[5G] NR 전송 구조: (2) Time-Domain 구조

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NR의 시간 영역에서의 전송 구조는 numerology에 영향을 받아 유연하게 구성되어 있습니다. 먼저 radio frame의 구조를 알아보도록 하겠습니다.

 

Frame Structure

시간 영역에서는 절대적으로 정해진 전송 단위가 있고, flexible numerology에 의해 가변적으로 정해지는 전송 단위가 있습니다. 먼저 고정된 전송 단위에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

• 1 frame = 10 ms
• 1 frame = 10 subframes (즉, 1 subframe = 1 ms)
• 1 slot = 14 OFDM symbols (단, Extended CP 적용 시 12 OFDM symbols)

 

Frame은 LTE 때도 사용해온 고정된 10 ms의 전송 단위이며, 1 ms의 subframe 10개로 구성되어 있습니다. 또한 1개의 slot은 14개의 OFDM symbol로 정의되어 있습니다. 다만 numerology 2에서 extended CP가 적용 시, 1개의 slot은 예외적으로 12개의 OFDM symbol로 정의됩니다. 이는 symbol 1개의 길이는 고정되어 있는데, CP (cyclic prefix) 길이가 늘어나려면 slot 당 들어가는 OFDM symbol의 개수가 줄어들어야 하는 것으로 이해할 수 있습니다. 다음으로는 가변적 전송 단위에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

• 1 OFDM symbol $\approx 2^{-\mu}/14$ ms (※ CP 길이 포함)
• 1 slot = $2^{-\mu}$ ms
• 1 subframe = $2^{\mu}$ slots

 

가변적 전송 단위에서 flexible numerology $\mu=\{0,1,2,3,4\}$에 가장 먼저 영향을 받는 것은 symbol duration입니다. OFDM symbol duration은 CP 길이를 포함했을 시 대략적으로 $2^{-\mu}/14$ ms 입니다. (※ CP 길이는 symbol에 따라 약간의 차이가 있어 위의 symbol duration은 정확한 수치가 아니며, TS 38.211에서 정확한 CP 길이를 계산 가능합니다.)

 

그리고 1개의 slot은 14개의 OFDM symbol로 이뤄져 있으므로, 1 slot의 길이는 $2^{-\mu}$ ms 로 정의됩니다. 또한 1개의 subframe은 여러 개의 slot으로 구성되어있는데, slot의 길이가 numerology에 따라 다르므로, 1개의 subframe은 $2^{\mu}$ 개의 slot으로 구성되어 있습니다.

 

Figure 1. NR frame structure

[그림 1]은 NR frame structure의 예시입니다. 1개의 frame은 10 subframes로 구성되어 있고, 1 ms의 subframe을 구성하는 slot의 개수는 numerology에 따라 유동적으로 바뀝니다. 그렇다면 이러한 구조가 시간 영역에서의 전송에 어떻게 영향을 미치는 걸까요? 이를 위해서는 TTI (transmit time interval)를 먼저 이해해야 합니다. 

 

TTI는 기지국이 데이터 전송을 수행하기 위한 스케쥴링 시간 단위입니다. MAC 계층에서 TTI 간격마다 PHY 계층으로 스케쥴링 된 TB (transport block)를 내려보내고, PHY 계층과 RF단은 TTI 간격마다 전송을 수행하게 됩니다. LTE에서는 TTI = 1 ms 로 설정되어 있었고, 이는 한 번에 1 subframe 씩 스케쥴링되어 전송이 일어남을 의미했습니다. NR에서는 subframe 대신 slot을 기본적인 다이나믹 스케쥴링 단위로 설정합니다. (TTI = 1 slot duration)

 

Mini-slot

하지만 NR에서는 저지연 전송을 지원하기 위해 mini-slot이라는 개념을 추가적으로 도입했습니다. Mini-slot은 slot의 1/8, 1/4, 1/2배인 2, 4, 7개의 연속된 OFDM symbol로 정의됩니다. NR에서는 slot 뿐만 아니라 mini-slot을 단위로 스케쥴링을 수행해 줄 수 있고 이를 통해 저지연 전송을 위한 더 짧은 TTI를 가질 수 있습니다. 즉, mini-slot 전송은 이미 진행 중인 slot 기반 전송과 무관하게 진행되며, slot의 경계에 얽매이지 않고 미리 선취(preemption)하여 저지연 전송을 가능하게 합니다.

 

여기서 들 수 있는 의문은, NR에서 flexible numerology로 인해 짧은 OFDM symbol duration이 가능하고 이를 통해 slot duration을 짧게 가져갈 수 있는데 mini-slot의 추가적 도입이 필요한가? 라는 점입니다. 원칙적으로 SCS (subcarrier spacing)를 높여 slot duration을 줄이는 방법은 저지연 전송을 위해 사용될 수 있으나, 이는 모든 경우에 적용될 수 없습니다.

 

왜냐하면 높은 SCS를 설정하게 되면 symbol duration과 비례하여 CP 길이가 줄어들어 ISI (inter-symbol interference)를 상쇄하기 어려워지고, 그렇다고 extended CP를 적용하면 CP에 대한 오버헤드가 증가해 비효율적인 numerology를 사용해야만 합니다. 따라서 ISI를 충분히 상쇄하는 낮은 SCS의 numerology를 사용하면서, 저지연 전송이 필요할 때 mini-slot으로 선취해 사용하는 것이 더욱 효율적인 방법일 것입니다.

 

정리하자면 NR에서의 slot duration은 ① 14 OFDM symbol로 정의되기 때문에 numerology에 의존적인 시간이며, ② mini-slot이 도입되었기 때문에 실제 TTI와 느슨하게 coupled 되어 있는 시간입니다. 다음 포스팅에서는 NR의 주파수 영역에서의 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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