5G-New Radio MIMO 표준 기술

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주간기술동향 2019. 5. 1.

*

최수용, 김윤선*

연세대학교 교수

삼성전자 수석연구원

본 고에서는 5G(5th Generation) 시스템–New Radio(NR)-물리 계층 기술 중에서 3GPP(3rd

Generation Partnership Project) 표준에 포함된 다중 안테나 기술에 대해 살펴보고자 한다.

밀리미터 대역의 이용, LTE(Long Term Evolution) 대비 3배의 주파수 효율 그리고 더욱 확대

된 시스템 유연성을 위해 5G MIMO(Multiple Input and Multiple Output) 시스템에서는 대표

적으로 다음과 같은 기술이 표준으로 포함되었다. 다중 빔(Multi-Beam) 채용 및 운영기술, 단말

당 4개의 상향 링크 계층(Uplink Layer) 및 8개의 하향 링크 계층(Downlink Layer) 지원기술,

다중 사용자를 위한 12개의 계층 지원기술, 이를 위한 새로운 기준 신호(Reference Signal)

구조 등이다. 이러한 대표기술에 대해 살펴보고, 마지막으로 3GPP Release 16에서 현재 논의

되고 있는 다중안테나(MIMO antenna) 기술을 소개한다.

I. 서론

5G(5th Generation) 시스템은 기존의 4G(4th Generation) 주파수 대역 이외에 밀리미터 대역

을 포함하여 새로운 주파수 특성에 따른 기술이 필요하다. 따라서 MIMO(Multiple Input and

Multiple Output) 기술 또한 이러한 환경에 대응할 수 있는 새로운 기술들이 표준에 반영되었다

[1],[2]. 특히, New Radio(NR)-MIMO 기술은 다음의 3가지 목표를 가지고 표준화 과정이 진행되

었다. 첫째, 밀리미터 대역의 동작에 적합한 새로운 MIMO 기술의 도입, 두 번째 목적은 LTE(Long

Term Evolution) 대비 3배의 주파수 효율 획득이며 그리고 마지막으로 다양한 서비스, 다양한

단말, 다양한 주파수에의 적용을 위한 확대된 시스템 유연성의 확보이다.

* 본 내용은 최수용 교수(☎ 02-2123-5870, [email protected])에게 문의하시기 바랍니다.

** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

5G-New Radio MIMO 표준 기술

기획시리즈 – 5G

정보통신기획평가원 3

이와 같은 목표를 달성하기 위해 5G NR-MIMO 시스템에서는 다음과 같은 기술이 표준으로

포함되었다. 멀티 빔(Multi-Beam) 채용 및 운영기술, 단말 당 4개의 상향 링크 계층(Uplink Layer)

및 8개의 하향 링크 계층(Downlink Layer) 지원기술, 다중 사용자를 위한 12개의 계층 지원기술,

이를 위한 새로운 기준 신호(Reference Signal: RS) 구조 등이다. 이는 Release 15에서 포함된

MIMO 기술이며, 현재 진행되고 있는 Release 16에서도 MIMO 기술에 대한 논의는 여전히 활발

히 진행되고 있다.

본 고에서는 5G 시스템–NR-물리 계층 기술 중에서 3GPP(3rd Generation Partnership Project)

표준에 포함된 다중 안테나 기술을 소개한다. 현재까지 표준에서 다루어진 MIMO 기술 중에서 본

고에서는 2018년 완성된 Release 15에 포함된 MIMO 기술에 대해 살펴보고자 한다. 또한,

Release 15에 포함된 주요 MIMO 표준 기술에 대해 살펴보고, Release 16에서 논의되고 있는

MIMO 기술을 간단히 소개한다.

II. NR–MIMO 설계 고려 사항

5G NR 시스템에서 새로운 MIMO 기술을 통해 달성하고자 하는 주요 특징은 [그림 1]과 같다.

5G 시스템에서 새로운 MIMO 기술을 고려하고 있는 요인을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 밀리미터

대역의 사용이다. 기존 4G LTE 주파수 대역보다 높은 고주파 대역(Higher Frequency Bands)으

로 밀리미터파(Millimeter Wave: mmWave) 대역이 5G 시스템 대역으로 결정되었다[3],[4]. 이

에 따라 각 국가에서는 ITU(International Telecommunication Union)에서 요구되는 5G 시스템

의 최대 전송률인 20Gbps를 달성하기 위해서는 mmWave 대역의 이용이 필연적이다[2]-[4].

따라서 기존의 대역과는 전혀 상이한 주파수 특징을 가지는 mmWave 대역에 적합한 MIMO 기술

이 필요하다. 또한, ITU에서 요구하는 LTE 시스템 주파수 효율의 3배를 달성하기 위해서는 보다

<자료> NR Physical Layer Design: NR MIMO, 3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018.

[그림 1] NR-MIMO의 주요 특징

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적극적인 MIMO 기술의 채용이 필요하다. 이와 더불어 보다 많은 수의 송수신 안테나를 이용한

송수신 MIMO 기술의 구현이 반드시 필요하다. 마지막으로 폭넓은 시스템 유연성을 들 수 있다.

5G NR 시스템은 다양한 주파수 대역, 다양한 서비스, 다양한 응용 시스템 채용 및 운용, 다양한

대역폭의 지원 등을 위해 보다 폭넓은 시스템 유연성이 반드시 필요하다[4],[5].

1. 고주파 대역

일반적으로 수신 신호의 전력 는 다음 식과 같이 송신 신호 전력 에 대해 주파수의

제곱에 비례하는 경로손실(Path Loss)을 겪게 된다.

∙

여기서 는 송신 안테나 이득, 는 수신안테나 이득을 나타내며, 은 송수신기 사이의

거리를 나타낸다. 또한, 는 파장(wave length)을, 는 광속(speed of light) 그리고 는 반송파

주파수(carrier frequency)를 나타낸다. 따라서 이 식에 따라서 2.8GHz와 28GHz를 비교하면

수신 안테나의 개구 크기(aperture size)와 경로 손실은 [표 1]과 같다.

[표 1] 2.8GHz vs. 28GHz 비교

이러한 주파수 변화에 따른 성능 저하는 기존의 4G LTE MIMO 기술에서는 필연적이며, 새로운

MIMO 기술을 도입하여 극복할 수 있다. 즉, 다중 수신 안테나의 개구 크기(Aperture Size)의

증가와 다중 송신 안테나의 송신 빔포밍(Beamforming) 기술을 이용하여 극복할 수 있다. 따라서

5G 시스템에서는 4G LTE 시스템과는 달리 초기/임의 접속(Initial/Random Access), 페이징

(paging), 데이터/제어 정보(Data/Control Information), 이동성 처리(Mobility Handling) 등

모든 단계에서 다중 안테나 기술을 적극적으로 채용하여 사용한다.

2.8GHz 28GHz

수신 개구 크기(RX Aperture Size) 9.135cm2 0.091cm2

경로 손실(Path-loss(R = 1m)) -41.4dB -61.4dB




2. 주파수 대역과 대역폭

5G 시스템은 [그림 2]와 같이 기존의 LTE 시스템의 주파수 대역을 사용하는 주파수 영역

(Frequency Range) 1과 30GHz 주변의 주파수 대역을 사용하는 주파수 영역 2를 가진다.

주파수 영역 1의 부반송파(subcarrier) 간격(spacing)은 15/30/60kHz이며 각각의 최대 대역

폭은 50/100/200MHz이다. 한편, 주파수 영역 2의 부반송파 간격은 60/120kHz이며 각각의 최

대 대역폭은 200/400MHz이다. 따라서 LTE 시스템에서의 단일 최대 요소 반송파 대역폭

(component- carrier bandwidth)은 20MHz이나, 5G 시스템의 단일 최대 요소 반송파 대역폭은

400MHz까지 지원한다. 또한, [그림 3]과 같이 5G 시스템은 최대 16개의 요소 반송파를 제공한다.

4G LTE 시스템에서는 개별 요소 반송파가 단일 요소 반송파의 전대역을 점유하나, 5G 시스템에서

는 단일 요소 반송파 대역폭의 일부만을 사용할 수도 있다. 이를 통해 전대역을 사용하지 않는 단말

의 전력 소모를 줄일 수 있으며 다양한 IoT 디바이스가 공존할 수 있다.

<자료> NR Physical Layer Design: Physical layer structure, numerology and frame structure, 3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018.

[그림 2] NR 시스템의 주파수 대역

[LTE]] [NR]

<자료> NR Physical Layer Design: Physical layer structure, numernology and frame structure, 3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018.

[그림 3] NR 시스템 대역폭

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3. 빔포밍

4G LTE 시스템은 하나의 셀 당 고정된 아날로그 빔(Analog Beam)을 사용한다는 가정 하에

설계하였다. 이러한 아날로그 빔은 [그림 4]와 같이 하나의 셀 전체에 대한 커버리지를 제공할 수

있다. 그러나 5G 시스템은 [그림 4]와 같이 셀 당 다수의 조정 가능한 빔을 사용할 수 있도록 설계하

였다. 이는 앞서 언급한 큰 값의 경로손실을 극복하기 위해 각각의 빔을 셀의 특정한 일부분에 집중

하여 신호를 전송하고자 함이다. 디지털 빔포밍 기술은 5G 시스템에서도 LTE 시스템과 같은 방식

으로 아날로그 빔과 함께 사용된다.

[그림 5]와 같이 디지털 방식과 아날로그 방식의 빔포밍 결합 기술, 즉 하이브리드 빔포밍(Hybrid

Beamforming) 기술은 구현의 복잡도를 상당히 감소시키며 동시에 큰 안테나 이득을 얻을 수 있다.

[단일 고정 아날로그 빔(Single Fixed Analog Beam)] [다중 조절 아날로그 빔(Multiple Steerable Analog Beam)]


[그림 4] LTE와 NR에서의 빔포밍


[그림 5] 하이브리드 빔포밍의 예



또한, 커버리지 관점에서 단일 빔(single beam) 기술과 다중 빔(multi-beam) 기술을 살펴보면,

[그림 6]과 같이 2.8GHz의 상대적으로 낮은 주파수 대역에서는 하나의 빔으로 넓은 영역의 커버리

지를 제공하며, 28GHz 대역의 높은 주파수 대역에서는 다수의 빔으로 커버리지를 확장할 수 있다.

III. NR MIMO 기술

1. 5세대 NR-MIMO 시스템과 4세대 LTE MIMO 시스템

지금부터는 NR-MIMO 시스템을 4G LTE MIMO 시스템과 비교하여 새로이 변경되거나 추가된

MIMO 기술이 무엇인지 살펴보고자 한다. [표 2]는 LTE Rel. 8, LTE-A Pro(3GPP Release

15) 그리고 NR(3GPP Release 15) 시스템에서의 MIMO 기술을 비교한 것이다.

기존 LTE MIMO 기술의 목적은 주로 스펙트럼 효율(Spectral Efficiency)의 증대를 목적으로

사용되었다. 그러나 앞에서 언급하였듯이 NR-MIMO 시스템에서는 스펙트럼 효율의 증대뿐만 아

니라 셀 커버리지 확장을 위해 다중 빔 기술을 이용한다. 따라서 이러한 다중 빔 활용 기술들이

표준 기술에 반영되었다. 나머지 기술의 차이점은 각 세부 절에서 살펴보기로 한다.

[주파수 2GHz에서 섹터 당 단일 빔] [28GHz에서 섹터 당 다중 빔]


[그림 6] 단일 빔과 다중 빔

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[표 2] LTE MIMO 시스템과 NR-MIMO 시스템 비교

2. 상향 링크와 하향 링크 전송

NR-MIMO 시스템에서는 [그림 7]과 같이 코드북(Codebook) 기반의 상향 링크 전송뿐만 아니

라 비코드북(Non-Codebook) 기반의 상향 링크 전송 기술 또한 지원한다. 코드북 기반의 전송

방법은 다음과 같다. 먼저 각 UE는 다수의 SRS를 서로 다른 방향으로 전송한다. 기지국(gNB)은

LTE Rel. 8 LTE-A Pro Rel. 15 NR Rel. 15

Purpose- Spectral efficiency

enhancement- Spectral efficiency

enhancement- Coverage enhancement

(especially for above 6GHz)- Spectral efficiency enhancement

Multi-beam operation

- No specification support - No specification support - Beam measurement, reporting- Beam indices- Beam failure recovery

Uplink transmission

- Up to 4 layers per UE- Up to 8 layers for

MU-MIMO(cyclic shifts for ZC-sequence)

- Up to 4 layers per UE- Up to 8 layers for

MU-MIMO(cyclic shifts for ZC-sequence)

- Up to 4 layers per UE- Up to 12 layers for MU-MIMO

(orthogonal ports)

Downlink transmission

- Up to 4 layers per UE - Up to 8 layers per UE- Up to 4 layers for

MU-MIMO(orthogonal ports)

- Up to 8 layers per UE- Up to 12 layers for MU-MIMO

(orthogonal ports)

Reference signal

- Fixed pattern, overhead- Up to 4 Tx antenna

ports(CRS)

- Fixed pattern, overhead- Up to 32 Tx antenna

ports(CSI-RS)

- Configurable pattern, overhead- Up to 32 Tx antenna ports

(CSI-RS)- Support for above 6GHz

<자료> NR Physical Layer Design: NR MIMO, 3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018

[코드북 기반의 상향 전송] [비코드북 기반의 상향 전송]


[그림 7] 코드북 기반과 비코드북 기반의 상향 전송



수신된 SRS를 바탕으로 빔 방향(SRS Index), 랭크, 그리고 상향 링크를 위한 전송 부호화(Transmit

Precoding) 정보를 UE로 전송하며, 각 UE는 기지국이 전송한 정보들을 바탕으로 상향 링크 전송

신호를 보낸다. 비코드북 기반의 상향 링크 전송 방법은 다음과 같다. 먼저 각 UE는 다수의 SRS를

서로 다른 방향으로 전송한다. 기지국은 수신된 SRS를 바탕으로 SRS 색인에 포함된 빔/부호화

방향과 랭크 정보를 UE로 전송하며, 각 UE는 기지국이 전송한 SRS 방향에 맞추어 상향 링크

전송 신호를 보낸다.

5G 하향 링크 전송 기법을 살펴보면, 5G 시스템의 기지국인 gNB는 단말로부터 전송되는 SRS

신호 또는 채널 상태 리포트를 바탕으로 하향 링크 전송을 위한 부호화를 결정한다. 따라서 실제

gNB에서 결정하여 전송되는 부호화 기술은 단말이 요청한 부호화와 다를 수 있어 단말은 실제로

기지국이 결정하여 전송하는 부호화 방법을 알 수 없다. 이를 “UE transparent”라 한다. 단말은

신호 복조를 위해 채널을 알 필요도 없고 부호화를 알 필요도 없으며, 단지 채널과 부호화의 결합

결과만이 필요할 뿐이다. NR-MIMO에서는 단말 당 랭크 8을 지원할 수 있으며, 직교 DM-RS

(demodulation reference signal)를 이용하여 동시에 12명의 동시 스케줄된 UE를 지원한다.

3. 채널 상태 정보

NR-MIMO 시스템에서는 [그림 8]과 같이 CSI(Channel Status Information)로 Type I과 Type

II를 지원한다. Type-I CSI는 단일 사용자 MIMO 전송 기술을 위해 최적화되었으며 상대적으로

작은 상향 링크 오버헤드를 가지며, Type-II CSI는 다중 사용자 MIMO 전송 기술을 위해 최적화되

었으며 보다 정교한 채널 정보를 가지므로 상대적으로 큰 상향 링크 오버헤드를 가진다.

[Type-I Channel Status Information] [Type-II Channel Status Information]


[그림 8] Type-I and Type-II 채널 상태 정보

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4. NR 기준 신호

LTE 시스템은 일종의 “one size fits all”이라 할 수 있는 하향 링크 기준 신호인 CRS(Cell-

Specific RS)를 이용한다. 그러나 이러한 CRS의 사용은 망구성의 유연성을 제한하는 동시에 상당

히 에너지 비효율적인 방법이다. 또한, 6GHz 이상의 고주파 영역에 적용하기 어려우며 다수의 안테

나를 사용하는 MIMO 시스템에 적합하지 않다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 [그림 9]와

같이 TRS(Tracking RS), DM-RS(DeModulation RS), CSI-RS(Channel Status Information

RS), PT-RS(Phase Tracking RS)라는 새로운 기준 신호(RS)들을 도입하여 서로 다른 주파수

대역과 다양한 시나리오에 대응할 수 있게 하였다.

NR 5G 시스템에서 DM-RS는 NR Type 1 DM-RS와 NR type 2 DM-RS가 있다. 이는 상향

[표 3] NR Type 1 DM-RS와 NR Type 2 DM-RS의 특징


[그림 9] 4세대 LTE 기준 신호와 5세대 NR 기준 신호

구분 NR Type 1 DM-RS NR Type 2 DM-RS

Orthogonal Ports Up to 8 Up to 12

FlexibilityCan be adapted for frequency/time selectivity, robustness, number of co-scheduled UEs for

MU-MIMO, etc

Waveform CP-OFDM (UL/DL) or DFT-S-OFDM (UL) CP-OFDM only (UL/DL)

Design(Figure for

single symbol Dm-RS)

IFDMA based Frequency domain orthogonal cover code based

Overhead/Port Higher Lower




링크/하향 링크 채널 추정을 위해 설계되었으며 이를 통해 동조 복조(coherent demodulation)가

가능하게 된다. 이러한 2가지 형태의 DM-RS의 특징을 정리하면 [표 3]과 같다.

CSI-RS는 하향 링크 채널 상태를 측정하고자 설계되었으며 이를 통해 단말은 CSI를 기지국에

리포트한다. CSI-RS는 주기(periodic), 비주기(aperiodic), 반영속적인(semi-persistent) CSI-

RS의 3가지 형태를 가진다. 각각의 주요한 특징을 정리하면 [표 4]와 같다.

[표 4] 주기, 비주기, 반영속적(Periodic, aperiodic and semi-persistent) CSI-RS의 특징

또한, TRS는 시간/주파수 추적(tracking)과 지연/도플러 확산(delay/Doppler spread)의 추정

을 위해 설계되었으며, PT-RS는 상향/하향 링크에서 위상 잡음의 보상을 위해 설계되었다. 즉,

DM-RS와 연동하여 복조 시에 위상 잡음을 제거하는 역할을 제공한다. 이러한 PT-RS 구성은

대역폭이나 사용되는 변조 기법과 부호화 방법에 따라 밀도를 정의하여 사용된다. 마지막으로 SRS

는 상향 링크 채널 품질과 타이밍 동기 측정을 위해 설계되었다. 따라서 채널 상호성(reciprocity)이

적용되는 환경에서는 하향 링크 채널 정보를 위해 사용할 수 있다. SRS는 주기, 비주기, 반영속적

SRS의 3가지 형태가 지원된다. 1개의 심볼만을 사용하는 LTE 시스템(Release 8 기준)에 비해

SRS의 성능을 향상시키기 위해 SRS 전송을 6개의 OFDM 심볼까지 사용할 수 있다.

IV. 5세대 NR-MIMO 시스템의 발전 방향과 동향

지금까지 NR-MIMO 시스템의 주요 특징에 대해 살펴보았다. 현재 Release 15 NR 표준화

논의가 마무리되고 Release 16 표준화 논의가 활발히 진행되고 있다. 많은 기술들이 Release

15에서 마무리가 되고 더 이상 표준에서 논의의 필요성이 사라져 Release 16에서는 다루지 않으나

MIMO 기술은 Release 15에 이어서 Release 16에서도 계속하여 논의가 진행되고 있다. 그만큼

Periodic CSI-RS Aperiodic CSI-RS Semi-Persistent CSI-RS

Orthogonal Ports Up to 32 Up to 32 Up to 32

Time domain behavior

Periodic transmission once configured

Single transmission when triggered

Periodic transmission once activated until deactivated

Activation/ Deactivation

RRC signaling L1 signaling MAC CE

Characteristics No L1 overhead Low latencyHybrid of periodic and

aperiodicCSI-RS


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MIMO 기술은 중요하다. 본 절에서는 Release 16에서 진행 중이거나 향후 논의가 언급되는

MIMO 기술을 소개하면서 본 고를 마무리하고자 한다.

먼저 MU-MIMO 기술에 대한 성능 증대 방법에 대한 논의를 들 수 있다. MU-MIMO 기술은

과도한 오버헤드가 뒤따른다. 따라서 오버헤드를 감소시킬 방법이나 MU-MIMO를 위한 효율적인

CSI 정보의 교환방법에 대한 논의가 진행 중이다. 또한, 백홀의 신뢰성 및 강인성 향상을 위해

multi-TRP(Tx/Rx point)/패널 전송 기술에 대한 논의가 진행되고 있다. 이와 동시에 NR-MIMO

기술에서 새로이 소개된 다중 빔 기술에 대한 다양한 성능 개선 작업이 활발히 논의되고 있으며

CSI-RS와 DMRS에서의 PPR 문제도 활발히 논의되고 있다.

[ 참고문헌 ]

[1] Younsun Kim, NR Physical Layer Design: NR MIMO, 3GPP RAN Workshop, Brussels, 24-25

Oct. 2018.

[2] 3GPP RAN Workshop, Brussels, 24-25 Oct. 2018.

[3] ITU-R WP5D, http://www.itu.int/en/IUT-R/study-group/rsg5/rwp5d/Pages/default.aspx

[4] Huawei, 5G Spectrum Public Policy Position

[5] 김대중, “5G 이동통신 표준화 현황 및 전망”, TTA 저널, 2016. 1.

[6] Havish Koorapaty, NR Physical Layer Design: Physical layer structure, numernology and frame

structure, 3GPP RAN Workshop, RWS-180008, Brussels, 24-25 Oct. 2018.

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