RB와 SCS: 5G 무선 자원의 구조
개요
5G NR(New Radio)에서 무선 자원은 시간-주파수 2차원 격자 형태로 관리됩니다.
RB(Resource Block)은 스케줄러가 UE에게 할당하는 최소 자원 단위입니다.
자원 구조 계층
계층 구조
5G NR의 자원 구조는 세 계층으로 구성됩니다:
12 서브캐리어 × 1 슬롯"] C --> D["Resource Element - RE
1 서브캐리어 × 1 심볼"]
| 계층 | 구성 | 설명 |
|---|---|---|
| BWP | 연속된 RB들의 집합 | UE 능력에 따라 다른 BWP 할당 가능 |
| RB | 12 서브캐리어 × 1 슬롯 | 스케줄링의 기본 단위 |
| RE | 1 서브캐리어 × 1 심볼 | 최소 자원 단위, 하나의 복소수 심볼 전송 |
시간-주파수 격자
SCS (Subcarrier Spacing)
SCS란?
SCS는 인접한 서브캐리어 간의 주파수 간격입니다.
5G NR은 다양한 SCS를 지원하여 주파수 대역과 사용 목적에 맞게 최적화할 수 있습니다.
SCS 옵션
| SCS (kHz) | 심볼 길이 | 슬롯 길이 | 슬롯/서브프레임 | 주요 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 15 | 66.67 μs | 1 ms | 1 | Sub-6 GHz, 넓은 커버리지 |
| 30 | 33.33 μs | 0.5 ms | 2 | Sub-6 GHz, 일반적 사용 |
| 60 | 16.67 μs | 0.25 ms | 4 | Sub-6 GHz ~ FR2 |
| 120 | 8.33 μs | 0.125 ms | 8 | FR2 (mmWave) |
| 240 | 4.17 μs | 0.0625 ms | 16 | FR2 (mmWave), SSB 전용 |
SCS와 도플러 효과
SCS 선택 시 도플러 효과를 고려해야 합니다:
- $v$: UE 이동 속도 (m/s)
- $f_c$: 캐리어 주파수 (Hz)
- $c$: 빛의 속도 ($3 \times 10^8$ m/s)
주파수가 높을수록(mmWave) 도플러 효과가 커지므로 더 넓은 SCS를 사용해 서브캐리어 간 간섭을 방지합니다.
RB 상세
RB 구성
하나의 RB는 12개 서브캐리어와 14개 OFDM 심볼(Normal CP 기준)로 구성됩니다:
$$1\ \text{RB} = 12\ \text{서브캐리어} \times 14\ \text{OFDM 심볼} = 168\ \text{RE}$$
RB 대역폭
$$BW_{\text{RB}} = 12 \times \text{SCS}$$
| SCS | RB 대역폭 |
|---|---|
| 15 kHz | 180 kHz |
| 30 kHz | 360 kHz |
| 60 kHz | 720 kHz |
| 120 kHz | 1.44 MHz |
대역폭별 RB 개수
$$N_{\text{RB}} = \left\lfloor \frac{BW_{\text{total}}}{12 \times \text{SCS}} \right\rfloor$$
| 대역폭 | SCS 15kHz | SCS 30kHz | SCS 60kHz | SCS 120kHz |
|---|---|---|---|---|
| 10 MHz | 52 | 24 | 11 | — |
| 20 MHz | 106 | 51 | 24 | 11 |
| 50 MHz | 270 | 133 | 65 | 32 |
| 100 MHz | 273 | 273 | 135 | 66 |
| 400 MHz | — | — | 264 | 264 |
스케줄링과 RB 할당
스케줄러의 역할
gNB의 스케줄러는 매 슬롯마다 UE들의 CSI 보고를 바탕으로 RB를 할당합니다:
RB 할당 시각화
스케줄링 정책
a. Max Throughput
$$\text{선택 UE} = \arg\max_i R_i$$
SINR이 좋은 UE에게 우선 할당합니다. 전체 처리량을 최대화하지만 공정성은 낮습니다.
b. Proportional Fair
$$\text{선택 UE} = \arg\max_i \frac{R_i}{\bar{R}_i}$$
- $R_i$: UE $i$의 현재 예상 전송률
- $\bar{R}_i$: UE $i$의 과거 평균 처리량
처리량과 공정성의 균형을 맞춥니다. 실제 5G 시스템에서 가장 널리 사용됩니다.
c. Round Robin
모든 UE에게 순차적으로 동일한 RB를 할당합니다. 완전한 공정성을 보장하지만 채널 효율은 낮습니다.
RB와 변조 방식 (MCS)
SINR에 따른 변조 선택
스케줄러는 UE의 SINR에 따라 MCS(Modulation and Coding Scheme)를 결정합니다:
| SINR 범위 | 변조 방식 | bits/symbol | 상대 처리량 |
|---|---|---|---|
| < 0 dB | 통신 불가 | — | 0% |
| 0 ~ 10 dB | QPSK | 2 | 25% |
| 10 ~ 18 dB | 16-QAM | 4 | 50% |
| 18 ~ 25 dB | 64-QAM | 6 | 75% |
| > 25 dB | 256-QAM | 8 | 100% |
RB당 처리량
$$\text{Bits per RB} = N_{\text{RE}} \times \text{bits/symbol} \times \text{coding rate}$$
64-QAM, 코딩률 0.75 예시:
$$\text{Bits per RB} = 168 \times 6 \times 0.75 = 756\ \text{bits}$$
UE 총 처리량
$$\text{Throughput} = N_{\text{RB}} \times \text{Bits per RB} \times \frac{1}{T_{\text{slot}}}$$
10 RB, 64-QAM, SCS 30kHz($T_{\text{slot}} = 0.5$ ms) 예시:
$$\text{Throughput} = 10 \times 756 \times \frac{1}{0.5\ \text{ms}} = 15.12\ \text{Mbps}$$
시뮬레이션
RB 할당, SCS 변경, 스케줄링 정책 전환을 직접 조작하며 처리량 변화를 확인할 수 있습니다.
OFDMA와 기존 방식 비교
| 장점 | 설명 |
|---|---|
| 유연한 자원 할당 | 시간-주파수 2차원에서 동적 할당 |
| 주파수 선택적 스케줄링 | 채널 상태 좋은 주파수 대역 선택 가능 |
| 다중 경로 강인성 | Cyclic Prefix로 ISI 방지 |
| 효율적인 MIMO 결합 | 공간 다중화와 쉽게 결합 |
AI-MIMO 연구와의 연결
CSI를 정확히 예측하면:
- 미래 채널 상태를 미리 파악할 수 있습니다.
- 최적의 RB 할당을 사전에 계획할 수 있습니다.
- 변조 방식을 미리 결정하여 시그널링 오버헤드를 줄일 수 있습니다.
- 전체 시스템 효율성이 향상됩니다.
핵심 수식 정리
| 항목 | 수식 |
|---|---|
| RB 구성 | $1\ \text{RB} = 12 \times 14 = 168\ \text{RE}$ |
| RB 대역폭 | $BW_{\text{RB}} = 12 \times \text{SCS}$ |
| RB 개수 | $N_{\text{RB}} = \lfloor BW_{\text{total}} / (12 \times \text{SCS}) \rfloor$ |
| 처리량 | $R = N_{\text{RB}} \times N_{\text{RE}} \times \eta / T_{\text{slot}}$ |
| 용어 | 정의 | CS 비유 |
|---|---|---|
| RE | 1 서브캐리어 × 1 심볼 | 메모리의 1 byte |
| RB | 12 서브캐리어 × 14 심볼 = 168 RE | malloc() 단위 |
| SCS | 서브캐리어 간 주파수 간격 | 격자의 눈금 크기 |
| BWP | 연속된 RB들의 집합 | 메모리 영역 |
| 스케줄러 | RB를 UE에 할당하는 알고리즘 | 메모리 할당자 |
참고
- 3GPP TS 38.211: NR Physical channels and modulation
- 3GPP TS 38.214: NR Physical layer procedures for data
- 3GPP TS 38.321: NR Medium Access Control (MAC) protocol