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SK 텔레콤 LTE 진화방향: (2) C-DRX 적용
SK Telecom's LTE Evolution: (2) Introduction of C-DRX
June 09, 2017 | By 도미선 @ Netmanias
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SK 텔레콤은 또한, 갤럭시 S8 출시에 맞춰, 4월 20일 스마트폰 배터리 효율을 높이는 ‘C-DRX (Connected Mode Discontinuous Reception) 솔루션’도 국내 전역에 적용했다. KT는 이보다 앞서 4월 1일 C-DRX를 전국망에 적용하였다.  

 

C-DRX는 말 그대로 서비스를 이용 중인 단말이 기지국과 단말 간에 무선링크가 설정되어 있는 연결 상태 ('RRC_Connected 상태')에서 데이터를 비연속적으로 수신하는 기술이다. 장점은 단말 전력 소모를 줄일 수 있다는 것이고, 단점은 데이터를 제 때 수신하지 못할 경우 전송지연으로 인해 패킷 손실이 발생할 수 있고 이로 인해 서비스 품질이 저하될 수 있다는 것이다.

 

KT는 4월 12일 기자 간담회에서 C-DRX 최적화를 통하여 서비스 품질 (패킷 손실율) 저하 없이 배터리 소모를 최대 45% 절감했다고 발표했다. 작년 5월부터 수도권 등 일부 지역에 C-DRX를 적용해오던 SK 텔레콤도 갤럭시 S8/S8+ 출시와 함께 C-DRX를 전국망에 적용하였고, LG U+ 역시 이 즈음 C-DRX를 전국망에 적용하였다. 

 

■ 왜 지금인가?

 

C-DRX는 LTE 초기 (Release 8)부터 정의된 기술이다. SK 텔레콤과 LG U+는 2011년 7월에, KT는 2012년 1월에 LTE 서비스를 도입한 이래 5~6여 년을 적용하지 않거나 이루만 적용하다 왜 최근서야 상용망에 적용하고 이슈가 되는 걸까?

 

첫째, 품질이 우선

이통 3사간 치열한 품질 경쟁으로, 매년 실시되는 통신서비스 품질 평가에서 한국의 모바일 통신서비스 품질은 글로벌 탑 수준이다. 앞서 C-DRX는 배터리 소모를 줄여주나 패킷 전송 지연으로 인한 패킷 손실을 초래할 수 있다고 한 점을 상기하자. 패킷 손실율은 서비스 품질을 저하시키나, 배터리 소모 절감은 사용자 편의성을 향상시키나 서비스 품질을 저하시키진 않는다. 그 동안 사업자 우선순위는 배터리 절감 효과보다 통신 서비스 품질에 있어 온 것이다.  

 

<2016년 통신품질 비교 - 국내 vs. 해외 (출처: 스마트초이스 홈페이지)>

 

둘째, 동영상 이용이 증가하고 화면 크기가 커진다 -> 전력 소모 절감이 중요

그럼, 왜 배터리 절감 효과가 중요해졌을까?

동영상 이용 증가와 스마트폰 '대화면'화를 들 수 있다. 동영상 이용 증가는 LTE 무제한 가입자 증가와도 관련 있다. 2017년 3월을 기준으로, LTE 가입자 약 25%가 무제한 가입자이다. LTE 가입자당 월 평균 트래픽량은 6.1 GB로 전년대비 31% 증가하였다. 가입자 유형별로는, LTE 무제한 요금제 가입자가 18.2 GB, 일반 요금제 가입자가 1.8 GB로, 무제한 요금제 가입자 트래픽량이 10여배에 이른다. 콘텐츠 유형별로는 동영상이 59%로 압도적이다. 멀티미디어까지 포함 시 65.5%에 이른다.  

 

모바일 트래픽 증감 추이와 응용별 트래픽 분포 (2017 Q1)

 

스마트폰으로 동영상을 가장 많이 이용함에 따라 스마트폰 화면은 커져가는 추세이다. 작년 출시된 갤럭시 S7/S7edge의 화면 크기가 5.1"/5.5"인데 비해 올 4월 출시된 갤럭시 S8/S8+는 5.8"/6.2"이다.  배터리 용량 및 제품 가로 폭은 거의 동일한 반면 화면 크기는 0.7" 커졌다.

 

화면 크기 비교: 왼쪽 갤럭시 S7은 5.1”, 오른쪽 갤럭시 S8은 5.8” (배터리는 모두 3000 mAh)

(출처: 삼성)

 

화면 크기, 해상도, 프로세서, 메모리, 어플리케이션 증가 등 스마트폰 성능 및 기능이 향상되어 감에 따라 전력 소모도 증가한다. 스마트폰은 전력 공급이 배터리로 제한되므로, 스마트폰 성능이 향상됨에 따라 전력 소모 문제가 중요하게 된다. 특히 디스플레이는 스마트폰에서 전력 소모가 가장 큰 부분이다. 동영상 이용과 화면 크기 증가로 배터리 소모가 빨라짐에 따라 배터리 소모 절감 문제가 사용자의 주요 VoC로 대두되고 있다.

 

■ DRX는 어떻게 동작하나?  

 

그럼, DRX가 어떻게 동작하기에 전력 소모를 절감시키는지 간단히 살펴보자. 

 

기지국과 단말 간 전송은 10ms 무선 프레임 (radio frame) 단위로 이뤄진다. 하나의 무선 프레임은 1ms 10개의 서브 프레임 (subframe)으로 구성된다. 매 subframe 앞부분에 위치한 PDCCH (Physical Downlink Control Channel)은 단말이 수신할 데이터가 있는지를 나타낸다.

 

단말은 수신할 데이터가 있는지 알려면 매 subframe마다 PDCCH를 모니터링 해야 한다. 단말이 매 subframe마다 항상 데이터를 수신하는 게 아니므로, 이렇게 동작하면 당연 배터리 소모가 크다.

 

DRX는 이러한 배터리 소모를 줄이기 위한 동작이다. 트래픽이 없으면 단말은 일정 기간 동안 sleeping 모드 (RF 송수신기 off)로 들어갔다가 wake-up하여 트래픽이 있으면 active 모드 (RF 송수신기 on)가 되어 데이터를 송수신한다. 네트워크는 단말이 언제 그리고 얼마 동안 sleeping하고 wake-up할지 정하는 configuration 정보를 상위 계층 제어 메시지 또는 기지국이 방송하는 SIB2 (System Information Block Type2) 메시지를 통해 단말에게 전달한다.

 

DRX는 휴지 상태 (RRC_Idle 상태)와 연결 상태 (RRC_Connected 상태)에서 모두 사용할 수 있다. 휴지 상태에서 적용되는 DRX를 Idle mode DRX, 연결 상태에서 적용되는 DRX를 Connected mode DRX (C-DRX)라 한다. Idle mode DRX는 paging과 연관되어 3G에서도 존재했다. LTE가 도입되며 C-DRX가 정의된다.

 

     
 

- RRC_Idle 상태: 기지국과 단말 간에 무선 연결 (RRC 연결)이 설정되어 있지 않은 상태

- RRC_Connected 상태: 기지국과 단말 간에 무선 연결 (RRC 연결)이 설정되어 있는 상태

 

LTE 규격에서 DRX 동작 정의:

- Idle mode DRX: 3GPP TS 36.304 "User Equipment (UE) procedures in idle mode", 7.1

  Discontinuous  Reception for paging

- Connected mode DRX: 3GPP TS 36.321 "MAC protocol specification", 5.7 Discontinuous

  Reception

 
     

 

Downlink를 중심으로 DRX 동작을 간단히 살펴본다. 

 

 

Idle mode DRX만 있는 경우, 단말은 Connected 상태에서 데이터 수신여부에 상관없이 매 subframe마다 PDCCH를 모니터링 한다. C-DRX가 적용된 경우에는 Connected 상태에서도 실제 송수신하는 데이터가 없으면 RF 송수신기를 off하여 배터리 소모를 줄인다. Sleep 모드에 들어간 inactive 시간만큼 배터리가 절감된다.  

 

1) Idle mode DRX: Paging DRX cycle

RRC_Idle 상태 (이하 Idle 상태)에 있는 단말로 향하는 트래픽이 발생하면 해당 단말로 paging이 발생한다. 단말은 주기적으로, 즉 paging DRX Cycle 마다 wake-up하여 PDCCH를 모니터링 한다. Paging이 있으면 Connected 상태로 천이하여 데이터를 수신하고 없으면 다시 sleeping 모드에 들어간다.

 

단말은 Idle mode DRX configuration 정보를 상위 계층 제어 메시지 또는 기지국이 방송하는 SIB2 메시지로부터 얻는다. 이를 이용하여 단말은 어느 무선 프레임의 어느 subframe에서 PDCCH를 모니터링 해야 하는지 계산한다. Idle 상태에 있는 단말은 paging DRX Cycle 당 하나의 subframe (PO)만을 모니터링 하게 된다.  

 

2) Connected mode DRX (C-DRX): Short DRX cycle, Long DRX cycle

RRC_Connected 상태 (이하 Connected 상태)에서 스케듈링 정보 (예, DL Grant)를 수신하면 DRX inactivity timer와 RRC inactivity timer가 재 개시된다.

DRX inactivity timer가 만료되면 DRX 모드가 시작되고, 단말은 DRX cycle 주기로 깨어나 정해진 시간 (on duration timer) 동안 PDCCH를 모니터링 한다.

DRX cycle은 short DRX cycle과 long DRX cycle 2종류가 있다. Short DRX cycle은 option이다. Short DRX가 설정되면, 단말은 DRX 모드를 시작할 때 먼저 short DRX cycle로 시작해서 long DRX cycle로 넘어간다. Long DRX cycle은 short DRX cycle의 배수로, short DRX cycle에서 단말은 더 자주 wake-up한다.

RRC inactivity timer가 만료되면 단말은 Idle 상태로 천이하여 paging DRX cycle을 시작한다. 

 

■ C-DRX Configuration  

 

C-DRX 성능은 DRX 파라미터 값 설정에 영향 받는다. DRX 파라미터 값은 네트워크가 (즉, 사업자가) 결정해서 DRX configuration setup을 통해 단말에 설정하는 것으로, 단말에 별도의 기능 추가없이, 단말 종류에 상관없이 적용할 수 있다. C-DRX configuration setup과 C-DRX 동작을 좀 더 구체적으로 살펴보자.

 

1) C-DRX Configuration parameters

DRX configuration 정보는 기지국과 단말 간 RRC 연결이 생성될 때 기지국이 RRC 메시지 (RRC Connection Reconfiguration 메시지)를 통해 단말로 전달한다. RRC Connection Reconfiguration 메시지에는 단말과 기지국 간 통신방법이 정의되는데, MAC MAIN Configuration에 drx configuration 정보가 포함된다.  

 

DRX configuration setup 정보 (3GPP TS 36.331)

 

<C-DRX configuration parameters>

(TS 36.331 'longDRX-CycleStartOffet'은 TS 36.321에서 정의된 'longDRX-Cycle'과 'drxStartOffset'을 나타낸다)

 

2) Example of C-DRX Configuration

Long DRX만 적용된 경우와 short DRX가 추가로 적용된 경우의 동작 시나리오를 SK 텔레콤 발표 논문*을 참고하여 간단히 살펴본다 (* 김태용 외, "LTE 스마트폰의 배터리 절감을 위한 기지국의 CDRX 적용 기법에 관한 연구", 한국통신학회 하계 종합학술대회, 2014) .

 

  • Long DRX만 적용된 경우: 단말은 longDRX-Cycle 주기 (10 ms)로 깨어나 onDurationTimer (2 ms) 동안 PDCCH를 모니터링 한다. 두 번째 onDurationTimer 중 스케듈링 정보를 수신하여 drx-InactivityTimer (4 ms) 동안 데이터를 수신하고 PDCCH를 모니터링을 연장한다. 스케듈링 정보가 추가로 없으면 sleep 모드로 들어가 longDRX-Cycle이 반복된다. Inactive time은 onDurationTimer와 drx-InactivityTimer에 영향 받는다. 

C-DRX configuration 예: long DRX

 

  • Short DRX가 추가된 경우: 단말은 longDRX-Cycle 주기 (10 ms)로 깨어나 onDurationTimer (2 ms) 동안 PDCCH를 모니터링 한다. 두 번째 onDurationTimer 중 스케듈링 정보를 수신하여 drx-InactivityTimer (4 ms) 동안 데이터를 수신하고 PDCCH 모니터링을 연장한다. drx-InactivityTimer가 만료하면, shortDRX-Cycle (5 ms)을 시작하고 drxShortCycleTimer가 만료되면 (shortDRX-Cycle 2회) long DRX를 시작하여 longDRX-Cycle이 반복된다. shortDRX-Cycle은 longDRX-Cycle보다 짧아 onDurationTimer가 자주 설정되므로 inactive 시간은 감소하는 반면 짧은 주기로 전송되는 패킷의 QoS 유지에 도움이 된다.   

C-DRX configuration 예: short DRX와 long DRX

 

3) 상용망에 적용된 DRX configuration  

DRX 기술 적용은 배터리 소모량 절감과 패킷 지연 간에 trade-off가 있고, 패킷 지연은 서비스 품질 저하로 이어지므로 DRX 파라미터는 세심한 설정이 요구된다. 이통 3사 중 KT는 C-DRX 파라미터 설정을 공개하였다. Long DRX만 적용되었다.  

 

KT DRX parameters:

  • onDurationTimer - psf 10
  • drx-InactivityTimer - psf 100
  • drx-RetransmissionTimer - psf 8
  • longDRX-CycleStartOffset - sf 320, 315

 

DRX configuration 파라미터 설정 (by KT)

 

KT에 따르면, 필드테스트를 통해 기존 패킷 손실율 품질 (0.06%)을 유지하면서 배터리 소모 절감 효과를 얻을 수 있는 DRX 최적화 파라미터를 도출하였고, 전국에 동일하게 적용하였다. TTA에서 갤럭시 S8 단말로 YouTube 동영상 스트리밍 서비스를 시험하였으며 C-DRX 적용으로 스마트폰 이용 시간이 최대 45% 증가하였다고 발표했다.

 

배터리 전력 소모량 비교 (KT)  

 

3사 모두 C-DRX를 VoLTE 서비스에는 적용하지 않고 데이터 서비스에만 적용하였다. 활성 구간에서  트래픽이 연속적으로 발생하고 실시간 전송이 요구되는 음성 서비스의 경우 서비스 품질을 유지하며 C-DRX 효과를 얻을 수 있는 단계는 아닌 것으로 보인다.

 

KT가 발표한 최대 45% 배터리 절감은 YouTube 동영상 스트리밍 만을 이용하는 환경에서 측정한 것으로, C-DRX가 적용되지 않는 음성 통화를 포함한 여러 서비스를 이용하는 일반적인 스마트폰 이용 환경에서의 절감 효과는 이보다 줄어들 것이다. 또한 C-DRX 성능은 트래픽 특성, mobility 특성, 무선 환경 등에 영향 받는데 전국에 동일한 파라미터를 적용하여 최적화가 가능한가? 라는 생각도 든다. 

 

하지만 동영상이 킬러 앱으로 자리잡은 LTE에서 C-DRX가 배터리 소모를 절감시켜주는 유용한 기술 중 하나임은 분명해 보인다. 또한 C-DRX 상용화는 모바일 동영상 이용이 증가하고 스마트폰 화면 크기가 커지면서, 전력 소모 감소가 사용자와 사업자 모두에게 본격적인 이슈로 부상하였음을 보여준다. 이제까지 스마트폰 전력 소모를 낮추고 이용시간을 늘리는 문제는 제조사의 디스플레이 기술에 주로 의존해 왔던데 비해, 이번 C-DRX 적용으로 통신사업자들도 통신 품질 외에 사용자 편의성 향상에 보다 관심을 기울이는 계기가 되기를 기대한다.   

 


 

SK 텔레콤 LTE 진화방향 

 

(1) 4.5G 진화 로드맵 

(2) C-DRX 적용 

(3) AI 기반 네트워크 품질 관리

(4) Q&A

알라 2017-06-19 10:12:58

정보 감사합니다.!!

윤일도 2017-09-18 10:46:10

감사합니다~ ^^

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