5G NR Engineering Beginner - Part 1

PHY/MAC/RLC/PDCP 한 번에 보는 계층 스토리

5G NR에서 PHY, MAC, RLC, PDCP가 각각 어떤 일을 하는지, UE 데이터가 PDCP부터 RLC, MAC, PHY를 거쳐 무선 구간으로 나가는 흐름을 실무 관점으로 정리합니다.

 
5G NR을 처음 공부할 때 가장 먼저 막히는 지점은 용어가 아닙니다.
 
PHY, MAC, RLC, PDCP가 각각 따로 설명되다 보니 “그래서 UE 데이터가 실제로 어디를 지나가는가?”가 잘 보이지 않는다는 점입니다.
 
Part 1에서는 세부 파라미터보다 먼저 UE와 gNB 사이에서 데이터가 계층을 통과하는 큰 흐름을 잡아보겠습니다.

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핵심 요약

• PDCP는 IP 패킷에 가까운 상위 데이터를 받아 보안, 헤더 압축, 순서 관리 같은 기능을 담당합니다.
• RLC는 PDCP에서 내려온 데이터를 무선 전송 크기에 맞게 나누고, 필요하면 재전송과 재조립을 담당합니다.
• MAC은 여러 논리 채널의 데이터를 모아 어느 UE에게, 언제, 얼마나 보낼지 스케줄링하고 HARQ와 연결됩니다.
• PHY는 실제 전파로 나가는 계층입니다. 코딩, 변조, 레이어 매핑, OFDM 심볼, 빔포밍 같은 물리 전송을 처리합니다.
• 로그를 볼 때는 “패킷이 사라졌다”라고 바로 결론 내리기보다, 어느 계층에서 막혔는지 단계별로 좁혀야 합니다.

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이번 글에서 다룰 내용

1. 왜 PHY/MAC/RLC/PDCP를 한 번에 봐야 하는가
2. UE 데이터가 무선 구간으로 나가는 큰 흐름
3. PDCP의 역할: 상위 패킷을 무선 베어러 데이터로 준비
4. RLC의 역할: 자르고, 붙이고, 필요하면 다시 보내기
5. MAC의 역할: 스케줄링과 HARQ의 중심
6. PHY의 역할: 비트가 전파가 되는 지점
7. 다운링크/업링크 예시 흐름
8. 로그 분석 시 계층별 확인 포인트

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1. 왜 계층을 한 번에 봐야 할까?

5G NR을 공부할 때 PHY는 Resource Block, Subcarrier Spacing, MCS, HARQ 같은 용어로 시작하는 경우가 많습니다.
MAC은 Scheduling, RLC는 AM/UM/TM, PDCP는 Ciphering과 Header Compression으로 설명됩니다.
 
각각 맞는 설명이지만, 처음부터 따로 보면 전체 그림이 잘 잡히지 않습니다.
 
실제 망에서 문제를 볼 때는 계층이 따로 움직이지 않습니다.
UE가 데이터를 보낸다면 PDCP에서 처리된 데이터가 RLC로 내려가고, RLC가 만든 PDU가 MAC으로 내려가고, MAC이 만든 Transport Block이 PHY에서 전파로 바뀝니다.
 
반대로 수신 쪽에서는 PHY가 받은 신호를 MAC, RLC, PDCP 순서로 올려 보냅니다.
 
그래서 Part 1의 목표는 세부 파라미터를 외우는 것이 아닙니다.
“하나의 데이터가 각 계층을 지나면서 어떤 성격으로 바뀌는가”를 이해하는 것입니다.
 
이 흐름이 잡히면 이후 PHY Resource Grid, MAC Scheduler, RLC AM 재전송, PDCP 보안 같은 주제를 훨씬 편하게 따라갈 수 있습니다.

Part 1에서는 세부 규격보다 먼저 계층 간 데이터 이동 방향을 잡습니다.

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2. 데이터는 이름을 바꾸며 아래로 내려간다

프로토콜 계층을 이해할 때 유용한 관점은 “데이터가 내려가면서 이름과 책임이 바뀐다”는 것입니다.
 
상위에서 내려온 IP 패킷 또는 RRC 메시지는 PDCP에서 PDCP PDU가 되고, RLC에서 RLC PDU가 되며, MAC에서 MAC PDU로 묶입니다.
PHY에서는 이것이 Transport Block과 Codeword, Modulation Symbol, OFDM Symbol 같은 물리 전송 단위로 바뀝니다.
 
이 과정에서 각 계층은 자기 역할에 맞는 헤더를 붙이거나, 데이터를 나누거나, 여러 흐름을 합치거나, 전송 실패에 대비합니다.
그래서 같은 사용자 데이터라도 어느 계층 로그에서 보느냐에 따라 보이는 단위와 의미가 달라집니다.

계층	주로 보는 단위	핵심 질문
PDCP	PDCP SDU / PDCP PDU / PDCP SN	상위 패킷이 보안 처리되고 순서대로 관리되는가?
RLC	RLC SDU / RLC PDU / RLC SN / Status PDU	무선 전송 크기에 맞게 나뉘고, 필요한 경우 재전송되는가?
MAC	MAC CE / MAC PDU / Transport Block / HARQ Process	어느 UE에게 어떤 자원을 할당하고 HARQ가 정상 동작하는가?
PHY	Resource Element / Resource Block / Slot / Beam / Codeword	비트가 실제 무선 자원에 실려 송수신되는가?

실무에서는 “PDCP 패킷이 보인다”, “RLC 재전송이 많다”, “MAC HARQ NACK이 늘었다”, “PHY BLER가 높다”처럼 계층별 증상이 섞여 나옵니다. Part 1의 목적은 이 표현들이 서로 어떤 순서로 연결되는지 감을 잡는 것입니다.

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3. PDCP: 상위 패킷을 무선 베어러 데이터로 준비한다

PDCP(Packet Data Convergence Protocol)는 무선 프로토콜 스택에서 상위 계층과 가까운 쪽에 있습니다.
 
사용자 평면에서는 IP 패킷과 가까운 데이터를 처리하고, 제어 평면에서는 RRC 메시지와 연결됩니다.
그래서 PDCP를 보면 “상위에서 내려온 데이터가 무선 구간으로 들어가기 전 어떤 준비를 하는가”를 볼 수 있습니다.
 
PDCP의 대표 역할은 순서 관리, 중복 제거, 보안 처리, 헤더 압축입니다.
특히 사용자 평면에서는 헤더 압축을 통해 반복되는 IP/UDP/RTP 헤더 부담을 줄일 수 있고, 보안 기능을 통해 무선 구간에서 데이터 보호가 이루어집니다.
 
또한 PDCP SN은 데이터 순서와 손실 판단에 중요한 단서가 됩니다.
 
초보자가 기억할 핵심은 간단합니다.
 
PDCP는 “상위 패킷을 무선 베어러에 태울 수 있는 형태로 정리하는 계층”입니다.
여기서 이미 데이터의 순서와 보안이 중요해지고, 나중에 Handover나 Duplication 같은 주제를 공부할 때도 PDCP가 자주 등장합니다.

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4. RLC: 무선 전송 크기에 맞게 자르고 붙인다

RLC(Radio Link Control)는 PDCP에서 내려온 데이터를 실제 무선 전송 크기에 맞춰 다루는 계층입니다.
 
무선 자원은 매 순간 크기가 달라질 수 있습니다.
 
어떤 순간에는 큰 Transport Block을 보낼 수 있고, 어떤 순간에는 작은 데이터만 보낼 수 있습니다.
RLC는 이런 변화에 맞게 데이터를 분할하거나 이어붙입니다.
 
RLC는 모드에 따라 성격이 달라집니다.
AM(Acknowledged Mode)은 재전송과 상태 보고를 통해 신뢰성을 높이는 방식이고, UM(Unacknowledged Mode)은 재전송 부담 없이 지연을 줄이는 쪽에 가깝습니다.
TM(Transparent Mode)은 매우 제한적인 상황에서 헤더 없이 전달하는 방식으로 이해하면 됩니다.

RLC 모드	핵심 특징	처음 볼 때의 이해 포인트
AM	재전송, 상태 보고, 순서 관리가 중요합니다.	손실을 줄이고 싶은 데이터에 유리하지만 지연과 버퍼 관리가 중요합니다.
UM	재전송 없이 수신한 데이터를 올려보냅니다.	지연에 민감한 서비스에서 사용될 수 있으며 손실은 상위나 서비스 설계에서 감수합니다.
TM	RLC 헤더 없이 투명하게 전달합니다.	일반적인 사용자 데이터 분석보다는 특정 제어 채널 문맥에서 접하게 됩니다.

 
RLC 로그에서 재전송이 많다는 말은 곧바로 “RLC가 문제다”라는 뜻은 아닙니다.
실제 원인은 PHY 무선 품질 저하일 수도 있고, MAC 스케줄링 지연일 수도 있습니다.
다만 RLC는 무선 구간의 손실과 지연이 상위 계층에 어떻게 보이는지 드러내는 중요한 관측 지점입니다.

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5. MAC: 지금 누구에게 얼마나 보낼지 결정한다

MAC(Medium Access Control)은 무선 자원을 실제로 나눠 쓰는 계층입니다.
여러 UE가 있고, 각 UE 안에도 여러 Logical Channel이 있습니다.
 
MAC은 이 데이터들을 모아 어떤 UE에게 어느 시점에 얼마나 많은 자원을 줄지 결정하는 스케줄링과 밀접하게 연결됩니다.
 
MAC을 이해할 때는 Logical Channel과 Transport Channel 사이의 다리라고 생각하면 좋습니다.
 
RLC에서 내려온 데이터는 Logical Channel 관점으로 들어오고, MAC은 이를 Transport Block으로 만들어 PHY에 넘깁니다.
 
이때 BSR(Buffer Status Report), PHR(Power Headroom Report), Scheduling Request 같은 MAC 관련 정보가 스케줄링 판단에 영향을 줍니다.
 
또 하나 중요한 키워드는 HARQ입니다.
 
HARQ는 빠른 재전송 메커니즘으로, PHY의 ACK/NACK 결과와 MAC의 HARQ Process 관리가 연결됩니다.
따라서 MAC 로그를 볼 때는 단순히 “스케줄링이 됐다”가 아니라, 해당 전송이 몇 번째 HARQ Process였고 ACK/NACK 흐름이 어땠는지도 함께 보는 편이 좋습니다.

MAC은 RLC 데이터, UE 상태 보고, HARQ 결과를 함께 보며 PHY로 내려갈 전송 단위를 만듭니다.

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6. PHY: 비트가 전파가 되는 지점

PHY(Physical Layer)는 이름 그대로 물리 계층입니다.
 
MAC이 만든 Transport Block은 PHY에서 채널 코딩, Rate Matching, Modulation, Layer Mapping, Precoding, Resource Mapping 같은 과정을 거쳐 실제 무선 자원에 실립니다.
 
이 단계에서 비트는 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM 같은 변조 심볼이 되고, OFDM 기반 시간·주파수 자원에 배치됩니다.
 
PHY를 처음 볼 때는 모든 수식을 한 번에 이해하려고 하기보다 세 가지 축으로 나누면 편합니다.
 
첫째, 시간 축입니다.
Slot, Symbol, Numerology, Subcarrier Spacing이 여기에 들어갑니다.
 
둘째, 주파수 축입니다.
Resource Block, Resource Element, Bandwidth Part가 여기에 해당합니다.
 
셋째, 공간 축입니다.
Antenna Port, Layer, Beam, MIMO가 이 축에 들어갑니다.
 
PHY 문제는 상위 계층에서 “느림”, “재전송 증가”, “세션 품질 저하”처럼 보일 수 있습니다.
예를 들어 무선 품질이 나빠져 BLER가 올라가면 HARQ NACK이 늘고, MAC 재전송과 RLC 지연으로 이어질 수 있습니다.
그래서 PHY는 가장 아래 계층이지만 전체 성능 분석의 출발점이 되는 경우가 많습니다.

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7. 예시: 다운링크 데이터는 어떻게 내려갈까?

이제 하나의 간단한 예시로 보겠습니다.
 
인터넷에서 UE로 내려오는 사용자 데이터가 있다고 가정해 보겠습니다.
5GC를 지나 gNB에 도착한 데이터는 무선 구간으로 나가기 위해 NR 프로토콜 스택을 통과합니다.
이때 데이터는 단순히 “한 번에 송신”되는 것이 아니라 각 계층에서 자기 역할을 수행하며 형태가 바뀝니다.

1. 상위 데이터가 PDCP로 들어옵니다.
   사용자 평면 데이터는 DRB와 연결되고, PDCP는 SN, 보안, 헤더 압축 등 필요한 처리를 수행합니다.
2. PDCP PDU가 RLC로 내려갑니다.
   RLC는 현재 전송 가능한 크기에 맞게 데이터를 분할하거나 이어붙이고, 모드에 따라 재전송을 준비합니다.
3. RLC PDU가 MAC으로 내려갑니다.
   MAC은 여러 Logical Channel의 데이터를 모아 스케줄링 결과에 맞게 MAC PDU를 구성합니다.
4. MAC은 Transport Block을 PHY에 넘깁니다.
   스케줄링된 시간·주파수 자원, MCS, HARQ Process 정보와 함께 전송이 준비됩니다.
5. PHY가 무선 신호로 송신합니다.
   코딩, 변조, Resource Mapping, OFDM 처리를 거쳐 안테나를 통해 UE 방향으로 전파가 나갑니다.
6. UE는 반대 순서로 데이터를 복원합니다.
   PHY에서 받은 신호는 MAC, RLC, PDCP를 거쳐 상위 계층 데이터로 복원됩니다.

다운링크에서는 gNB 쪽 스택을 아래로 지나 무선 신호가 되고, UE 쪽에서 다시 위로 올라갑니다.

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8. 로그 분석 시 계층별로 무엇을 볼까?

실무에서 장애를 볼 때는 “데이터가 안 된다”는 현상만으로는 원인을 알기 어렵습니다.
 
같은 데이터 끊김이라도 PDCP 보안/순서 문제, RLC 재전송 폭증, MAC 스케줄링 부족, PHY 무선 품질 저하가 모두 원인이 될 수 있습니다.
 
따라서 계층별로 질문을 나누는 습관이 중요합니다.

증상	먼저 의심할 계층	확인 포인트
Throughput이 낮다	PHY / MAC	MCS, BLER, Rank, CQI, Scheduling Grant, BWP, 자원 할당량
지연이 커진다	MAC / RLC	스케줄링 지연, HARQ RTT, RLC Buffer, RLC AM 재전송
패킷 손실처럼 보인다	RLC / PDCP	RLC SN gap, Status PDU, PDCP SN, Reordering Timer
특정 UE만 나쁘다	PHY / MAC	RSRP/RSRQ/SINR, Beam, TA, Power Headroom, UE Capability
Handover 이후 품질이 흔들린다	PDCP / RLC / MAC	PDCP 재정렬, Duplication, RLC 재설정, MAC 재구성

처음부터 모든 카운터를 외우려고 하기보다, “상위 데이터가 어느 계층까지 정상적으로 내려갔는가”와 “수신 쪽에서 어느 계층까지 정상적으로 올라왔는가”를 나눠서 보면 원인 후보가 빠르게 줄어듭니다.

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9. 앞으로의 시리즈 흐름

Part 1에서 계층의 큰 흐름을 잡았다면, 이후 편에서는 아래처럼 한 계층씩 확대해서 볼 수 있습니다.
 
중요한 점은 어느 편을 보더라도 항상 “이 계층이 위아래 계층과 어떻게 연결되는가”를 놓치지 않는 것입니다.

Part	예정 주제	핵심 질문
Part 2	PHY Resource Grid와 Numerology	NR은 시간·주파수 자원을 어떻게 나누는가?
Part 3	Slot, Symbol, TDD Pattern	DL/UL 전송 기회는 언제 생기는가?
Part 4	MAC Scheduler와 HARQ	gNB는 어떤 UE에게 얼마나 보낼지 어떻게 정하는가?
Part 5	RLC AM/UM과 재전송	무선 손실은 상위 계층에 어떻게 보정되어 보이는가?
Part 6	PDCP SN, 보안, Reordering	상위 패킷의 순서와 보안은 어디서 관리되는가?

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FAQ

PHY, MAC, RLC, PDCP 중 어디부터 공부해야 하나요?

처음에는 계층 순서를 먼저 잡고, 그 다음에는 PHY와 MAC을 먼저 보는 편이 좋습니다.
실제 무선 품질과 자원 할당이 PHY/MAC에 많이 드러나기 때문입니다.
이후 RLC 재전송과 PDCP 순서·보안을 보면 전체 흐름이 자연스럽게 연결됩니다.
 

PDCP 위에는 아무 계층도 없나요?

사용자 평면에서는 NR에서 SDAP이 PDCP 위에 위치해 QoS Flow와 DRB 매핑을 담당합니다.
다만 이번 글은 요청 범위에 맞춰 PHY/MAC/RLC/PDCP의 기본 흐름에 집중했고, SDAP은 QoS Flow를 다룰 때 별도로 보는 편이 좋습니다.
 

RLC 재전송과 HARQ 재전송은 같은 개념인가요?

같지 않습니다.
HARQ는 MAC/PHY에 가까운 빠른 재전송 메커니즘이고, RLC AM 재전송은 그보다 위에서 동작하는 신뢰성 보완 메커니즘입니다. 둘 다 재전송이지만 시간 규모와 관측 위치가 다릅니다.
 

Throughput 문제는 어느 계층부터 봐야 하나요?

대부분은 PHY/MAC부터 보는 것이 빠릅니다.
무선 품질, MCS, BLER, Rank, 할당된 Resource Block, Scheduling Grant를 먼저 확인한 뒤 RLC Buffer나 PDCP 처리 지연으로 올라가는 식으로 좁히면 됩니다.
 

Control Plane도 같은 계층을 지나가나요?

RRC 메시지도 무선 구간으로 전달될 때 PDCP, RLC, MAC, PHY를 거칩니다.
다만 사용자 데이터와 달리 SRB(Signaling Radio Bearer)를 사용하고, 절차와 보안 적용 시점이 다르므로 별도 편에서 다루는 것이 좋습니다.

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3GPP 공식 참고자료

• 3GPP TS 38.300 - NR and NG-RAN Overall Description. NR 무선 프로토콜 스택과 NG-RAN 전체 구조를 볼 때 사용합니다.
• 3GPP TS 38.201 - NR Physical Layer General Description. 물리 계층 전체 개요를 확인할 때 참고합니다.
• 3GPP TS 38.211 - Physical Channels and Modulation. Resource Grid, OFDM, 물리 채널과 변조를 볼 때 중요합니다.
• 3GPP TS 38.321 - MAC Protocol Specification. MAC CE, HARQ, Logical Channel 처리와 관련된 기준 문서입니다.
• 3GPP TS 38.322 - RLC Protocol Specification. RLC AM/UM/TM, 분할, 재조립, 재전송을 확인할 때 사용합니다.
• 3GPP TS 38.323 - PDCP Protocol Specification. PDCP SN, 보안, 헤더 압축, 재정렬 동작을 볼 때 참고합니다.
• 3GPP TS 37.324 - SDAP Protocol Specification. 사용자 평면 QoS Flow와 DRB 매핑을 확장해서 볼 때 참고합니다.

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마무리

5G NR PHY/MAC/RLC/PDCP를 처음 볼 때는 각 계층의 세부 기능보다 먼저 “데이터가 어떤 순서로 내려가고 올라오는가”를 잡는 것이 중요합니다.
PDCP는 상위 패킷을 무선 베어러에 맞게 준비하고, RLC는 전송 크기에 맞게 자르고 붙이며, MAC은 자원을 나누고 HARQ를 관리합니다. 마지막으로 PHY는 그 데이터를 실제 무선 신호로 바꿉니다.
 
이 큰 그림이 잡히면 이후 편에서 PHY Resource Grid, MAC Scheduler, RLC AM 재전송, PDCP 보안과 Reordering을 보더라도 서로 끊어지지 않습니다.
다음 Part 2에서는 NR PHY의 출발점인 Resource Grid, Numerology, Subcarrier Spacing을 중심으로 “NR은 무선 자원을 어떻게 잘게 나누는가”를 이어서 보겠습니다.