2009년 06월 15일
3GPP 무선 기술의 LTE
예전에 한번 정리해두었던 자료인데..
뭐 그다지 활용가치는 없을 듯..
참조용이나 신입생/사원 교육용으로 정도나...
3GPP는 현재의 GSM/EDGE와 WCDMA-HSPA 시스템 이상의 모바일 통신 시스템의 진화에 관해 작업중. 더 높은 용량과 성능을 요구하는 새로운 서비스와 특징을 지원할 수 있는 용량과 데이터 전송을 타겟으로 하는 3G 모바일 시스템 LTE가 기본적인 목표이자 동인. 데이터 전송률은 필수 네트워크 아키텍쳐와 기술 증진으로 최대 100Mbps에 이를 것임. 이 기술은 Full IP 기반 네트워크 지원과 타 무선 접속 기술과의 조화를 포함.
고도의 요구사항.
l 비트당 비용 감소.
l 개선된 서비스 전망 – 더 나은 사용자 경험으로 저가에 더 많은 서비스
l 현존/신규 주파수 대역의 사용상 유연성.
l 단순화된 아키텍처, 오픈 인터페이스
l 합리적인 단말기 전력 소모 감안.
고속전송율, 낮은 지연시간 그리고 패킷 최적화 무선 접속 기술을 향한 3GPP의 무선 접속기의 진화를 위한 프레임워크를 개발하기 위해, UTRA와 UTRAN LTE의 신뢰성 연구는 2004년 12월 시작.
LTE는 새로운 무선 인터페이스 기술 – 직교주파수분할(OFDM)활용. 새로운 무선 인터페에스와 시스템 아키텍처에 대한 스펙은 각각 2007년 9월과 2008년 3월 완료될 것이고, 2009~2010에 상업적 배치될 것임.
LTE에 대한 기본 동인.
l 고속 데이터 전송률에 대한 수요.
l 추가적인 3G 주파수 할당에 대한 기대.
l 주파수 할당에서 더 큰 유연성.
l 지속적인 비용 감소; 미래 경쟁력
l 사용자, 사업자 및 서비스 제공자의 요구사항 결합.
LTE 목표
l 최고 데이터 전송률 크게 증대.
l cell edge 비트레이트 증대
l 주파수 효율 개선; 대역폭 확장
l 지연시간 개선; CAPEX 및 OPEX 감소
l 선택적 시스템/단말기 복잡성, 비용, 전력소모
l 초기 릴리스 및 다른 시스템과 호환성.
l 저속에 최적화되지만, 고속 이동 지원.
타겟 사항
l 20Mhz 다운링크 할당내에서 최대 100Mb/s의 동시 다운링크 데이터 전송률(5bps/Hz)
l 20Mhz 업링크 할당내에서 최대 50Mb/s의 동시 다운링크 데이터 전송률(2.5bps/Hz)
l 다운링크 : Release 6 HSDPA 보다 3~4배의 MHz당 평균 사용자 처리량
l 업링크 : Release 6 Enhanced Uplink 보다 2~3배인 MHz당 평균 사용자 처리량.
l 저속 이동 속도(0~15km/h)에 최적화된 E-UTRAN: 15~120km/H 사이의 고속 이동 속도에서도 고성능 지원해야 함.
l 셀룰러 네트워크 간의 이동성은 120km/h~350km/h의 속도에서 유지되어야 함(심지어 500km/h까지도 주파수 대역 유지)
l 스펙트럼 유연성: 1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15 그리고 20Mhz 할당에서도 운용할 수 있게끔 가변성있는 E-UTRA: 업링크 및 다운링크, paired와 unpaired
l 근접 채널에서 GERAN/3G, 근접 채널에서 타 통신사업자와 공존성. 국경에서 오버래핑 또는 근접 주파수. UTRAN&GERAN과 핸드오버.
시스템 아키텍처 진화(System Architecture Evolution; SAE)
3GPP는 다음 10년과 그 이후도로 이 시스템의 경쟁력을 보장하기 위해 SAE 연구중.
그 목표는 다음과 같음.
l 지연시간, 용량, 처리량의 개선
l 핵심 네트워크의 단순화.
l IP 트래픽용 네트워크 최적화.
l 단순화된 지원과 비 3GPP 접속 기술과의 핸드오버
링크
LTE Requirements - http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/25_series/25.913/
LTE 아키텍처 - http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/25_series/25.912/
SAE 아키텍처 - http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.882/
Long Term Evolution of the 3GPP radio technology
(출처 – 3GPP)
3G 모바일 시스템 진화에 대한 3GPP의 연구가 2004년 11월 2~3일 토론토에서 RAN Evolution 워크샵으로 시작. 본 워크샵은 관심 있는 모든 3GPP의 기관, 회원 그리고 비회원에게 개방. 통신사업자, 제조업자 그리고 연구기관들은 Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)의 Evolution에 관한 40개 이상의 견해와 제안을 제출.
본 워크샵은 하이레벨 요구수준은 다음으로 정의.
1. 비트당 비용 감소.
2. 서비스 프로비저닝 증대 - 더 나은 사용자 경험으로 저가에 더 많은 서비스
3. 현존 및 신규 주파수 대역의 활용상의 유연성
4. 단순화된 아키텍처. 개방 인터페이스
5. 합리적인 종단 저력 소모 허용.
워크샵에서는 또한 진화형 UTRAN이 표준화 노력을 뒷받침하는 중요한 개선을 가져와 하면서도 불필요한 선택사항을 회피해야 한다고 권고되었다.
특정 측면에서, 3GPP SA 워킹 그룹간의 협력은 필수적이었다. : Access Network와 Core Network간의 새로운 분리, 그리고 새로운 서비스가 요구형 폐쇄 아키텍처 조정을 요구하는 처리용량의 특성.
이 워크샵의 결정사항과 3GPP 회원에게서 나온 폭넓은 지원과 더불어, UTRA & UTRAN Long Term Evolution( http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/GanttChart-Level-2.htm#20023 )의 실현가능성 연구가 2004년 12월 시작되었다. 그 목적은 "높은 데이터 전송률, 낮은 지연성 그리고 패킷 최적화 무선 접속 기술을 향한 3GPP 무선 접속 기술의 진화를 위한 프레임워크를 개발"하기 위한 것. 연구는 PS-Domain에서 제공되는 서비스를 지원하는데 초점이 맞추어져 있으며, 다음 사항을 포함한다.
1. 무선 인터페이스 물리 계층(다운링크와 업링크)과 관련해
- 예를 들면 20MHz까지 유연한 대역 전송폭 지원을 의미.
새로운 전송 구조와 첨단 다중안테나 기술의 도입.
2. 무선 인터페이서 2와 3과 관련하여
- 예를 들어, 시그널링 최적화.
3. UTRAN 아키텍처와 관련하여
- 최적 UTRAN 네트워크 아키텍처와 RAN 네트워크 노드 사이의 기능상 분리를 정의.
4. RF 관련 이슈.
추가적으로, 7개 사업자에 의해 주도되는 차세대 모바일 네트웍스(Next Generation Mobile Networks (NGMN))는 경쟁력있는 모바일 광대역 서비스의 제공에 맞춰진 네트워크의 창출에 대한 권고를 제안했다. NGMN의 목적은 "경쟁력 있는 광대역 무선 서비스의 제공용의 3G를 넘어선 기술적 진화를 위한 일치한 비전을 제시하기 위한 것"이다.
NGMN의 장기 목적은 분명한 성능 타겟, 기반적인 권고, 그리고 미래와 광역 모바일 광대역 네트워크를 위한 배치 시나리오를 수립하는 것이다. 백서(2006년3월)상에서는 그들은 핵심 시스템 특성, 시스템 권고사항, 세부 요구사항들 중 상대적 우선사항을 제시했다.
또한 IPR(Intellectual Property Right, 지적재산권) 측면에 강조가 두어졌는데, IPR의 목적은 공정하고 합리적이며, 비차별적인(Fair, Reasonable And Non-Discriminatory (FRAND)) IPR 비용을 보장하기 위해... IPR 라이선스의 더 나은 예측가능성을 제공하기 위해 현존 IPR 체제를 수정하는 것이었다.
모든 RAN 워킹그룹은 네트워크 아키텍처의 핵심 분야에서 SA WG2과 협력하며, 연구에 참여중이다. 그 연구의 첫째 부분은 진화형 UTRAN의 요구사항에 대한 합의로 도출되었다.
결과적으로 기술적 리포트(TR) 25.913은 다음 범주의 세부 요구사항들을 포함한다.
최대 데이터 전송률(Peak data rate)
- 20MHz 다운링크 주파수 할당(5bps/Hz)내에서 100Mb/s의 동시 다운링크 최대 데이터 전송률
- 20MHz 업링크 주파수 할당내에서 50Mb/s의 동시 업링크 최대 데이터 전송률
제어평면 지연(Control-plane latency)
- Release 6 Idle mode같은 camped state부터 Release 6 CELL_DCH같은 active state까지 100 ms 미만의 이행 시간
- Release 6 CELL_PCH같은 dormant state부터 Release 6 CELL_DCH같은 active state까지 50 ms 미만의 이행 시간
제어평명 용량(Control-plane capacity)
- 적어도 셀당 200명의 사용자가 5Mhz까지 주파수 할당을 위한 active state에서 지원되어야 한다.
사용자평면 지연(User-plane latency)
- 소규모 IP 패킷을 위한 언로드(Unload) 조건(예, 단일 데이터 흐름을 가진 단일 사용자)에서 5 ms 미만.
사용자 처리량(User throughput)
- 다운링크 : Release 6 HSDPA보다 3~4배인 MHz당 평균 사용자 처리량
- 업링크 : Release 6 Enhanced Uplink보다 2~3배인 Mhz당 평균 사용자 처리량
주파수 효율
- 다운링크 : 부하걸린 네트워크에서, Release 6 HSDPA보다 3~4배인 주파수 효율(bits/sec/Hz/site)을 타겟
- 업링크 : 부하걸린 네트워크에서, Release 6 Enhanced Uplink 보다 2~3배인 주파수 효율(bits/sec/Hz/site)을 타겟.
이동성
- E-UTRAN은 0~15km/h의 저속 이동 속도에 최적화되어야 한다
- 15~120km/H 사이의 더 높은 이동 속도에서 고성능이 지원되어야 한다
- 셀룰러 네트워크간의 이동성은 120~350km/h속도(주파수 대역에 의존하면 심지어 500km/h까지)에서 유지되어야 한다.
커버리지
- 위의 처리량, 주파수 효율 그리고 이동성은 목표는 30km 셀을 위한 slight degradation 가지면서 5km의 셀에 맞춰져야 한다. 100km까지의 셀의 범위가 배제되어선 안된다.
강화된 멀티미디어 방송 다중송출 서비스(Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS))
- 단말 복잡성을 감소시키면서, 동시에 변조, 코딩, 다중 접속 어프로치, 그리고 단일송출 작동시보다는 UE 대역폭.
- 사용자에게 동시에 전용 음성 및 MBMS 서비스에 대한 프로비전
- paired와 unpaired 주파수 정렬이 가능해짐.
주파수 유연성
- E-UTRA는 업링크 및 다운링크 양쪽 모두 1.25Mhz, 1.6Mhz, 2.5MHz, 5MHz, 10Mhz, 15MHz, 20MHz를 포한한 다른 사이즈의 주파수 할당에서 운용될 것이다.
- 시스템은 동일한 그리고 다른 대역에서, 업링크 및 다운링크 모두, 급전한 또한 비근접한 채널 정렬에서 무선 대역 리소스(전력뿐만 아니라, 적응가능한 스케줄링 등)를 포함한 리소스 집단에 컨텐츠 전달을 지원할 수 있어야 할 것이다. "무선 대역 리소스"는 사업자에게 활용가능한 모든 주파수로 정의된다.
3GPP 무선 접속 기술(Radio Access Technology (RAT))과 공존 및 공동작업.
- 근접한 채널에서 GERAN/UTRAN과 동일한 지리적 위치에서 공존하거나 co-location
- UTRAN 그리고/또는 GERAN 운용을 또한 지원하는 E-UTRAN 터미날은 3GPP UTRAN과 3GPP GERAN 내의, 사이의, 핸드오버나 측정을 지원할 수 있어야 한다.
- E-UTRAN과 UTRAN(혹은 GERAN)사이의 실시간 서비스의 핸드오버 동안 중단 시간은 300msec 미만이어야 한다.
아키텍처와 이행(migration)
- 단일한 E-UTRAN 아키텍처
- 프로비전이 실시간 그리고 conversational class traffic을 지원하는 시스템을 지원하도록 이뤄져도, E-UTRAN 아키텍처는 는 패킷 기반이어야 할 것이다.
- E-UTRAN 아키텍처는 "단일한 실패 지점"의 존재를 최소화하여야 할 것이다.
- E-UTRAN 아키텍처는 종단간 QoS를 지워할 것이다.
- 백홀 커뮤니케이션 프로토콜은 최적화되어야 할 것이다.
무선 자원 관리 요구사항(Radio Resource Management requirements)
- 종단간 QoS의 지원강화.
- 더 높은 계층으로 전송을 위한 효율적인 지원
- 다른 무선 접속 기술같읜 부하 공유와 정책 관리의 지원.
복잡성.
- 옵션 수의 최소화.
- 어떤 불필요한 임시 특성 없음.
자연스럽게 워킹그룹은 LTE 활동을 위한 일반적인 미팅 시간뿐만 아니라, 별도의 dc hoc에 대한 미팅에도 시간을 할애했다.
RAN WG1은 6개 가능한 무선 인터페이스 설계안(scheme)을 평가했다(물리적 계층의 요구사항에 대한 이들 기술적 평가는 TR 25.814에 모아져있다)
초기 LTE 작업에서 정의된 넓은 옵션사항은 다운링크에서는 지교 분파수 분할 다중(OFDM)을 활용하고, 업링크는 Single Carrier – Frequency Division Multiple Access를 활용하는실무적 상정으로 축소되었다. 옵션이 분할되었어도, 궁극적으로 inter-Node-B macro-diversity를 채택하지 않을 것으로 결론지어질 것이다. 세부 사항은 report of RAN#30( http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/Meetings-RP.htm#RP-30 )에 나와 있다.
지원하는 다운링크 데이터-변조 scheme는 QPSK, 16QAM, 64QAM이다. 활용가능한 업링크 데이터 변조 scheme는 (pi/2-shift) BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM이다.
Multiple Input Multiple Output (MIMO)의 사용은 이동성 측면에서 4개 안테나까지 가능하다는데 동의했으며, 셀 사이트는
4개의 안테나를 가진다.
UTRAN의 전문성을 되살려, UTRAN과 동일한 채널 코딩 타입이 합의되었다(터보 코드)
RAN WG2는 또한 Evolved UTRAN의 무선 인터페이스 프로토콜( ftp://ftp.3gpp.org/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_AHs/2005_06_LTE/)의 접근을 위한 첫 회의을 가졌다. 초기 상정사항은 다음과 같다.
- 프로토콜 아키텍쳐와 실제 프로토콜의 단순화
- 전용 채널 없음. 단순화된 MAC 레이어(MAC-d entity 없음) 강화
- Radio와 Core 네트워크간의 유사한 기능 회피.
1ms의 전송 시간 인터벌이 합의되었다(시그널링 오버헤드를 감소시키고 효율성을 개선시키기 위해).
RRC 상태는 RRC_Idle과 RRC_Connected 상태로 제안되었다. 이들은 UTRAN RRC 상태와 결합되어서(TR 25.813에서 추출) 아래와 같이 묘사된다.
RAN WG3는 새로운 아키텍처 정의에서 SA WG2와 밀접하게 작업했다.
evolved UTRAN는 UE에 대한 evolved UTRA U-planer과 C-plane 프로토콜 종단을 개선하면서, eNB로 구성되어 있다. eNB는 X2 interface를 통해 각기 다른 eNB와 상호연결된다. 예를 들어, LTE_ACTIVE에서 UE들의 핸드오버 지원을 위해서, 각기 다른 eNB와 연결할 필요가 있는 eNB 사이에는 X2 interface가 존재하다고 가정한다.
eNB는 또한 EPC (Evolved Packet Core)에 대해서 S1 interface 의 수단으로 연결되고 있다. The S1 interface는 aGW와 eNB 사이의 다대다 관계를 지원한다.
E-UTRAN 아키텍처 (TR 25.912에서 추출):
기능 분리
eNB는 다음의 기능을 가진다.
- 무선 자원 관리, Radio Bearer Control, 무선 수락 제어(Radio Admission Control), 동적 자원 배당(Dynamic Resource Allocation Dynamic Resource Allocation)(스케줄링)을 위한 기능.
MME(Mobility Management entity) :
- eNB로의 페이징 메시지 분배.
User Plane Entity (UPE) :
-IP Header Compression과 사용자 데이터 스트림 암호화.
-페이징 이유에 대한 U-Plane 패킷 종단.
-UE 이동성의 지원을 위한 U-plane의 스윗칭.
RAN WG2에서 작업과 결합되어, 이걸은 다음의 프로토콜 스택과 다음의 기능상 분리(TR 25.813)로 귀결되었다.
연구단계는 2006년 9월 마무리되었다. 기대하기로는, 부분적으로 E-UTRA 시스템이 Release 6 WCDMA보다 더 높은 데이터 전송률을 제공할 것이다. 데이터 전송률 상의 증대는 특히 더 높은 전송 대역폭과 MIMO 지원을 통해 이뤄진다.
특히, 이 연구는 동일한 스펙트럼 할당내에서 UTRA와 E-UTRA UE를 위한 동시 지원이 가능함을 보여주었다.
물리 계층과 타계층의 2/3을 위한 선택된 솔루션은 LTE를 위한 paired spectrum과 unpaired spectrum 솔루션 사이의 융합을 보연다는 점은 분명했다. (예를 들어, 초기 접속, 핸드오버 과정, 측정, 프레임, 슬롯 구조)
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