라이선스 없는 대역을 위한 LTE 그랜트‑리스 업링크 전송 기술

** 본 논문은 LTE가 비면허(Unlicensed) 스펙트럼에서 동작할 때 발생하는 ‘이중 LBT’ 문제를 해결하고자 하는 연구이다. 3GPP Release 13에서 도입된 LAA(Licensed Assisted Access)와 이후의 MulteFire(MF) 등은 비면허 대역을 활용해 데이터 용량을 확대하려 했지만, 특히 업링크 전송에서는 eNB가 그랜트를 전송하기 위해 Cat.4 LBT를 수행하고, 그 후 UE가 다시 LBT를 수행해야 하는 두 단계의 절차가 필요했다. 이중 LBT는 채널 접근 확률을 크게 낮추고, eNB와 UE 사이에 발생하는 4 ms 정도의 처리 지연으로 인해 전송 지연 및 자원 낭비가 발생한다. 이에 저자들은 ‘그랜트‑리스 업링크(Grant‑less Uplink, GUL)’라는 새로운 전송 방식을 제안한다. GUL에서는 UE가 자체적으로 Cat.4 LBT를 수행해 채널을 확보하고, 별도의 스케줄링 그랜트 없이 바로 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel) 전송을 시작한다. 이를 위해 다음과 같은 핵심 설계가 이루어진다. 1. **채널 감지 메커니즘**: eNB는 UE의 비동기 전송을 감지하기 위해 두 가지 방법을 제시한다. - *암시적 인디케이션*: UE가 전송하는 DMRS(De‑modulation Reference Signal)를 블라인드 탐지하여 PUSCH 존재를 파악한다. - *명시적 인디케이션*: 기존 UCI(Uplink Control Indicator) 포맷을 재활용해 UE가 전송 시작 시점에 제어 정보를 삽입한다. 2. **서브프레임 설계**: LBT 완료 시점이 PCell(Primary Cell) 서브프레임 경계와 일치하지 않을 경우를 대비해 세 가지 서브프레임 형태를 도입한다. - *동기식 SF*: PCell 경계와 정렬된 형태로, 부분 TTI 혹은 슈퍼 SF를 정의해 OFDM 심볼 단위로 전송을 시작한다. - *비동기식 SF*: LBT 직후 즉시 1 ms 전통적인 SF 구조를 사용해 전송한다. - *슈퍼 SF*: MCOT(Maximum Channel Occupancy Time) 전체를 활용해 연속적인 데이터 전송을 가능하게 한다. 3. **링크 적응 및 HARQ**: UE는 SRS(Sounding Reference Signal)를 통해 eNB에 CSI(Channel State Information)를 제공하고, eNB는 이를 기반으로 MCS(Modulation and Coding Scheme)를 지정하거나 UE가 자체 선택하도록 한다. 전송 후 eNB는 PDCCH를 통해 ACK/NACK을 반환한다. 4. **제어 채널 설계**: 기존 PUCCH 구조를 확장해 C‑RNTI, HARQ 프로세스 번호, NDI, MCOT 정보 등을 포함한 UCI를 두 가지 크기로 정의한다. 필수 필드(예: HARQ 프로세스 번호, C‑RNTI, NDI)는 매 SF마다 전송하고, 비필수 필드(예: A‑CSI, ACK/NACK 비트맵)는 최초 전송 시 한 번만 전송해 오버헤드를 최소화한다. 성능 분석은 마코프 체인 모델을 이용해 수행된다. Wi‑Fi와 MF(eNB+UE) 각각을 상태 전이 확률(p_b: 채널 점유 감지, p_f: 충돌)로 모델링하고, 전송 확률을 식 (1)·(2)로 도출한다. SUL에서는 eNB와 UE 양쪽에서 LBT가 성공해야 하므로 채널 접근 확률 p_SUL_tx = (1 − p_b)·p_Cat4_tx 로 표현된다. 반면 GUL은 UE가 단독으로 LBT를 수행하므로 전체 노드 수(N)만을 고려한 단일 확률식으로 접근 확률이 크게 증가한다. 시뮬레이션에서는 y_thv = −72 dBm, N = 5, m = 4, W₀ = 16 등 파라미터를 사용해 두 시나리오(Wi‑Fi+SUL‑MF, Wi‑Fi+GUL‑MF)를 비교하였다. 결과는 GUL이 SUL 대비 약 2배 이상의 채널 접근 확률을 보이며, Wi‑Fi와의 공존에도 거의 영향을 주지 않음을 확인한다. 시스템 레벨 시뮬레이션(3GPP LTE 표준 준수)에서는 GUL이 다운링크 성능 저하 없이 전체 시스템 스루풋을 30 % 이상 향상시키는 것으로 나타났다. 이는 UE가 그랜트 대기 시간을 없애고, MCOT 전체를 효율적으로 활용함으로써 발생한다. 또한, 기존 SUL에서 발생하던 자원 낭비(그랜트 전송 후 LBT 실패 시 예약된 자원 손실)도 사라진다. 결론적으로, 논문은 비면허 대역에서 LTE 기반 시스템이 겪는 업링크 병목 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 ‘그랜트‑리스 업링크’ 방식을 제시한다. 마코프 체인 기반 이론 분석과 실험적 시뮬레이션을 통해 제안 방식이 채널 접근 확률, 전송 지연, 전체 스루풋 측면에서 현저한 이점을 제공함을 입증한다. 이러한 설계는 향후 5G NR‑unlicensed, NR‑U 등 차세대 무선 시스템에서도 적용 가능하며, 비면허 스펙트럼 활용 효율을 크게 높일 수 있는 중요한 기술적 진전으로 평가된다. **