. 이에따라빔포밍을위한빔운용방식및전송기법에대한논의가활발히진행중이다. 5G NR 물리계층에서논의되고있는다양한기술들을정리하면 [ 표 2] 와같다. III. 결론 본고에서 ITU 와 3GPP 의 5G 이동통신표준화추진계획과동향을살펴보았다. ITU 에서 IMT-2020 으로명명된 5G 이동통신표준화는 2015 년이후 3GPP 에서굉장히빠르게진행되었고, 그일환으로 2017 년 12 월말기존 LTE 네트워크망기반에서운용가능한 NSA 5G NR 표준규격이완료되었음을발표하였다. NSA 5G NR 규격완성과함께 Ericsson, Huawei, ZTE, Qualcomm, Intel, Samsung 등시스템제조사및 AT&T, Deutsche Telekom, KDDI, KT Corp., NTT Docomo, SK Telecom, Sprint, Vodafone 등이동통신사업자는일제히 5G NR 이동통신시스템개발착수와함께 2019 년초서비스시작을발표하였다 [3]. 또한, 최근에개최된 2018 년 2 월평창올림픽에서는 KT 를중심으로삼성전자, 에릭슨, 노키아, 인텔, 퀄컴등이 5G 이동통신시범서비스및이를기반으로다양한 5G 융복합서비스를선보였다. 이렇게 NSA 5G NR 표준완료와더불어평창올림픽에서의 5G 이동통신시범서비스를통해 5G 이동통신시대가빠르게도래할것으로예상된다. [ 참고문헌 ] [1] 3GPP, 5G-NR workplan for embb, Mar. 9, 2017. [2] 3GPP, First 5G NR Specs Approved, Dec. 22, 2017. 12 www.iitp.kr
기획시리즈 5G [3] 3GPP, Industry support for 3GPP NR announcement, Dec. 21. 2017. [4] Recommendation ITU-R M.2083-0, IMT Vision Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond, Sep. 2015. [5] RWS-150073, Workshop on 5G: Chairman Summary, 3GPP, Sep. 2015. [6] Techplayon, Deployments Scenarios for 5G NR, Dec. 22, 2017. [7] TR 23.799, Study on architecture for next generation system, 3GPP, Dec. 16. 2016. [8] TR 38.913, Study on scenarios and requirements for next generation access technologies, 3GPP, Oct. 4. 2016. [9] 김문홍, 박종한, 나민수, 조성호, 5G 이동통신기술발전방향 : 새롭게펼쳐질미래의이동통신세상, 무엇이달라지는가?, 한국통신학회, Aug. 2015. 정보통신기술진흥센터 13