[5G] NR 전송 구조: (3) Frequency-Domain 구조

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이번 포스팅에서는 NR의 주파수 영역에서의 전송 구조를 알아보도록 하겠습니다. NR은 LTE보다 넓어진 대역폭을 효율적으로 사용하기 위해 주파수 영역에서도 유연한 구조를 가지고 있습니다. 

 

Resource Grid

NR에서 물리적 자원을 시간-주파수의 2차원적으로 정의하기 위해 resource grid라는 개념이 사용됩니다. Resource grid는 시간 영역으로는 1 subframe, 주파수 영역으로는 전체 channel bandwidth 크기로 나타내어지며 resource element와 RB (resource block)의 단위로 구성되어 있습니다.

 

Figure 1. NR resource grid

1) Resource element: 구분 가능한 가장 작은 단위의 물리적 자원으로써 시간 영역으로 하나의 OFDM symbol duration와 주파수 영역으로 하나의 subcarrier로 정의되어 있습니다. Complex symbol 하나가 resource element 하나에 맵핑됩니다.

 

2) RB (resource block): 기지국에서 주파수 영역으로 스케쥴링되는 가장 작은 단위의 물리적 자원으로써 12개의 연속적인 subcarrier로 구성되어 있습니다. 

 

LTE와 달리 NR에서는 주파수 영역에 관해서만 RB를 정의합니다. 이는 이전 포스팅에서 언급했던 NR의 시간 영역에서의 유연성 때문입니다. NR에서는 mini-slot의 도입으로 시간 영역으로 유연하게 자원을 스케쥴링해줄 수 있고, 그에 따라 시간 영역 스케쥴링 단위가 정해지기 때문에 RB는 주파수 영역에서만 정의하게 됩니다.

 

NR 캐리어는 최대 275개의 RB를 가질 수 있으며 이는 275×12=3300개의 subcarrier를 가질 수 있음을 의미합니다. 따라서 SCS (subcarrier spacing)에 따른 NR의 최대 channel bandwidth는 50, 100, 200, 400 MHz입니다 (SCS = 15, 30, 60, 120 kHz). NR에서는 하나의 캐리어로 다양한 단말의 요구조건을 만족시키기 위해, 넓어진 하나의 channel bandwidth를 나누어 상황에 맞게 유연하게 사용할 수 있는 BWP (bandwidth part) 개념이 도입되었습니다. 

 

Bandwidth Part

LTE에서의 channel bandwidth는 20 MHz이었던 반면 NR에서는 최대 400 MHz로 증가하였기 때문에 NR에서 단말이 전체 대역폭을 통해 수신받고 있는 것은 상당한 에너지 소모를 발생시킵니다. 또한 단말의 capability에 따라 최대 400 MHz의 전체 대역폭을 수신할 수 없을 수도 있습니다. 따라서 NR에서는 전체 대역폭의 일부만 모니터링하고 사용하기 위해 BWP 개념이 도입되었습니다. BWP는 TS 38.211에 다음과 같이 정의되어 있습니다.

A bandwidth part is a subset of contiguous common resource blocks for a given numerology in bandwidth part on a given carrier.

 

즉, BWP는 캐리어 안에서 동일 numerology를 가지는 연속적인 RB의 집합으로 정의될 수 있습니다. 또한 BWP와 그에 따른 RB의 할당을 설명하기 위해선 몇 가지 용어들을 알 필요가 있습니다.

 

• Reference point A: Resource grid에서 기준이 되는 지점이며 channel bandwidth의 가장 낮은 주파수 끝을 의미합니다.
• CRB (comon resource block): Point A에서부터 정의되는 전체 캐리어에서의 RB입니다.
• PRB (physical resource block): BWP 안에서 정의되는 물리적 RB이며, BWP 시작점에서부터 PRB 0으로 카운트됩니다.
• VRB (virtual resource block): PRB와 동일하게 BWP 안에서 정의되는 가상의 RB이며 VRB→PRB로 맵핑이 일어납니다. 

 

Figure 2. Common resource block and physical resource block

[그림 2]는 CRB, PRB, VRB의 관계를 보여주는 예시입니다. PRB와 VRB는 BWP 내에서 정의되는 자원이며, CRB는 전체 channel bandwidth에서 Point A를 기준으로 정의되는 자원입니다. 먼저 전송에 사용되는 주파수 자원은 스케쥴러에 의해 active BWP 내의 VRB의 형태로 시그널링 됩니다. 이후 VRB는 실질적 자원인 PRB로 맵핑되는데 interleaving의 여부에 따라 맵핑되는 방식이 달라집니다. 마지막으로 PRB는 전체 캐리어에서의 위치를 나타내는 CRB로 맵핑되게 됩니다.

 

단말은 하향링크, 상향링크 별 최대 4개까지 BWP를 동시에 configuration 할 수 있으며, 단말 에너지 소모를 줄이기 위해 그중 최대 하나의 active BWP를 각각 가질 수 있습니다. 따라서 단말과 기지국은 전체 channel bandwidth가 아닌 BWP를 통해서 통신을 하다가, 더 많은 대역폭이 필요하거나 혹은 더 적은 대역폭이 필요하게 되면 BWP switching을 통해 대역폭을 적응적으로 변경해 줄 수 있습니다. 또한 하나의 캐리어 안의 BWP들은 각기 다른 numerology를 가질 수 있기 때문에 네트워크 입장에서도 다양한 use case의 단말을 동시에 지원할 수 있습니다.

 

Figure 3. BWP adaptation

[그림 3]은 캐리어 안에서의 BWP 구성과 BWP switching의 예시입니다. BWP은 BWP1과 BWP2처럼 overlap 되어 설정될 수도 있으며, 각기 다른 대역폭과 numerology를 가지도록 설정될 수 있습니다. 또한 오른쪽 그림과 같이 active BWP를 동적으로 switching 해줌으로써 단말은 상황에 맞는 BWP를 이용하여 전송을 수행할 수 있습니다.

 

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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