5G URLLC 기술 동향

빌딩자동화, 미래형 공장, eHealth, 스마트 시티, 배전, 스마트 농업 등은 대표적인 URLLC 응용분야이다. 이러한 모든 응용분야의 자동화를 실현하려면 0.5ms 이하의 E2E(End-to-End) latency와 BLER(block error rate)=10^-9에 해당하는 reliability 성능을 달성해야 한다. 그러나 5G 기술은 제한된 수준의 URLLC 성능 요구사항을 만족하는 것을 목표로 공장 자동화(factory automation), 운송산업(transport industry), 전력분배(power distribution) 서비스를 우선적으로 제공하고자 한다.

표 1은 대표적인 5G URLLC 응용사례에 대한 신뢰도 및 지연 특성을 요약하고 있다[5]. 5ms 이내의 E2E latency와 10^-6의 패킷 오류율을 만족해야 한다.

가. 공장 자동화

공장 자동화는 공장 내에 공정이나 작업흐름의 자동제어, 모니터링, 최적화를 통해 대량생산을 주도하는 기술로서 모션제어, C2C(Control-to-Control), 모바일 로봇 등의 응용분야가 있다(그림 1). 공장 자동화는 통신을 제외한 영역이 80% 이상을 차지할 뿐만 아니라[6], 통신측면에서도 가장 높은 latency와 reliability 성능을 만족해야 하는 어려움이 있다.

그림 1

공장 자동화의 예

1) 모션제어

모션 제어 시스템은 모션 제어기와 여러 개의 센서와 액추에이터로 구성되고 모션 제어기와 센서/액추에이터 간 통신(C2S/C2A)을 통해 머신의 이동이나 회전을 제어한다(그림 2).

그림 2

모션제어를 위한 통신 개념도

모션 제어기는 명확히 정의된 방식으로 머신의 동작이나 회전을 제어하기 위해 여러 개의 액추에 이터에게 이동지점의 좌표를 전송한다[7]. 센서들은 미리 정의된 방식이나 주기적으로 현재 상태 및 위치를 측정하여 모션 제어기로 전송한다.

한편, 유선 이더넷기반의 C2S/C2A 통신을 순차적으로 5G URLLC 기술로 전환함에 따라 모션 제어시스템은 기존의 유선 이더넷과 새로운 무선 5G 시스템 간 통합 문제를 해결해야 한다.

2) C2C

PLC와 모션 제어기 등 산업용 제어기간 통신을 일컫는 C2C(Control-to-Control) 통신은 대형 머신내에 여러 개의 제어기 사이에 동기를 맞추고 실시간 데이터를 교환하거나, 공장 내에 같은 일을 수행하는 여러 개의 머신 사이에 작업재료를 넘겨주거나 제어하는 데 URLLC 성능을 달성해야 한다[8].

그림 3은 기존의 유선 C2C 통신링크로 구성된 생산 셀에 5G 기술을 도입하여 무선 C2C 통신링크로 전환한 예를 보여주고 있다. 각 머신의 제어기에 5G UE를 설치함으로써 제어기간에 연결된 케이블을 대체하여 무선으로 C2C 통신을 구현할 수 있다.

그림 3

C2C–유선링크에서 무선링크로 전환 예시

C2C 통신은 모션 제어를 위한 C2S/C2A 통신에 비해 지연과 신뢰도 측면에서 비교적 낮은 성능이 필요한 반면, 많은 양의 데이터가 주기적 또는 비주기적으로 전송되어야 하고, UE 밀도도 점차 높아질 것으로 예상된다.

3) 모바일 로봇

모바일 로봇은 다중작업이 가능하도록 프로그램 할 수 있는 일종의 머신이며 무인운반차(AGV)와 같은 모바일 로봇은 작업보조, 상품 운송 등의 일을 수행하는 데 있어 미래형 공장에서 점차 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

모든 모바일 로봇과 유도 제어 시스템(guidance control system)에 5G UE를 설치하면 5G 네트워크에 연결되어 URLLC 서비스가 가능하다. 모바일 로봇은 유도 제어 시스템으로 실시간 스트리밍 데이터를 전송하고, 이를 기반으로 제어 시스템은 높은 수준의 URLLC 통신을 통해 효율적으로 모바일 로봇의 자율주행을 제어하고 트래픽을 관리할 수 있다.

나. 운송산업

운송산업에서 URLLC 통신이 필요한 이용사례로서 자율주행과 도로안전 및 교통량 최적화 등이 있다. 자율주행의 경우 군집운행이나 추월 시 차량 간 높은 수준의 URLLC 통신이 필요하고, 도로안전의 경우 충돌과 위험상황에 대한 경고 메시지를 신속하고 정확하게 전송해야 한다. 운송산업의 이용사례에 따라 10^-5 정도의 패킷 오류율과 10~100ms 이하의 E2E latency를 달성해야 한다.

다. 전력분배

신재생 에너지의 발전으로 태양열 및 풍력 발전소가 급격히 늘어나면서 양방향 전력흐름이 가능해지고 전력시스템의 상태가 급변하게 된다. 따라서 센서와 액추에이터를 전력시스템 주변에 설치하여 효율적으로 상태를 모니터하고 제어하기 위해 실시간으로 정보를 교환해야 한다. 이와 같은 차세대 지능형 배전시스템을 스마트 그리드라고 하고, 10^-6 정도의 패킷 오류율과 1~50ms의 E2E latency를 만족해야 한다.

URLLC RAN(Radio Access Network) 기술 개발의 최대 난제는 초고신뢰와 초저지연이라는 상충되는 요구사항을 동시에 만족하는 것이다. 예를 들어, 초저지연을 달성하기 위해서 짧은 블록길이 채널 코드를 사용하면 코딩이득이 감소하여 신뢰도가 감소한다. 한편, 초고신뢰를 달성하기 위해서 채널 코드의 부호율을 낮추거나 재전송을 적용하면 지연시간이 증가한다. 본 절에서는 5G URLLC의 대표적인 성능지표인 latency와 reliability에 대해 자세히 설명한다.

가. Latency

RAN 기술관점에서 latency는 크게 user plane latency와 control plane latency로 구분된다. User plane latency는 응용계층 패킷을 송신측 무선 프로토콜 L2/L3 SDU 계층에서 무선 인터페이스를 거쳐 수신측 무선 프로토콜 L2/L3 SDU 계층에 전달하는 시간을 의미한다. Control plane latency는 단말이 Idle 상태에서 Active 상태의 시작시점까지 전환하는 데 걸리는 시간을 의미한다.

User plane latency는 ACIVE 상태에서 단말과 기지국 간 패킷 전송시간을 의미하며, 주로 물리계층에서 발생하는 송수신기 프로세싱 지연, TTI, 재전송시간을 포함한다(그림 4).

E2E latency는 송신측에서 애플리케이션 데이터를 받는 시점부터 수신측에서 성공적으로 수신하여 애플리케이션으로 전달하기 시작하는 시간까지를 의미하며, 무선구간 전송 지연, MEC(Mobile Edge Computing)나 기지국에서의 큐잉 지연, 프로세싱 지연, 재전송시간을 포함한다(그림 4).

그림 4

Latency 성능지표

URLLC 서비스는 E2E latency 요구사항을 만족해야 하지만 RAN 기술 관점에서 user plane latency를 고려한다.

나. Reliability

일반적으로 reliability란 크기가 K인 데이터를 시간 주기 T 이내에 성공적으로 전송할 확률(1-10^-x)을 의미한다. 5G 기술에서 reliability는 커버리지 경계 영역의 채널 상태에서 32바이트의 layer 2 PDU를 1ms 이하의 user plane latency 내에 성공적으로 전송할 확률(1-10^-6)로 정의한다.

물리계층 관점에서 reliability는 BLER(10-x)을 의미하고 채널, 성상도, 오류검출부호, 변조기술, 다이버시티, 재전송방식에 의해 오류율을 최소화함으로써 reliability를 최대화할 수 있다. 상위계층 관점에서 패킷 오류는 패킷이 손실되거나 정해진 지연시간 내에 수신되지 않는 경우에 해당한다.

가. 전송시간간격 단축

데이터 채널의 전송시간간격(TTI)을 줄이기 위해 부반송파 간격을 15kHz뿐만 아니라 30kHz, 60kHz, 120kHz로 늘리거나, 14-symbol 단위의 스케줄링 대신 2/4/7-symbol mini-slot을 스케줄링 단위로 정의한다.

그림 5의 예에서 15kHz 부반송파 간격을 사용할 경우 전송시간간격은 1ms이고, 30kHz 부반송파 간격을 사용할 경우 전송시간간격은 0.5ms로 줄어든다. 여기에 2-symbol mini-slot을 사용하면 전송 시간간격은 70μs로 줄어든다.

그림 5

전송시간간격 단축의 예

또한 제어채널을 1-symbol 단위로 전송함으로써 전송지연을 줄일 수 있다. DL 제어채널로 DL/UL 데이터 채널의 스케줄링 정보를 전송할 때 대기시간을 줄이기 위해 DL 제어채널의 모니터링 시간을 OFDM 심볼 단위로 단축할 수 있다.

스케줄링기반 UL 데이터 전송인 경우, UE는 gNB에게 SR(Scheduling Request)을 보내 UL 자원할당을 요청한다. SR을 보낼 때 대기시간을 줄이기 위해 SR 자원 설정 주기를 줄일 수 있다.

나. 프로세싱 시간 단축

HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)는 고신뢰를 위한 주요 기술인 반면 저지연을 고려하여 재전송 회수를 제한해야 한다. 또한 HARQ-ACK 피드백 전송주기를 심볼이나 서브슬롯단위로 줄임으로써 프로세싱 시간을 단축할 수 있다.

송수신기 프로세싱 시간을 단축함으로써 latency를 줄일 수 있다. 데이터 채널 구조측면에서 파일롯을 데이터 채널의 시작위치에 전송함으로써 복조 및 복호 프로세싱 시간을 줄일 수 있다. OFDM 심볼 간 시간 인터리빙은 시간다이버시티를 제공하지만 수신 프로세싱 시간을 줄이기 위해 시간영역의 인터리빙을 사용하지 않는다. 주파수 우선 매핑을 이용하면 심볼단위로 처리할 수 있으므로 수신 프로세싱 시간을 줄일 수 있다.

다. Grant-free 상향링크 전송

앞에서 기술한 바와 같이 SR 자원설정주기를 줄임으로써 스케줄링기반 UL 데이터전송 지연시간을 많이 줄이긴 했으나 1ms 이하의 latency 요구사항을 만족하기에는 부족하다. Grant-free 또는 configured grant(CG) 상향링크 전송 방식은 UE에게 주기적인 상향링크 자원을 설정하여 데이터가 발생할 때 UL grant 없이 이미 설정된 자원으로 전송 할 수 있도록 한다. 따라서 UE와 gNB 간 동적으로 grant를 요청하고 응답하는 시간만큼 latency를 줄일 수 있다.

또한 서비스나 트래픽 종류에 따라 복수의 CG 설정을 허용함으로써 latency를 줄일 뿐만 아니라 reliability도 높일 수 있다.

가. CSI/MCS

기존 eMBB 서비스는 CSI(Channel State Information) 보고를 위한 BLER 타겟이 10^-1인 반면, URLLC 서비스는 BLER 타겟이 10^-6이므로 해당 CQI(Channel Quality Indication) 테이블을 제공해야 한다.

URLLC는 무선자원의 효율성(Spectral Efficiency)을 낮춤으로써 BLER을 줄이고, HARQ 전송 횟수를 줄임으로써 지연을 줄일 수 있다. 따라서 MCS(Modulation and Coding Scheme) 테이블에 낮은 spectral efficiency에 해당하는 MCS를 추가해야 한다.

나. Multi-TRP/panel transmission

Rel-16 eMIMO(enhancements on MIMO for NR) work item에서 URLLC를 위한 multi-TRP(multiple Transmission and Reception Points) 전송에 대한 표준화가 진행되고 있다[9]. FR2(Frequency Region2) 운용에 있어 채널 단절과 이동성에 의한 성능 열화를 극복하거나 급격한 채널 변화를 극복하기 위해서 복수의 TRP로부터 단일 PDCCH/PDSCH를 전송 받거나 복수의 TRP에게 PUCCH/PUSCH를 전송 하는 것을 고려하고 있다[10].

전송 신뢰도를 높이기 위해서는 복수의 TRP를 이용하여 동일한 데이터를 전송해야 하는데, 서로 다른 시간, 주파수, 공간 자원 분할을 통해 다중화할 수 있다. 그림 6과 같이 공간 자원 분할을 통해 다중화 시, 서로 다른 TRP에서 한 코드워드의 동일한 RV(Redundancy Version)를 서로 다른 PRB (Physical Resource Block)들을 통해 전송하여(그림 6의 (b)) SINR 이득과 채널에 따라 추가적으로 다이버시티 이득을 높이거나 채널 단절 상황에서도 강인성을 향상시킬 수 있고, 한 코드워드의 서로 다른 RV를 서로 다른 PRB들을 통해 전송하여(그림 6의 (a)) 코딩 이득과 채널에 따라 추가적으로 다이버시티 이득을 향상시킬 수도 있다.

그림 6

URLLC를 위한 multi-TRP 전송 예

다. Channel Coding

제어채널의 payload 크기를 줄이거나 낮은 코드율을 사용함으로써 reliability를 높일 수 있다.

HARQ ACK/NACK 피드백을 처리할 시간이 충분하지 않으면 재전송 대신 반복전송을 함으로써 reliability를 높일 수 있다.

데이터 채널의 부호화에 사용되는 LDPC(Low Density Parity Check) 부호의 BP(Belief Propagation) 복호 성능은 부호어의 길이가 짧아지면 ML(Maximum Likelihood) 복호 대비 성능열화가 증가하는 특성이 있다. URLLC 서비스 패킷에 대해서는 복호 성능을 향상하되 지연시간을 줄이기 위해 병렬 처리 구조를 가지는 알고리즘의 개발이 필요하다.

제어채널의 부호화에 사용되는 극(polar) 부호의 SCL(Successive Cancellation List) 복호 성능은 ML 복호 성능에 근접하는 것으로 알려져 있다. 그러나 정보 비트를 순차적으로 결정해 나가는 알고리즘의 구조 등으로 인한 지연시간을 줄이기 위한 연구가 필요하다.

NR Phase 1의 채널모델 관련 기술보고서인 TR 38.901은 실내 환경을 포함하여 4개의 평가 시나리오(Indoor Office, Urban Macro, Urban Micro, Rural Macro)를 위한 채널모델링 방법과 채널모델 파라미터에 대한 내용을 포함하고 있다[11]. 그러나 실내 공장환경에서의 전파특성에 대한 연구 필요성이 제기되었고, 2018년 9월 3GPP RAN plenary 회의에서 5G-ACIA의 요청에 따라 실내 공장환경에서의 전파특성 분석 및 채널모델 개발을 위한 study item(Rel-16 FS_IIIOT_CM)이 승인되었다[12]. 이후 약 1년간의 논의를 거쳐 2019년 8월 3GPP RAN1 회의에서 InF(Indoor Factory) 시나리오 및 채널 파라미터를 TR 38.901에 추가하는 데 합의하였다.