[5G] NR 전송 구조: (1) Numerology

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LTE에서는 고정된 단일 numerology를 가졌지만, NR에서는 다양한 주파수 대역의 특성을 반영하고 다양한 use case의 요구사항을 만족시키기 위해 flexible numerology를 도입하였습니다. 이로 인해 NR에서는 넓은 커버리지를 가지는 FR1 대역 전송, 빔포밍을 통한 FR2 대역 전송, URLLC를 위한 저지연 전송 등 상황에 맞는 전송 기법을 선택할 수 있습니다. 따라서 NR의 다양한 기술들을 알기 위해서는 NR numerology를 먼저 이해해야 합니다. (※ 본 포스팅은 OFDMA 개념을 알고 있다는 것을 바탕으로 작성되었습니다.)

 

Flexible Numerology

Numerology는 NR에서 처음 도입된 개념으로 우리말로 수비학(數祕學)으로 번역됩니다. 수비학은 '숫자와 사물의 본성 사이에 숨겨진 의미와 연관성을 공부하는 학문이며, 숫자를 통해 사물의 본성, 사람의 성격, 미래 등을 예견하는 점술'을 의미합니다. 말이 어려운데, 핵심은 숫자를 통해 어떤 정해진 특성을 예측할 수 있다는 것입니다. 그렇다면 NR에서 numerology는 어떤 의미일까요?

 

NR에서 numerology란 numerology number $\mu$에 의해 어떤 정해진 전송 특성을 예측(선택)할 수 있음을 의미합니다. 더 구체적으로 말하면 OFDM waveform을 구성하는 ① SCS (subcarrier spacing), ② OFDM symbol duration, ③ cyclic prefic의 형태가 미리 테이블로 정해져 있고, numerology $\mu$를 선택함으로써 이러한 OFDM waveform 구조를 유연하게 가져갈 수 있다는 뜻입니다.

 

(※ 따라서 numerology라는 용어 안에 flexibility를 이미 내포하고 있고, LTE는 고정된 단일 OFDM waveform 형태를 가지고 있어 numerology라 부를 수 없으나, LTE와 NR의 전송 구조 상의 차이를 강조하기 위해 LTE는 static numerology, NR은 flexible numerology를 가진다고 설명하였습니다.)

 

Figure 1. NR numerology

1) SCS (subcarrier spacing): SCS는 OFDMA 구조에서 주파수 영역으로 하나의 subcarrier가 가지는 대역폭을 의미합니다. LTE에서는 15 kHz의 단일 SCS를 가졌지만, NR에서는 다양한 전송 구조를 가지기 위해 2배씩 확장된 15, 30, 60, 120, 240 kHz의 SCS를 제공합니다. 15, 30, 60 kHz SCS는 FR1 대역에서 사용되며, 60, 120, 240 kHz SCS는 FR2 대역에서 사용됩니다.

 

2) OFDM symbol duration: Symbol duration은 OFDMA 구조에서 시간 영역으로 하나의 OFDM symbol이 가지는 길이를 의미합니다. OFDMA에서 SCS와 symbol duration은 반비례 관계에 있으므로, SCS가 2배씩 증가할 때마다 symbol duration은 2배씩 감소합니다. 따라서 NR에서는 높은 SCS를 가지는 numerology를 선택함으로써 저지연에 유리한 전송 구조를 선택할 수 있습니다.

 

3) CP (Cyclic prefix): CP는 OFDM에서 multipath fading으로 인한 delay spread 성분을 상쇄하기 위해 사용됩니다. CP의 길이는 symbol duration에 비례하므로, symbol duration이 2배씩 작아질수록 CP의 길이도 2배씩 작아집니다. 따라서 SCS가 높아질수록 CP의 길이는 점점 짧아져 delay spread로 인한 ISI (inter-symbol interference)를 상쇄하기 어렵게 됩니다. 따라서 FR1 대역에서 커버리지를 넓게 가져가면서 (= ISI가 심할 때) 짧은 symbol duration를 가지기 위해, numerology 2에서는 normal CP 보다 더 긴 extended CP를 정의하였습니다. (※ FR2 대역은 신호의 직진성으로 인해 상대적으로 ISI가 적게 발생하므로 numerology 3, 4에서는 extended CP를 정의하지 않았습니다.)

 

Figure 2. NR numerology 예시

[그림 2]는 NR numerology가 0과 1일 때의 예시입니다. Numerology가 0에서 1로 변할 시 SCS는 2배, symbol duration과 CP 길이는 1/2배씩 되는 것을 알 수 있습니다. OFDM symbol duration은 SCS에 dependent한 값이고, normal CP를 일반적으로 사용하기 때문에 numerology는 SCS 값을 통상적으로 지칭합니다. 이어지는 포스팅에서는 time-domain에서의 전송 구조에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

References

[1] E. Dalman et al., 5G NR The Next Generation Wireless Access Technology, Elsevier, 2018.

[2] M. Kottkamp et al., 5G New Radio: Fundamentals, Procedures, Testing Aspects, Rohde & Schwarz, 2018.

 

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