NR

NR은 3GPP가 표준화한 5세대 이동 통신의 무선 접속 기술을 지칭하는 공식 명칭이다. 'New Radio'의 약자로, 기존 LTE를 넘어서는 새로운 무선 인터페이스를 의미한다. NR의 근본적인 목표는 단순한 속도 향상을 넘어, 다양한 산업과 서비스의 디지털 전환을 위한 통신 인프라를 제공하는 데 있다.

NR의 핵심 개념은 '하나의 통합된 플랫폼'이다. 이전 세대들이 주로 음성 통화나 모바일 인터넷에 초점을 맞췄다면, NR은 서로 요구사항이 극명하게 다른 세 가지 주요 사용 사례를 단일 네트워크에서 모두 지원하도록 설계되었다. 이는 eMBB (초고속 모바일 브로드밍), URLLC (초저지연 고신뢰성 통신), 그리고 mMTC (대규모 사물 인터넷 연결)를 포함한다. 즉, 고화질 영상 스트리밍, 자율 주행 차량의 실시간 제어, 수십억 개의 센서 연결까지 하나의 기술 기반으로 수용하는 것을 목표로 한다.

이러한 목표를 달성하기 위해 NR은 몇 가지 설계 원칙을 채택했다. 첫째는 극도의 유연성이다. 서비스의 종류와 필요에 따라 네트워크 파라미터를 동적으로 조정할 수 있도록 했다. 둘째는 모든 빈譜 대역의 활용이다. 낮은 대역의 Sub-6GHz부터 높은 대역의 밀리미터파까지 광범위한 주파수를 지원하여 용량과 커버리지를 극대화한다. 셋째는 네트워크의 소프트웨어화와 가상화를 통한 효율성 증대이다. 이는 네트워크 슬라이싱[1]을 가능하게 하여 각 서비스에 맞춤형 네트워크 자원을 제공하는 토대가 된다.

LTE는 4세대 이동통신의 핵심 기술로, 주로 모바일 브로드밴드 서비스를 위한 고속 데이터 전송에 초점을 맞췄다. 반면, NR은 단순한 속도 향상을 넘어서 eMBB, URLLC, mMTC라는 세 가지 차별화된 사용 시나리오를 모두 지원하는 것을 목표로 설계되었다. 이는 NR이 LTE의 진화된 형태이기보다는, 새로운 요구사항을 충족시키기 위해 기반부터 재설계된 차세대 무선 접속 기술임을 의미한다.

진화 과정에서 가장 두드러진 차이는 지원 주파수 대역이다. LTE는 주로 6GHz 미만의 낮은 대역을 중심으로 발전했으나, NR은 초고속 대역폭을 제공하는 밀리미터파 대역을 처음으로 본격적으로 지원한다. 또한, NR은 유연한 프레임 구조를 채택하여 다양한 서비스의 요구에 따라 슬롯 길이와 서브캐리어 간격을 동적으로 조정할 수 있다. 이는 고정된 프레임 구조를 사용하는 LTE에 비해 지연 시간 감소와 효율성 향상에 크게 기여한다.

네트워크 아키텍처 측면에서 NR의 진화는 두 가지 경로를 통해 이루어졌다. 초기 상용화 단계에서는 기존 LTE 네트워크를 코어로 활용하는 NSA 방식이 주로 도입되어 빠른 서비스 출시를 가능하게 했다. 그러나 NR의 모든 장점을 완전히 구현하기 위해서는 독립적인 5G 코어 네트워크를 기반으로 하는 SA 방식으로의 전환이 필수적이다. SA 방식은 네트워크 슬라이싱과 같은 고급 기능을 구현하여 각 활용 분야에 맞춤형 가상 네트워크를 제공할 수 있다.

NR은 광대역 서비스를 제공하기 위해 기존 LTE가 주로 활용하던 6GHz 미만의 주파수 대역과 함께, 24GHz 이상의 고주파수 대역(밀리미터파)을 새롭게 도입하여 활용한다. 이 두 주파수 대역은 서로 상호보완적인 역할을 수행하며, 각각의 물리적 특성에 따라 다른 장단점과 활용 시나리오를 가진다.

Sub-6GHz 대역은 LTE와 유사하게 비교적 낮은 주파수를 사용하여 넓은 지역을 커버하는 데 적합하다. 전파가 건물이나 지형지물을 잘 돌아다니며, 기지국 설치 간격이 넓어도 서비스가 가능하다. 따라서 전국적인 망 구축과 실내 깊숙한 곳까지의 기본적인 커버리지를 제공하는 데 핵심적인 역할을 한다. 반면, 사용 가능한 주파수 자원이 상대적으로 제한되어 매우 넓은 대역폭을 확보하기 어렵다는 한계가 있다.

mmWave 대역은 수 GHz에 달하는 매우 넓은 대역폭을 사용할 수 있어 극히 높은 데이터 속도와 용량을 실현할 수 있다. 그러나 고주파 특성상 전파가 직진성 강하고 공기 중 또는 장애물에 의한 감쇠가 크다. 이로 인해 전파 도달 거리가 수백 미터 이내로 짧으며, 장애물에 쉽게 차단된다. 따라서 이 대역은 스타디움, 공항, 도심 번화가와 같은 고밀도 사용자 지역에서 초고속 핫스팟 서비스를 제공하거나, 고정 무선 접속(FWA)에 주로 활용된다. 효과적인 서비스를 위해서는 소형 기지국을 매우 밀집하게 설치하고, 빔포밍 기술을 통해 전파를 사용자에게 집중시키는 것이 필수적이다.

NR의 프레임 구조는 고정된 시간 틀을 사용하는 이전 세대와 달리, 서비스 요구사항에 따라 다양한 파라미터를 동적으로 조정할 수 있는 유연성을 핵심 특징으로 삼는다. 기본적인 시간 단위는 10ms 길이의 무선 프레임이며, 이는 다시 각각 1ms 길이의 10개의 서브프레임으로 구성된다. 그러나 각 서브프레임 내의 슬롯 수와 OFDM 심볼의 길이는 사용되는 서브캐리어 간격에 따라 가변적이다. 서브캐리어 간격은 15kHz를 기본으로 하여 2의 거듭제곱(30kHz, 60kHz, 120kHz, 240kHz)으로 확장 가능하며, 간격이 넓어질수록 슬롯의 시간 길이는 짧아진다. 이를 통해 고속 데이터 전송에는 짧은 슬롯을, 넓은 커버리지에는 긴 슬롯을 선택하는 등 용도에 최적화된 설계가 가능해진다.

파형 측면에서 NR은 순수 OFDM 방식을 기반으로 하되, 상향링크에 한해 DFT-s-OFDM 방식을 추가로 지원한다. CP-OFDM 방식은 높은 스펙트럼 효율과 MIMO와의 쉬운 결합, 주파수 영역에서의 유연한 자원 스케줄링이 가능하다는 장점이 있다. 반면, 단일 캐리어 특성을 가지는 DFT-s-OFDM은 낮은 PAPR 덕분에 사용자 장치의 전력 소모를 줄이고 커버리지를 확장하는 데 유리하다[2]. 네트워크는 채널 조건과 단말의 성능에 따라 두 파형 중 적절한 것을 선택하여 스케줄링할 수 있다.

이러한 유연성은 프레임 내 자원 할당 방식인 '미니슬롯'을 통해 더욱 강화된다. 기존의 슬롯 단위 스케줄링뿐만 아니라, 몇 개의 OFDM 심볼로 구성된 미니슬롯을 단위로 데이터를 전송할 수 있다. 이는 특히 URLLC 서비스에서 요구되는 극도로 짧은 지연 시간을 충족시키는 데 필수적이다. 긴급한 제어 신호나 작은 크기의 데이터 패킷은 다음 전체 슬롯이 시작되기를 기다릴 필요 없이, 즉시 가용한 미니슬롯에 삽입되어 전송될 수 있다.

대규모 MIMO는 수십 개에서 수백 개의 안테나 요소를 단일 기지국에 집적하여 사용하는 기술이다. 기존 LTE의 MIMO가 최대 8개 안테나를 사용한 것에 비해 규모가 비약적으로 확대되었다. 이는 공간상에 더 많은 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있게 하여 네트워크 용량과 스펙트럼 효율을 극대화하는 핵심 메커니즘이다.

빔포밍 기술은 대규모 MIMO와 결합되어 그 성능을 구현한다. 다수의 안테나에서 전송되는 신호의 위상과 진폭을 정밀하게 제어함으로써 신호 에너지를 특정 사용자에게 집중시키는 협대역 빔을 형성한다. 이는 신호 강도를 높이고, 다른 사용자에게 간섭을 줄이며, 주파수 자원의 재사용 효율을 높인다. 특히 고주파 대역인 mmWave에서는 전파 감쇠가 크기 때문에 빔포밍을 통한 에너지 집중이 필수적이다.

NR의 빔포밍은 기지국과 단말 모두에서 수행될 수 있는 하이브리드 빔포밍 구조를 채택한다. 이는 복잡도와 성능, 비용 사이의 균형을 찾은 설계이다. 또한 빔 관리 절차를 통해 단말의 이동에 따라 빔의 방향을 빠르게 추적하고 전환하여 안정적인 연결을 유지한다.

이 기술들은 기지국 하나로 더 넓은 지역과 더 많은 사용자에게 고품질 서비스를 제공할 수 있는 기반이 되며, eMBB와 더불어 고정 무선 접속 같은 새로운 서비스 구현을 가능하게 한다.

NR의 데이터 속도는 이전 세대 대비 획기적인 향상을 핵심 목표로 삼는다. 최대 이론적 다운링크 속도는 20Gbps에 달하며, 업링크 속도는 10Gbps 수준이다[4]. 이러한 초고속 속도는 주로 eMBB 시나리오를 지원하기 위한 것으로, 4K/8K 초고화질 영상 스트리밍, 실시간 클라우드 게이밍, 초고속 대용량 파일 전송 등을 가능하게 한다. 속도 향상의 기반에는 더 넓은 주파수 대역폭 할당, 고급 변조 기술(최대 256QAM), 그리고 대규모 MIMO 기술이 있다.

네트워크 용량은 단위 면적당 처리할 수 있는 총 데이터량을 의미하며, NR은 이 역시 크게 증가시켰다. mmWave 대역의 활용은 넓은 스펙트럼을 제공하여 병목 현상을 줄이고, 빔포밍 기술은 사용자에게 집중된 신호를 전송해 셀 내 간섭을 최소화한다. 이는 스포츠 경기장, 콘서트장, 공항 같은 초고밀도 사용자 환경에서도 안정적인 서비스를 보장하는 데 기여한다.

다양한 주파수 대역과 기술의 조합에 따라 실제 성능은 달라진다. 일반적으로, 넓은 대역폭을 활용할 수 있는 mmWave 대역이 가장 높은 최대 속도를 제공하지만, 전파 도달 거리가 짧다. 반면, Sub-6GHz 대역은 넓은 커버리지와 안정적인 연결을 제공하며, 상용 네트워크의 주된 기반이 된다.

이러한 데이터 속도와 용량의 향상은 단순한 모바일 인터넷 경험을 넘어, URLLC와 mMTC를 포함한 다양한 새로운 서비스의 실용화를 위한 필수 인프라가 된다.

NR의 지연 시간은 사용자 장치가 데이터 패킷을 전송한 시점부터 수신 확인 응답을 받을 때까지 걸리는 왕복 시간을 의미한다. 5G NR의 주요 목표 중 하나는 LTE 대비 지연 시간을 획기적으로 낮추는 것이며, 목표는 공중 인터페이스에서 1ms 미만의 지연을 달성하는 것이다[5]. 이는 URLLC 서비스의 실현을 위한 핵심 조건이다. 낮은 지연은 실시간 원격 제어, 자율 주행 차량 간 통신, 증강 현실/가상 현실과 같은 응용 분야에서 필수적이다.

신뢰성은 네트워크가 특정 수준의 서비스 품질을 일정 시간 동안 안정적으로 유지하는 능력을 가리킨다. NR은 99.999% 이상의 매우 높은 신뢰성을 목표로 한다. 이를 위해 HARQ와 같은 오류 제어 메커니즘을 개선하고, 예측 가능한 지연을 보장하는 새로운 스케줄링 방식을 도입했다. 또한, 다중 연결 기술을 통해 여러 주파수 대역이나 셀을 동시에 사용함으로써 단일 링크 장애 시에도 연결이 끊기지 않도록 신뢰성을 높였다.

지연 시간과 신뢰성은 종종 트레이드오프 관계에 있지만, NR은 두 가지를 모두 충족하기 위해 다양한 기술을 적용한다. 유연한 프레임 구조를 통해 서비스 요구에 맞게 타임슬롯의 길이와 구성을 동적으로 변경할 수 있으며, 미니슬롯 전송을 통해 긴급한 작은 데이터 패킷의 대기 시간을 줄인다. 네트워크 슬라이싱을 통해 특정 슬라이스에 독립적인 자원과 정책을 할당함으로써, 지연에 민감한 응용 프로그램이 다른 트래픽의 영향을 받지 않고 높은 신뢰성으로 서비스를 제공받을 수 있게 한다.

URLLC는 NR이 지원하는 세 가지 주요 사용 사례 중 하나로, 극도로 낮은 지연 시간과 극도로 높은 신뢰성을 동시에 요구하는 응용 분야를 위한 서비스 클래스이다. 이는 eMBB가 높은 데이터 속도에, mMTC가 대규모 연결에 초점을 맞춘 것과 구별되는 핵심 특징이다. URLLC의 목표는 1ms 미만의 공중 인터페이스 지연과 99.999% 이상의 신뢰성을 보장하는 것이다.

이러한 성능을 실현하기 위해 NR은 여러 가지 기술적 진화를 도입했다. 유연한 프레임 구조와 미니슬롯 전송을 통해 데이터 패킷이 프레임의 시작을 기다리지 않고 빠르게 스케줄링될 수 있다. 또한, 제어 정보와 데이터의 다중화, 강력한 채널 코딩 기법의 적용, 그리고 상향링크에서의 보다 빠른 HARQ 피드백 등을 통해 전송의 신뢰성을 극대화한다. 이러한 메커니즘들은 짧은 전송 시간 간격과 중복 전송을 결합하여, 매우 짧은 시간 안에 데이터가 성공적으로 도달할 확률을 높인다.

URLLC의 적용 분야는 산업 자동화, 원격 수술, 자율 주행 차량, 스마트 그리드 제어 등 실시간 제어가 생명이나 안전에 직결되는 분야를 포함한다. 예를 들어, 공장 내 로봇 팔의 정밀한 협업이나 자율주행차의 긴급 제동 명령 전송은 1ms 단위의 지연과 오류 없는 전송을 필수적으로 요구한다[7]. 이는 기존의 모바일 브로드밴드 서비스로는 달성하기 어려운 수준이다.

표: URLLC의 주요 요구사항 및 적용 예시

따라서 URLLC는 단순히 통신 속도를 높이는 것을 넘어, 통신 네트워크를 사회 핵심 인프라의 신뢰할 수 있는 신경계로 변모시키는 데 기여한다. 이는 5G를 산업 및 임계 미션 애플리케이션에 적용할 수 있는 초석이 된다.

mMTC는 수십억 개의 사물인터넷 디바이스가 저전력으로 광범위하게 연결되는 시나리오를 지원하기 위한 NR의 주요 활용 분야 중 하나이다. eMBB나 URLLC가 높은 데이터 속도나 낮은 지연 시간에 초점을 맞춘다면, mMTC의 핵심 목표는 저비용, 저전력, 그리고 극도로 높은 연결 밀도를 실현하는 것이다. 이는 스마트 시티, 스마트 미터링, 원격 센서 네트워크, 농업 모니터링 등과 같은 응용 분야에 적합한 기술적 기반을 제공한다.

mMTC를 구현하기 위한 NR의 주요 기술적 특징은 다음과 같다. 첫째, 전력 소비를 최소화하기 위해 확장된 불연속 수신 모드와 절전 모드가 도입되었다. 디바이스는 대부분의 시간을 깊은 수면 상태로 유지하다가 필요한 순간에만 짧게 통신하여 배터리 수명을 수년까지 연장할 수 있다. 둘째, 네트워크 접속 절차가 단순화되고, 작은 데이터 패킷을 효율적으로 전송하기 위한 경량화된 시그널링 메커니즘이 적용되었다. 셋째, 주파수 대역 활용 측면에서는 기존 LTE의 LTE-M과 NB-IoT 기술이 5G NR 표준 내에서 계속 진화 및 통합되어 mMTC 요구사항을 충족시킨다.

mMTC 서비스의 성능 목표는 다음과 같은 지표로 요약될 수 있다.

이러한 mMTC의 특성은 대규모 센서 네트워크 구축을 가능하게 하여, 환경 데이터 수집, 인프라 안전 모니터링, 자산 추적 등 다양한 산업 분야에 혁신을 가져왔다. 또한, 스펙트럼 효율을 높이고 네트워크 리소스를 공유하는 기술 덕분에, 수많은 디바이스가 동시에 존재하는 환경에서도 안정적인 연결성을 보장한다.

NR의 표준화는 3GPP에서 주도적으로 진행되었다. 3GPP는 5G 및 NR의 기술 사양을 단계별 릴리즈로 정의하여 발전 경로를 제시했다.

NR 표준화의 주요 단계는 다음과 같은 릴리즈를 통해 이루어졌다.

표준화 경로는 초고속 모바일 인터넷을 위한 eMBB에서 시작하여, 저지연 고신뢰 통신과 대규모 연결을 포괄하는 방향으로 진화했다. 각 릴리즈는 이전 버전과의 하위 호환성을 유지하면서 새로운 기능을 추가하는 방식으로 진행되었다. 이 과정을 통해 NR은 단순한 이동통신 기술을 넘어 다양한 산업 분야의 디지털 전환을 위한 핵심 인프라로 자리 잡았다.

2019년 4월, 대한민국의 이동통신사 세 곳이 세계 최초로 5G 상용 서비스를 동시에 개시하며 본격적인 NR 시대가 열렸다. 초기 서비스는 주로 eMBB에 초점을 맞추어 스마트폰 사용자를 대상으로 고속 데이터 서비스를 제공했다. 같은 해, 미국, 스위스, 영국 등 여러 국가에서도 상용 서비스가 잇따라 시작되었다.

2020년대에 들어서면서 상용화는 가속화되었고, 서비스 범위도 확대되었다. 주요 국가별 초기 상용화 연도는 다음과 같다.

초기에는 대부분 NSA 방식으로 기존 LTE 네트워크를 기반으로 서비스를 시작했으나, 점차 독립형 SA 네트워크로의 전환을 추진하고 있다. 중국은 세계에서 가장 빠른 속도로 SA 네트워크를 전국적으로 구축한 대표적인 사례이다. 또한, URLLC와 mMTC를 지원하는 네트워크 슬라이싱 기술을 활용한 산업용 서비스, 예를 들어 공장 자동화, 원격 의료, 자율주행 차량 테스트 등도 특정 지역이나 사업장을 중심으로 시범 도입되고 있다.

상용화 과정에서는 국가별로 다른 주파수 대역 할당 정책이 주요 변수로 작용했다. Sub-6GHz 대역, 특히 3.5GHz 대역은 전 세계적으로 가장 보편화된 5G 주파수이다. 반면, mmWave 대역은 매우 높은 대역폭을 제공하지만 전파 특성상 도시 중심가나 실내와 같은 특정 지역에 한정된 서비스로 도입되는 경우가 많았다.

NR 네트워크의 성능을 실현하기 위한 핵심 요소인 광대역 주파수 확보는 주요 도전 과제 중 하나이다. 특히 고속·대용량 통신을 위한 mmWave 대역(24GHz 이상)의 경우, 전파의 직진성이 강하고 장애물에 약해 커버리지가 제한적이다. 이로 인해 기지국 설치 밀도를 획기적으로 높여야 하며, 이는 막대한 네트워크 구축 비용으로 이어진다. 반면, 보다 넓은 커버리지를 제공하는 Sub-6GHz 대역은 이미 다양한 용도로 포화 상태에 가까워 새로운 대역 할당이 어렵고, 할당되더라도 고가의 주파수 사용료가 부담이 된다.

네트워크 구축 비용은 단순히 기지국 수 증가를 넘어선다. 대규모 MIMO 안테나, 고성능 프론트홀 및 백홀 링크, 새로운 5G 코어 네트워크 장비 도입 등이 필요하다. 또한, 기존 LTE 네트워크와의 공존 및 연동을 위한 투자도 필수적이다. 이러한 투자 대비 수익성을 확보하기 위해 사업자들은 네트워크 슬라이싱과 같은 기술을 활용한 맞춤형 서비스 제공, 기업용 사설망 구축, FWA 서비스 등 새로운 비즈니스 모델을 적극 모색하고 있다.

주파수 효율성을 높이고 구축 비용을 절감하기 위한 기술적 노력도 지속된다. 동적 스펙트럼 공유 기술은 LTE와 NR이 동일한 주파수 대역을 효율적으로 공유할 수 있게 하여 전환기간의 자원 활용도를 높인다. 또한, 오픈 RAN과 같은 개방형 아키텍처는 다중 공급자 환경을 조성하여 장비 비용 경쟁을 유도하고, 소프트웨어 기반의 유연한 네트워크 운영을 가능하게 한다.

NR은 6G로의 진화를 위한 핵심적인 기술적 기반을 마련한다. NR의 설계 철학인 유연성, 확장성, 그리고 다양한 서비스 수용 능력은 6G 시스템의 요구사항을 정의하는 데 직접적인 영향을 미친다. 특히, 대규모 MIMO, 빔포밍, mmWave 대역 활용, 네트워크 슬라이싱 기술은 6G에서 더욱 고도화되어 통합될 것으로 예상된다. 6G는 NR이 목표로 한 eMBB, URLLC, mMTC의 범위를 넘어, 감각 정보 전송, 정밀한 위치 기반 서비스, 인공지능과의 완전한 융합 등 새로운 차원의 서비스를 지원할 것으로 전망된다.

NR의 진화는 6G 표준화의 출발점 역할을 한다. 3GPP는 6G 표준화를 '2030년을 목표로 한 차세대 이동통신'으로 규정하고, NR의 기술적 토대 위에 새로운 기능을 추가하는 방향으로 논의를 진행하고 있다[12]. 주요 진화 방향은 다음과 같은 표로 요약할 수 있다.

6G는 NR의 물리적 한계를 극복하는 동시에 새로운 패러다임을 요구한다. 초고주파(THz) 대역 활용을 통한 극한의 대역폭 확보, 인공지능이 네트워크 설계와 운영의 핵심 요소로 자리 잡는 AI 네이티브 아키텍처, 그리고 우주, 해상, 지상을 아우르는 통합 커버리지가 핵심 과제로 부상한다. 따라서 NR은 단순한 5G 기술이 아닌, 미래 B5G 및 6G 시스템으로 가는 필수적인 기술적 디딤돌로 평가받는다.