Throughput과 UE Category

Throughput과 UE Category

 

 

1. LTE Throughput

(1) LTE Throughput

Throughput이란 기본적으로 data rate을 의미한다. LTE 시스템의 Throughput은 대략적으로 아래 식을 통해 계산할 수 있다.

 

여기서 Transport Block Size(TBS)란 말 그대로 Transport Block의 크기(Block이 몇 Bit를 포함하는지)를 의미한다. LTE TBS는 MCS(Modulation and Coding Scheme)과 Resource Block(RB)의 개수에 의해 결정된다. 여기서 MCS는 LTE 기지국 eNB가 결정하는 것으로, eNB가 단말(UE)에게 어느 정도의 code-rate으로 data를 송출하는지와 관련된다. 즉, eNB와 UE 사이의 채널 상태 정보(CSI)를 기반으로 결정된다.

LTE의 Max TPUT을 계산하려면, max MCS 및 max RB를 가정한다. 20MHz의 Bandwidth 기반의 LTE 통신의 경우, 최대 RB의 개수는 100이다. 물론 Modulation Order 또한 중요한 요소이다. 아래 식은 64QAM을 가정하고 있으며, 256QAM의 경우 최대 Throughput은 아래 값에 비해 8/6배 정도로 증가한다.

다만 현실적인 throughput은 이론값과는 다소 차이가 날 수 있다. 이는 “Control Channel Overhead”를 고려해야하기 때문이다. 예컨대 SIB가 전체 100RB 중 3RB를 차지하고 있다면, 최소 3% 이상의 throughput drop이 발생할 수 있다.

 

(2) TDD

TDD throughput의 경우 Subframe의 구성을 고려해야한다. 아래는 3GPP에서 정의하는 UL/DL configuration Table이다.

  위와 같이 TDD DL 및 UL Throughput은 subframe의 구성에 따라 달라진다. 아래 예시는 configuration을 1로 가정했을 때의 DL Throughput의 계산 방법이다. 다만 주의해야할 점은 위의 표에서 S는 special subframe을 의미하는데, special subframe은 다시 DwPTS(Download Pilot Time Slot), GP(Guard Period), UpPTS(Uplink Pilot Time Slot)으로 구성된다. Special Subframe에도 DwPTS가 4 OFDM symbol보다 크게 할당되어 있다면, download가 가능하다.

위의 예제 역시 64QAM을 가정하고 있다. 위의 식을 바탕으로 TDD DL Max Throughput을 계산하려면, DL이 전체 10개의 subframe 중 8개를 차지하는 configuration을 가정할 필요가 있다. 이에 더불어 special subframe configuration 또한 고려해야한다. 이는 다소 경우의 수가 많은 복잡한 케이스이다. 이에 대해서는 보다 자세한 값을 확인하려면, LTE Throughput을 계산해주는 사이트를 통해 확인해보자. (https://www.cellmapper.net/4G-speed)

 

2. UE Category

  UE Category란 기본적으로 eNB와 eNB에 연결된 UE들간의 보다 효율적인 통신을 위한 정보이다. UE Category는 각 UE의 DL 및 UL의 capability정보라고 생각할 수 있다. 아래 표는 3GPP 문서 36.306에 정의되어 있는 UE Category 관련 표 중 하나이다.

  위의 표에서 Maximum number of DL-SCH transport block bits received within a TTI는 1TTI(1ms)에 수신 가능한 DL 데이터의 최대 크기를 의미하며, Maximum number of bits of a DL-SCH transport block received within a TTI는 1TTI에 수신 가능한 TB의 최대 크기를 의미한다. 또한 Total number of soft channel bits는 Turbo coding 및 H-ARQ 등의 redundant bit 등을 고려한 UE buffer의 크기이다. 다만 위의 표는 다소 직관적이지 못하다. 아래의 표는 보다 직관적인 UE Category를 나타낸다.

 

3. 5G NR(New Radio) Throughput 및 TBS

(1) Throughput

NR의 Throughput을 계산하는 것은 LTE에 비해 복잡하다. 그러나 NR의 Max Throughput을 계산하는 방법은 이에 비해 간단하며, 3GPP 문서 38.306에 명시되어 있다. 아래는 해당 문서에서 발췌한 내용이다.

  위의 식에서 볼 수 있듯이, NR max throughput을 계산하기 위해서는 몇 개의 parameter 값만 알면 된다. 아래는 식과 식에 포함된 파라미터들에 대한 간략한 내용이다.

위에서 μ는 NR numerology를 의미하며, 위의 표에서 볼 수 있듯이 SCS(Sub-Carrier Spacing)와 관련된다. NR Throughput을 계산하는 것은 아래의 사이트를 활용하면 용이하다.

https://www.rfwireless-world.com/calculators/5G-NR-maximum-throughput-calculator.html

  아래 예제는 위의 사이트를 활용하여 하기 조건을 만족하는 NR band의 DL Throughput을 산출한 내용이다.

 

(2) NR TBS

NR의 Transport Block Size(TBS) LTE에 비해 훨씬 복잡하다. LTE는 TBS에 대한 lookup table이 존재하지만(혹은 알고리즘이 단순하여 lookup table을 만들 수 있지만), NR TBS는 일련의 알고리즘을 통해 결정된다. 아래는 그 알고리즘을 잘 정리해둔 내용이다.

그림 출처: https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_MCS_TBS_CodeRate.html

간단히 말하자면 TBS 사이즈는 N_info에 의해 결정되는데, N_info는 다시 N_re, code rate, modulation order, number of layers에 의해 결정된다. N_re는 N’_re에 의해 결정되는데, N’_re는 slot당 symbol 수, DMRS에 할당되는 RE 수 등에 의해 결정된다. 위와 같이 N_info가 결정되면, 다시 한번 일련의 알고리즘을 통해 TBS가 결정된다.

NR의 TBS는 LTE에 비해 보다 유연한 Resource Block의 운용이 가능한 NR 특성상, LTE에 비해 그 가짓수가 현저히 많다. 이 때문에 LTE와는 달리 3GPP 문서에서도 별도의 lookup table이 존재하지 않으며, TBS를 결정하는 알고리즘만을 언급하고 있다.

 

자료 출처 및 인용

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=tull00&logNo=220664397954

http://www.codeplayon.com/2018/11/5g-ue-categories-3gpp-release-15-ue-cat-types/

https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_MCS_TBS_CodeRate.html