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로이엔텍 - NB-IoT는 무엇인가요? (Part2 : NB-IoT Physical Layer에 대하여) / 로데슈바르즈
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안녕하세요! 오늘은 NB-IoT (Narrowband Internet of Things) 시리즈 2탄으로 NB-IoT Physical layer와 R&S의 NB-IoT 솔루션에 대해 차례대로 살펴보도록 하겠습니다.
혹시 이전 글인 'NB-IoT는 무엇인가요? (NB-IoT 시리즈1: NB-IoT 소개와 Operation Mode에 대하여)'를 아직 읽어 보지 않으신 분들이 계시다면 하기 링크를 통해 NB-IoT는 무엇인가요? 시리즈1을 먼저 보신 후 다음 글을 보시는 것을 권장 드립니다.
로이엔텍 - NB-IoT는 무엇일까요? - Part 1 : NB-IoT 소개와 Operation Mode에 대하여 / 로데슈바르즈
안녕하세요! 오늘은 NB-IoT(Narrowband Internet of Things)가 무엇인지 알아보도록 하겠습니다. 3GPP에서는 Release 13의 일부로 NB-IoT(협대역 사물 인터넷)라는 새로운 무선 인터페이스를 지정했습니다. NB-
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NB-IoT Downlink(DL)의 경우 기본적으로 LTE와 동일하지만, Spartial multiplexing이 정의되어 있지 않다는 제한 사항이 있고 이런 부분은 LTE와 차이가 나는 부분입니다. NB-IoT의 DL에 대한 일반 사항은 다음과 같습니다.
- 하나의 데이터 스트림만 전송되지만, 두 개의 안테나로 Tx Diversity가 정의
- 반송파 간격(Subcarrier spacing)이 15kHz인 OFDMA를 사용
- 14개의 반송파를 사용하며, 점유 대역폭(Occupied bandwidth)은 180kHz
- 하나의 Slot은 7개의 OFDMA 심볼로 구성
- RE(Resource Element)는 하나의 OFDMA 심볼에 포함된 하나의 부반송파를 의미하며, 아래 그림에서 하나의 사각형으로 표시됩니다.
- QPSK 변조만 사용
- 하나의 Radio Frame은 10개의 Subframe으로 구성되며, 1개의 Subframe에는 2개의 Slot이 포함
다음은 Reference(기준) & Synchronization(동기화) 신호에 대한 부분입니다.
LTE와 마찬가지로 NB-IoT는 다운링크에서 UE에 신호를 제공하며, 동기화(Synchronization) 신호는 UE가 타이밍과 주파수를 평가하는 데 도움을 주는데, 동기화 신호에는 NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)와 NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)가 있습니다. NRS(Narrowband Reference Signal)는 UE가 채널을 추정하는 데 도움이 되며 TX diversity를 위해 최대 2개의 안테나를 지원합니다.
Physical channel의 경우 NB-IoT는 LTE와 동일하지만 앞에 'N'(Narrowband를 의미)이 붙는 세 개의 Pysical Channel을 정의하고 있습니다.
1) NPBCH : 협대역(Narrowband) Physical Broadcast Channel은 협대역 Master Information Block(MIB-NB)을 전달합니다.
NBPCH는 8개의 독립적인 80ms Block으로 구성되며, 블럭은 항상 무선 프레임 0번에서 전송된 후 8회(무선 프레임당 한 번) 반복됩니다. NBPCH는 LTE 제어 채널과의 충돌을 피하기 위해 처음 3개의 Symbol에서는 전송되지 않습니다. 하기 그림에서 NBPCH의 구조를 보여주고 있으며, NPBCH가 차지하는 RE(Resource Element)는 노란색으로, Reference Signal의 경우 NRS(NB-IoT 신호)는 분홍색, CRS(LTE 신호)는 보라색으로 표시되어 있습니다.
2) NPDCCH : 협대역 Physical Downlink Control Channel은 첫째 UE에 어떤 데이터가 전달될 지에 대한 정보와, 둘째 UE가 Uplink에서 사용할 수 있는 리소스에 대한 정보, 이 2개의 중요한 정보를 제공합니다.
NPDCCH에는 아래 3개의 새로운 DCI 형식이 정의되어 있습니다.
- N0 : NPUSCH를 통해 데이터를 전송하는 데 사용할 수 있는 자원을 UE에 할당합니다.
- N1 : NPDSCH의 어느 부분에 데이터를 전송할 지에 대한 정보를 전달합니다.
- N2 : Paging과 Direct Indication을 위해 사용됩니다.
NPDCCH는 서브프레임에서 Lower 부분의 6개의 서브캐리어 또는 12개의 서브캐리어 모두를 차지 할 수 있으며, Nstart 파라미터가 서브프레임의 Start Symbol을 정의합니다. 아래 그림에서는 LTE에 안테나 1개, NB-IoT에 안테나 2개가 있는 대역 내에서의 작동을 보여주고 있으며, NPDCCH는 녹색(NCCE1: 짙은 녹색, NCCE2: 연한 녹색)으로, Reference 신호의 CRS는 보라색, NRS는 파란색으로 표시되어 있습니다.
NPDCCH가 UE에 신호를 보내는 시점과 실제로 실행이 발생하는 시점에는 일정한 지연(Delay)이 있으며, 이 지연은 NPDCCH와 NPDSCH 사이에는 최소 5개의 서브프레임, NPDCCH와 NPUSCH 사이에는 8개의 서브프레임으로 정의되어 있습니다.
3) NPDSCH : 협대역 Physical Downlink Shared Channel을 통해 DL 사용자 데이터가 전송됩니다.
NPDSCH는 NPDCCH와 동일한 형식을 가지고 있으며, 데이터는 여러 서브프레임에 위치할 수 있습니다. NPDSCH는 데이터를 반복하여 범위를 확장할 수 있고, 반복 횟수 (최대 2048)는 NPDCCH를 통해 UE에 전달됩니다.
기지국은 UE에게 확인응답(ACK)을 요청할 수 있고, ACK는 NPUSCH DCI format2에 포함되어 있습니다.
NPDSCH는 다중반송파 동작(Multicarrier operation)도 지원합니다. Idle 상태에서 UE는 anchor carrier와 동기화하고, Connected 상태에서는 데이터 전송을 위해 다른 RB(Non-anchor carrier)를 요청할 수 있습니다.
이제 NB-IoT의 Uplink에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.
업링크(Uplink)에는 단일 톤(Single-tone)과 멀티톤(Multitone) 2가지 방식이 정의되어 있습니다. 단일 톤은 Mandatory 사항이며, 15 kHz 또는 3.75 kHz 반송파 간격(Carrier Spacing)을 가지고, 멀티톤은 Optional이며, 15 kHz 반송파 간격의 SC-FDMA를 사용합니다. 여기서 멀티톤 프로세스에서의 캐리어 간격은 다운링크 및 LTE와 동일합니다. 업링크에서의 RE(Resource Element) grid는 다음 그림과 같습니다.
NB-IoT 업링크에서는 15 kHz 캐리어 간격으로 12개의 캐리어, 3.75 KHz 간격의 경우 48개의 캐리어를 사용할 수 있습니다.
NB-IoT의 업링크에서는 두 개의 Physical Channel과 DMRS(DeModulation Reference Signal)를 정의하고 있으며, 다운링크와 마찬가지로 채널 지정은 LTE와 동일하지만 앞에 'N'(Narrowbnad)이 붙습니다.
1) NPUSCH (Narrowband Physical Uplink Channel)는 하기 2개 Type의 정보를 전송합니다.
- NPUSCH format 1 : Uplink에서의 실제 data 전송
- NPUSCH format 2 : UCI(Uplink Control Infomration) 전송
Format 2는 항상 하나의 반송파를 사용하며 항상 BPSK로 변조되고, DL data channel (NPDSCH)에 대한 ACK를 전송합니다. Format 1은 하나 이상의 반송파를 사용할 수 있고, 단일 톤의 경우 변조는 π/2-BPSK 또는 π/4-QPSK를 사용하는데 반해 멀티톤은 항상 QPSK를 사용합니다. 또한, NPUSCH는 범위를 늘리기 위해 데이터를 최대 128번 반복 할 수 있습니다.
NPUSCH format별 요약 내용은 하기 표를 참조 부탁드립니다.
NB-IoT에서는 NPUSCH가 캐리어와 슬롯에 할당되는 방식을 설명하는 새로운 RU(Resource Unit)를 정의하고 있으며, 여기서 한 개의 슬롯은 7개의 SC-FDMA Symbol로 구성됩니다. 하기 그림에서 가능한 RU 구성을 참조 부탁드립니다.
2) NPRACH (Narrowband Physical Random Access Channel)
NPRACH는 주파수 호핑 및 3.75 kHz 간격의 단일 톤을 사용합니다. Preamble은 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 또는 128회 반복되는 4개의 심볼 그룹으로 구성되며, 4개의 그룹 각각은 CP(Cyclic Prefix)와 4개의 동일한 심볼로 구성됩니다.
NPRACH는 12개의 인접한 캐리어 사이를 호핑하며, 기지국은 허용되는 반송파의 범위를 지정하고 SIB를 통해 delay와 허용 범위를 전달합니다. UE는 12개의 subcarrier를 선택할 수 있고, 만약 UE가 지정된 캐리어 범위에서 특정 부분을 사용한다면 이를 통해 기지국은 UE가 멀티톤을 지원한다는 것을 파악할 수 있습니다.
주파수 호핑은 특수 알고리즘으로 정의되며, 하기에서 4개의 심볼 그룹으로 구성된 NPRACH 호핑에 대한 예제를 볼 수 있습니다.
글을 끝내기에 앞서 NB-IoT Signaling 테스트 솔루션인 CMW500에 대해 간단히 소개드리도록 하겠습니다.
CMW500은 3GPP TS36.521-1에 정의된 NB-IoT에 대한 T/Rx 테스트를 지원하는 Coummunication Tester입니다. 기본적인 RF verification 테스트 뿐만 아니라, E2E Performance 테스트와 IoT 기기에서 중요한 Battery Lifetime 테스트 또한 가능합니다. 또한, 최근 이슈가 되고 있는 NB-NTN 테스트를 지원하고 있습니다. CMW500이 LTE 관련 제품에 관계된 분들에게는 워낙 유명한 장비라 별도 설명이 필요하지 않을 수는 있지만, 혹시나 처음 들어본 분들이라면 하기 링크를 방문하셔서 한 번 살펴보시면 좋을 것 같습니다.
지금까지 NB-IoT에 기술적인 내용에 대한 소개 드렸습니다. 긴글 읽어주셔서 감사드리며, NB-IoT 또는 NB-NTN 테스트 솔루션이 필요하신 경우 로데 슈바르즈 코리아로 연락을 부탁드립니다. 감사합니다!!!
작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀
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