[LTE] Frame Structure Type 1 (FDD 기준)

LTE는 FDD와 TDD 2개 방식으로 나눠지며, 이 중에서 FDD 구조에 대해 알아보겠습니다.

3GPP TS36.211 규격을 따르고 있어 해당 문서를 보면 자세히 알 수 있지만, 영문에 내용이 많다 보니 핵심만 집어 요약해보겠습니다.

우선 이번 글에선 LTE FDD의 Frame Structure에 대해 전체적으로 설명드리고 다음 글에서 Downlink와 Uplink 세부적으로 알아보겠습니다.

 

먼저 LTE의 최소 시간 단위인 T_S의 시간은 T_S= 1 / (15000 X 2048) = 32.6ns 입니다.

(왜 최소 단위 시간 T_S가 32.6ns인지 아래 말씀드리겠습니다.)

 

1. Frame 구조

출처 : https://forum.huawei.com/

Frame (1개 Frame 시간 = 10ms)을 시간축으로 쪼개어 보면 아래와 같습니다.

- Frame (1개 Frame = 10ms) - Frame은 10개의 Subframe으로 구성 (1개 Subframe 시간 = 1ms) - Subframe은 2개의 Timeslot으로 구성 (1개 Timeslot 시간 = 0.5ms) - Timeslot은 7개의 Symbol로 구성 (Normal Cyclic Prefix일때 7개의 Symbol, Extended Cyclic Prefix일때는 6개의 Symbol) ※ 1 Frame = 10 Subframes = 10X2 Timeslots = 10X2X7 Symbols

2. Timeslot

Frame이 10X2X7=140개의 Symbol들로 구성되어 있습니다. 그리고 이 Symbol은 Cyclic Prefix와 Useful Symbol로 구성되어 있는데요, Useful Symbol은 말 그대로 사용 가능한 Symbol로 정보를 담을 수 있는 구간입니다. CP(Cyclic Prefix)는 이 Useful Symbol을 지키기 위한 Guard Interval 입니다.

 

1) CP(Cyclic Prefix) 역할

 WCDMA까지만 해도 Multipath에 인한 신호 딜레이나 간섭은 이퀄라이저 필터로 잡았는데요,

LTE는 OFDMA 방식을 사용하다 보니 각 Subcarrier마다 이퀄라이저 필터를 사용하기엔 너무 많습니다.

(LTE 20Mhz 대역폭 기준 Subcarrier가 1200개 입니다...)

대신 LTE는 Multipath로 인한 Delay 시간보다 더 큰 "시간텀"을 Useful Symbol 사이에 넣어두면 직교성을 헤치지 않아 Useful Symbol의 데이터는 지켜지게 됩니다.

이 "시간텀"을 CP(Cyclic Prefix로 부르며, 각 Useful Symbol의 끝자락을 복사해서 Useful Symbol 앞쪽에 CP로 붙여줍니다.

 

2) Normal CP vs Extended CP

- Timeslot은 Normal CP인 경우 7개의 Symbol, Extended CP인 경우 6개의 Symbol로 구성됩니다.

- Normal의 경우 도시나 높은 Data Rates가 필요한 곳에 사용됩니다. (한국은 Normal CP만 사용)

- Extended의 경우 넓은 커버리지를 가져야 하는 시골과 같은 특수한 곳에 사용합니다. 즉 Normal대비 Data Rates는 낮아지지만 CP가 넓어 안정성이 커집니다.

- Normal CP의 첫 번째 CP는 160T_S, 2~7번째 CP는 144T_S입니다. 첫번째 CP가 더 긴 이유는 별다른 이유는 아니고 전체 Timeslot 길이를 0.5ms로 딱 떨어지게 맞추기 위해서입니다.

 

출처 : https://forum.huawei.com/

 

3) RB (Resource Block)

 Frame부터 Timeslot까지 Time domain에서 쪼개어 봤다면 이제 Frequency domain으로 쪼개어 보겠습니다.

아래 그림처럼 15KHz의 간격을 가지는 Subcarrier들로 구성되어있습니다.

즉 Subcarrier 1개가 가지는 Bandwidth가 15KHz입니다.

(Symbol time은 1/Bandwidth이므로 Symbol time이 1/15000 = 66.7us (2048Ts) 인 것이죠.)

 

시간 간격으로 7개의 Symbol과 (0.5ms = 1개의 Timeslot)과 주파수 간격으로 12개의 Subcarrier (12개X15KHz=180KHz)로 이루어진 묶음을 Resource Block 즉 RB라고 합니다. 1개의 Symbol과 1개의 Subcarrier로 이루어진 단위를 Resource element, RE라고 부릅니다.

 

Normal CP에서는 7개의 Symbol로, Extended CP에서는 6개의 Symbol들로 이루어짐으로 각각 모드의 RE수는 아래와 같습니다.

- Normal CP에서 1개의 RB = 7개 Symbol X 12개 Subcarrier = 84개 RE - Extended CP에서 1개의 RB = 6개 Symbol X 12개 Subcarrier = 72개 RE

출처 : https://blog.csdn.net/weixin_30572613/article/details/95737779

이제 각 Bandwidth별 RB수를 알아봅시다.

예를 들어 20MHz의 BW의 경우 실제 사용하는 주파수는 양끝에 있는 주파수를 제외한 90%인 18MHz만 사용합니다.

즉 20MHz의 제일 낮은 쪽으로부터 5%인 0~1MHz와 제일 높은 쪽으로부터 5%인 19MHz~20Mhz는 실제 사용하는 주파수는 아니고 보호 주파수입니다.

18MHz를 RB 주파수인 180KHz로 나누면 100개의 RB가 있고 각 RB당 12개의 Subcarrier가 있으므로 총 1200개의 Subcarrier가 있습니다.

(정확하겐는 DC Subcarrier까지 포함하여 1201개 있습니다)

10MHz BW의 경우 (10MHz X 0.9) / 180KHz = 50RB 입니다.

LTE DOWNLINK PHYSICAL LAYER PARAMETERS

앞서 LTE의 최소 시간 단위인 TS의 시간은 TS= 1 / (15000 X 2048) = 32.6ns로 말씀드렸는데요,

샘플링률 F_S = △f X Nftt입니다.

최대 BW인 20MHz기준 1200개의 Subcarrier의 가지는데요, 1200개에 대한 FFT 크기가 2048개이므로 샘플링 속도는

F_S = 15KHz X 2048 = 30,720,000 Hz이고

샘플링 시간 T_S는 T_S = 1 / F_S = 1 / (15000 X 2048) = 32.6ns이 되는 것입니다.

 

다음번엔 FDD의 Downlink와 Uplink에 대해 알아 보겠습니다.