Cellular network (4G, 5G, 6G)
cellular networks: 4G, 5G, 6G
1980년대에 등장한 1세대 이동통신(1G)은 AMPS 방식의 아날로그 음성 통신만을 지원했으며, 데이터 전송 속도는 2.4 Kbps에 불과했다. 당시에는 음성 통화가 유일한 서비스였기 때문에 지연 시간이나 이동성은 큰 고려 대상이 아니었다. 이어 1990년대에 도입된 2G는 GSM, GPRS, EDGE, TDMA 등의 기술을 기반으로 디지털화된 음성 통신과 문자 메시지(SMS)를 지원하며 데이터 속도를 50 Kbps까지 끌어올렸고, 지연 시간은 약 300 ms로 감소하였다. 2000년대에 들어서면서 3세대(3G) 기술이 등장했고, UMTS/IMT-2000 등의 방식으로 최대 21 Mbps의 데이터 속도와 100 ms 수준의 지연을 제공하게 되었다. 이로 인해 음성뿐만 아니라 멀티미디어, 인터넷, 영상통화 등의 서비스가 가능해졌으며 모바일 데이터 사용의 시대가 열렸다.
2010년대의 4세대 이동통신(4G)은 LTE(Long Term Evolution) 기술을 중심으로 발전하면서 속도는 최대 100 Mbps, 지연 시간은 약 10 ms 수준까지 향상되었고, 최대 시속 350 km의 고속 이동 환경도 지원할 수 있게 되었다. 이때부터 모바일 인터넷, 모바일 TV, 실시간 스트리밍 서비스들이 본격적으로 활성화되었다. 이후 2020년대에 상용화된 5G는 New Radio 기반으로 설계되어 최대 20 Gbps의 데이터 속도와 1 ms 이하의 초저지연을 제공하며, 시속 500 km 이상으로 이동하는 상황에서도 안정적인 통신이 가능해졌다. 5G는 단순히 빠른 모바일 인터넷을 넘어서 웨어러블 디바이스, 사물인터넷(IoT), 스마트 시티와 같은 대규모 연결성을 요구하는 응용 환경에 최적화되어 있으며, 특히 자율주행, 원격 진료, 실시간 제어 시스템 등 실시간성과 신뢰성이 중요한 서비스들이 가능해졌다.
그리고 현재 연구 및 표준화가 진행 중인 6세대 이동통신(6G)은 이전 세대와는 차원이 다른 수준의 통신을 목표로 하고 있다. 6G는 데이터 속도에서 1 Tbps 이상이라는 테라비트급 전송률을 제시하며, 지연 시간은 10~100 마이크로초(μs) 수준으로 줄이고, 시속 1000 km 이상의 초고속 이동성까지 수용할 수 있도록 설계된다. 이는 단지 스마트폰이나 IoT 수준을 넘어서, 우주 관광(Space Tourism), 완전 자율주행차, 촉각 기반 실시간 제어(Tactile Internet), 뇌-기계 인터페이스(BMI) 같은 미래형 응용을 위한 기반이 되며, 기존의 통신 개념을 완전히 확장하는 새로운 네트워크 패러다임을 제시한다. 6G는 지상 네트워크와 위성, 공중 플랫폼을 융합하고, 인공지능 기반의 네이티브 네트워킹, sub-THz 고주파 기술, 초정밀 위치 측위 등 다양한 기술 요소들을 종합하여, 인간과 기계, 가상 세계를 실시간으로 연결하는 초연결 지능형 인프라로 진화하고자 한다.
4G와 5G 셀룰러 네트워크는 광범위한 지역에서 고속 모바일 인터넷을 제공하기 위한 핵심 기술로 자리 잡았으며, 특히 4G 이후로는 유선보다 모바일 브로드밴드에 연결된 장치 수가 훨씬 많아진 것이 특징이다. 2019년 기준으로 모바일 브로드밴드에 연결된 장치 수는 유선 브로드밴드 장치 수보다 5배 많았고, 한국에서는 4G의 커버리지가 97%에 달할 정도로 보편화되었으며, 미국에서도 90% 이상에 달하는 수준이었다. 이러한 네트워크는 수백 Mbps에 이르는 전송 속도를 지원하면서 스마트폰, 태블릿, 노트북뿐만 아니라 IoT 기기, 차량 통신, 스마트시티 인프라 등 다양한 모바일 환경에서 고속 데이터 서비스를 가능하게 해주었다. 4G는 3세대 통신 이후의 진화된 표준으로서 3GPP(3rd Generation Partnership Project)라는 국제 표준화 기구에서 제정한 LTE(Long-Term Evolution) 기술을 기반으로 하며, 5G 또한 같은 3GPP에서 정의된 NR(New Radio) 기술을 중심으로 구성된다. 이러한 기술 표준은 단순한 속도 향상만을 목표로 하는 것이 아니라, 효율적인 주파수 사용, QoS 기반의 서비스 품질 보장, 에너지 효율 향상, 다중 기기 동시 연결성 강화 등 전반적인 모바일 통신 인프라의 질적 변화를 이끌고 있다.
4G는 “Fourth-Generation Communications System”의 약자로, LTE(Long Term Evolution)라는 기술 표준을 중심으로 발전한 네 번째 세대의 이동통신 시스템이다. 하지만 4G는 단일 기술이라기보다는, 데이터 통신을 위한 전면적인 IP 기반 패킷 교환망을 구현하기 위한 기술 및 프로토콜들의 집합으로 보는 것이 정확하다. 이는 기존의 음성 중심 회선 교환 방식에서 벗어나, 모든 통신(음성, 데이터, 멀티미디어 등)을 하나의 통합된 IP 네트워크에서 처리하도록 설계된 것이다.
4G 네트워크는 이동 중에도 최대 100 Mbps, 정지 상태에서는 최대 1 Gbps의 데이터 전송 속도를 제공할 수 있으며, 이는 스마트폰을 통한 고해상도 영상 스트리밍, 클라우드 기반 앱 사용, 대용량 파일 업로드/다운로드를 원활히 수행할 수 있는 기반이 되었다. 이러한 높은 성능 덕분에, 4G는 단순한 음성 통신뿐만 아니라 언제 어디서든(“anytime, anywhere”) 다양한 서비스—예를 들면 VoIP, HD 영상 통화, 모바일 TV, 클라우드 게임, 실시간 SNS 서비스—를 끊김 없이 제공할 수 있는 포괄적이고 완전한 IP 기반 솔루션으로 자리 잡게 되었다.
결과적으로, 4G는 스마트폰 시대를 본격적으로 열어준 기술로서, 모바일 인터넷이 생활 전반에 스며들게 만든 결정적인 인프라라 할 수 있다.
4G와 5G 셀룰러 네트워크는 전반적인 구조와 프로토콜 측면에서 유선 인터넷과 많은 공통점을 가지지만, 무선 환경 고유의 특성과 사업 모델로 인해 몇 가지 중요한 차이점도 함께 가지고 있다. 먼저 공통점부터 살펴보면, 유선 인터넷처럼 4G/5G 네트워크도 엣지(edge)와 코어(core) 구조로 나뉘며, 이 구조는 하나의 통신 사업자 내에서 통합적으로 관리된다. 또한 전 세계의 셀룰러 네트워크는 서로 연결된 거대한 네트워크의 네트워크(network of networks) 구조를 이루고 있으며, 이 구조는 글로벌 로밍과 서비스 연계를 가능하게 만든다.
기술적으로도 HTTP, DNS, TCP, UDP, IP, NAT, SDN(소프트웨어 정의 네트워크), 데이터/제어 평면의 분리, 이더넷, 터널링 등 우리가 이미 배운 인터넷 기반 프로토콜들이 셀룰러 네트워크에서도 그대로 사용되고 있다. 특히 4G 이후로는 네트워크의 모든 요소가 패킷 기반으로 전환되면서, 유선 네트워크와의 상호 운용성이 자연스럽게 확보되었다. 셀룰러 네트워크는 결국 유선 인터넷과 논리적으로는 완전히 연결된 구조를 갖추고 있으며, 일반 사용자가 이를 체감하지 못할 정도로 통합된 인터넷 경험을 제공한다.
하지만 이러한 공통점에도 불구하고, 셀룰러 네트워크는 유선 인터넷과는 명확히 구분되는 차이점들을 갖는다. 우선 물리 계층(link layer)이 다르다. 유선은 케이블 기반의 안정적이고 고정된 전송 매체를 사용하지만, 셀룰러는 무선 링크를 기반으로 하기 때문에 전파 간섭, 신호 감쇠, 이동성 등 다양한 변수에 대응해야 한다. 그리고 결정적으로, 모빌리티(mobility)가 셀룰러 네트워크에서는 1급 서비스 개념(first-class service)으로 취급된다. 사용자가 기지국 간 이동을 하더라도 끊김 없이 연결을 유지할 수 있도록 네트워크가 설계되어 있다는 점에서, 정적인 유선 네트워크와는 본질적으로 다르다.
또한, 셀룰러 네트워크에서는 SIM 카드 기반의 사용자 식별(user identity)이 핵심이다. 이는 네트워크 인증과 서비스 제공의 기반이 되며, 유선 인터넷에서는 존재하지 않는 개념이다. 마지막으로 사업 모델 차이도 있다. 셀룰러는 사용자가 통신사에 가입하여 서비스를 구독(subscription)하는 구조이며, 이에는 “홈 네트워크”와 “로밍 네트워크”의 구분, 인증 인프라, 그리고 통신사 간 정산 체계(inter-carrier settlement)까지 포함된다. 이러한 구조는 Wi-Fi나 유선 인터넷처럼 단순히 물리적으로 연결되어 있다고 해서 사용할 수 있는 방식과는 다르며, 글로벌 셀룰러 네트워크만의 상업적∙운영적 복잡성을 보여준다.
결과적으로, 4G/5G는 유선 인터넷과 기술적으로는 많은 부분을 공유하지만, 이동성, 사용자 식별, 서비스 모델 측면에서는 근본적인 차별성을 유지하면서 무선 통신에 특화된 인터넷 구조로 진화해온 것이라 볼 수 있다.
4G LTE 아키텍처는 모바일 장치에서부터 인터넷까지 이어지는 전송 경로를 구성하는 여러 핵심 구성 요소들로 이루어져 있으며, 이들은 모두 IP 기반의 통합 네트워크를 구성한다. 이 구조는 크게 무선 접속망(Radio Access Network)과 EPC(Evolved Packet Core, 진화된 패킷 코어망)로 나뉘며, 각 요소는 데이터 전송뿐만 아니라 사용자 인증, 위치 추적, 핸드오버 제어 등 다양한 역할을 분담한다.
먼저, 모바일 디바이스(UE, User Equipment)는 스마트폰, 태블릿, 노트북, IoT 기기 등을 포함하며, 4G LTE 무선 통신 기능을 내장하고 있다. 이 장치에는 사용자의 고유 ID인 64비트 IMSI(International Mobile Subscriber Identity)가 저장된 SIM 카드가 삽입되어 있으며, 이를 통해 단말은 네트워크에 접속하고 인증을 받는다. 이 정보는 사용자 식별뿐 아니라 가입자 상태와 요금제, 이동성 관리 등 다양한 네트워크 서비스에 활용된다.
UE가 연결되는 기지국(eNode-B)는 Wi-Fi의 AP와 유사한 구조이지만 훨씬 더 복잡하고 능동적인 역할을 한다. eNode-B는 자신이 커버하는 셀(cell) 내의 무선 자원을 관리하고, 단말이 이동할 경우 인접 기지국과 협력하여 핸드오버를 조율한다. 또한 단말의 접속 요청이 들어오면 이를 MME(Mobility Management Entity)로 전달하여 인증과 연결 설정을 중계한다.
MME는 제어 평면(control plane)의 핵심 요소로, 사용자 인증과 함께 단말 위치 추적, 핸드오버 관리, 페이징(paging) 등의 제어 신호 처리를 담당한다. MME는 단말의 IMSI 정보를 기반으로 HSS(Home Subscriber Service)와 통신하여 인증 요청을 전송하며, 인증 결과에 따라 연결을 허용하거나 거부한다.
HSS는 가입자 데이터베이스로서, SIM 카드에 대응하는 모바일 단말의 정보와 상태를 저장하고, 해당 가입자가 현재 접속 중인 셀, 할당된 IP 주소, 서비스 권한 등을 관리한다. HSS는 MME와 연동되어 사용자의 접속 요청을 처리하며, 특히 로밍 환경에서는 홈 네트워크와 방문 네트워크 간의 인증과 자원 할당을 중재한다.
인증이 완료되면, UE와 인터넷 간의 실제 데이터 통신은 S-GW(Serving Gateway)와 P-GW(PDN Gateway)를 통해 이루어진다. S-GW는 모바일 기기에서 오는 데이터 패킷을 받아 P-GW로 전달하는 데이터 평면의 중계 지점이며, 사용자가 셀을 이동할 때 핸드오버 경로도 동적으로 조정한다. P-GW는 외부 인터넷과의 게이트웨이 역할을 수행하며, NAT(Network Address Translation) 기능, QoS 정책 적용, 패킷 필터링 등 일반적인 라우터 기능도 수행한다. P-GW는 외부 IP 네트워크와의 접점을 제공하고, 모바일 네트워크를 전체적인 인터넷 인프라에 통합시키는 역할을 한다.
또한, EPC 내부에서는 광범위한 터널링 기술이 사용되며, 이는 단말이 이동하면서도 세션을 끊지 않고 지속할 수 있도록 하는 핵심 수단이다. S-GW와 P-GW 사이, 또는 MME와 eNode-B 사이에서 생성되는 IP 터널은 모바일 장치가 위치를 바꿔도 논리적인 연결이 유지되도록 보장한다.
4G LTE 네트워크는 데이터 평면(data plane)과 제어 평면(control plane)을 명확히 분리하여 동작하도록 설계되었으며, 이 구조는 네트워크의 확장성과 성능, 특히 모빌리티 관리와 보안 처리의 효율성을 크게 향상시키는 기반이 된다.
제어 평면은 모바일 장치의 인증, 세션 설정, 핸드오버 관리, 위치 추적 등 네트워크 제어와 관련된 모든 신호 처리를 담당하며, 이 평면의 핵심 요소는 MME(Mobility Management Entity)이다. MME는 모바일 장치가 네트워크에 접속을 시도하면, HSS(Home Subscriber Server)와 통신하여 해당 단말의 식별자(IMSI)와 서비스 정보를 확인하고, 이를 바탕으로 인증 및 권한 부여를 수행한다. 이후 MME는 사용자에게 필요한 IP 주소를 할당하고, 단말의 위치에 따라 적절한 경로를 설정하며, 핸드오버 중에도 연결을 유지할 수 있도록 제어 시그널을 처리한다. 이러한 절차는 모두 제어 평면에서 수행되는 작업이며, 이 평면은 주로 신호 교환용 프로토콜과 로직 중심으로 구성되어 있다.
반면, 데이터 평면은 실제 사용자 데이터(예: 인터넷 접속, 영상 스트리밍, 파일 다운로드 등)를 전송하는 역할을 담당한다. 이 평면에는 기지국(eNode-B), S-GW(Serving Gateway), P-GW(PDN Gateway) 등이 포함되며, 여기서 가장 중요한 특징은 광범위한 IP 터널링의 활용이다. 단말과 인터넷 사이의 모든 데이터는 S-GW에서 P-GW까지 IP 터널을 통해 전송되며, 이러한 터널링은 사용자가 다른 기지국으로 이동하더라도 세션을 끊지 않고 연결을 유지할 수 있도록 하는 핵심 기술이다.
데이터 평면은 또한 물리 계층과 링크 계층 수준에서도 새로운 기술을 도입한다. 예를 들어, 패킷 압축, 암호화, 오류 복구, 시간 슬롯 기반 자원 할당 같은 기능들이 포함되며, 이는 고속성과 안정성을 동시에 확보하기 위한 설계다. 데이터는 기지국에서 전송되어 S-GW를 거쳐 P-GW로 도달하며, 마지막으로 외부 인터넷망과 연결된다.
정리하자면, 4G LTE는 제어 평면과 데이터 평면의 분리를 통해 네트워크의 각 기능을 역할별로 전문화했으며, 이는 고속 이동성, 안전한 인증, 확장 가능한 QoS 보장, 신뢰성 높은 핸드오버 처리를 가능하게 해주는 핵심 아키텍처 원칙이다. 이를 통해 LTE는 단순한 고속 통신망을 넘어, 모바일 인터넷의 실질적인 운영 인프라로 자리 잡을 수 있었다.
4G LTE에서의 데이터 평면(data plane) 프로토콜 스택, 특히 첫 번째 홉(First Hop)은 사용자 단말(UE)과 기지국(eNode-B) 사이의 통신 구간을 의미하며, 여기에서 LTE는 무선 환경의 특성에 맞춰 다층적인 링크 계층 프로토콜을 도입하여 신뢰성과 효율을 보장한다. 이 스택은 데이터를 기지국에서 S-GW와 P-GW로 전달하기 전에 무선 채널을 통해 전송하는 과정에서 작동하는 계층들로 구성되며, 각 계층은 서로 다른 역할을 수행한다.
가장 상위의 Packet Data Convergence Protocol (PDCP)은 데이터 전송을 효율적으로 수행하기 위해 헤더 압축(header compression)과 암호화(encryption) 기능을 제공한다. 헤더 압축은 IP/TCP/UDP 같은 상위 계층 프로토콜의 헤더 크기를 줄여, 제한된 무선 자원을 보다 효율적으로 사용하는 데 기여한다. 또한, PDCP는 사용자 데이터의 보안을 위해 암호화도 수행하며, 이는 특히 비공개 정보를 주고받는 상황에서 매우 중요하다.
다음 계층은 Radio Link Control (RLC) 계층으로, 이 계층은 데이터 단편화(fragmentation)와 재조립(reassembly)을 담당한다. 상위 계층에서 내려온 데이터가 너무 크면, 이를 무선 전송에 적합한 크기로 쪼개고, 수신 측에서는 이를 다시 원래의 순서로 조립하여 상위 계층에 전달한다. RLC는 또한 신뢰성 보장 기능, 즉 재전송 기반의 오류 정정도 수행할 수 있으며, 이는 전송 품질이 불안정할 수 있는 무선 환경에서 매우 유용하다.
그 아래의 Medium Access Control (MAC) 계층은 무선 자원 스케줄링 및 슬롯 사용 관리를 담당한다. LTE는 시간과 주파수 자원을 블록 단위(리소스 블록)로 나누어 사용자가 데이터를 전송하도록 하는데, MAC 계층은 기지국의 지시에 따라 해당 사용자가 어느 슬롯에 전송할지를 결정한다. 또한, 충돌 방지를 위해 전송 요청 및 승인 기반 접근 방식을 사용하여 안정적인 채널 접근을 보장한다.
가장 하단의 Physical Layer(물리 계층)은 실제 무선 신호를 전송하는 계층으로, 변조(modulation), 채널 코딩, 다중화, 전송 전력 제어 등과 같은 물리적 전송 방식이 이뤄진다. 이 계층은 상위 MAC 계층이 제공한 비트 스트림을 실제 전파로 변환하여 무선 채널을 통해 송신하고, 수신된 신호는 다시 디지털 데이터로 복원된다.
결과적으로, 이 계층 구조는 무선 환경 특유의 지연, 간섭, 오류 등 다양한 문제를 효과적으로 대응하면서도, 고속 데이터 전송을 가능하게 만드는 구조이다. LTE는 이러한 세밀한 계층별 기능 분리 덕분에, 사용자에게 안정적이고 빠른 데이터 서비스를 제공할 수 있다. 이러한 무선 링크 계층 처리를 거쳐 데이터를 받은 기지국은, 이후 S-GW, P-GW를 거쳐 외부 인터넷으로 데이터를 전달하게 된다.
4G LTE의 데이터 평면 프로토콜 스택(첫 홉)에서, 사용자 단말(UE)과 기지국(eNode-B) 간 무선 통신은 정교하게 계층화된 프로토콜 구조와 고속 다중화 기술을 통해 구현된다. 이 구조는 단순히 데이터를 송수신하는 것이 아니라, 효율적인 주파수 자원 활용, 오류 처리, 보안, 스케줄링을 통합적으로 수행한다.
스택의 상단에는 Application, Transport, IP 계층이 존재하며, 이는 일반적인 인터넷 프로토콜 구조와 동일하게 동작한다. 즉, 애플리케이션 데이터가 TCP 또는 UDP를 통해 전송되고, IP 계층을 통해 주소지정 및 라우팅을 준비한 후, LTE 전송을 위한 하위 계층으로 내려간다.
그 아래는 Packet Data Convergence Protocol (PDCP) 계층으로, IP 패킷에 대해 헤더 압축(header compression) 및 암호화(encryption)를 수행하여 무선 자원 사용을 최소화하고 보안을 강화한다. 이는 무선 구간에서 데이터 효율성과 개인정보 보호를 동시에 만족시키기 위한 계층이다.
PDCP 아래에는 Radio Link Control (RLC) 계층이 있으며, 이 계층은 데이터의 단편화 및 재조립(fragmentation and reassembly)과 함께 신뢰성 있는 전송을 위한 재전송 처리를 수행할 수 있다. 특히 무선 전송 중 일부 패킷이 손실될 경우, RLC는 오류를 감지하고 해당 데이터만을 효율적으로 재전송할 수 있다.
그다음은 Medium Access Control (MAC) 계층이다. MAC은 사용자가 어느 시간 슬롯과 주파수 자원(리소스 블록)을 사용해서 전송할지를 결정하는 핵심 계층이다. LTE에서 한 사용자는 12개의 서브캐리어(15 kHz씩)로 구성된 대역폭에서 0.5 ms 단위의 시간 슬롯 두 개 이상을 할당받게 된다. 이 리소스 블록 할당은 운영자가 구현한 스케줄링 알고리즘에 따라 동적으로 결정되며, LTE 표준에서는 구체적인 스케줄링 방식은 정의하지 않고 자율에 맡기고 있다. 이 유연성 덕분에 사업자는 QoS 요구사항, 트래픽 혼잡도, 사용자 우선순위 등을 기반으로 최적화된 정책을 적용할 수 있다.
가장 하단에는 물리 계층(Physical layer)이 있으며, 여기서 실제 무선 신호 전송이 이루어진다. LTE는 무선 전송 방식으로 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 사용한다. OFDM은 하나의 대역폭을 다수의 직교(orthogonal)한 서브채널로 나누고, 이들 각각에 데이터를 분산시켜 동시에 전송하는 기술이다. 이러한 직교성 덕분에 서브채널 간 간섭을 최소화하면서도 매우 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있다. 다운링크는 OFDM을 그대로 사용하고, 업링크는 이를 기반으로 한 SC-FDMA(Single Carrier FDMA)를 활용하여 PAPR(peak-to-average power ratio)을 줄인다.
결과적으로, 이 전체 스택은 IP 기반 인터넷 서비스가 무선 구간을 안정적으로 통과할 수 있도록 설계된 구조이며, 각 계층이 담당하는 기능이 치밀하게 분리되어 있어, 수백 Mbps의 고속 데이터 통신을 이동성 환경에서도 안정적으로 제공할 수 있게 만든다. 이러한 설계 덕분에 LTE는 모바일 환경에서도 데스크톱 수준의 웹 브라우징, 스트리밍, 클라우드 연산 등을 실현할 수 있게 되었다.
4G LTE 네트워크의 데이터 평면 프로토콜 스택 중 코어망(Packet Core) 부분에서는, 무선 구간을 지나 기지국(eNode-B)에서 S-GW(Serving Gateway), 그리고 최종적으로 P-GW(PDN Gateway)까지 이어지는 데이터 흐름이 존재하며, 이 과정의 핵심 기술은 바로 GTP-U(GPRS Tunneling Protocol - User Plane)를 이용한 터널링(tunneling)이다.
이 구조에서는, 사용자의 IP 데이터그램(예: 웹 요청, 영상 스트림 패킷 등)은 단순히 IP 계층에서 바로 전송되는 것이 아니라, GTP-U라는 특수한 프로토콜로 캡슐화(encapsulation)되어 전달된다. 이 터널링 구조의 목적은 다음과 같이 요약할 수 있다:
- 기지국(eNode-B)에서 사용자 데이터는 GTP-U 헤더를 추가하여 UDP/IP 데이터그램 안에 캡슐화된다. 이 데이터그램은 S-GW로 전송되며, 이는 모바일 단말의 실제 IP 주소와 물리적 위치가 바뀌더라도 세션을 유지할 수 있도록 도와준다.
- S-GW(Serving Gateway)는 중간 게이트웨이로서, 수신한 GTP-U 패킷을 다시 캡슐화하거나 그대로 전달하는 방식으로 P-GW로 리터널링(re-tunneling)을 수행한다. 이 과정은 사용자의 이동(핸드오버 등)에도 불구하고 일관된 데이터 경로 유지를 가능하게 한다.
- P-GW(PDN Gateway)는 LTE 네트워크의 인터넷 연결 지점으로서, 터널링을 제거한 후 일반적인 IP 라우팅을 통해 외부 인터넷으로 데이터를 전달한다.
이 구조에서 GTP-U는 UDP 상위에서 동작하며, 다시 IP 계층에 캡슐화되어 전송된다. 즉, 하나의 사용자 데이터는 PDCP → RLC → MAC → Physical 계층을 통해 eNode-B를 거쳐, 이후에는 GTP-U/UDP/IP 계층을 통해 S-GW와 P-GW를 순차적으로 통과한다.
이러한 터널링 구조의 가장 큰 장점은 모빌리티 지원이다. 사용자가 셀을 이동하거나 eNode-B가 변경되더라도, 실제 IP 세션은 유지되며, 변경되는 것은 터널의 종단(endpoint) 정보뿐이다. 따라서 사용자는 이동 중에도 끊김 없는 연결을 경험할 수 있다.
결과적으로, LTE의 코어망 데이터 평면은 전형적인 IP 네트워크처럼 보이지만, 그 안에서는 사용자 단말의 이동성과 품질 보장을 위해 복잡한 터널링 메커니즘과 계층적 분리가 이루어지고 있다. 이 구조는 고속성과 신뢰성을 모두 충족시키는 LTE 아키텍처의 핵심 중 하나다.
4G LTE 네트워크에서 모바일 단말(UE)이 새로운 기지국(Base Station, eNode-B)과 연결되어 데이터를 송수신하기까지의 초기 절차는 매우 정교하게 설계되어 있으며, 이는 안정적인 셀 선택, 빠른 동기화, 효율적인 스펙트럼 탐색, 나아가 사용자 인증과 데이터 평면 구성까지 이어지는 일련의 프로세스를 포함한다. 이 과정은 특히 이동성 환경에서 중요한데, 사용자가 새로운 위치에서 끊김 없이 서비스를 이용할 수 있도록 돕기 때문이다.
모바일 단말이 전원을 켜거나 이동 중 새로운 셀에 진입하면, 기지국은 5ms마다 모든 주파수에서 “Primary Synchronization Signal (PSS)”을 주기적으로 전송한다. 이 신호는 매우 기본적인 타이밍 정보만을 제공하지만, 단말은 이를 감지함으로써 근처에 셀룰러 네트워크가 존재함을 인식할 수 있다. LTE 환경에서는 다양한 통신사(Carrier)의 기지국들이 동시에 존재할 수 있기 때문에, 여러 개의 PSS가 감지될 수 있으며, 이는 특정 주파수 대역에서 경쟁적으로 방송된다.
PSS를 찾은 단말은 다음으로 같은 주파수 상에서 “Secondary Synchronization Signal (SSS)”을 검색한다. 이 신호는 셀 ID나 프레임 구조 등 보다 세부적인 식별 및 타이밍 정보를 제공하여 단말이 해당 셀과의 정확한 타이밍을 동기화하는 데 사용된다.
이후 단말은 해당 기지국에서 주기적으로 브로드캐스트되는 시스템 정보 블록(System Information Block, SIB)을 수신하여, 이 기지국의 채널 대역폭, duplex 방식(FDD/TDD), 통신사(Carrier) 식별자(MCC, MNC), 셀 구성 정보 등을 얻는다. 단말은 이러한 정보를 바탕으로 자신에게 가장 적합한 셀을 선택한다. 예를 들어, 사용자의 홈 통신사에 속한 기지국을 우선적으로 선택할 수도 있고, 신호 세기가 더 강한 기지국을 선택할 수도 있다. 이 선택 과정에서 단말은 여러 기지국으로부터 얻은 정보를 비교 분석하며, 사용자의 이동성 정책, 로밍 상태 등을 종합적으로 고려하게 된다.
기지국을 선택하고 동기화가 완료되었다고 해서 곧바로 데이터 전송이 시작되는 것은 아니다. 이후에는 반드시 추가적인 절차들이 이어진다. 예를 들어, MME와 HSS를 통한 사용자 인증, IP 주소 할당, 터널링 경로 생성, S-GW 및 P-GW 연결 설정 등이 순차적으로 이루어져야만 본격적인 데이터 평면 연결이 구성된다. 이러한 과정이 완료되면, UE는 기지국을 통해 데이터를 S-GW로 전송하고, 다시 P-GW를 통해 외부 인터넷과 통신할 수 있게 된다.
결과적으로, LTE의 BS 연결 절차는 단순한 신호 탐지 단계에서 출발해, 정밀한 셀 동기화, 시스템 정보 수집, 기지국 선택, 그리고 인증 및 데이터 경로 설정에 이르기까지 단계별로 세분화된 체계적인 구조로 설계되어 있다. 이 구조는 사용자에게 끊김 없는 이동성과 서비스 연속성을 제공하는 데 핵심적인 역할을 한다.
LTE 모바일 단말은 배터리 수명을 최대한 연장하기 위해 다단계 절전 모드(sleep mode)를 구현하고 있으며, 이는 Wi-Fi나 Bluetooth에서도 유사하게 사용되는 전략이지만, 모바일 네트워크의 이동성과 연결 유지를 함께 고려한 보다 정교한 방식으로 설계되어 있다.
먼저, 단말이 LTE 네트워크에 연결된 상태에서 일정 시간(수백 밀리초) 동안 데이터 통신이 발생하지 않으면, 단말은 라이트 슬립(light sleep) 모드로 진입한다. 이 상태에서는 무선 모뎀이 완전히 꺼지지는 않지만, 전송 기능이 비활성화된 상태로 전력 소모를 최소화하고, 정해진 간격(수백 밀리초 간격)으로만 깨어나서 기지국으로부터 하향 전송이 있는지(예: 착신 데이터)가 있는지 확인한다. 이를 통해 실시간성이 필요한 데이터가 있을 경우 다시 빠르게 활동 상태로 전환할 수 있다.
한편, 더 긴 시간(보통 5~10초) 동안 데이터 통신이 완전히 없을 경우, 단말은 딥 슬립(deep sleep) 상태로 들어간다. 이 상태에서는 라디오 모듈의 거의 모든 기능이 비활성화되며, 배터리 소모는 극히 낮아진다. 하지만 그만큼 네트워크와의 연결 상태는 약화되고, 특히 사용자가 이 상태에서 이동하여 다른 셀로 넘어가게 되면, 해당 단말은 기존 기지국(eNode-B)과의 연결 정보가 무효화되기 때문에, 네트워크에 다시 연결하기 위해 재동기화 및 재연결 과정을 거쳐야 한다.
LTE는 이러한 절전 모드 전환이 자동으로 이루어지며, 사용자에게는 거의 인지되지 않도록 설계되어 있다. 모바일 기기의 에너지 효율성과 네트워크의 응답성을 동시에 조절하는 핵심 메커니즘으로, 대기 시간이 긴 애플리케이션(예: 알림 수신, 메시지 대기 등)에서도 불필요한 전력 낭비 없이 연결 상태를 유지하는 데 매우 효과적이다.
결과적으로, LTE의 sleep mode 설계는 지속적인 연결성과 전력 최적화 사이의 균형을 정밀하게 조율하는 구조로, 실질적인 모바일 사용자 경험을 뒷받침하는 기술 중 하나다. 이는 특히 IoT 디바이스나 장시간 대기 상태가 많은 앱 환경에서 그 효율성이 더욱 두드러진다.
현대의 글로벌 셀룰러 네트워크는 단일한 거대한 네트워크처럼 보이지만, 실제로는 전 세계의 수많은 IP 기반 네트워크들이 상호 연결된 ‘네트워크의 네트워크’ 구조로 동작한다. 특히 4G LTE 이후에는 모든 데이터가 IP 기반으로 통합되면서, 이러한 구조가 더욱 명확해지고 효율적으로 운영되고 있다. 핵심은 각 사용자가 자신의 홈 네트워크(Home Mobile Carrier Network)를 중심으로 인증과 서비스 관리를 받고, 필요할 경우 타국 혹은 타 사업자의 방문 네트워크(Visited Network)를 통해 접속할 수 있다는 점이다.
모든 사용자는 자신의 SIM 카드에 IMSI(국제 가입자 식별자)가 포함되어 있으며, 이 정보는 사용자의 소속된 홈 네트워크를 전 세계적으로 고유하게 식별할 수 있는 기반이 된다. 단말이 어느 나라, 어느 통신사 네트워크에 접속하더라도, 해당 네트워크는 SIM의 IMSI 정보를 이용하여 홈 네트워크의 HSS(Home Subscriber Server)에 접속해 사용자의 신원과 서비스 권한을 확인할 수 있다.
이때 핵심은 모든 통신이 IP 기반에서 이루어진다는 것이다. 방문한 네트워크(Visited Carrier Network)에서도 사용자의 데이터는 P-GW(PDN Gateway)를 통해 외부 인터넷으로 나가지만, 이 과정에서 HSS를 포함한 홈 네트워크와의 제어 신호 통신은 지속적으로 유지된다. 즉, 실제로 데이터가 흐르는 곳은 방문 네트워크이지만, 사용자의 정체성과 요금 과금 정보 등은 여전히 홈 네트워크에서 관리된다. 이것이 바로 로밍 시에 전화번호와 요금이 그대로 유지되면서도 다른 나라에서도 서비스가 가능한 이유다.
이러한 홈/방문 네트워크 간 연결은 단순히 사설 전용망이 아니라, 공용 인터넷과 통신사 간 IP 교환 지점(IPX, IP Exchange)을 통해 이루어진다. IPX는 글로벌 통신사 간의 상호 연결성, 보안성, 품질 보장(QoS)을 지원하는 전용 IP 기반 중간망 역할을 하며, 음성, 메시지, 데이터 서비스를 포함한 다양한 로밍 트래픽을 전달한다. 특히 4G LTE 이후부터는 모든 트래픽이 IP 기반으로 처리되므로, 이러한 교환 구조가 매우 중요해졌다.
반면, 2G/3G 같은 이전 세대의 셀룰러 네트워크는 완전한 IP 기반이 아니었기 때문에, 이러한 상호 연결은 회선 교환 기술이나 SS7 등의 별도 구조로 처리되었다. 하지만 4G와 5G는 완전한 IP 기반 네트워크이므로, 모든 로밍, 인증, 서비스 교환, 사용자 데이터 전달이 IP 계층 위에서 구현되며, 이는 셀룰러 네트워크가 사실상 글로벌한 IP 인터넷의 확장판으로 기능하게 된다는 것을 의미한다.
요약하자면, 글로벌 셀룰러 네트워크는 SIM 기반의 사용자 식별과 IP 기반의 네트워크 구조를 바탕으로, 사용자가 어느 곳에 있든 자신의 홈 네트워크 정체성을 유지하며 서비스를 이용할 수 있게 해주는 지능적이고 유연한 로밍 구조이며, 이는 전 세계 수많은 통신 사업자 간의 협력과 기술 통합의 결과라 할 수 있다.
5G는 단순한 세대 교체가 아니라, 네트워크 성능의 급진적인 도약을 목표로 설계된 차세대 무선 통신 기술이다. 그 목표는 4G와 비교해 최대 속도 10배 증가, 지연 시간 10배 감소, 트래픽 처리 용량 100배 증가이며, 이를 실현하기 위해 다양한 기술적 혁신이 도입되었다.
우선 5G NR (New Radio)는 새로운 무선 전송 표준으로, 5G의 핵심이 되는 물리 계층 기술이다. 이 NR은 두 개의 주파수 대역에서 운영된다. 첫 번째는 FR1 (450 MHz–6 GHz)로, 기존 셀룰러 주파수에 가까운 범위이며, 중간 속도와 중간 도달 거리를 갖는다. 두 번째는 FR2 (24 GHz–52 GHz)로 알려진 밀리미터파(mmWave) 대역인데, 이 대역은 데이터 전송 속도는 매우 높지만, 도달 거리는 짧고 장애물에 약하다. 이러한 특성 때문에 mmWave는 넓은 지역을 커버하긴 어렵지만, 고밀도 도시 지역이나 실내 환경에서 매우 효과적이다.
이 때문에 피코셀(pico-cell)이라는 새로운 셀 개념이 도입되었다. 피코셀은 지름이 10~100m 수준의 매우 작은 셀 영역으로, 고주파를 사용하는 대신 더 많은 기지국을 촘촘하게 배치해야 한다. 즉, 기존 4G에서 대규모 기지국이 수 km 범위를 담당했다면, 5G에서는 초밀집 기지국 네트워크가 필요하다. 이로 인해 도시에는 수천 개의 소형 안테나와 기지국 장비가 새롭게 설치되어야 하며, 이를 통해 사용자마다 충분한 대역폭과 낮은 지연을 제공할 수 있다.
5G는 또한 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을 대폭 확장한 Massive MIMO 구조를 채택한다. 이 기술은 다수의 송수신 안테나를 동시에 활용하여, 동일한 주파수에서도 빔포밍(beamforming)을 통해 특정 사용자에게 데이터를 집중적으로 전송할 수 있다. 이는 간섭을 줄이고, 네트워크 용량을 크게 향상시키는 데 기여한다.
한편, 중요한 점은 5G가 4G와 하위 호환되지 않는다는 것이다. 5G NR은 물리 계층부터 완전히 새로운 구조를 사용하므로, 단말과 기지국 모두 5G 전용 장비를 필요로 한다. 물론, 초기에는 NSA(Non-Standalone) 방식처럼 4G LTE와 5G가 병행되는 구조도 사용되지만, 진정한 5G의 성능을 활용하려면 독립적인 5G 인프라(SA: Standalone)가 필요하다.
정리하자면, 5G는 더 빠른 속도, 더 짧은 지연, 더 많은 연결 수용을 목표로 하며, 이를 위해 고주파(mmWave), 피코셀 기반 초밀집 네트워크, Massive MIMO, 완전한 신기술 스택을 채택한 전례 없는 이동통신 세대다. 이러한 변화는 스마트폰뿐만 아니라, 자율주행, 원격 수술, AR/VR, 공장 자동화, 스마트시티 등 다양한 산업에 새로운 통신 기반을 제공하게 될 것이다.
5G는 단순한 속도 향상을 넘어서, 네트워크의 지연 시간, 연결 밀도, 에너지 효율, 신뢰성, 확장성 등 모든 측면에서 기존 4G와는 질적으로 다른 통신 환경을 제공한다. 이는 단말 사용자뿐 아니라 산업, 공공, 미래 기술 전반에 걸쳐 새로운 가능성을 여는 핵심 인프라로 기능한다.
무엇보다도 5G의 가장 눈에 띄는 특징은 속도와 지연 시간의 극적인 개선이다. 최대 10 Gbps의 피크 전송 속도를 지원하며, 이는 4G보다 10배 이상 빠르다. 또한 지연 시간(latency)은 1 밀리초 수준으로 낮춰, 4G의 평균 지연 시간인 30~50ms와 비교했을 때 거의 실시간 통신에 가까운 반응성을 제공한다. 이러한 초저지연은 원격 수술, AR/VR, 실시간 제어 시스템 등 기존 네트워크로는 불가능했던 응용들을 가능케 한다.
두 번째로 중요한 특성은 초대규모 연결성(Massive Connectivity)이다. 5G는 1km² 당 100만 개의 기기를 동시에 연결할 수 있도록 설계되어, 기존 4G의 약 1,000개 수준과는 차원이 다르다. 이는 스마트시티, 산업 자동화, 대규모 IoT 환경에 필수적인 특성으로, 도시의 모든 센서, 차량, 인프라를 동시에 네트워크에 연결할 수 있는 기반이 된다.
또한 신뢰성(Reliability)도 크게 향상되어, 5G는 99.999% 이상의 연결 신뢰성을 제공한다. 이는 특히 의료, 금융, 정부, 산업 제어 시스템과 같이 오류 허용 범위가 거의 없는 미션 크리티컬 분야에서 요구되는 기준을 만족시킨다. 더불어 강화된 보안 구조와 슬라이스 기반 가상 네트워크(Network Slicing) 기술을 통해, 응용 프로그램별로 독립적이고 안전한 네트워크 분할 운영이 가능하다. 예를 들어, 같은 5G 인프라 위에서 하나는 일반 인터넷용, 다른 하나는 자율주행 전용, 또 다른 하나는 스마트공장 전용으로 구성할 수 있다.
5G는 또한 새로운 파형 기술과 고주파(mmWave) 사용, 빔포밍, Massive MIMO 등 새로운 전파 기술을 적용하며, 높은 정밀도와 수신 효율, 낮은 전력 소비를 동시에 달성하고 있다. 이 덕분에 소형 센서나 저전력 기기도 10년 이상 배터리 수명을 유지하면서 네트워크에 접속할 수 있는 초저에너지∙초단순 연결성도 실현된다.
한편, 5G는 초고속 사용자 이동성(up to 500 km/h)도 지원하며, 고속 열차나 항공기 환경에서도 지속적인 연결과 고속 통신이 가능하도록 설계되었다. 또한, 다중 Gbps급 피크 속도, 100 Mbps 이상의 사용자 체감 속도, 1Tbps/km²의 극한 용량을 제공하는 고도화된 무선 자원 제어 기술을 포함하고 있다.
이러한 특성들을 통해 5G는 단지 새로운 스마트폰 네트워크를 넘어, 미래 산업과 도시, 공공 시스템 전체를 구성하는 기반 통신 플랫폼으로 기능하게 된다. 자율주행, 스마트공장, 원격의료, XR, 클라우드 로봇 등 수많은 차세대 기술들이 5G를 통해 비로소 현실화될 수 있는 이유다.
6G는 단순한 5G의 연장이 아니라 디지털 인프라의 새로운 진화를 의미하며, 궁극적으로는 현실과 가상을 완전히 통합하고 인공지능을 네트워크 그 자체에 내장한 차세대 통신 기술이다. 핵심 목표는 1Tbps에 달하는 초고속 데이터 전송 속도와 마이크로초(μs) 단위의 초저지연, 수백억 개에 달하는 장치의 동시 연결, 그리고 극도로 정교한 자원 제어를 통해 지금까지 존재하지 않던 기술적, 사회적 응용을 실현하는 데 있다.
이를 위해 6G는 테라헤르츠 대역의 고주파수를 활용한다. 구체적으로는 100–300GHz의 서브 테라헤르츠(sub-THz)와 300GHz–3THz의 테라헤르츠(THz) 스펙트럼을 사용할 예정이며, 이는 5G에서 사용하던 GHz 수준 주파수보다 훨씬 넓은 대역폭을 제공해 데이터 속도를 획기적으로 향상시킨다. 하지만 이런 고주파는 직진성이 강하고 도달 거리가 짧아지므로, 6G는 밀리미터파보다도 더 작은 셀 구조, 고속 중계기, 반사기술, 공중 플랫폼, 위성 연계 등을 통해 이를 극복하려 한다. 이러한 셀 구조는 도시 중심부, 실내, 차량 내부 등 데이터 밀집 환경에서 높은 성능을 보장한다.
6G의 진정한 차별점은 네트워크 자체가 지능을 갖춘다는 점이다. 6G는 AI-native 구조를 채택하여 네트워크가 스스로 자원을 예측하고 조정하며, 사용자 행동을 기반으로 서비스 품질을 동적으로 최적화하고, 장애 복구도 실시간으로 수행할 수 있다. 즉, 네트워크는 사람이 명령하지 않아도 자율적으로 작동하는 지능형 시스템이 되며, AI는 단순한 응용이 아니라 네트워크의 구성 요소가 된다. 예를 들어, 기지국은 사용자의 위치, 요구 대역폭, 현재 사용 중인 응용 서비스에 따라 최적의 주파수와 대역폭, 에너지 소비 수준을 스스로 조절한다.
이러한 기술적 기반 위에 6G는 초정밀 IoT, 실시간 디지털 트윈, 홀로그램 원격 회의, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 같은 차세대 응용을 실현하게 된다. 예를 들어, 원격 수술은 단순한 비디오 전송이 아니라, 센서와 수술 장비 간의 미세한 피드백이 실시간으로 이루어져야 하는데, 이는 마이크로초 단위의 반응성과 테라비트급 속도 없이는 불가능하다. 또한, 스마트시티의 모든 교통 신호기, 자율주행차, 보행자 감지 센서들이 동시에 연결되고 실시간으로 데이터를 교환하려면 1km²당 수백만 개의 연결을 감당할 수 있어야 하며, 6G는 이를 가능케 한다.
6G는 기술적 진보뿐 아니라 친환경성과 지속 가능성도 중시한다. AI와 에지 컴퓨팅을 통해 불필요한 데이터 전송을 줄이고, 기지국과 장치가 에너지를 예측적으로 사용하며, 초저전력 통신 구조를 기반으로 수년간 충전 없이 작동할 수 있는 초소형 IoT 센서도 가능해진다. 제조, 배포, 운영 전 과정에서 탄소 배출과 자원 소비를 최소화하도록 설계되어 있으며, 이는 6G가 단지 빠르고 똑똑한 네트워크를 넘어서 지속 가능한 인프라로 자리매김하게 하는 핵심 요소다.
종합적으로, 6G는 테라헤르츠 대역을 활용한 초고속∙초저지연 통신, 인공지능이 내장된 자율 네트워크, 기하급수적인 확장성과 밀도, 그리고 지속 가능성을 모두 갖춘 차세대 통신 기술로서, 디지털 트윈 사회, 증강 지능, 실시간 몰입형 경험, 우주-지구 통합 네트워크 등을 가능하게 하는 토대가 된다. 이는 단순히 기술의 다음 단계가 아니라, 디지털 사회 전반의 작동 방식을 다시 정의하는 전환점이라 할 수 있다.