PDCP

PDCP 계층의 핵심 기능 중 하나는 사용자 평면 데이터의 효율적인 전송을 위해 IP 패킷 헤더를 압축하고 복원하는 것이다. 무선 구간은 대역폭이 제한된 귀중한 자원이므로, 반복적이고 예측 가능한 IP 헤더 정보를 매번 전송하는 것은 비효율적이다. 이를 해결하기 위해 PDCP는 ROHC(Robust Header Compression) 프로토콜을 사용한다.

ROHC는 송신 측에서 패킷 헤더의 정적 필드(예: IP 주소, 포트 번호)와 동적 필드(예: 시퀀스 번호)를 분석하여 압축 컨텍스트를 생성하고, 수신 측에 이 컨텍스트를 동기화한다. 이후 패킷을 전송할 때는 변화하는 필드만 압축된 형태로 전송하여 전체 헤더 크기를 크게 줄인다. 일반적으로 VoIP나 스트리밍과 같은 실시간 서비스에서 특히 효과적이다.

PDCP는 다양한 프로토콜 스택의 헤더를 압축할 수 있다. 주요 지원 프로파일은 다음과 같다.

수신 측 PDCP는 압축된 헤더와 로컬에 저장된 컨텍스트 정보를 이용해 원본 헤더를 정확히 복원한다. 무선 채널의 오류로 인해 컨텍스트가 손상될 수 있으므로, ROHC는 복원 실패 시 송신 측에 피드백을 보내 컨텍스트를 재동기화하는 강건한 메커니즘을 포함한다. 이 헤더 압축 기능은 무선 자원의 효율적 활용과 사용자 체감 처리량 향상에 기여한다.

PDCP 계층은 사용자 데이터의 기밀성과 무결성을 보장하기 위한 암호화 및 무결성 보호 기능을 담당한다. 이는 무선 채널을 통해 전송되는 데이터가 제3자에 의해 도청되거나 변조되는 것을 방지하는 핵심 보안 메커니즘이다. 암호화는 평문 데이터를 암호문으로 변환하여 내용을 알아볼 수 없게 만드는 과정이며, 무결성 보호는 데이터가 전송 중에 변경되지 않았음을 검증하는 과정이다.

암호화와 무결성 보호는 각각 별도의 알고리즘과 키를 사용한다. 3GPP 표준에서는 128-EEA(128-bit Encryption Algorithm)와 128-EIA(128-bit Integrity Algorithm)라는 암호화 및 무결성 알고리즘 군을 정의한다[2]. 사용할 구체적인 알고리즘은 네트워크와 단말(UE)이 보안 모드 설정 과정을 통해 협상하여 결정한다. 암호화 키(K_UPenc)와 무결성 키(K_UPint)는 상위 계층의 보안 절차를 통해 생성되며, PDCP 계층에 제공된다.

암호화는 PDCP PDU의 데이터 페이로드 부분에 적용된다. PDCP 헤더는 암호화되지 않으며, 이는 수신측에서 올바른 복호화를 위해 필요한 정보를 포함하기 때문이다. 무결성 보호는 주로 제어 평면의 RRC 메시지에 적용되어 중요한 시그널링 명령이 변조되지 않았음을 보장한다. 무결성 검증을 위해 PDCP PDU에 MAC-I (Message Authentication Code for Integrity)라는 코드가 추가된다. 수신측은 동일한 알고리즘과 키로 MAC-I를 다시 계산하여 수신된 값과 비교함으로써 데이터 무결성을 확인한다.

PDCP는 RLC 계층으로부터 전달받은 PDCP SDU를 PDCP PDU로 처리하여 상위 계층으로 전달하거나, 하위 계층으로부터 수신한 PDU를 복원하여 상위 계층으로 전달하는 기본적인 데이터 전달 기능을 수행한다. 이 과정에서 시퀀스 넘버가 부여되어 데이터의 순서가 관리된다.

데이터 무결성과 신뢰성을 보장하기 위해, PDCP는 제어 평면 신호에 대해 재전송 메커니즘을 지원한다. 사용자 평면 데이터의 경우, RLC 계층이 ARQ 기능을 담당하므로 PDCP 자체적인 재전송은 일반적으로 수행하지 않는다. 그러나 제어 평면의 중요한 RRC 메시지나 NAS 메시지는 PDCP 계층에서 확인 응답 기반의 재전송을 통해 신뢰성 있는 전송을 보장한다. 수신 측 PDCP는 성공적으로 복원된 PDU에 대한 확인 응답을 송신 측으로 피드백한다.

PDCP의 데이터 전달 메커니즘은 전송 모드에 따라 달라진다. 확인 모드 전송에서는 타이머와 상태 변수를 사용하여 누락된 시퀀스 넘버의 PDU를 요청하고 재전송을 관리한다. 비확인 모드 전송에서는 재전송 절차 없이 데이터를 전달하지만, 내부 시퀀스 넘버를 통해 수신 측에서 데이터의 순서를 재정렬할 수 있다.

이러한 데이터 전달 및 재전송 기능은 무선 채널의 불안정성으로 인한 패킷 손실을 복구하고, 특히 핸드오버 시 데이터 손실을 최소화하는 데 핵심적인 역할을 한다.

중복 제거는 주로 이중 연결 시나리오에서 발생하는 문제를 해결하는 기능이다. 사용자 장비가 두 개의 서로 다른 기지국(예: 마스터 노드와 보조 노드)으로부터 동일한 데이터 패킷을 수신할 수 있을 때, PDCP 계층은 시퀀스 번호를 기반으로 중복된 패킷을 식별하고 폐기한다. 이는 네트워크 자원의 낭비를 방지하고 불필요한 상위 계층 전달을 막아 효율성을 높인다.

순서화 기능은 PDCP PDU에 부여된 시퀀스 번호를 이용하여, 수신 측에서 패킷이 전송된 순서대로 상위 계층(서비스 데이터 어댑테이션 프로토콜 또는 RRC)에 전달되도록 보장한다. 무선 채널의 특성상 패킷의 전송 지연이나 순서 뒤바뀜이 발생할 수 있기 때문에 이 기능은 데이터의 정확한 재조립에 필수적이다. 특히 낮은 지연이 요구되는 서비스에서 중요하게 작동한다.

LTE와 5G NR에서의 중복 제거 및 순서화 메커니즘은 기본 원리가 유사하지만, 세부 구현과 지원하는 시퀀스 번호 필드의 길이에서 차이를 보인다. NR의 PDCP는 더 긴 시퀀스 번호를 사용하여 고속 데이터 전송 중 발생할 수 있는 순환 문제를 방지한다. 아래 표는 주요 특성을 비교한 것이다.

이러한 기능들은 무선 링크 제어 계층의 재전송 메커니즘과 협력하여, 최종적으로 높은 신뢰성과 데이터 무결성을 갖는 서비스를 제공하는 데 기여한다.

PDCP PDU는 PDCP 계층이 하위 계층(RLC)으로 전달하기 위해 PDCP SDU에 PDCP 헤더를 추가하여 생성한 데이터 단위이다. PDU의 구조와 형식은 처리되는 서비스의 유형(사용자 평면 또는 제어 평면)과 적용되는 기능(예: 헤더 압축, 암호화)에 따라 달라진다.

사용자 평면 데이터의 경우, PDCP PDU는 주로 데이터 PDU와 제어 PDU로 구분된다. 데이터 PDU는 사용자의 실제 애플리케이션 데이터(IP 패킷 등)를 운반하며, PDCP 시퀀스 번호(SN), 암호화된 데이터 페이로드 등으로 구성된다. 제어 PDU는 주로 ROHC 피드백 정보나 PDCP 상태 보고와 같은 제어 정보를 전달하는 데 사용된다. 제어 평면 신호(예: RRC 메시지, NAS 메시지)의 경우, 별도의 제어 PDU 형식이 존재하며, 무결성 보호와 암호화가 적용된다.

PDCP PDU의 헤더 길이는 시퀀스 번호 필드의 크기에 따라 결정된다. LTE에서는 5비트, 7비트, 12비트의 SN 길이가 정의되었으나, 5G NR에서는 주로 12비트와 18비트 길이의 SN을 사용하여 더 높은 데이터 속도와 낮은 지연을 지원한다. PDU의 포맷은 3GPP 기술 규격(TS 36.323[4], TS 38.323[5])에 명확히 정의되어 있으며, 무결성 보호가 적용될 경우 MAC-I(Message Authentication Code for Integrity) 필드가 PDU에 추가된다.

수신 측 PDCP 엔터티는 하위 계층으로부터 PDCP PDU를 수신하면, 헤더 정보를 분석하여 해당 SDU를 복원하고 필요한 경우 순서화, 중복 제거, 복호화, 헤더 복원 등의 역과정을 수행한다.

PDCP SDU(Service Data Unit)는 상위 계층으로부터 PDCP 계층에 전달되는 데이터 단위이다. PDCP 계층은 이 SDU를 처리하여 PDCP PDU(Protocol Data Unit)로 변환한 후, 하위 계층인 RLC 계층으로 전달한다.

PDCP SDU의 주요 특성은 상위 계층의 프로토콜과 서비스 유형에 따라 결정된다. 사용자 평면에서는 IP 패킷이 일반적인 PDCP SDU가 된다. 제어 평면에서는 RRC(Radio Resource Control) 메시지나 NAS(Non-Access Stratum) 메시지가 PDCP SDU로 입력된다. 각 SDU는 PDCP 계층에서 고유한 PDCP SN(Sequence Number)이 부여되며, 이 번호는 순서화, 재전송, 중복 제거 등의 기능을 수행하는 데 필수적이다.

PDCP 계층은 수신한 SDU에 대해 헤더 압축, 암호화 등의 처리를 적용한다. 처리 과정은 다음과 같은 표로 요약할 수 있다.

처리가 완료된 SDU는 PDCP 헤더가 추가되어 PDCP PDU가 되고, 이는 RLC 계층의 SDU가 된다. PDCP 계층은 송신 측에서 SDU를 PDU로 변환하여 전송하고, 수신 측에서는 PDU를 복원하여 원래의 SDU를 상위 계층으로 전달하는 역할을 한다.

PDCP 계층은 데이터 전송의 신뢰성과 순서를 보장하기 위해 여러 상태 변수와 타이머를 유지 및 관리한다. 송신 측과 수신 측은 각각 독립적인 변수 세트를 가지며, 이 변수들은 PDCP PDU의 시퀀스 번호(SN) 생성, 확인, 그리고 손실 또는 지연된 패킷의 처리를 제어하는 데 사용된다.

주요 송신 측 상태 변수로는 TX_NEXT가 있다. 이 변수는 새로 생성되는 PDCP 데이터 PDU에 할당할 다음 시퀀스 번호를 나타낸다. 수신 측에서는 RX_NEXT와 RX_DELIV 변수가 핵심 역할을 한다. RX_NEXT는 정상적으로 수신될 것으로 기대하는 다음 PDCP 데이터 PDU의 시퀀스 번호를, RX_DELIV는 상위 계층(RLC 또는 SDAP)에 전달될 다음 PDCP SDU의 시퀀스 번호를 각각 가리킨다. 또한, 수신 측은 RX_REORD 타이머를 활용하여 순서가 바뀐 패킷의 재정렬을 관리한다.

PDCP는 데이터 전송의 무결성과 적시성을 보장하기 위해 몇 가지 타이머를 정의한다. 가장 대표적인 것이 t-Reordering 타이머이다. 이 타이머는 수신 측에서 순서가 바뀐 패킷(예: 시퀀스 번호가 RX_NEXT보다 큰 PDU가 먼저 도착한 경우)을 기다리는 최대 시간을 정의한다. 타이머가 만료되면, 수신 측은 기다리던 패킷이 손실된 것으로 간주하고 RX_NEXT 변수를 업데이트하여 이후 패킷들의 처리를 계속한다. 일부 구성에서는 데이터 무결성 보호를 위한 상태 보고를 유도하는 t-StatusProhibit 타이머도 사용된다[8]. 이러한 변수와 타이머의 조합은 무선 링크의 불안정한 특성에서도 데이터의 순차적 전달과 신뢰성을 실현하는 기반이 된다.

LTE에서 PDCP 계층은 무선 접속망의 사용자 평면과 제어 평면 데이터 전송을 담당하는 핵심 프로토콜이다. 3GPP 릴리스 8에서 처음 도입되었으며, 주로 E-UTRAN 아키텍처 내에서 eNodeB와 UE 사이의 데이터 전송을 처리한다. LTE의 PDCP는 UMTS 시스템의 PDCP를 기반으로 하지만, 기능이 확장되고 최적화되었다.

LTE PDCP의 주요 기능은 헤더 압축, 암호화, 순서화 및 전달이다. 사용자 평면 데이터의 경우, ROHC 프로토콜을 사용하여 IP 패킷 헤더(예: IPv4, IPv6)를 압축하여 무선 자원의 효율성을 높인다. 또한, 사용자 평면 데이터의 기밀성 보호와 제어 평면 데이터의 기밀성 및 무결성 보호를 위한 암호화 기능을 수행한다. PDCP는 패킷에 순서 번호를 부여하여 전송 순서를 유지하고, RLC 계층이 확인 모드로 동작할 경우 재전송을 관리한다.

LTE의 PDCP 프로토콜 데이터 유닛 구조는 비교적 단순하다. PDCP PDU는 데이터 PDU와 제어 PDU로 구분된다. 주요 PDCP 상태 변수로는 NEXT_PDCP_TX_SN(다음에 전송할 PDCP 순서 번호)과 RX_DELIV(수신 측에서 상위 계층으로 전달될 다음 PDCP SDU의 순서 번호) 등이 있다. LTE에서는 주로 단일 연결을 가정하여 설계되었으나, 이후 릴리스에서 도입된 이중 연결을 지원하기 위해 일부 기능이 보완되었다.

NR의 PDCP는 3GPP 릴리스 15에서 처음 정의되었으며, LTE의 PDCP를 기반으로 5G 서비스의 새로운 요구사항을 충족하도록 확장 및 개선되었다. NR PDCP는 초고속, 초저지연, 초연결을 지원하는 5G 네트워크의 핵심적인 데이터 처리 계층으로 동작한다. 특히, 사용자 평면 데이터의 효율적이고 안정적인 전달을 담당하며, 제어 평면 신호에 대해서도 무결성 보호 기능을 제공한다.

NR PDCP는 LTE의 기능을 계승하면서도 몇 가지 중요한 차별점을 가진다. 가장 큰 변화는 RLC 계층의 동작 모드와의 연계에 있다. NR에서는 RLC가 AM(Acknowledged Mode)과 UM(Unconfirmed Mode)만을 지원하며, TM(Transparent Mode)은 제거되었다. 이에 따라 PDCP는 RLC AM을 사용하는 모든 서비스 데이터에 대해 순서화 및 중복 제거 기능을 필수적으로 수행한다. 또한, 헤더 압축을 위한 ROHC(Robust Header Compression) 프로파일이 데이터 트래픽의 다양성에 맞춰 확장되었다.

NR PDCP의 구조적 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다.

또한, NR에서는 이중 연결 및 네트워크 슬라이싱 환경을 효율적으로 지원하기 위해 PDCP의 설계가 최적화되었다. 하나의 PDCP 엔티티가 두 개의 다른 RLC 엔티티(마스터 노드와 보조 노드에 각각 위치)에 데이터를 분배할 수 있는 구조를 통해, 데이터 처리량과 연결 안정성을 동시에 향상시킨다. 이러한 설계는 5G의 핵심 사용 사례인 eMBB(Enhanced Mobile Broadband), URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communications), mMTC(Massive Machine Type Communications)에 맞는 유연한 데이터 처리를 가능하게 한다.

이중 연결은 단말이 두 개의 서로 다른 기지국(주 기지국과 보조 기지국)에 동시에 연결되어 데이터를 송수신하는 기술이다. 이 구성에서 PDCP 계층은 데이터 분배와 병합의 핵심적인 역할을 담당하여, 전체적인 처리량 증가와 신뢰성 향상을 가능하게 한다.

일반적으로, 주 기지국의 PDCP 계층이 단일 종단점으로 기능한다. 송신 측에서는 PDCP 계층이 상위 계층(SDAP)에서 받은 데이터 패킷(PDCP SDU)을 처리(헤더 압축, 암호화 등)한 후, 두 개의 하위 계층(RLC 계층)으로 분배한다. 하나는 주 기지국의 RLC로, 다른 하나는 보조 기지국의 RLC로 전달된다[10]. 수신 측에서는 역으로, 두 기지국을 통해 도착한 PDCP PDU를 단일 PDCP 계층이 재정렬하고 중복을 제거한 후 상위 계층으로 전달한다.

이 구조는 여러 장점을 제공한다. 주로 저지연이 요구되는 신뢰성 있는 데이터는 주 링크를 통해, 대용량 데이터 전송은 보조 링크를 통해 효율적으로 분배될 수 있다. 또한 한 링크에 장애가 발생하더라도 다른 링크를 통해 서비스 연속성을 유지할 수 있어 신뢰성이 향상된다. 표준에서는 데이터 분배를 위한 다양한 베어러 유형(MCG, SCG, 분할 베어러 등)을 정의하여 네트워크 구성과 서비스 요구사항에 맞게 유연하게 적용할 수 있다.

사용자 평면 데이터 처리에서 PDCP 계층은 IP 패킷과 같은 실제 사용자 데이터의 전송을 담당한다. 이는 음성 통화, 비디오 스트리밍, 웹 브라우징 등 최종 사용자가 이용하는 모든 서비스의 데이터 흐름을 의미한다. 사용자 평면 데이터는 SDAP 계층에서 QoS 흐름과 데이터 무선 베어러 간의 매핑이 완료된 후 PDCP 계층으로 전달된다.

PDCP는 수신된 PDCP SDU에 대해 헤더 압축, 암호화, 순서 번호 부여 등의 일련의 처리를 수행한다. 먼저, ROHC 프로토콜을 사용하여 IP/UDP/RTP 헤더의 중복 정보를 압축하여 무선 자원의 효율적 사용을 도모한다. 그 후, 무선 구간에서의 보안을 위해 데이터 암호화를 적용한다. 처리된 데이터는 PDCP PDU로 포맷되어 하위 계층인 RLC로 전달된다. 수신 측에서는 역순으로 복호화, 헤더 복원, 중복 패킷 제거 및 순서 재정렬 작업을 수행하여 원본 데이터를 상위 계층에 전달한다.

사용자 평면 처리의 주요 특징은 낮은 지연과 높은 신뢰성 보장에 있다. 특히 5G NR에서는 초저지연 서비스를 지원하기 위해 PDCP에서의 처리 지연을 최소화하는 것이 중요하다. 또한, 이중 연결 시나리오에서는 분리된 PDCP 계층이 여러 개의 무선 링크를 통해 동일한 데이터를 전송할 수 있어, 데이터 전달의 신뢰성과 처리량을 동시에 향상시킨다.

제어 평면 신호 처리는 PDCP 계층의 핵심 기능 중 하나로, 무선 접속망의 제어 메시지를 안정적으로 전달하는 역할을 담당한다. 사용자 데이터를 처리하는 사용자 평면과 달리, 이 처리 과정은 주로 단말(UE)과 네트워크(기지국 또는 코어 네트워크) 간의 접속 설정, 이동성 관리, 보안 설정 등의 시스템 운영에 필요한 신호 메시지를 다룬다.

제어 평면 데이터는 RRC (Radio Resource Control) 메시지와 NAS (Non-Access Stratum) 메시지가 대표적이다. PDCP는 상위 계층(RRC 계층)으로부터 이러한 제어 메시지를 PDCP SDU로 수신하면, 무결성 보호와 암호화를 적용하여 PDCP PDU로 변환한 후 하위 RLC 계층으로 전달한다. 특히 NR (5G)에서는 제어 평면 데이터에 대해 무결성 보호가 필수적으로 적용되어 메시지가 변조되지 않았음을 보장한다[11].

제어 평면 신호 처리의 주요 특징은 높은 신뢰성 요구사항과 순서화된 전달에 있다. 대부분의 제어 메시지는 지연에 비교적 덜 민감하지만, 손실되거나 순서가 바뀌어서는 안 된다. 따라서 PDCP는 제어 평면 PDU에 대해 순서 번호(SN)를 부여하고, 수신 측에서는 이를 기반으로 재정렬 및 중복 제거를 수행하여 상위 계층에 순서대로 올바르게 전달한다. 아래 표는 사용자 평면과 제어 평면 처리의 주요 차이점을 보여준다.

PDCP 계층에서 발생하는 전송 지연은 무선 통신 시스템의 종단 간 지연을 구성하는 핵심 요소 중 하나이다. 이 지연은 주로 PDCP PDU의 처리 과정, 즉 헤더 압축, 암호화, 순서화 및 버퍼링에 기인한다. 또한, RLC 계층의 재전송 제어 방식(AM 또는 UM)에 따라 추가적인 지연이 발생할 수 있다. 전송 지연은 실시간 서비스의 품질을 결정하는 중요한 성능 지표로, 낮은 지연은 음성 통화나 온라인 게임과 같은 서비스에 필수적이다.

PDCP 전송 지연은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 분석된다.

5G NR에서는 초저지연 통신(URLLC) 요구사항을 충족하기 위해 PDCP 계층에서 여러 최적화 기법이 도입되었다. 예를 들어, 더 작은 PDCP PDU 크기, 효율적인 순서번호(SN) 관리, 그리고 이중 연결 시나리오에서의 지능적인 데이터 분배(예: 데이터 분할)를 통해 전송 지연을 최소화한다. 또한, SDAP 계층과의 긴밀한 연동을 통해 서비스 흐름별로 차등화된 지연 처리가 가능해졌다.

처리량은 PDCP 계층이 단위 시간당 성공적으로 전달할 수 있는 사용자 데이터의 양을 나타내는 핵심 성능 지표이다. 이는 시스템의 용량과 사용자 경험을 직접적으로 결정한다. 처리량은 일반적으로 초당 메가비트(Mbps) 또는 초당 기가비트(Gbps) 단위로 측정하며, 이론적 최대 처리량과 실제 네트워크 조건에서 달성되는 실효 처리량으로 구분하여 평가한다.

PDCP 계층의 처리량에 영향을 미치는 주요 요소는 다음과 같다.

5G NR의 PDCP는 LTE 대비 향상된 처리량을 지원하도록 설계되었다. 이는 더 큰 PDCP PDU SN (Sequence Number) 필드(18비트 또는 12비트)를 통한 재전송 효율 개선, 낮은 지연과 높은 신뢰성을 동시에 지원하는 모드, 그리고 이중 연결 시나리오에서 분산 유닛 간의 효율적인 데이터 분배 메커니즘 덕분이다. 결과적으로, PDCP 계층의 처리량 최적화는 네트워크 운영자가 주파수 대역과 인프라 투자 대비 최대의 데이터 전송 용량을 확보하는 데 필수적이다.

PDCP 계층의 신뢰성은 데이터 무결성 보장, 순서화된 전달, 그리고 제한된 재전송 기능을 통해 확보됩니다. 무선 채널의 특성상 발생할 수 있는 데이터 손실이나 순서 오류를 복구하는 역할을 담당합니다.

데이터 무결성 보호는 제어 평면 신호에 대해 필수적으로 적용됩니다. PDCP는 무결성 보호 알고리즘을 사용하여 송신 측에서 신호 데이터에 무결성 검증 값을 추가하고, 수신 측에서 이를 검증합니다. 이를 통해 신호 메시지가 전송 중에 변조되거나 위조되지 않았음을 보장합니다. 사용자 데이터에 대해서는 무결성 보호가 선택적으로 적용될 수 있습니다.

순서화 기능은 PDCP 순서 번호를 기반으로 합니다. 각 PDCP PDU에는 고유한 순서 번호가 부여되어, 수신 측에서 패킷의 순서를 재구성하고 중복된 패킷을 제거할 수 있습니다. 이는 특히 핸드오버 상황에서 데이터 포워딩이 발생할 때 중요합니다. 송신 측 기지국이 아직 확인 응답을 받지 못한 패킷을 대상 기지국으로 전달하면, 수신 단말은 두 경로로부터 도착한 패킷들의 순서를 정렬하고 중복을 제거하여 데이터 손실 없이 연속적인 서비스를 제공받을 수 있습니다.

제한된 재전송 기능은 주로 무선 링크 제어 계층이 담당하지만, PDCP도 일부 신뢰성 메커니즘을 포함합니다. 예를 들어, PDCP 상태 보고를 통해 특정 상황에서의 데이터 손실을 상위 계층에 알릴 수 있습니다. 또한, 헤더 압축 프로토콜의 컨텍스트 동기화 실패 시, 송신 측에 컨텍스트 재설정을 요청하여 신뢰할 수 있는 압축 채널을 복구하는 메커니즘도 포함됩니다.

3GPP 표준 문서에서 PDCP 프로토콜은 주로 두 개의 기술 규격(TS)에 정의되어 있다. 핵심 프로토콜 동작과 절차는 TS 38.323 문서에, 구조적 측면과 프로토콜 스택 내 인터페이스는 TS 38.331 문서에 명시되어 있다.

PDCP에 관한 표준은 3GPP 릴리스에 따라 지속적으로 진화해왔다. 초기 LTE (4G)의 PDCP는 TS 36.323에 정의되었으며, 기본적인 헤더 압축, 암호화, 순서화 및 전달 기능을 제공했다. 5G NR (New Radio)이 도입된 릴리스 15부터는 TS 38.323이 새로운 표준 문서로 제정되었고, SDAP 계층의 도입, 향상된 암호화 알고리즘 지원, 이중 연결 시나리오에서의 역할 강화 등 주요 기능이 확장되었다.

주요 3GPP 표준 문서는 다음과 같다.

이 표준 문서들은 3GPP 공식 포털에서 공개적으로 접근할 수 있으며, 이동통신 장비 제조사, 칩셋 벤더, 네트워크 사업자들이 상호운용성을 보장하기 위해 준수하는 근거가 된다.

3GPP 표준의 각 릴리스는 PDCP 프로토콜에 새로운 기능과 개선 사항을 도입하여 무선 통신 시스템의 성능과 효율성을 지속적으로 향상시켰다. 주요 릴리스별 변경 사항은 다음과 같다.

이러한 진화를 통해 PDCP는 단순한 데이터 전달 계층을 넘어, 다양한 서비스 요구사항과 복잡한 네트워크 아키텍처를 효율적으로 지원하는 핵심 프로토콜로 자리 잡았다.

RLC는 PDCP 계층 바로 아래에 위치하여 무선 구간에서 데이터 전송의 신뢰성을 보장하는 핵심적인 역할을 담당한다. PDCP 계층으로부터 전달받은 PDCP PDU를 처리하며, 주로 세 가지 전송 모드(투명 모드, 비확인 모드, 확인 모드)를 통해 서비스의 요구사항에 맞는 신뢰성 수준을 제공한다.

RLC 계층의 주요 기능은 다음과 같다.

* 세그먼테이션 및 재조립: 상위 계층에서 내려온 큰 크기의 데이터 블록(PDCP PDU)을 무선 채널에 적합한 크기로 분할(세그먼테이션)하여 전송하고, 수신 측에서는 이를 다시 원래의 데이터 블록으로 결합(재조립)한다.

* ARQ (자동 재전송 요청): 확인 모드에서 오류가 발생한 데이터 블록을 자동으로 재전송하여 데이터 손실을 복구한다. 이를 통해 높은 신뢰성 전송을 실현한다.

* 순서화: 확인 모드에서 데이터 블록의 순서 번호를 관리하여, 수신 측에서 송신 순서대로 상위 계층(PDCP)에 전달할 수 있도록 한다.

PDCP와 RLC는 밀접하게 협력하여 동작한다. PDCP가 주로 무결성 보호와 헤더 압축, 중복 제거와 같은 종단 간(end-to-end) 기능을 담당한다면, RLC는 홉 간(hop-by-hop)의 신뢰성 있는 전달을 책임진다. 특히, PDCP의 재전송 기능(데이터 무손실 전환을 위한)과 RLC의 ARQ 기능은 서로 보완적이다. PDCP 계층의 순서 번호는 종단 간 재정렬에, RLC 계층의 순서 번호는 홉 간의 재전송 및 순서 보장에 사용된다. 두 계층 간의 인터페이스와 상태 변수는 3GPP 표준에 명확히 정의되어 있다[15].

SDAP은 5G NR 무선 접속망의 사용자 평면에서 동작하는 프로토콜 계층이다. 이 프로토콜은 3GPP 릴리스 15에서 처음 도입되었으며, 주된 역할은 코어망과 무선 접속망 사이를 오가는 데이터 흐름에 QoS 흐름 식별자를 부여하고 관리하는 것이다. SDAP 계층은 PDCP 계층 바로 위에 위치하며, PDCP에게 서비스를 제공한다.

SDAP의 핵심 기능은 QoS 흐름과 데이터 무선 베어러 간의 매핑을 수행하는 것이다. 상위 계층(예: 애플리케이션)에서 생성된 각각의 데이터 패킷은 특정 QoS 요구사항(예: 지연, 신뢰성)을 가지며, 이를 QoS 흐름으로 식별한다. SDAP는 이러한 다수의 QoS 흐름을 적절한 DRB에 매핑한다. 하나의 DRB는 여러 개의 QoS 흐름을 전달할 수 있으며, 이 매핑 규칙은 기지국에 의해 제어되고 RRC 시그널링을 통해 단말에 구성된다.

SDAP 프로토콜 데이터 유닛에는 SDAP 헤더가 포함될 수 있다. 이 헤더에는 중요한 두 가지 플래그 필드가 존재한다. 하나는 QFI를 나타내는 필드로, 해당 패킷이 속한 QoS 흐름을 식별한다. 다른 하나는 'Reflective QoS'를 위한 플래그로, 하향링크 데이터 패킷의 QoS 처리를 참조하여 상향링크에서 동일한 QoS 규칙을 자동으로 생성하는 메커니즘을 가능하게 한다[16]. SDAP는 암호화나 헤더 압축 기능을 수행하지 않으며, 순수하게 QoS 식별과 매핑에 특화된 경량 프로토콜이다.

GTP-U는 GPRS 터널링 프로토콜의 사용자 평면(User Plane) 버전이다. 이 프로토콜은 3GPP 이동 통신 네트워크에서 사용자 데이터를 터널링하기 위한 핵심 프로토콜로 정의된다. 주된 역할은 패킷 데이터 네트워크 게이트웨이(PGW 또는 UPF)와 기지국(eNB 또는 gNB) 사이, 또는 서로 다른 기지국 사이에서 사용자 데이터 패킷(IP 패킷)을 캡슐화하여 전송 경로를 생성하는 것이다. 이를 통해 사용자 데이터는 이동성 앵커 포인트를 변경하지 않고도 안정적으로 전달될 수 있다.

GTP-U는 신뢰성 없는 전송 프로토콜(일반적으로 UDP/IP) 위에서 동작한다. 패킷은 GTP-U 헤더로 캡슐화되며, 이 헤더에는 터널을 식별하는 TEID(Tunnel Endpoint Identifier)와 같은 정보가 포함된다. 네트워크 노드는 이 TEID를 기준으로 패킷을 해당하는 터널로 전달한다. GTP-U는 데이터 전송 자체의 신뢰성을 보장하지 않으며, 이는 하위 계층(예: PDCP)의 역할이다. 대신, 경로 상에 에러 지시(Error Indication) 메시지를 보내는 등의 제한된 제어 기능을 제공한다.

LTE와 5G NR 아키텍처에서 GTP-U는 핵심망과 무선 접속망을 연결하는 중요한 인터페이스에서 사용된다. LTE에서는 S1-U 인터페이스(기지국과 S-GW 사이)와 X2-U 인터페이스(기지국 간)에서 GTP-U가 적용된다. 5G에서는 NG-U 인터페이스(기지국(gNB)과 UPF 사이)와 Xn-U 인터페이스(gNB 간)에서 동일한 프로토콜이 사용된다. PDCP 계층은 무선 구간에서 데이터를 처리한 후, 이를 GTP-U 터널을 통해 코어 네트워크로 전송하거나 다른 기지국으로 전달한다.