[Protocol] 5G NR Fundamental - Part 2: PHY부터 RRC까지 한 번에 정리

5G NR을 처음 공부하다 보면 용어가 한꺼번에 몰려옵니다. PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC 같은 계층 이름도 낯설고, SSB, RACH, BWP처럼 실제 접속 절차에서 자주 나오는 용어도 처음에는 서로 연결이 잘 되지 않습니다.

이 글에서는 5G NR 프로토콜을 “스펙 문서 순서”가 아니라, 실제로 공부할 때 이해하기 쉬운 흐름으로 정리했습니다. 표준 문서를 깊게 읽기 전에 큰 그림을 잡고 싶은 분들에게 맞춘 내용입니다.

핵심은 간단합니다. 5G NR은 하나의 거대한 기능 덩어리가 아니라, 각 계층이 역할을 나눠서 무선 연결을 만들고 유지하는 구조입니다. 이 구조를 이해하면 이후 Initial Access, RACH, Scheduling, Handover 같은 주제를 훨씬 수월하게 볼 수 있습니다.

글의 핵심 요약

  • PHY는 실제 무선 신호 송수신을 담당합니다.
  • MAC은 무선 자원 배분과 HARQ 같은 빠른 재전송 기능을 담당합니다.
  • RLC는 데이터를 나누고 다시 조립하며, 필요하면 재전송을 관리합니다.
  • PDCP는 보안, 헤더 압축, 중복 제거와 관련이 깊습니다.
  • RRC는 단말의 접속 상태와 무선 설정을 제어합니다.
  • SSB, RACH, BWP는 단말이 셀을 찾고 접속하고 자원을 효율적으로 쓰는 과정에서 중요한 개념입니다.

1. 5G NR 프로토콜은 왜 계층으로 나눌까?

무선 통신은 단순히 데이터를 전파로 보내는 일이 아닙니다. 단말이 어느 셀에 붙을지 정해야 하고, 어느 주파수·시간 자원을 쓸지도 정해야 합니다. 오류가 나면 다시 보내야 하고, 데이터는 암호화되어야 하며, 이동 중에도 연결이 끊기지 않도록 관리해야 합니다.

이 모든 기능을 하나의 계층에서 처리하면 구조가 지나치게 복잡해집니다. 그래서 5G NR은 기능별로 역할을 나누고, 각 계층이 서로 데이터를 주고받는 방식으로 설계되어 있습니다.

계층 주요 역할 쉽게 이해하면
PHY 무선 신호 송수신, 변조, 코딩, 빔포밍, OFDM 전송 비트를 실제 전파 신호로 바꾸는 계층
MAC 스케줄링, HARQ, 논리 채널과 전송 채널 매핑 누가 언제 어느 무선 자원을 쓸지 조율하는 계층
RLC 분할, 재조립, 순서 관리, 재전송 큰 데이터를 무선 전송에 맞게 나누고 다시 맞추는 계층
PDCP 암호화, 무결성 보호, 헤더 압축, 중복 제거 보안과 전송 효율을 담당하는 계층
RRC 연결 설정, 무선 자원 제어, 이동성 관리 단말의 접속 상태와 설정을 관리하는 계층
SDAP QoS Flow와 DRB 매핑 서비스 품질 요구사항을 무선 베어러와 연결하는 계층

처음에는 이 표만 기억해도 충분합니다. 세부 규격을 바로 외우려고 하기보다, “어떤 문제가 생겼을 때 어느 계층을 봐야 하는가”를 구분하는 것이 먼저입니다.

2. User Plane과 Control Plane을 구분해서 보기

5G NR 프로토콜을 볼 때는 사용자 평면(User Plane)과 제어 평면(Control Plane)을 구분하면 이해가 쉬워집니다.

User Plane: 실제 사용자 데이터가 지나가는 길

사용자가 영상을 보거나 웹페이지를 열거나 파일을 내려받을 때 흐르는 데이터는 사용자 평면을 통해 처리됩니다. 일반적으로 SDAP, PDCP, RLC, MAC, PHY 계층을 거칩니다.

즉, 사용자 평면은 “실제 데이터 전달”에 초점이 있습니다. 앱에서 발생한 데이터가 무선 구간을 지나가기 위해 어떤 순서로 처리되는지 이해할 때 필요한 개념입니다.

Control Plane: 연결과 설정을 관리하는 길

제어 평면은 데이터를 많이 보내는 길이라기보다, 단말과 네트워크가 서로 상태를 맞추기 위해 사용하는 길입니다. 단말 접속, 보안 설정, 무선 베어러 설정, 셀 변경, 측정 설정 같은 절차가 여기에 포함됩니다.

여기서 가장 눈에 띄는 계층은 RRC입니다. RRC 메시지를 보면 단말이 지금 어떤 상태이고, 네트워크가 어떤 무선 설정을 내려주는지 파악할 수 있습니다.

3. PHY: 5G NR의 실제 무선 전송 계층

PHY는 물리 계층입니다. 상위 계층에서 내려온 데이터를 실제 무선 신호로 바꾸고, 반대로 수신한 무선 신호를 다시 비트 정보로 복원합니다.

5G NR PHY를 볼 때 중요한 키워드는 OFDM, numerology, slot, beamforming, channel coding입니다. 특히 numerology는 LTE와 비교했을 때 NR을 이해하는 중요한 출발점입니다.

NR numerology를 먼저 봐야 하는 이유

LTE에서는 15 kHz 서브캐리어 간격이 중심이었지만, NR은 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz 등 다양한 서브캐리어 간격을 지원합니다. 이 차이는 단순한 숫자 차이가 아니라, 5G NR이 여러 주파수 대역과 서비스 요구사항에 대응하기 위한 핵심 구조입니다.

  • 서브캐리어 간격이 커지면 슬롯 길이는 짧아지는 경향이 있습니다.
  • 짧은 슬롯은 지연시간을 줄이는 데 유리할 수 있습니다.
  • 높은 주파수 대역에서는 넓은 대역폭과 빔 기반 전송이 더 중요해집니다.

그래서 NR PHY는 단순히 “전파를 쏘는 계층”이 아니라, 주파수 대역, 서비스 요구사항, 지연시간, 빔 관리와 연결해서 봐야 합니다.

4. MAC: 무선 자원을 실제로 나눠 쓰게 만드는 계층

MAC은 개인적으로 5G NR을 공부할 때 가장 중요하게 봐야 하는 계층 중 하나라고 생각합니다. 이유는 간단합니다. 무선 구간은 여러 단말이 제한된 자원을 나눠 쓰는 구조이고, MAC은 이 자원을 어떻게 배분할지와 매우 밀접하게 연결되어 있기 때문입니다.

단말은 마음대로 uplink 자원을 쓰지 않습니다. gNB가 내려주는 scheduling grant를 기반으로 데이터를 전송합니다. downlink 역시 gNB가 어떤 단말에게 어떤 자원을 줄지 결정합니다.

MAC에서 자주 만나는 개념

  • Logical Channel
  • Transport Channel
  • Scheduling Grant
  • HARQ
  • Buffer Status Report
  • Power Headroom Report

HARQ는 MAC을 공부할 때 빠질 수 없는 개념입니다. 무선 구간은 오류가 발생하기 쉽기 때문에, 수신 결과에 따라 빠르게 재전송을 수행하는 구조가 필요합니다. 이때 HARQ가 지연시간과 신뢰성에 직접적인 영향을 줍니다.

5. RLC: 데이터를 무선 전송에 맞게 다루는 계층

RLC는 상위 계층에서 내려온 데이터를 무선 전송에 맞게 나누고, 수신 측에서 다시 조립하는 역할을 합니다. 무선 환경에서는 패킷이 항상 깔끔하게 도착하지 않기 때문에 순서 관리와 재전송도 중요합니다.

RLC는 보통 TM, UM, AM 모드로 설명합니다. 처음 공부할 때는 각 모드의 이름을 외우기보다, 서비스 특성에 따라 신뢰성과 지연시간의 균형을 어떻게 잡는지 이해하는 편이 좋습니다.

RLC 모드 특징 이해 포인트
TM Transparent Mode RLC 헤더 없이 단순 전달에 가까운 형태
UM Unacknowledged Mode 재전송보다 지연시간이 중요한 경우에 적합
AM Acknowledged Mode 재전송과 신뢰성이 중요한 경우에 적합

6. PDCP: 보안과 효율성을 담당하는 계층

PDCP는 사용자가 직접 체감하기는 어렵지만, 상용망에서는 매우 중요한 계층입니다. 암호화, 무결성 보호, 헤더 압축, 중복 제거 같은 기능이 이 계층과 관련됩니다.

특히 5G에서는 다양한 배포 구조와 이동성 시나리오가 존재합니다. Dual Connectivity, handover, packet duplication 같은 주제를 공부하다 보면 PDCP가 왜 중요한지 자연스럽게 드러납니다.

7. RRC: 단말의 상태와 설정을 관리하는 계층

RRC는 단말과 네트워크 사이의 제어 메시지를 담당합니다. 단말이 셀을 찾고, 네트워크에 접속하고, 보안 설정을 마치고, 무선 베어러를 설정하는 과정에서 RRC가 계속 등장합니다.

RRC를 잘 이해하면 로그 분석이나 시그널링 절차를 볼 때 큰 도움이 됩니다. 특히 RRC 상태 전이는 단말의 배터리, 지연시간, 네트워크 효율과도 연결됩니다.

대표적인 RRC 상태

상태 의미 실무적으로 보는 포인트
RRC_IDLE 연결이 없는 대기 상태 전력 소모는 낮지만 즉시 데이터 전송은 어렵습니다.
RRC_INACTIVE 5G NR에서 도입된 중간 상태 빠른 재접속과 전력 절감 사이의 균형을 노립니다.
RRC_CONNECTED 연결된 상태 데이터 송수신과 세부 무선 자원 제어가 가능합니다.

8. SSB: 단말이 셀을 찾는 첫 단서

단말이 처음 네트워크를 찾을 때 가장 먼저 마주하는 중요한 개념 중 하나가 SSB입니다. SSB는 Synchronization Signal Block의 약자로, 동기 신호와 PBCH를 포함합니다.

단말은 SSB를 통해 셀을 탐색하고, 기본적인 시스템 정보를 얻기 위한 출발점을 마련합니다. NR에서는 빔 기반 전송이 중요하기 때문에 SSB도 단순한 동기 신호가 아니라 빔 탐색과 함께 이해하는 것이 좋습니다.

9. RACH: 단말이 네트워크에 처음 말을 거는 절차

RACH는 Random Access Channel의 약자입니다. 단말이 네트워크에 접속하거나 uplink 동기를 맞출 때 사용되는 절차입니다.

쉽게 말하면, 단말이 “저 여기 있습니다. 접속을 시작하고 싶습니다.”라고 네트워크에 처음 신호를 보내는 과정으로 이해할 수 있습니다.

  1. 단말이 셀을 탐색하고 동기화합니다.
  2. 단말이 PRACH preamble을 전송합니다.
  3. gNB가 Random Access Response를 보냅니다.
  4. 이후 메시지 교환을 통해 접속 절차가 이어집니다.

실제 표준 절차는 더 세부적이지만, 처음 공부할 때는 “초기 접속과 uplink 동기를 위한 절차”로 이해하면 충분합니다.

10. BWP: 넓은 대역폭을 필요한 만큼만 쓰게 하는 개념

5G NR은 LTE보다 훨씬 넓은 대역폭을 지원할 수 있습니다. 하지만 단말이 항상 전체 대역폭을 켜고 있으면 전력 소모와 처리 부담이 커질 수 있습니다.

BWP, 즉 Bandwidth Part는 이런 문제를 줄이기 위한 개념입니다. 전체 carrier bandwidth 안에서 단말이 실제로 사용할 수 있는 부분 대역을 정의해, 상황에 따라 필요한 만큼의 대역폭만 활용할 수 있도록 합니다.

BWP를 이해하면 NR이 왜 유연한 구조라고 불리는지 조금 더 쉽게 감이 옵니다. 넓은 대역폭을 지원하면서도, 단말의 전력과 처리 능력을 고려할 수 있기 때문입니다.

11. 초보자가 자주 헷갈리는 부분

PHY가 모든 성능을 결정한다고 보면 안 됩니다

PHY는 매우 중요하지만, 실제 체감 성능은 MAC 스케줄링, RLC 재전송, PDCP 처리, RRC 설정 등 여러 요소가 함께 만든 결과입니다.

MAC은 단순한 중간 계층이 아닙니다

MAC은 무선 자원 배분과 HARQ를 다룹니다. 따라서 처리량, 지연시간, 안정성에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.

RRC는 접속할 때만 보는 계층이 아닙니다

RRC는 접속 설정뿐 아니라 측정 설정, 이동성, 베어러 설정, 상태 전이 등 단말 운용 전반과 연결됩니다.

12. 추천 공부 순서

5G NR 표준 문서는 양이 많기 때문에 처음부터 모두 읽으려고 하면 금방 지칠 수 있습니다. 먼저 전체 구조를 잡고, 이후 필요한 계층을 하나씩 보는 방식을 추천합니다.

  1. NR 전체 구조: TS 38.300
  2. PHY 기본 개념: TS 38.211, TS 38.212, TS 38.213, TS 38.214
  3. MAC: TS 38.321
  4. RLC: TS 38.322
  5. PDCP: TS 38.323
  6. RRC: TS 38.331

13. FAQ

Q1. 5G NR에서 가장 먼저 공부해야 할 계층은 무엇인가요?

완전히 처음이라면 TS 38.300을 통해 전체 구조를 먼저 보고, 이후 PHY와 MAC을 함께 보는 것이 좋습니다. PHY는 실제 전송 구조를 이해하는 데 필요하고, MAC은 무선 자원 배분을 이해하는 데 중요합니다.

Q2. RRC_IDLE과 RRC_INACTIVE는 무엇이 다른가요?

둘 다 항상 데이터를 주고받는 연결 상태는 아니지만, RRC_INACTIVE는 빠른 재접속을 고려한 5G NR의 중간 상태로 이해할 수 있습니다. 전력 절감과 빠른 연결 복귀 사이의 균형을 위해 도입된 개념입니다.

Q3. SSB와 RACH는 어떤 관계가 있나요?

단말은 먼저 SSB를 통해 셀을 찾고 기본 동기와 정보를 얻습니다. 이후 네트워크에 실제 접속을 시작하기 위해 RACH 절차를 수행합니다.

Q4. BWP는 왜 필요한가요?

NR은 넓은 대역폭을 지원하지만, 단말이 항상 전체 대역폭을 사용할 필요는 없습니다. BWP는 필요한 대역만 활성화해 전력 소모와 처리 부담을 줄이는 데 도움이 됩니다.

14. 마무리

5G NR 프로토콜 스택은 처음에는 복잡해 보이지만, 역할을 나누어 보면 구조가 꽤 명확합니다. PHY는 실제 무선 신호, MAC은 자원 배분, RLC는 데이터 조각 관리, PDCP는 보안과 효율성, RRC는 연결과 설정을 담당합니다.

여기까지 이해했다면 다음 단계는 Initial Access 절차를 따라가 보는 것입니다. 단말이 SSB를 찾고, RACH를 수행하고, RRC 연결을 맺는 과정을 순서대로 보면 지금까지 배운 계층들이 실제 절차 안에서 어떻게 연결되는지 더 분명해집니다.

참고자료