NTT Docomo는 2020년 자국에서 개최되는 도쿄 하계 올림픽에 맞춰 5G를 상용화할 계획을 갖고 있다. 역시 2020년 5G 상용화 계획을 천명한 SK 텔레콤과 함께 5G 상용화에 가장 적극적인 사업자 중 하나이다. 이 글에서는 NTT Docomo가 5G를 어떻게 정의하고 있고 5G 구현을 위해 어떤 potential candidate solution들을 준비하고 있는지 5G radio access 기술 (RAT)을 중심으로 알아보도록 한다. 

 

2010년 12월 LTE를 상용화한 NTT Docomo는 2015년 3월 LTE-A를 상용화하고 2020년 5G를 상용화할 예정이다.  LTE-A 상용화를 위해 small 셀을 도입하여 HetNet을 구성하고 CA, eICIC, CoMP 등을 도입하고 있으며, 5G를 향해 진화하기 위해 LTE-A 기능을 더욱 향상시키고 있다. 

 

■ NTT Docomo의 5G Target Requirements 
먼저 NT Docomo의 5G requirements로 아래와 같은 5개 항목을 정의하고 있다.     

• System capacity: 1000x /km2 
• Data rate: 10 ~ 100x
• Latency: RAN latency < 1ms
• Simultaneous connections: 100x
• Energy saving & reduced NW cost 

 
그림. NTT Docomo의 5G target requirements (source: NTT Docomo)

 

NTT Docomo는 mobile data traffic 증가율을 토대로 202x년 5G 시스템 용량은 LTE보다 1000배에 이르게 된다고 전망하였다. 사용자 데이터 전송률은 LTE의 100 Mbps보다 10~100배로, 최대 전송률은 LTE보다 10배 향상된 10 Gbps에 이르고, 사용자 체감 throughput은 100배 향상된 1 Gbps가 되어 어디서나 1 Gbps 이상의 고속 통신이 가능해진다. 

Cloud service와 tactile Internet, Augment Reality, M2M system에 대한 동적 제어를 지원하기 위하여 사용자 평면 상의 RAN latency는 LTE의 5 ms에서 1 ms 이하로 줄어들며, 동시에 연결된 기기 수는 LTE보다 100배 증가하여 혼잡지역에서도 원활한 접속이 가능해진다. 또한 5G에서는 에너지 사용량과 망 비용을 줄이는 구조를 갖게 된다. 

 

■ 5G Radio Access 정의: Enhanced LTE RAT + New RAT 
NTT Docomo는 5G target requirements 중 latency와 massive connectivity에 대한 요구사항은 기존 cellular 대역에서 LTE-A를 더욱 진화시켜 이룰 수 있다고 보고 있다. 한편 LTE 용량과 데이터 전송률 (or 전송 속도)에 대한 요구사항을 만족시키는 것은, 비록 LTE/LTE-A 기술이 small 셀 enhancement 등을 통해 용량 증대를 꾀한다 해도, LTE/LTE-A 기술로는 한계가 있고 고주파 대역에서 새로운 대역을 할당하고 새로운 RAT을 적용해야 한다고 보고 있다. 즉, NTT Docomo의 5G는 

• 기존 cellular 대역에서 LTE/LTE-A가 계속 진화된 enhanced LTE (eLTE) RAT 기술과 
• 새로 할당되는 고주파 대역에서 용량/전송률 증대를 목적으로 하는 new RAT 기술을 

모두 포함한다. 아래 그림은 NTT Docomo의 5G를 향한 진화 경로를 나타낸다. 

 

그림. Evolution paths toward 5G (source: NTT Docomo, NTT Docomo 그림을 재구성함)

 

eLTE RAT: eLTE RAT은 3GPP Release 12/13 이후 정해지는 3GPP 규격들 (예, Release 14/15)을 반영한 LTE 진화 기술로 현재 이동통신 시스템이 사용하고 있는 cellular 대역에서 동작한다. 

New RAT: 반면에 new RAT은 WRC-15 (2015년)와 WRC-18 (2018년)에서 할당될 새로운 주파수 대역을 target으로 개발되는 새로운 기술로, 높은 용량을 얻기 위해 고주파 대역 (예, >10GHz)에서 동작하나 일부 기능은 저주파 대역에서도 적용가능하다.   

Interworking: 5G에서는 저주파 대역과 고주파 대역이 같이 사용되므로 두 대역이 효율적으로 연동/결합되어야 한다. NTT Docomo는 고주파 대역의 small 셀로부터 충분한 용량을 얻으면서 동시에 저주파 대역의 macro 셀로부터 안정적으로 mobility를 지원받는 macro-assisted small cell enhancement 기술을 3GPP Release 12의 work item으로 제안하였고, 표준화가 진행 중이다. 이를 3GPP 표준 용어로 dual connectivity라 하며 NTT Docomo 용어로는 Phantom Cell이라 한다.  Phantom Cell 구조에서 단말은 서로 다른 대역 (저주파 및 고주파 대역)에 동시에 연결되고, macro 셀 (저주파 대역)과 small 셀 (고주파 대역)들은 tightly 연동되어 동작한다. Small 셀은 실제로는 데이터 전송을 담당하나 마치 유령처럼 사용자에게는 드러나지 않으므로 Phantom Cell이라 한다 (아래 3. interworking section 참조).      

 

그림. 5G radio access

 

NTT Docomo의 5G RAT solution을 eLTE RAT, New RAT, Interworking 순으로 간략히 알아보도록 하자.  

 

1. eLTE RAT in lower frequency bands
1.1 NOMA
기존 이동통신 주파수 대역에서도 spectral efficiency를 향상시키기 위한 노력이 계속된다. 기존 다중 접속 방법들은 서로 다른 사용자 데이터를 서로 다른 주파수/시간/공간 영역에서 전송하는 orthogonal 다중 접속들 (예, FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA)이다. eLTE RAT에서는 서로 다른 사용자 데이터를 주파수/시간/공간 영역을 공유하면서 서로 다른 크기의 power로 전송하고 수신단에서 successive interference cancellation (SIC)을 이용하여 간섭 신호를 제거하고 자신의 데이터를 얻는 non-orthogonal multiple access (NOMA) 기술이 사용된다. 예를 들어 moving cell에서 mobile backhaul에 적용할 수 있다. 

 

 
그림. NOMA 개념과 기본 동작

 

2. New RAT in new higher frequency bands
10 Gbps 속도와 1 ms RAN latency라는 5G target requirement를 만족하기 위해서는, 기본적으로 대역폭은 더 넓어지고 TTI는 더 짧아져야 한다. 

 

2.1 Numerology and Waveform:   
10 Gbps 이상의 속도를 위해서 new RAT은 고주파 대역을 사용하고 대역폭은 수 100 MHz ~ GHz가 된다. Net RAT은 eLTE RAT와 연동을 효율적이면서 dual-mode 단말의 구현 복잡도를 낮추면서 고주파 대역에서 문제점인 phase noise에 강해야 하는데, LTE보다 carrier spacing을 더 넓게 조정한 scaled LTE numerology가 고려되고 있다.

 

이 경우 transmission time interval (TTI)를 짧게 할 수 있어, 사용자가 1 ms 이하의 RAN latency를 겪도록 0.1 ms order의 짧은 TTI로 scheduling하는 것이 가능해진다. 

Net RAT의 signal waveform 역시 LTE의 OFDM을 기준으로 하면서 다른 대안으로 single carrier나 advanced multi-carrier를 사용할 수 있다. New RAT 후보 대역이 워낙 넓은 범위에 걸쳐 있으므로 new RAT의 signal waveform은 어느 주파수 대역에서 동작하는가에 영향을 받게 된다.

 
그림. New RAT: some design criteria

 

또한 new RAT은 D2D, multi-hop, wireless backhaul 등 5G의 다양한 시나리오를 지원할 수 있도록 UL/DL symmetry를 포함한 유연한 구조를 갖는다. 

 

2.2 Massive MIMO  
Massive MIMO는 전송 안테나 수를 크게 늘려 beamforming을 적용하는 기술이다. 고주파 대역의 small 셀에서 massive MIMO를 사용하면 첫째, beamforming gain에 의해 cell range를 확장할 수 있고 둘째, 공간 다중화를 이용하여 여러 사용자와 동시에 통신함으로써 사용자가 많은 혼잡 지역에서도 안정적으로 통신할 수 있다. 또한 Relay 노드나 고용량의 wireless backhaul link로 사용될 수 있다.

 

그림. Massive MIMO 효과

 

3. Interworking 
3.1 Phantom Cell
앞서 말했듯 NTT Docomo 5G RAT은 현재 이동통신 대역이 사용하는 저주파 대역과 새로운 무선접속 기술이 사용할 고주파 대역을 같이 사용한다. 저주파 대역은 macro 셀에서 고주파 대역은 small 셀에서 사용하는데, 두 셀 간에 제어 평면과 사용자 평면을 분리하는 것이 “Phantom Cell” 개념이다. 

단말은 두 셀에 모두 연결되는 dual connectivity 기능을 갖는데, coverage가 넓은 macro 셀과는 signaling connection으로 연결되고 대역폭이 넓은 small 셀과는 bearer connection으로 연결된다. Macro 셀과 small 셀은 master-slave 관계로, small 셀은 bearer traffic (즉, 사용자 traffic)을 처리할 때 사용자 관련 제어 정보를 macro cell로부터 받는다. 이 경우 사용자에게는 small 셀 존재가 드러나지 않게 되는데, 이 때문에 small 셀은 Phantom Cell이라 불린다.  

Phantom Cell 구조에서 단말은 macro cell과 연결된 RRC signaling connection으로 인해 커버리지나 핸드오버 문제를 겪지 않으면서, small cell과는 bearer connection을 통해 높은 throughput을 얻을 수 있다. 

 

그림. Phantom Cell concept

 

3.2 Flexible Duplex
Carrier aggregation (CA)/dual connectivity는 다른 대역에서 동작하는 셀들을 결합한다. 셀 별로 다른 duplexing을 사용할 수 있으므로, 서로 다른 대역 간 연동/결합을 효율적으로 지원하기 위해서 5G radio access는 유연한 duplex 구조를 갖는다. FDD 셀과 TDD 셀을 결합하기 위해서는 FDD/TDD joint duplex가 지원되고, small 셀은 DL/UL만 CA를 할 수 있도록 DL/UL only duplex도 가능하도록 한다. 기존 이동통신 carrier와 결합할 고주파 대역의 carrier에는 licensed carrier외에 unlicensed carrier도 포함되며, 고주파 carrier 선택은 opportunistic하게 수행된다. 

 

그림. Flexible duplex

 

이외에도 Key 5G 기술은 여러 가지가 있지만, NTT Docomo의 Radio Access Network 개발부서장이자 베테랑 빅마우스인 Mr. Takehiro Nakamura는 한국 부산에서 열린 ‘5G Global Summit 2014’에서 NTT Docomo의 대표적인 5G radio access 기술로 “Phantom Cell”과 “Massive MIMO” 기술을 꼽았다. 그는 이 두 가지 기술을 결합하면 5G 용량 requirement인 LTE 대비 1000배 이상 용량 확대를 만족시킬 수 있다고 강조하였다. 

 

■ 5G Deployments
NTT Docomo는 2018년 월드컵에서 2020년 도쿄 올림픽 개최 시 5G 상용 서비스를 개시할 예정이다. 5G는 2020년 dense urban 지역을 대상으로 deploy되기 시작하고, 2020년 이후에는 suburban, rural 지역으로 점차 영역을 확장해 갈 계획이다. Rural 지역에서도 eLTE 기술, beamforming 기술을 이용하여 적절한 coverage와 용량을 제공할 수 있다고 한다. 

 

그림. 5G deployment/migration scenarios

 

■ 5G Trials Plan
5G는 아직 표준화도 시작되지 않은 상태로, 이제 겨우 ITU-R WP 5D에서 핵심 성능지표들이 논의되고 있다. 따라서 5G radio access 기술에는 여러 potential 대역/기술들이 있는데, NTT Docomo는 올해 5월 주요 5G potential 대역/기술을 정하여 5G experimental trial 계획을 발표하였다. NTT Docomo는 이 trial들을 6개 주요 벤더들, Alcatel-Lucent, Fujitsu, NEC, Ericsson, Samsung, Nokia와 함께 협력한다. 각 벤더가 담당하는 trial은 다음과 같다.  

• Alcatel-Lucent: mobile 광대역과 M2M에 적합한 waveform
• Fujitsu: RRH 기반 초고밀도 기지국들에 대한 coordinated scheduling 
• NEC: 대량의 안테나를 이용한 time-domain beamforming, 5GHz에서 동작
• Ericsson: new radio interface 개념과 Massive MIMO, 15GHz에서 동작
• Samsung: 초광대역 hybrid beamforming과 beam tracking, 28GHz 대역에서 동작
• Nokia: 초광대역 single-carrier 전송과 beamforming, 70GHz 대역에서 동작

 

그림. NTT Docomo의 5G experimental trials 계획 (source: NTT Docomo)

■ 마치며
NTT Docomo의 5G RAT 전략은 매우 분명해 보이며 다음과 같이 정리해본다. 내년 3월 NTT Docomo가 LTE-A를 상용화하고 나면 5G RAT 시연이 본격화되면서 5G 기술들이 좀 더 구체적으로 드러날 것으로 기대된다. 

• 5G radio access 기술로 LTE 기술이 진화된 enhanced LTE (eLTE) RAT과 새로운 RAT 기술을 같이 사용하겠다. 
• eLTE RAT은 기존 셀룰러 대역에서 사용되고 macro 셀에 적용된다.   
• New RAT은 고주파 대역에서 사용되고 small 셀에 적용된다. 
• 5G radio access 핵심 기술은 Phantom Cell과 massive MIMO다. 
• 두 RAT은 (or macro 셀과 small 셀은) Phantom Cell 구조로 tightly 연동한다. 
  • Macro 셀 (eLTE RAT)은 mobility를 담당한다. 
  • Small 셀 (new RAT)을 이용하여 5G급 data 전송을 담당한다.  
  • Macro cell과 small 셀 간에는 tight interworking이 필요하므로, new interface가 정의되어야 한다. 
  • Small 셀은 트래픽 밀집지역에서 macro 셀에 add on 해가며 전개된다.   
• New RAT은 massive MIMO 기술로 5G 용량 (1000x)과 데이터율 (Gbps)를 만족시킨다.

NTT Docomo는 올해부터는 indoor trial을 시작하고 내년부터는 outdoor trial을 시작하고, 이후 trial 결과들을 5G 표준화에 적극 반영하여 5G 표준화를 주도해 나간다는 계획이라고 한다.

 

아직 주파수 대역도 표준화도 정해지지 않은 상태이지만, 2020년 도쿄 올림픽을 목표로 한 NTT Docomo의 5G 상용화 의지가 강하게 느껴진다. 한국도 2018년 평창 동계 올림픽에서 5G Trial을 목표로 하고 있다. 두 나라의 통신사 간 경쟁이 5G 상용화에 강력한 추진력으로 작용하길 바란다.