7. 다중화 및 다중접속방식 - 전송 프레임 구조와 처리용량 (4G, 5G등)

[그륵]

4G LTE와 5G이동통신은 앞서 살펴본 OFDMA(직교주파수 분할 다중접속)와 공간 다중화(MIMO/빔포밍)기술을 가장 극한으로 끌어올려 사용하는 현대 이동통신의 정점

4G와 5G 모두 시간과 주파수를 바둑판처럼 쪼갠 프레임 구조를 기반으로 작동하지만, 5G로 넘어오면서 초고속 초저지연 초연결을 달성하기 위해 프레임 구조와 처리 용량면에서 혁신적인 변화가 일어남

프레임 구조 차이와 할당 방식

1. 4G LTE의 프레임 구조: 모든 것이 고정된 단단한 틀

4G LTE는 프레임의 크기와 시간 단위가 딱딱하게 고정되어 있음. 스마트폰으로 인터넷을 하든,스마트 팩토리의 로봇이 통신하든 모든 같은 시간 규격을 사용

• 구조 : 1개의 라디오 프레임(10ms) = 10개의 서브프레임(1ms)으로 고정
• 자원블록 : 데이터를 나누어주는 최소단위인 자원 블록의 주파수 간격이 무조건 15kHz로 고정
• 단점 : 고화질 영화를 다운 받을 때 (대용량)나 자율주행차가 브레이크 신호를 보낼 때(초저지연)나 무조건 1ms단위로 쪼개 보낼 수 있어서, 다양한 융합서비스에 유연하게 대처하기 어려움

2. 5G의 프레임 구조 : 상황에 맞춰 늘어나는 고무줄 구조

5G프레임 설계의 핵심 키워드는 유연성(flexibility). 기술용어로 이를 뉴메롤러지(numerology, 수비학)라고 부름. 5G는 고정된 틀을 깨고 주파수간격과 시간 단위를 상황에 맞게 조절 가능

• 4G의 15kHz고정을 벗어나 15,30,60,120 등으로 2의 배수 형태로 촘촘하게 혹은 넓게 쪼갤 수 있음
• 슬롯(SLOT)중심의 초저지연 구조
  • 4G는 데이터를  보낼때는 무조건 1ms을 기다려야 함
  • 5G는 주파수 간격을 넓히면 (예 120kHz) 데이터를 보내는 시간 단위(슬롯)가 0.125ms까지 아주 짧아짐. 이 덕분에 4G보다 8배 빠른 초저지연 통신이 가능하져 자율주행이나 원격의료가 가능

3. TDD(시간분할) 방식의 진화 : 실시간 교통정리

4G와 5G는 다운로드 (내려받기)와 업로드 (올리기)자원을 분할하는 방식에도 큰 차이가 있음

• 4G (FDD중심) : 주파수도로를 상행선과 하행선으로 아예 반반씩 나누어 사용. 다운로드 도로가 막히면 놀고 있는 업로드 도로를 빌려 쓸 수 없음
• 5G(TDD중심) : 하나의 넓은 주파수도로를 쓰고, 시간을 아주 미세하게 나누어 다운로드와 업로드를 번갈아 처리. 유튜브 사용자가 많으면 다운로드 시간을 늘리고, 인스타 라이브 방송이 많으면 업로드 시간을 늘려 처리용량을 극대화

구분	4G LTE	5G (NR)
부반송파 주파수 간격	15kHz	15/30/60/120 kHz(가변선택 가능)
최소 스케줄링 시간	1ms (서브프레임 단위)	1ms ~ 0.125ms(슬롯단위, 가변)
지연시간 (latency)	약 10~20ms (비교적 김)	1ms이하 (초저지연 실현)
안테나 기술 (MIMO)	기본 2x2 또는 4x4 MIMO	Massive MIMO (최대 32/64개이상)
비유	모든 종류의 짐을 똑같은 규격의 상자에만 담아 배송	짐의 종류(대용량 파일, 긴급메세지)에 따라 상자크기와 배송속도를 맞춤형으로 가변 조절