5G 기본 용어

이전까지는 통신 용어를 몰라도 이해하기 쉬웠을 것이다. 하지만, 이보다 한단계 더 깊은 얘기를 하기 위해, 다른 개념들과의 비교를 통한 간단한 통신 용어 정리를 한번 하도록 한다. 

 

LTE (4G) vs NR (5G)

4G까지의 통신을 LTE라고 알고 있을 것이다. 발전 단계에 따라서, LTE / LTE -A, LTE-A Pro 같은 명칭들이 있지만, 그냥 본 글에서는 LTE라고 통일한다. 여기서 말하는 ‘통신’을 크게 두 부류로 나눌 수 있다. 

 첫 번째로, 스마트 폰 같은 User Equipment (UE)와 기지국 Base Station (BS)의 연결을 Radio Access Technology (RAT)이라 한다. 이 때, 4G의 RAT을 LTE / 5G의 RAT을 New Radio (NR)이라고 부른다. 4G에서는 기지국을 eNB라 하고, 5G에서는 기지국을 gNB라고 한다. 

 두 번째로, BS의 뒤에 있는 다른 네트워크 장비들(가입자 정보관리, 보안 등을 담당)의 연결을 Core Network이라 하고, 4G의 Core Network를 Evolved Packet Core (EPC), 5G의 Core 망을 5G Core (5GC) or NGC라고 부른다. 

 학부 때 전기전자공학에서는 대부분 통신이론, Fourier Transform 등의 수학이나 BPSK, QAM 등의 Modulation 방식들을 배운다. 이런 내용들은 대부분 RAT을 구성하는 여러 프로토콜 중에서도 PHY Layer에 대한 프로토콜을 배우기 위한 재료를 배우는 단계들이다. 나도 이런 교육과정을 밟아왔기 때문에 PHY layer와 MAC layer를 위주로 공부했고, 이 부분부터 조금씩 높은 Layer로 확장시켜나가고 마지막으로는 Core Network를 설명하는 방식으로 글을 진행할 예정이다.

 

U-Plane vs C-Plane

이후에 Data들이 통신 Channel을 통해서 들락날락할텐데, User Plane (U-Plane)과 Control Plane (C-Plane)이라는 용어가 계속 나온다. 쉽게 말하면 U-Plane은 실제로 데이터가 왔다 갔다 하는 통로, C-Plane은 데이터를 왔다 갔다 하기 위한 제어 신호가 왔다 갔다 하는 통로다. 왜 이 두 기능을 구별해 놨을까?

 LTE 초기에는, U-Plane과 C-Plane이 구분되지 않았고, 각 네트워크 기능을 위한 전문 네트워크 장비가 필요했다. 이 때, User의 증가하는 Data Traffic을 견디는 네트워크 장비를 셋팅해야 하는 상황이 생길 수 있다. 제어 신호를 위한 성능 향상은 필요없어도, 1개의 Set인 네트워크 장비의 특성상 C-Plane도 함께 업그레이드 해야하는 상황이 생기기 때문에 비효율적인 시스템을 구축해야한다.

 이를 해결하기 위해 네트워크 기능을 소프트웨어화하여 전문적인 장비가 아니라 범용적인 서버에서 셋팅할 수 있는 기술이 상용화되면서 CP와 UP를 나누게 되었다. 이렇게 하면 어떤 장점이 있을까?

첫 번째로, CP와 UP를 분리하게 되어서 각각의 업그레이드를 별도로 진행할 수 있게 되었다. 트래픽이 중요한 곳에서는 UP를 업그레이드 시키고, 통신 프로토콜과 관련된 내용들이 중요해지면 CP를 업그레이드 하면 된다.

두번째로, CP와 UP가 붙어다닐 필요없고, 유기적으로 움직일 수 있다. CP는 중앙서버에서 전체를 컨트롤하고, UP 역할을 하는 기능들은 User의 트래픽이 몰리는 곳에 배치해서 데이터를 빨리 주고받을 수 있도록 한다. 이렇게 하면 데이터를 주고 받아야할 때, 자신에게 유리한 UP 경로를 통해 데이터를 전송할 수있다. 이런 장점으로 인해 U-Plane과 C-Plane의 기능을 분리해서 독립적으로 운용하게 설계되었다.

Control Plane과 User Plane을 분리하여서 필요한 부분만 별도로 업그레이드하거나 배치할 수 있다.

 

NSA (Non-Stand Alone) vs SA (Stand Alone)

 5G로 넘어오면서 가장 중요한 원칙은 4G와의 호환이다. 망 사업자 입장에서는 수 조원의 돈을 들여서 전국에 망을 깔고 ‘이제 돈을 벌어보자!’라고 했는데, 갑자기 5G라는 시스템이 생겼으니 기지국을 다 뽑고, 새로 설치하라고 하면, 좋아할 사업자는 없을 것이다. 또한, 초반에는 급한대로 5G 서비스를 시작은 했는데, 아직 5G 망이 별로 없으니 4G의 도움을 받아야 한다.

NSA는 말 그대로 5G 혼자의 힘으로는 힘들고, 4G의 서포트를 받는 구조다. 주로 사용하는 방식은 4G의 Core망인 EPC에 4G의 기지국 (eNB)/5G의 기지국 (gNB)를 연결하는 방식 (EN-DC)이다. 이와는 반대로, SA는 Core망도 5G, 기지국도 5G gNB를 사용하는 구조다.

현재는 대부분 NSA 구조고 점차 SA로 넘어가는 과정이라고 할 수 있다. 표준화 문서를 보면, NSA에 대한 설명들이 많다. 예를 들어서 LTE의 기존 Protocol을 사용하여서 Initial Access를 진행할 지, NR만을 사용해야 하는지에 따라서, 다른 방식의 Protocol이 필요하다.

 

FR 1 (Low-Frequency) vs FR 2 (High-Frequency, mmWave)

5G를 언급할 때 빠지지 않는 기술이 mmWave다. 말 그대로 파장이 mm 대역이라는 건데, 파장이 mm까지 줄어들면 주파수는 증가한다. 처음에 공부하면 많이 착각하는 것이 주파수가 높아지면, 당연히 더 높은 전송속도를 지원하는 것과 헷갈리는데, 이게 조금 복잡하다. 

mmWave는 더 ‘넓은 대역’이 아니라 더 ‘높은 대역’을 사용하겠다는 얘기다. 높은 Data rate에 필요한 것은 ‘높은’ 것이 아니라 ‘넓은’ 대역이다. 기존은 6 GHz이하의 대역을 사용했지만, 5G를 쓰려고 봤더니 그쪽 대역은 이미 다른 용도로 사용중이다. 높은 주파수 대역은 사용을 안하고 비어있었기 때문에, 상대적으로 ‘넓은 대역’을 사용할 수 있게 되었다. 이렇기 때문에 고속으로 데이터를 전송할 수 있게 된다. 5G에서 사용하는 대역중에 낮은 주파수 대역을 Frequency Range (FR) 1, 초고주파 대역을 FR 2로 구분해서 사용한다. 주파수가 달라지면 Path-loss 등 많은 부분에 변화가 있기 때문에 이렇게 FR 대역을 나눠서 관리하게 된다.

 주로 FR 2의 mmWave 신호들이 거리에 따라 신호세기가 감소하는 Path-loss 이슈가 크기 때문에 이를 해결하기 위한 많은 기술들이 연구되고 제안되었다. 약한 신호를 멀리 보내기 위한 Beamforming 기술이나 다양한 Sub-carrier Spacing (SCS) 등 다양한 고려사항들이 있는데, 뒤에서 이를 조금 더 자세히 다룰 예정이다.

 

5G 프로토콜 스텍

 통신을 할 때는 마구잡이로 데이터를 보내는 것이 아니라, 정해진 규칙과 형식에 따라서 데이터를 보낸다. 이를 규약, ‘프로토콜’ 이라고 한다. 프로토콜은 각자 맡은 역할에 따라 비슷한 역할끼리 계층 (Layer)을 나누어 이루고 있으며, 이 계층을 ‘프로토콜 스텍’이라고 한다.

 4G, 5G 같은 이동통신의 Base Station(BS)과 User Equipment (UE)에서는 L1, L2, L3로 나눠서 프로토콜을 구성한다. 프로토콜의 가장 하단에서 실제로 데이터를 주고받는 L1, 자원 할당과 재전송 등의 기능을 담당하는 L2, 하위 Layer들을 제어하는 신호를 주고받는 L3이 있다. 매우 간단하게 썼지만, 각 Layer들은 상대방의 같은 Layer와 상당히 많은 약속 (Protocol)이 되어 있어서, 이 protocol을 따라가면서, 유기적으로 통신망을 최적화시켜나간다. 위쪽 Layer에서 어떤 메시지를 보낼것들이 있으면 아래쪽 Layer로 내려보내면서 각자의 역할에 맞는 Header를 메시지에 조금씩 추가한다.  5G를 공부하면서 어떤 Header들이 있고, Header들을 어떤 식으로 결정하는지를 알아보는지 뜯어보도록 한다.

5G Protocol Stack

 

이번 글에서는 세부적인 기술의 소개보다는 비교적 큰 틀의 5G 용어들을 알아보았다. 다음 글들에서는 조금 더 세부적인 5G 기술들과 이를 구성하는 여러 Parameter들을 소개할 예정이다.