한국전자통신연구원

80 2016 한국전자통신연구원

Ⅰ. 서론일반적으로 International Telecommunication Union Radiocommunication(ITU-R) Working Party(WP) 5D 에서승인된특정한요구사항을만족하는 Radio Transmission Technology(RTT) 규격을 X세대이동통신시스템이라고한다. International Mobile Telecommunications(IMT)-Advanced 또는 4세대이동통신으로승인된 RTT 는 Long Term Evolution(LTE)- Advanced 와 Wireless Metropolitan Area Networking (WMAN)-Advanced 의 2가지가있다. 사용자로부터기존기술로지원하기어려운서비스요구가있거나신기술을적용한시스템이새로운시장을창출할수있을것으로판단될경우, 이동통신시스템은다음세대로진화하기위한프로세서를밟게된다. 또현재어떤세대의이동통신시스템권고안이개발되어고시되었다할지라도모든나라에서최근의이동통신시스템이운용되는것도아니다. 한국의경우 4세대이동통신시스템이광범위하게전개되어서비스를제공하고있으나, 2세대나 3세대시스템을운용하는나라가더많이있다. 또한, 최근권고안인 IMT-Advanced 도권고안고시후에관련규격작업이종료된것이아니라계속적인갱신이진행된다. IMT-Advanced 권고안은현재 3차의개정작업중에있다. 현재 ITU-R 에서는 2020 년 10월최초권고안고시를목적으로 5세대이동통신시스템인 IMT-2020 개발프로세서가진행중이다. ITU-R 은국제표준화기구이고 3rd Generation Partnership Project(3GPP) 또는 Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE) 는사실상 (de facto) 의표준화단체이다. 일반적으로이동통신시스템표준권고안을개발하는과정은다음과같다. 먼저 ITU-R 에서해당세대이동통신시스템의뼈대와전체목적을밝히는권고안, 요구사항을제시하는보고서및요구사항충족여부를판단할수있는평가방법보고서를개발한다 [1]. 사실상의표준화단체와국가및지역 Stan-dards Development Organizations(SDO) 는후보기술을 ITU-R 에제출할수있으며 ITU-R 은평가방법보고서에기반하여평가를수행한다음해당세대표준권고안으로고시할수있다. 국가및지역 SDO 로 Telecommunications Technology Association(TTA), Association of Radio Industries and Businesses(ARIB), China Communications Standards Association(CCSA), European Telecommunications Standards Institute (ETSI), Telecommunication Industry Association(TIA), Telecommunication Technology Committee(TTC) 등이있다. 4세대의경우 3GPP 와 IEEE 가후보기술을제출하였고이러한기술들이모두 IMT-Advanced 권고안으로고시되었다. 최근세대간시간간격이좁아지고후보기술을제출하는사실상표준화단체또는 SDO 의수도줄어드는경향을보이고있다. 현시점에서 5세대 IMT- 2020 후보기술제출이확실시되는표준화단체는 3GPP 가유일하며그밖에 IEEE 와국가및지역 SDO 의제출여부는아직미지수이다. 본고는 ITU-R 이 5세대이동통신표준을고시하기까지의과정과여기에서유일한또는가장영향력있는후보기술을제안할 3GPP 의활동과그곳에서논의되고있는주요기술들을분석한다. Ⅱ. 5G 표준화동향 1. ITU-R IMT-2020 표준화 ITU-R 은 2012~2015 년의기간에 IMT-2020 비전권고안을개발하여고시하였다 [1]. 이권고안은 IMT- 2020 최상위문서에해당되며, ( 그림 1) 과같이전송속도위주의이전세대표준방향과달리전송속도를강조하는 enhanced Mobile BroadBand(eMBB) 외에도 예충일외 / 5G 이동통신표준화현황 81

massive Machine Type Communication(mMTC)와 Ultra Reliable and Low Latency Communication (URLLC)의 중요성을 부각시켜 IMT-2020 usage scenario의 차원을 확장하여 후보 RTT가 필요한 기술 을 준비하도록 하였다. 이에 따른 요구사항 보고서는 2017년 2월 고시될 예정이며, 평가방법 보고서는 2017 년 6월 고시될 예정이다. 제24차 WP5D 회의 결과 반영 시점까지의 진행 사항 을 요약하면 요구사항 관련하여 최종 요구사항 보고서 를 향한 중간 단계의 문서가 작성되었고, <표 1>과 같이 13가지 최소 기술 성능 요구 사항이 정의되었다[4]. 또 한, 상기 13가지의 최소 요구 사항 외에도 spectrum flexibility와 operational lifetime 등과 같은 7가지의 특 별 요구사항 정하여 후보 기술 제출 시에 만족 여부를 정해진 문서에 표기토록 하였다. 평가방법 관련하여서도 중간 단계의 문서가 작성되었 고 요구사항별로 시뮬레이션, 분석(analytical: 계산), 또는 검사(inspection: yes 또는 no) 중 어떤 방식을 적 82 전자통신동향분석 제31권 제5호 2016년 10월

용할것인가의여부에대해 < 표 1> 과같이결정하였다. 복수의 usage scenario 도입에따라이전세대의시스템에비해 IMT-2020 평가는매우복잡한양상을띠게됨에따라 5가지의시험환경이정의되었다. 시험환경은시나리오와지리적환경을엮은것으로 < 표 2> 에표시된합의된 5가지외에도 embb 의 High speed, mmtc 의 Rural, URLLC 의 Rural 이논의중인상태다. 이밖에평가방법관련최종보고서에서는 deployment scenario 별로평가파라미터가결정될예정이고 6GHz 이하는물론 6GHz 이상의고주파채널모델이포함될예정이다. IMT-2020 workplan 및 timeline 을설명하는 ( 그림 2) 에따르면 2017 년말 Workshop 이후후보기술제안이시작되고평가및의견수렴을거쳐 2020 년말 5G 이동통신권고안이고시될예정이다. 2. 3GPP 표준화가. 표준화현황 3GPP 는세개의 Technical Specification Group(TSG) 인 Radio Access Network(RAN), Service & Systems Aspects(SA), Core Network & Terminals(CT) 를통해각각무선접속기술, 서비스전반기술 ( 요구사항, 코어망구조, 보안등 ) 그리고단말과코어망간의세부프로토콜기술규격을제정한다. 5G 이동통신기술표준화는 2015 년 2월 SA1 Working Group(WG) 에서시작하여현재 SA와 RAN 의거의모든 WG 전반에걸쳐진행되고있으며, CT 기술규격작업은 SA2 WG 작업이안정적인단계에들어설때시작될예정이다. 5G 이동통신기술규격은 ( 그림 3) 과같이 Release 14 부터 Release 16까지세개의 Releases 를통해기술타당성연구보고서, 단계 1 규격, 단계 2 규격으로제공될예정으로, SA1 은이제막단계 1 규격작업을시작했으며, 다른 WGs 은기술타당성연구작업을진행중이다. 1) TSG SA 표준화 5G 서비스요구사항을정의하는 SA1 은 74개의이용사례를포함한기술보고서 TR 22.891 을지난 3월완료하였다. 이들이용사례는다시세가지서비스그룹, embb, massive Internet of Things(mIoT), Critical Communications(CRIC) 으로분류하고각그룹에대한세부적요구사항을정의하였으며, 이들그룹모두와연관되는네트워크운용관련요구사항은 Network Operation(NEO) 라는이름으로정의하여총 4개의 Building Blocks(BB) 기술보고서가지난 6월 TSG 총회에서승인되었다. 5G 코어망구조기술을연구하는 SA2 는 2016 년 9월완료를목표로 TR 23.799 를작업중이다. 상위레벨구조정의를위한 Key 이슈 21개를도출하고이에대한 예충일외 / 5G 이동통신표준화현황 83

솔루션을개발중인데, Key 이슈 1과 2인네트워크슬라이싱과 Quality of Service(QoS) 프레임워크에대한작업이가장활발하다. 지난 7월회의에서는단계 1과단계 2 규격작업을위한 Key 이슈우선순위분류작업을논의했는데, 다음회의까지 e-mail 논의를계속할예정이다. SA3 은보안기술을제공하는그룹으로 TR 33.899 를 2016 년 12월완료할예정이며, SA5 는네트워크관리기술을정의하는그룹으로지난 5월회의에서제안된세개의 Study Item(SI) 이 6월총회에서승인되어기술보고서작업이이제막시작되었다. 2) TSG RAN 표준화 3GPP RAN에서의 5G이동통신표준화활동은 LTE- Advanced Pro 라는기존 LTE 규격과의호환성 (backward compatibility) 을유지하며표준화를진행하는방향과 New Radio(NR) 이라는이름으로향후개발할규격과의호환성 (forward compatibility) 을고려한표준화작업이함께수행되고있다. NR의개발은 ( 그림 3) 에서보듯이 2016 년 3월 RAN 에서 NR SI를결정, 4월 RAN WG1 에서 2017 년 3월을목표로 SI 표준화수행시작, 2017 년 3월 NR Phase I 표준화작업 (Release 15) 수행시작, 2018 년 6월 Phase I Technical Specification (TS) 완성, 2018 년 6월부터 Phase II 표준화작업하여 2019 년 12월 Phase II 규격완성을예상하고있다. NR이라고명명되는 5G 이동통신표준화기술이지향하는바는이전세대의이동통신표준화기술과는다르게 automotive, factory, entertainment, ehealth, energy 등과같은수직적산업영역 (vertical sectors) 과의융합서비스를고려한이동통신기술의표준화이며, 기존이동통신에서의유무선융합기술과는차원이다른진정한융합시대를맞이할표준화작업이다. 현재 3GPP TSG RAN에서는 5G 채널모델링보고서인 Technical Report(TR) 38.900 를승인하였고, 5G 시 나리오및요구사항에대해기술한 TR38.913 승인을예정하고있다. Radio technology beyond LTE 라는주제로작업중에있는대표적인 3GPP RAN1 TR 문서로는 TR 38.802, 900, 913 등이있다. 나. NR 기술 1) RAN1 [2] 에서는 5G 이동통신을위한기술을개발하기위해 RAN1 SI에서고려하는아이템과해당 timeline 의가이드라인을제시하고있다. 기본적으로 embb, URLLC 와 mmtc 의특성을반영하기위한 unified 구조및 band 와 duplex agnostic 관점에서접근하고있으며밀리미터파대역까지고려하고있다. 각아이템별로살펴보면다음과같다. 먼저 NR 후보기술의성능평가를위해시나리오및채널, 대역폭, 안테나수등의파라미터를논의하고있다. 이와함께부반송파간격, 대역폭등의 numerology 와서브프레임을포함한기본프레임구조에대해논의하고있다. Waveform 의경우 Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM), DFTspreading OFDM 또는필터링이나윈도우를활용한 OFDM 과같은 OFDM 에추가기능이포함된 waveform 등이성능검증을하고있으며, 다중접속의경우 grantfree 또는 contention 기반상향 non-orthogonal multiple access 가일부시나리오에서고려되고있다. 채널코딩의경우 LTE 보다개선된 turbo code 나 LDPC 또는 polar code 가검토중이며, NR의요구사항을만족하기위해 LTE 에서현재사용되고있는변조방식의확장또는새로운방식을제안하고있다. Multi-antenna 방식에대해서는다중대역을고려한 single beam 또는 multi-beam 에대한운영방식과전송기법등을논의하고있다. 이러한여러고려되는아이템중현재논의가활발히진행중인 numerology 와프레임구조, 그리고 multi-antenna 방식에대해상세히살펴본다 [3][4]. 84 전자통신동향분석제 31 권제 5 호 2016 년 10 월

가 ) Numerology & Frame structure Ÿ Numerology LTE 시스템이 unicast 전송에 15kHz 부반송파간격을갖는단일 numerology 를사용하는반면, NR은 sub-1ghz 부터 100GHz 까지의넓은주파수범위와 embb, URLLC, mmtc 등의다양한서비스시나리오를지원하기위해 scalable numerology 를도입할예정이다. 이를위해기존 LTE 사용사례를커버하기위한 base numerology 와 numerology 들간의 scaling 규칙을정해야한다. Base numerology 의후보로써 1ms 내에 2 N 개의 OFDM 심볼을갖게하는새로운 numerology 의도입필요성이제기되었으나, NR과 LTE 의동일대역공존시나리오에서이종 RAT 간간섭이슈를우선적으로고려하여 LTE numerology 를재사용할것이 working assumption 으로합의되었다. Cyclic Prefix(CP) 길이는기본적으로 LTE normal CP와동일한오버헤드를가정하며, CP 타입의추가여부에대해서는논의가진행중이다. Numerology scaling 규칙으로는 numerology 의부반송파간격들간에 2 N 의 scale factor 가적용될가능성이높고, 이를만족하는 numerology 들의집합이링크성능분석을거쳐정의될예정이다. Forward compatibility 는 NR의중요설계원리중하나로써, NR 서비스들과미래의기술요소들이도입되거나공존하기위한유연성이제공되어야한다. 이를목적으로 NR은하나의캐리어내에서복수의 numerology 를다중화하는 mixed numerology 를지원한다. RAN1 #86 회의부터 mixed numerology 를지원하는캐리어설계가본격적으로논의될예정이며, numerology 간다중화방식으로는 ( 그림 4) 와같이 Frequency Division Multiplexing(FDM) 과 Time Division Multiplexing(TDM) 이모두고려될것이다. Mixed numerology 운용의예로, 하나의 NR 캐리어가 15kHz 부반송파간격의 numerology 로 embb 를지원하고이와동시에 60kHz 부반송파간격의 numerology 로 URLLC 를지원할수있다. Ÿ Frame structure LTE 시스템은 Time Division Duplex(TDD) 보다는 Frequency Division Duplex(FDD) 에더많은최적화를수행하여규격화하였다. 이를테면, TDD 와 FDD 는자원격자 (resource grid), 물리채널구조, 물리신호를공통으로활용하지만, TDD 에는상향링크와하향링크가공존하는특별서브프레임을정의하기때문에물리신호와물리채널의자원위치가 FDD 와다른경우가발생하고, 특히스케줄링과데이터전송의타이밍, 그리고재전송의타이밍에서 FDD 와 TDD 가큰차이를보인다. 이러한 duplex 에의한규격의불일치는네트워크와단말구현의복잡도를증가시킨다. 이러한단점을피하려고, NR은초기규격화단계에서부터 NR TDD 와 FDD 에서최대한의공통점을추구하기로합의하였다. 그러나 duplex 에관한최적화를배제하지않기때문에특정시나리오 ( 예, URLLC 서비스혹은 unlicensed spectrum 동작 ) 를위한 NR TDD 의 self-contained 서브프레임을현재논의중이다. Self-contained 서브프레임은단일서브프레임에서하향링크스케줄링과하향링크데이터전송, 그리고상향링크 Hybrid Automatic Repeat request-acknowledgement(harq-ack) 을수행하는서브프레임을의미한다. 이러한서브프레임의길이는단말의처리속도에영향을받기때문에적절한값을규격화할예정이다. 예충일외 / 5G 이동통신표준화현황 85

또한, 재전송의측면에서도하향링크와상향링크의공통점을추구하기위해서 NR에서는하향링크데이터의재전송과마찬가지로상향링크데이터의재전송도비동기식 HARQ-ACK 을지원하기로합의하였다. 그리고 HARQ-ACK 타이밍을규격에서정의하지않고기지국의 configuration 에따르도록합의하여 forward compatibility 를지원하도록논의중이다. 나 ) Multi-antenna schemes 밀리미터대역의채널은경로감쇠가크기때문에셀커버리지의감소와링크의품질이떨어지는문제가있을수있는반면, 밀리미터대역의신호파장은수밀리미터단위로짧아작은공간에많은안테나를배치할수있다. 따라서다수의안테나를설치한배열안테나를만들고이를이용한송수신단에서의지향성빔을사용하여커버리지감소와링크품질저하의문제점을보상할수있다. 따라서밀리미터파이동통신시스템에서빔형성기술은매우중요하다. 디지털빔형성기법은빔형성계수를 Digital-to- Analog Converter(DAC) 이전에곱해주는데디지털영역에서신호가처리되므로빔형성자유도가높고정교한빔형성이가능하다. 반면, 모든안테나에 Radio Frequency(RF) 체인을연결해야하므로복잡도가높고전력소비가크다. 반면아날로그빔형성기술은 DAC 이후생성된신호에대해빔형성계수를곱하는방식으로구현이비교적수월하지만, 구현방식에따라정교한빔형성이어려울수있다. 하이브리드빔형성기술은이두가지빔형성기술의장점을적절히혼합한방식으로 RF 영역에서지향성빔을생성하여경로감쇠를보상하고 RF 빔을포함하여생성된채널에대해디지털영역에서추가적인빔형성을통해다중입출력이득을얻을수있는시스템을가리킨다. 하이브리드빔형성방식의송수신기구조를 ( 그림 5) 에보였다. 현재 3GPP 에서는디지털, 아날로그, 그리고하이브 리드빔형성방식모두가고려되고있으며 NR 시스템의물리계층절차의설계는특정빔형성방식에최대한구속받지않는방향으로논의되고있다. 빔형성방식과더불어 NR 시스템의다중안테나기술에서현재중요하게논의되고있는또하나의주제는바로채널정보획득 (Channel State Information(CSI) acquisition) 이다. 획득된채널정보의품질은시스템성능에큰영향을미치기때문에채널정보획득은다중안테나를활용하는데에있어가장중요한부분중한가지라할수있다. 채널정보획득은현재 3GPP RAN1 회의에서논의중인채널정보측정을위한 Reference Signal(RS) 설계와채널정보보고 (CSI reporting) 를포함한다. NR 시스템에서는채널정보측정을위해 User Equipment(UE)-specific RS 및 Non-UE-specific RS 혹은결합된형태의 hybrid CSI-RS( 현재 Release 14 efd-mimo 에서논의중 ) 사용을모두고려하고있으며, 간섭측정과채널 reciprocity 측정을위한 RS의사용도고려한다. 이를통해기존 LTE 시스템의 Channel Quality Indicator(CQI), Precoding Matrix Indicator (PMI), Rank Indicator(RI), CSI-RS Resource Indicator (CRI) 정보를보고하는 implicit feedback 방식뿐만아니라, 양자화된혹은실제채널정보를보고하는 explicit feedback, TDD 시스템에서상 / 하향링크의채널유사 86 전자통신동향분석제 31 권제 5 호 2016 년 10 월

성을고려한 reciprocity based feedback 및이들의조합된 feedback, 그리고간섭정보 feedback 까지다양한채널정보보고방법이 NR 시스템에서논의되고있다. 2) RAN2 RAN2 에서는 5G 이동통신규격작업의시작단계에서필수적인무선접속구조와프로토콜구조를논의중이다. 가 ) Deployment Scenario 5G 시스템의구축시나리오는다양한서비스시나리오와시스템구축환경을수용하도록다음과같이정의하였다 [5]. Ÿ NR 기지국이독립적으로구축된구조 NR 기지국 (stand-alone) 으로셀을구축하며, 셀은다양한형태 ( 매크로셀, 소형셀 ) 로구성한다. 특히, NR 시스템은 LTE 가사용중인주파수및높은주파수대역을사용하므로전파특성을고려한효율적인셀배치와단말의이동성관리구조를논의중이다. Ÿ NR 기지국과 LTE 기지국이밀결합된구조 NR 셀과 LTE 셀을동일한위치또는다른위치에구축하며기지국간연결은밀결합 (tight-interworking) 형태로구성한다. 이에따라, 밀결합구조지원을위한 LTE 규격변경을최소화하고 NR 시스템의성능을최대화하기위한규격개발을논의중이다. 나 ) User Plane Architecture 효율적인프로토콜구조를도입하기 LTE 상위계층 (Medium Access Control(MAC), Radio Link Control (RLC), Packet Data Convergence Protocol (PDCP)) 의각기능을재검토하여 NR 시스템의계층구조를정의하는형태로작업중이다. LTE-NR 기지국의밀결합구조는 LTE 에서도입하였던 dual connectivity 를기반으로정의할예정이며, ( 그림 6) 에서보듯이 LTE 기지국을 Master enb(menb), NR 기지국을 Secondary enb(senb) 로설정할수있다. 또한, 시스템구축환경및채널환경을고려하여데이터를 LTE 셀과 NR 셀로가변하여전송할수있다. 추가적으로, LTE 와같이복수개의베어러 (bearer) 를사용하여 QoS에따라구분된베어러로패킷을관리하도록정의하였다. 다 ) Control Plane Architecture 높은주파수대역을지원하기위해새로운기술도입이필수적이며이에적합한무선자원관리와이동성관리기술을논의중이다. Radio Resource Control(RRC) 규격관점에서단말은하나의 RRC로구성하고, LTE 의 RRC 상태 (state) 구조를수정하여새로운상태를도입할예정이다. LTE 는 2 단계 (idle, connected) 의 RRC 상태를사용하며, 새로운상태 ( 가칭 RAN controlled state ) 는 idle 과 connected 상태의중간형태로정의하여단말의전력소모와시그널링절차를감소시키는기능을한다. Ⅲ. 결론지금까지 5세대이동통신표준화활동과관련하여국가단위의표준화활동단체인 ITU-R WP 5D와이동통신관련기관들위주로수행되는 3GPP 에서의표준화활동에대하여살펴보았다. 기존이동통신에서는 2, 3 세대는음성, 4세대는데이터위주의서비스라는데이터용량증대위주의표준화기술들이논의되었다고한 예충일외 / 5G 이동통신표준화현황 87

다면, 5세대이동통신표준화기술은대표적인세가지시나리오인 embb, URLLC 와 mmtc 에서의이동통신요구사항을만족시키는기술들이활발히논의중이다. 이는결과적으로타사업들과이동통신과의진정한융합을고려한이동통신표준화기술개발의시작이라할수있겠다. 약어정리 3GPP 3rd Generation Partnership Project 5G 5th Generation ARIB Association of Radio Industries and Businesses ACK Acknowledgement BB Building Blocks CCSA China Communications Standards Association CQI Channel Quality Indicator CP Cyclic Prefix CRI CSI-RS Resource Indicator CRIC Critical Communications CSI Channel State Information CT Core Network & Terminals DAC Digital-to-Analog Converter ETSI European Telecommunications Standards Institute embb enhanced Mobile BroadBand FDM Frequency Division Multiplexing FDD Frequency Division Duplex HARQ Hybrid Automatic Repeat request IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IMT International Mobile Telecommunications ITU-R International Telecommunication Union Radiocommunication LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control MeNB Master enb miot massive Internet of Things mmtc massive Machine Type Communication NEO Network Operation NR OFDM PDCP PMI QoS RTT RAN RAT RF RI RLC RRC RS SA SI SDO SeNB TDD TDM TIA TTA TTC TR TS TSG UE URLLC WG WMAN WP WRC 참고문헌 New Radio Orthogonal Frequency Division Multiplexing Packet Data Convergence Protocol Precoding Matrix Indicator Quality of Service Radio Transmission Technology Radio Access Network Radio Access Technology Radio Frequency Rank Indicator Radio Link Control Radio Resource Control Reference Signal Service & Systems Aspects Study Item Standards Development Organizations Secondary enb Time Division Duplex Time Division Multiplexing Telecommunication Industry Association Telecommunications Technology Association Telecommunication Technology Committee Technical Report Technical Specification Technical Specification Group User Equipment Ultra Reliable and Low Latency Communication Working Group Wireless Metropolitan Area Networking Working Party World Radiocommunication Conferences [1] Recommendation ITU-R M.2083-0 IMT Vision Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond, Sept. 2015. [2] R1-165170, Workplan for Study on Study on New Radio Access Technology, 3GPP, May 2016. [3] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #84bis, RAN1 Chairman s Notes, 3GPP, Apr. 2016. 88 전자통신동향분석제 31 권제 5 호 2016 년 10 월

[4] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #85, RAN1 Chairman s Notes, 3GPP, May 2016. [5] 3GPP TR 38.804, Study on New Radio Access Technology; Radio Interface Protocol Aspects, May 2016. [6] 3GPP TS 36.300, E-UTRA and E-UTRAN; Overall description; Stage 2, June 2016. 예충일외 / 5G 이동통신표준화현황 89