4G와 5G 핵심기술: LTE·NR·네트워크 슬라이싱의 구조
LTE와 LTE-Advanced, 5G NR의 무선 기술과 코어 구조를 비교하고, 빔포밍·MIMO·네트워크 슬라이싱의 활용을 정리한다.
2026-08-14 · 최초 발행 2025-08-10
세대가 바꾼 모바일 통신의 기준
1G는 1980년대 아날로그 음성 통화를 중심으로 출발했다. AMPS(Advanced Mobile Phone System) 같은 시스템이 사용됐지만 통화 품질이 낮고 보안 취약점이 있었다.
1990년대의 2G는 디지털 음성과 SMS를 도입했다. GSM(Global System for Mobile Communications)과 CDMA(Code Division Multiple Access)를 사용했으며, 음성 품질을 개선하고 9.6Kbps 데이터 전송 기능을 제공했다.
3G는 2000년대에 모바일 인터넷을 본격화했다. WCDMA(Wideband CDMA), CDMA2000 등을 기반으로 영상통화와 모바일 웹 브라우징을 지원했고 최대 2Mbps 전송이 가능했다.
2010년대 4G는 LTE(Long Term Evolution)와 LTE-Advanced를 기반으로 고속 모바일 브로드밴드를 제공했다. 고화질 스트리밍과 고속 데이터 전송이 가능하며 최대 1Gbps를 제시한다.
2020년대의 5G는 초고속·초저지연·초연결을 목표로 한다. 밀리미터파, 빔포밍, 대규모 MIMO를 적용하며 최대 20Gbps 전송속도와 1ms 이하 지연시간을 제시한다.
LTE가 구성한 4G 무선 구간
LTE는 3GPP(3rd Generation Partnership Project)가 표준화한 4G 이동통신 기술이다. 하향링크에는 직교 부반송파로 간섭을 줄이고 주파수 효율을 높이는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)를 주로 사용한다.
상향링크에는 SC-FDMA(Single Carrier-FDMA)를 적용해 전력 효율을 고려한다. PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 낮춰 단말기 배터리 효율 향상에 기여한다.
MIMO(Multiple Input Multiple Output)는 여러 안테나를 이용하는 공간 다중화 방식이다. 2x2, 4x4 MIMO 구성으로 전송 용량을 늘리고, 신호 품질과 음영지역 문제를 개선한다.
E-UTRAN과 EPC의 역할 분담
LTE는 무선 접속망인 E-UTRAN(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)과 패킷 코어인 EPC(Evolved Packet Core)로 나뉜다.
E-UTRAN은 eNodeB(evolved Node B)로 이뤄지며 무선 자원 관리, 이동성 관리, 헤더 압축을 수행한다. EPC에서는 MME(Mobility Management Entity)가 이동성 관리와 인증 같은 제어 기능을 맡고, S-GW(Serving Gateway)는 사용자 데이터를 처리하며 eNodeB 간 핸드오버를 지원한다. P-GW(PDN Gateway)는 인터넷 등 외부 네트워크와 연결되고, HSS(Home Subscriber Server)는 사용자 프로필과 인증 정보를 관리한다.
LTE-Advanced는 ITU의 IMT-Advanced 요구사항을 충족하는 4G 기술이다. 캐리어 집성(Carrier Aggregation)으로 여러 LTE 주파수 대역을 묶어 대역폭을 확장하며, 최대 100MHz 대역폭을 지원한다. 연속 대역과 비연속 대역을 모두 집성할 수 있다.
고급 MIMO는 최대 8x8 MIMO와 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO)를 지원한다. 중계기(Relay)는 커버리지를 넓히고 음영지역을 줄이며, 셀 가장자리 사용자의 처리량 향상에 사용된다.
5G NR이 넓힌 무선 기술의 범위
5G NR(New Radio)은 3GPP가 정의한 5G 이동통신 표준이다. 24GHz~100GHz의 밀리미터파(mmWave) 대역을 활용해 넓은 대역폭과 초고속 데이터 전송을 제공한다. 다만 직진성이 강하고 장애물 투과율이 낮으므로 소형셀 기반 구축이 필요하다.
빔포밍(Beamforming)은 특정 방향에 전파를 집중하는 방식이다. 신호 간섭을 낮추고 전파 도달 거리를 늘리며, 에너지 효율성과 커버리지 확장에 활용된다. 대규모 MIMO(Massive MIMO)는 수십~수백 개 안테나 소자를 사용해 공간 다중화 용량을 크게 늘리고, 에너지 효율 및 신호 간섭 문제를 개선한다.
서비스 요구에 맞춰 분리되는 5G 코어
5G 네트워크는 서비스 기반 아키텍처(SBA)를 채택한다. 코어 네트워크에는 NFV(Network Function Virtualization), SDN(Software Defined Networking), 클라우드 네이티브 아키텍처가 적용된다.
네트워크 슬라이싱은 물리적 네트워크를 여러 가상 네트워크로 나누고 서비스 특성에 맞춰 자원을 할당하는 방식이다. eMBB(enhanced Mobile Broadband), URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communications), mMTC(massive Machine Type Communications)와 같은 요구사항을 지원한다.
MEC(Multi-access Edge Computing)는 네트워크 에지에 컴퓨팅 자원을 배치한다. 저지연 서비스를 지원하고 코어 네트워크 부하를 줄이며, AR/VR과 자율주행 같은 실시간 서비스에 활용된다.
eMBB는 최대 20Gbps 하향링크 속도를 목표로 하며 고해상도 영상 스트리밍, AR/VR, 홀로그램을 지원한다. 밀리미터파, 광대역 전송, 대규모 MIMO가 기반 기술이다.
URLLC는 1ms 이하 단대단 지연시간을 목표로 한다. 자율주행, 원격 수술, 산업 자동화처럼 미션 크리티컬한 서비스에 적용되며, 짧은 TTI(Transmission Time Interval)와 에지 컴퓨팅을 활용한다.
mMTC는 1km² 당 100만 개 이상의 디바이스 연결을 지원한다. IoT, 스마트시티, 스마트팩토리 같은 환경에서 저전력 장거리 통신 기술과 함께 사용된다.
속도만으로 설명할 수 없는 4G와 5G의 차이
| 특성 | 4G | 5G |
|---|---|---|
| 최대 속도 | 1Gbps | 20Gbps |
| 지연시간 | 10ms | <1ms |
| 주파수 대역 | 600MHz~2.6GHz | 600MHz~100GHz |
| 네트워크 구조 | 평면적 구조 | 서비스 기반 아키텍처 |
| 연결 밀도 | 10만 기기/km² | 100만 기기/km² |
| 핵심 기술 | OFDMA, MIMO | 밀리미터파, 대규모 MIMO, 네트워크 슬라이싱 |
| 에너지 효율 | 기준 | 10배 향상 |
| 이동성 지원 | 최대 350km/h | 최대 500km/h |
연결 밀도와 저지연이 필요한 서비스
스마트시티에서는 대규모 IoT 센서 네트워크로 도시 인프라를 모니터링하고, 실시간 교통 관제와 지능형 교통 시스템을 운영할 수 있다. 부산 해운대구의 5G 기반 스마트시티 실증 사업이 사례다.
스마트팩토리에서는 산업용 IoT 디바이스를 연결해 생산 공정을 자동화하고, 짧은 지연시간을 이용해 정밀 로봇 제어를 수행한다. 삼성전자 수원사업장에 5G 스마트팩토리가 구축됐다.
자율주행은 V2X(Vehicle to Everything) 통신으로 차량 간, 차량과 인프라 간 정보를 교환한다. 저지연 통신은 실시간 위험 상황 대응에 쓰이며, 경기도 판교 자율주행 실증단지에는 5G 인프라가 구축됐다.
메타버스와 AR/VR은 고속 데이터 전송으로 몰입형 가상현실 경험을 제공하고, 에지 컴퓨팅과 연결해 실시간 AR 서비스를 구현한다. SK텔레콤의 '점프 AR/VR' 서비스가 예시다.
다음 이동통신 세대가 향하는 곳
6G는 2030년경 상용화가 예상된다. 테라헤르츠(THz) 대역을 활용하고 1Tbps 이상의 전송속도, 0.1ms 이하 지연시간, 인공지능 기반 네트워크 자율 운영을 제시한다.
향후 통신 기술은 양자 통신 도입, 인공위성 통신망 통합, 홀로그래픽 통신, 인공지능 기반 네트워크 최적화로 이어진다. 에너지 하베스팅 기술을 통한 자가 전력 공급 디바이스도 포함된다.
서비스 측면에서는 디지털 트윈 기반 도시 관리, 촉각 인터넷(Tactile Internet)을 통한 원격 조작, 초실감형 홀로그래픽 텔레프레즌스, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 연동 서비스, 우주 인터넷 서비스가 제시된다.