5G 기술의 이해

Korean Broadcasting System | Broadcast Technical Research Institute
5G 기술의 이해
이 재 권
Korean Broadcasting System (KBS)
Contact : Breeze@kbs.co.kr
미디어 전략 수립을 위한 테크 세미나
2019년 4월 30일 화요일, 15:00 - 16:30
KBS @ 대한민국

목차
§ 5G 기술 현황
§ 5G 핵심 전송 기술 소개
§ 5G 기반 방송 기술 연구동향
§ 결론
2

5G 기술 현황
3

이동통신 시스템의 세대 정의
§ ‘X’-G 통신 시스템 : ITU-R
Working Party 5D 에서 승인된
요구사항을 만족하는 무선 전송 기술
※ IMT-2000(3G), IMT-Advanced(4G),
IMT-2020(5G)
§ 표준 개발 기구 (e.g. : 3GPP, ANSI,
ETSI, IEEE etc.) 에서 ITU-R에
후보 기술을 제출하면, 이를
검토하여 세대별 적합 여부 판단
※ IMT-2000 : W-CDMA,
IMT-Advanced : LTE-A
< Abbr. : ITU-R=International Telecommunication Union-Radiocommunication, IMT=International Mobile Telecommunications> 4

5G : IMT-2020
§ 3가지 적용 분야 / 8가지 핵심 성능 지표
최대 전송속도
20 Gbit/s
이용자 체감 전송속도
100 Mbit/s
지연시간
1 ms
이동수신 성능
500 km/h
스펙트럼 효율
4G 대비 3 배
최대 기기 연결 수
100,000 개/km2
네트워크 에너지 효율
4G 대비 100 배
면적당 트래픽 처리 용량
10 Mbps/m2
고품질 모바일 브로드밴드 초 신뢰성/저지연 통신 대규모 사물 통신
[1]
5

4G 대비 5G 성능 비교
§ 4G 보다 최대 20배 빠른 속도, 10배 많은 연결, 10배 짧은 저 지연시간 기술
구분 4G 5G 비고
최대 전송속도 1 Gbit/s 20 Gbit/s 20배 증가
이용자 체감 전송속도 10 Mbit/s 100 Mbit/s
지연시간 10 ms 1 ms 10배 감소
이동 수신 성능 350 km/h 500 km/h
최대 기기 연결 수 10,000 개/km2 100,000 개/km2 10배 증가
스펙트럼 효율 - 4G 대비 3배
네트워크 에너지 효율 - 4G 대비 100배
면적당 트래픽 처리 용량 0.1 Mbps/m2 10 Mbps/m2
6

5G 적용 분야 및 서비스 예시
광대역 모바일 브로드밴드 초 신뢰성/저지연 통신 대규모 사물 통신
[2]
< Abbr. : SMV=Super Multi-View> 7

5G 표준 개발 기구 : 3GPP
§ 첫번째 5G 표준 발표 : 3GPP Release 15 (2017년 12월)
< Abbr. : 3GPP=3rd Generation Partnership Project>
3GPP TS 38.201 V2.0.0 (2017-12)
Technical Specification
3rd Generation Partnership Project;
Technical Specification Group Radio Access Network;
NR;
Physical layer; General description
(Release 15)
The present document has been developed within the 3rd Generation Partnership Project (3GPP TM
) and may be further elaborated for the purposes of 3GPP..
The present document has not been subject to any approval process by the 3GPP Organizational Partners and shall not be implemented.
This Specification is provided for future development work within 3GPP only. The Organizational Partners accept no liability for any use of this Specification.
Specifications and Reports for implementation of the 3GPP TM
system should be obtained via the 3GPP Organizational Partners' Publications Offices.
8

2019년 4월 3일 23시. 세계 최초 5G 상용화
9

5G 네트워크 구성 방법
§ NSA : 일부 5G 요소 기술들로 조기 상용화 한 표준
Standalone (SA)Non-Standalone (NSA)
EPC
(4G 핵심망)
5GC
(5G 핵심망)
eNB
(LTE 기지국)
UE
(단말)
gNB
(NR 기지국)
EPC
(4G 핵심망)
5GC
(5G 핵심망)
eNB
(LTE 기지국)
UE
(단말)
gNB
(NR 기지국)
[3]
10< Abbr. : EPC=Enhanced Packet Core, 5GC=5G Core, eNB=evolved NodeB, gNB=5G Radio Access Network, UE=User Equipment>

3GPP 표준화 로드맵
§ 3GPP Release 15 이후의 기술 스펙은 ‘5G’ 로 명명
2017. 12. (NSA) 2019. 12. (SA)
[4]
11

5G 핵심 전송 기술 소개
12

5G 전송을 위한 핵심 기술 #2 Beamforming#1 New spectrum
300 MHz
3 GHz
30 GHz
10 GHz
90 GHz
10 cm
1m
1 cm
3 mm
#3 Slicing and flexibility
User#3
User#2
User#5
User#2
User#4
User#1
User#5
User#1
time
frequency
User#3
One tile corresponds to the smallestuserallocation
∆t
∆f
#4 Dual-c
#5 Edge
• Multi-service
• Flexibility
• Lean carrier
5G
LTE
#1 New Spectrum #2 Full Duplex Radio #3 Massive MIMO
#4 Low
Latency
105G Development with MATLAB
Another key technology for achieving greater spectral efficiency is
massive MIMO. Massive MIMO, sometimes referred to as large-scale
MIMO, is a form of multiuser MIMO in which the number of antennas
at the base station is much larger than the number of devices per
signaling resource. The large number of base station antennas relative
to user devices results in a channel response that is quasi-orthogonal
and has the potential to yield huge gains in spectral efficiency.
Designers face a challenge when scaling the number of antennas to
hundreds:
• The simulation speed of traditional antenna design tools is slow for
large antenna arrays.
• It is difficult to simulate the antenna coupling.
• Hybrid beamforming is needed to optimize the number of the RF
chains.
See Section 2 for details on design architectures and algorithms.
A massive MIMO antenna array for a Huawei 5G field trial.
<약어 : MIMO=Multi-Input Multi-Output> 13

5G 전송을 위한 핵심 기술 - New Spectrum
§ 주파수가 올라갈수록, 전송 용량이 증가하기만 셀 커버리지가 줄어듦
3
Potential 5G Bands in (Early) 5G Deployments
3.4-3.6
US3.55-4.2
Europe3.6-3.8
28
24.25-27.5
~40,~50,~70
LTE/5G3.3-3.4
4.5
North America600 MHz
WRC-19 band (Fra, UK)31.8-33.4
APAC, EMEA, LatAm700 MHz
LTE/5G
LTE/5G
5G
5G
5G
5G
5G
5G
LTE/5G
LTE/5G
APAC, Africa, LatAm
WRC-19 band
WRC-19 bands
US39 5G
JapanUS, Korea
Global
ChinaJapan
Full coverage with <1
GHz
Dense urban high dat
rates
at 3.5 – 4.5 GHz
Hotspot 10 Gbps at
28/39 GHz
Future mmwave
options
Auction
2019
Auction
2019
al 5G Bands in (Early) 5G Deployments
.6
US4.2
Europe.8
27.5
,~70
LTE/5G.4
North AmericaHz
WRC-19 band (Fra, UK)3.4
APAC, EMEA, LatAmHz
LTE/5G
LTE/5G
5G
5G
5G
5G
5G
5G
LTE/5G
LTE/5G
APAC, Africa, LatAm
WRC-19 band
WRC-19 bands
US5G
JapanUS, Korea
Global
ChinaJapan
Full coverage with <1
GHz
Dense urban high data
rates
at 3.5 – 4.5 GHz
Hotspot 10 Gbps at
28/39 GHz
Future mmwave
options
Ultra
small Cell
small Cell
Macro
200 Mbps
2 Gbps
20 Gbps
~ 수십 km
~ 수 km
~ 수십 m
14

5G 전송을 위한 핵심 기술 - 채널대역폭
§ 채널 대역폭: 무선통신에서 정보를
전달하는 매개체
§ 5G
§ 6 GHz 이하 : 5, 10, 15, 25, 30,
40, 50, 60, 80, 100 MHz
§ 6 GHz 이상 : 50, 100, 200,
400 MHz
§ LTE : 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz
※ 지상파 방송 : 6 MHz (한국), 8 MHz (유럽)
15

5G 전송을 위한 핵심 기술 - Full Duplex Radio
§ Half-Duplex : 송수신기가 서로 다른 시간 또는 주파수를 사용하여 통신
§ Full-Duplex : 송수신기가 서로 같은 시간 또는 주파수를 사용하여 통신
➭ 송수신기 사이에 발생하는 Self-Interference 제거 필요
Full Duplex RadioHalf Duplex Radio
Time #1 or Frequency #1
Time #2 or Frequency #2
Simultaneous Transmission
Using same time/frequency band
Self-Interference 발생
➭ Cancellation 필요
16

5G 전송을 위한 핵심 기술 - Full Duplex Radio
§ Full Duplex 를 이용하면, 주파수 이용 효율이 두배 이상 향상됨
§ Asia-Pacific Telecommunity 700 MHz 주파수 사용 계획
§ 703-748 MHz (45 MHz) : 모바일 통신 Uplink
§ 758-803 MHz (45 MHz) : 모바일 통신 Downlink
Guard
band
(5MHz)
Half Duplex ⇧
(45 MHz)
Guardband
(3MHz)
698 703 748 758 803 806
[Unit : MHz]
APT 700MHz Band Plan
718 733 773 788
Guardband
(10MHz)
Half Duplex ⇩
(45 MHz)
Guard
band
(5MHz)
Full Duplex
(90 + 10 MHz)
Guardband
(3MHz)
698 703 748 758 803 806
[Unit : MHz]
Full Duplex Radio Configuration
718 733 773 788
17

5G 전송을 위한 핵심 기술 - Massive MIMO
§ 기지국과 단말기에 여러 안테나를 사용하여, 용량을 높이는 기술
§ 단말 별로 독립적인 빔을 송수신하여 단말 간 간섭을 줄여 전송 용량을 향상
18

5G 전송을 위한 핵심 기술 - Massive MIMO
§ mmWave (28G 대역) 에서는 안테나 소자의 크기가 작아 구현에 유리5dBi ant element gain, 7dBm AP Pout per elem
Antenna Array Comparisons - AP An
AP
Max EIRP ≈ 60.2 dBm
8
16
2 TXRUs
4
28 GHz
256 elements (8x16x2)
UE
328 GHz, 32 elements, (4x4x2)
32
© Nokia 2017
5dBi ant element gain, 7dBm AP Pout per elem
Antenna Array Comparisons - AP An
AP
8
16
2 TXRUs
4
4
2 TXRUs
28 GHz
256 elements (8x16x2)
UE
328 GHz, 32 elements, (4x4x2)
[5]
19< Abbr. : mmWave=millimeter wave, TXRUs=transceiver units>

5G 전송을 위한 핵심 기술 – Low Latency
§ Latency : 무선 구간에서 Frame을 처리하는 기지국과 단말 사이의 지연
※ Frame : 전송 신호에서 데이터 정보를 담고 있는 최소 단위
§ 5G 의 경우 짧은 Frame 설계 기술 적용
➭ Frame 길이가 짧아질 수록 Latency 감소
13
Subcarrier spacing 15kHz 30kHz 60kHz 120kHz 240kHz
OFDM symbol length [us] 66.7 33.3 16.7 8.3 4.2
# of OFDM symbols in a subframe
(1ms)
14 28 56 112 224
Normal CP length [us] 4.76 2.38 1.19 0.60 0.30
Extended CP length [us] - - 4.17 - -
# of symbols per slot 14 14 14 14 14
Slot length [ms] 1 0.5 0.25 0.125 0.0625
Used for SS/PBCH block sub6G sub6G N/A over6G over6G
Used for data sub6G sub6G over6G, optional for sub6G over6G N/A
(NR scalable numerology set)
Scalable Numerology
• Very large spectrum range: Up to 100GHz
• Various services/scenarios: eMBB, URLLC, mMTC, MBMS, HST, V2X, aircraft, long range,
NR Basic Numerology
• Base subcarrier spacing: f0 = 15kHz
• Scaling rule: fM = f0 * 2M (M: integer)
• CP length: LTE normal CP, extended CP (only for 60kHz)
[2]
20< Abbr. : OFDM=orthogonal frequency-division multiplexing, CP=Cyclic Prefix, SS/PBCH=Synchronization Signals/Physical Broadcast Channel>

5G 전송을 위한 핵심 기술 – Low Latency
§ Edge Cloud : 사용자 데이터를 처리하는 기능을 분산 배치
25
Network Architecture Evolution Towards 5G
BTS Core
BTS Core
Large number Very few
Radio
processing
Core
processing
Edge cloud
• Current radio is distributed
• Current core is centralized
Today
Target
• Radio more centralized for
faster scalability
• Core more distributed for
low latency
25
Network Architecture Evolution Towards 5G
BTS Core
BTS Core
Large number Very few
Radio
processing
Core
processing
Edge cloud
Today
Target
faster scalability
low latency
hitecture Evolution Towards 5G
Core
Core
umber Very few
sing
Core
processing
Edge cloud
faster scalability
low latency
chitecture Evolution Towards 5G
Core
number Very few
[6]
21

5G 기반 방송 기술
연구 동향
22

5G-Xcast Project
§ 5G-Xcast is a 5G PPP Phase II Project
focused on devising, assessing and
demonstrating a conceptually novel
and forward-looking 5G network
architecture for large scale immersive
media delivery [The EU 5G Annu. Jour.]
§ 5G X-cast 개요
기간 : 2017. 6. ~ 2019. 5.
예산 : ~8 M€ (100억)
참여기관수: 18
[7]
23< Abbr. : 5G PPP=5G Infrastructure Public Private Partnership>

5G-Xcast Project
§ 목표 : 언제, 어디서든 Seamless 한 연결을 제공
5G-Xcast Application Layer (Content Distribution Framework)
5G-XcastTransport Layer (Core Network)
DTT Network
broadcast only
Mobile Network
broadcast/unicast
Fixed Network
multicast/unicast
Indoor
Environment
Outdoor
Environment
seamlessseamless
Broadcast or
Multicast flow
Unicast flow
Transition5G-Xcast Radio Layer (RAN) xDSL
3 2
1
Mobile-broadcast convergence
[8]
24

5G-Xcast Project
§ 4개의 벨류 체인(Research / Content / Network / End User)로 구성
[9]
25

5G-Xcast Project
§ Media and Entertainment Use Cases (WP2, BBC)
§ Hybrid Broadcast Service
§ Virtual / Augmented Reality Broadcast
§ Remote Live Production
5G-XCast_D2.1
e 1 – Use case M&E 1: Hybrid broadcast service; combinations of networks and technologies
5G-XCast_D
Figure 2 – Use case M&E 2: Virtual/augmented reality broadcast 26

5G-Xcast Project
§ 현재 5G 표준 (3GPP Rel’15)에는 방송 기술이 포함되어 있지 않음
§ 3GPP Rel’16에 방송 기술 포함 여부에 대해 논의 중
§ 현재 5G 방송 기술로 소개하는 기술은 LTE Rel’14 FeMBMS 임
27< Abbr. : FeMBMS=Further evolved Multimedia Broadcast Multicast Service>

결론 : 5G New Superhero ?
§ 5G에 대한 표준은 아직 완성되지 않은 상태
- 2020년 이후 본격적인 5G 상용화
20 Gbps 최대전송속도 지원
1ms 이하 저지연 통신
500 km/h 이동수신 성능
최대 연결 기기 수 증가
여러 산업분야에 광범위한 파급 효과
IoT, AR/VR, 자율주행차, 스마트 빌딩등
... 대규모 인프라 투자 필요
5G 설비투자는 20~25조 전망 [IBK 경제연구소]
28

참고문헌
[1] ITU-R M.2083-0, IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond
[2] ETRI, 5G 무선 기술 진화
[3] TTA, 3GPP 제80차 TSG 기술총회
[4] 5G Development with MATLAB
[5] NOKIA, 5G New Radio (NR) : Physical Layer Overview and Performance
[6] KT, KT가 그리는 5G 네트워크 구조는 ? - KT의 5G 네트워크 구조 분석
[7] 5G-Xcast, Official Website : https://5g-xcast.eu
[8] 5G-PPP, The European 5G Annual Journal 2018
[9] 5G-PPP, 5G-Xcast Tutorial
[10] IBK 경제연구소, 5세대 이동통신(5G)이 가져올 미래
29

감사합니다
Slide Available at :
https://www.slideshare.net/last1mile/presentations

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