LTE 통신 기술

LTE 통신 기술

1. LTE의 서막 - 4세대 이동통신의 정의와 기술적 기반

1.1 LTE(Long-Term Evolution)의 정의와 등장 배경

1.1.1 세대 이동통신의 한계와 진화의 필요성

3세대(3G) 이동통신 기술인 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)와 이를 개선한 HSPA(High Speed Packet Access)는 음성 통화와 초기 단계의 모바일 데이터 서비스를 제공하며 이동통신 시장의 지평을 열었다.1 그러나 2000년대 후반 스마트폰의 등장은 데이터 소비 패러다임을 근본적으로 바꾸어 놓았다. 폭발적으로 증가하는 모바일 데이터 트래픽을 기존 3G 네트워크가 감당하기에는 용량, 속도, 그리고 지연 시간 측면에서 명백한 한계에 직면했다.3 이러한 기술적 포화 상태를 극복하고 미래의 데이터 수요에 선제적으로 대응하기 위해, 이동통신 표준화 기구인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)는 장기적인 관점에서 네트워크를 진화시키기 위한 새로운 프로젝트에 착수했다. 이것이 바로 ’장기적 진화’를 의미하는 LTE(Long-Term Evolution)의 시작이었다.4

LTE 프로젝트의 핵심 목표는 명확했다. 첫째, 데이터 전송 용량의 획기적인 증대. 둘째, 데이터 전송 속도의 비약적인 향상. 셋째, 지연 시간(Latency)의 최소화. 넷째, 모든 서비스를 IP(Internet Protocol) 패킷 기반으로 처리하는 ‘All-IP’ 네트워크로의 전환. 마지막으로, 네트워크 구조를 단순화한 평면 구조(Flat Architecture)를 도입하여 망 구축 및 운영의 효율성을 극대화하는 것이었다.5 이는 단순히 3G의 성능을 개선하는 수준을 넘어, 네트워크의 근본적인 체질을 바꾸는 혁신을 목표로 한 것이었다.

1.1.2 ’3.9G’와 ‘4G’ 논쟁: 기술 표준과 시장의 괴리

LTE의 등장은 ’세대(Generation)’의 정의에 대한 중요한 논쟁을 촉발시켰다. 국제전기통신연합(ITU-R)은 4세대 이동통신, 즉 ’IMT-Advanced’의 공식 기술 요구사항으로 고속 이동 환경(기차, 자동차 등)에서 초당 100메가비트(100 Mbps), 그리고 저속 이동 및 정지 환경에서 초당 1기가비트(1 Gbps)의 최고 전송 속도를 명확히 규정했다.7

그러나 3GPP Release 8을 통해 처음 표준화된 초기 LTE 기술은 20MHz 대역폭 기준으로 이론적 하향 최대 속도가 100 Mbps에서 300 Mbps 수준에 머물렀다.5 이는 ITU-R이 제시한 4G의 엄격한 기준, 특히 정지 시 1 Gbps라는 목표를 완전히 충족하지 못하는 수치였다. 이러한 기술적 사양의 차이로 인해, 초기 LTE는 엄밀히 말해 ‘3.9세대(3.9G)’ 이동통신으로 분류되었다.4

하지만 이러한 기술적 분류와 시장의 인식 사이에는 괴리가 존재했다. 통신 사업자들의 입장에서 LTE는 3G HSPA 대비 5배에서 10배 이상 빠른 속도를 제공하는 혁신적인 기술이었으며, 이를 소비자에게 효과적으로 각인시키기 위해 ’4G’라는 명칭을 마케팅에 적극적으로 활용했다.4 이러한 시장의 강력한 압력과 LTE 기술이 가져온 실질적인 성능 향상을 고려하여, ITU-R은 결국 2010년 12월, IMT-Advanced의 요구사항을 완전히 충족하지 못하는 LTE나 모바일 와이맥스(Mobile WiMAX)와 같은 기술들도 4G로 명명할 수 있도록 입장을 완화했다.5 이로써 LTE는 공식적으로 4G 기술의 반열에 오르게 되었다. ITU-R의 엄격한 4G 요구사항을 기술적으로 완전히 충족한 표준은 이후 등장한 LTE-Advanced(3GPP Release 10)부터이다.5

이러한 과정은 기술 세대의 정의가 순수한 기술 사양만으로 결정되는 것이 아니라, 시장의 수용성, 마케팅 전략, 그리고 표준화 기구의 전략적 판단이 복합적으로 작용하는 사회-기술적 구성물임을 보여준다. 이 선례는 이후 5G 시대 초기, 기존 4G 코어망을 활용하는 NSA(Non-Standalone) 방식이 ’진정한 5G’가 아니라는 논란에도 불구하고 5G로 마케팅되는 현상을 이해하는 중요한 배경이 된다.

1.2 핵심 무선 접속 기술: OFDMA와 SC-FDMA

LTE 무선 인터페이스의 성능을 좌우하는 핵심 기술은 하향링크(Downlink, 기지국→단말)에 사용되는 OFDMA와 상향링크(Uplink, 단말→기지국)에 사용되는 SC-FDMA이다. 이 두 기술은 서로 다른 환경과 제약 조건을 고려한 비대칭적 설계의 결과물이다.

1.2.1 하향링크의 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

OFDMA는 고속의 단일 데이터 스트림을 직교성(Orthogonality)을 갖는 다수의 저속 부반송파(subcarrier)로 분할하여 병렬로 전송하는 다중 접속 방식이다.1 각 부반송파는 주파수 대역 상에서는 서로 중첩되지만, 수학적 직교성 덕분에 수신단에서 상호 간섭 없이 각각의 신호를 분리해낼 수 있다.1 이 원리를 통해 기존의 주파수 분할 다중화(FDM)에서 필요했던 보호 대역(Guard Band)을 최소화하여 한정된 주파수 자원의 이용 효율을 극대화한다.15

OFDMA의 주요 장점은 다음과 같다.

  • 다중 경로 페이딩(Multipath Fading)에 대한 강건함: 무선 신호는 건물이나 지형지물에 반사되어 여러 경로를 통해 수신단에 도달하며, 이로 인해 신호 왜곡과 심볼 간 간섭(ISI, Inter-Symbol Interference)이 발생한다. OFDMA는 데이터를 저속의 여러 부반송파로 나누어 전송하므로 각 부반송파의 심볼 길이가 길어진다. 이는 다중 경로로 인한 지연 확산(Delay Spread)에 비해 상대적으로 심볼 길이가 길어지게 만들어 ISI의 영향을 크게 줄인다.15
  • 유연한 자원 할당: 기지국은 다수의 사용자에게 시간과 주파수라는 2차원적 자원을 매우 유연하게 할당할 수 있다. 각 사용자의 채널 상태에 따라 가장 품질이 좋은 주파수 대역을 선택적으로 할당(Frequency Selective Scheduling)함으로써 시스템 전체의 처리량(Throughput)을 극대화할 수 있다.1
  • MIMO 기술과의 효율적인 결합: OFDMA는 각 부반송파가 협대역(narrowband) 채널 특성을 가지므로, 복잡한 광대역 채널 등화기(Equalizer) 없이 간단한 방식으로 채널을 보상할 수 있다. 이는 다중 안테나 기술인 MIMO와의 결합을 용이하게 하여 시스템 성능을 배가시키는 시너지 효과를 낸다.18

1.2.2 상향링크의 SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access)

OFDMA는 많은 장점에도 불구하고 치명적인 단점을 가지고 있는데, 바로 높은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이다.20 다수의 독립적인 부반송파 신호가 위상이 일치하며 더해질 때, 순간적으로 평균 전력보다 훨씬 높은 피크 전력이 발생할 수 있다. 이 높은 PAPR은 신호 왜곡을 방지하기 위해 매우 넓은 선형 동작 구간을 갖는 고가의 전력 증폭기(Power Amplifier)를 요구하며, 이는 전력 효율을 떨어뜨리는 주된 요인이 된다.17

기지국은 안정적인 전원 공급이 가능하고 비용 측면에서도 상대적으로 자유롭기 때문에 고선형성 전력 증폭기를 탑재할 수 있다. 하지만 배터리 용량과 제조 단가에 민감한 사용자 단말(UE)의 경우, 높은 PAPR은 전력 소모 증대와 배터리 수명 단축으로 이어지는 심각한 문제다.17

이러한 단말의 현실적 제약을 해결하기 위해 LTE 상향링크에는 SC-FDMA 기술이 채택되었다. SC-FDMA는 OFDMA 구조를 기반으로 하되, 데이터를 부반송파에 매핑하기 전에 DFT(Discrete Fourier Transform)라는 추가적인 신호 처리 과정을 거친다.20 이 과정을 통해 여러 부반송파에 실리는 신호들이 단일 반송파(Single Carrier)와 유사한 특성을 갖게 되어 PAPR을 OFDMA 대비 현저히 낮출 수 있다.20 결과적으로 SC-FDMA는 단말의 전력 소모를 줄이고, 전력 증폭기의 효율을 높여 배터리 사용 시간을 늘리며 단말기 제조 비용을 절감하는 효과를 가져온다.17

이처럼 LTE의 하향링크와 상향링크에 서로 다른 기술을 채택한 비대칭적 설계는 이론적 이상만을 추구한 것이 아니라, 단말의 배터리 수명과 제조 단가라는 현실적 제약을 우선적으로 고려한 실용적인 엔지니어링의 결과물이다. 이는 기술 표준이 순수한 성능 지표뿐만 아니라 전체 생태계의 경제성과 사용성을 종합적으로 고려하여 결정됨을 보여주는 중요한 사례라 할 수 있다.

1.3 다중 안테나 기술: MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)

MIMO는 송신단과 수신단에 각각 2개 이상의 다중 안테나를 사용하여, 주파수 대역폭이나 송신 전력을 늘리지 않고도 데이터 전송률과 링크의 신뢰성을 획기적으로 향상시키는 기술이다.25 과거에는 통신 품질을 저해하는 골칫거리로 여겨졌던 다중 경로(Multipath) 환경을 역으로 이용하여, 공간이라는 새로운 차원의 자원을 활용하는 것이 MIMO 기술의 핵심 원리다.19 LTE는 MIMO 기술을 표준에 적극적으로 통합하여 4세대 이동통신의 성능 목표를 달성했다.

MIMO는 크게 세 가지 주요 기법으로 운용된다.

  • 공간 다중화 (Spatial Multiplexing): MIMO의 가장 대표적인 활용 방식으로, 데이터 전송률을 극대화하는 것을 목표로 한다. 송신단의 여러 안테나에서 서로 다른 데이터 스트림(Data Stream)을 동일한 시간과 주파수 자원을 통해 동시에 전송한다.29 수신단에서는 각 안테나에 수신된 신호가 서로 다른 공간적 특성(Spatial Signature)을 갖는다는 점을 이용하여, 복잡한 신호 처리 알고리즘을 통해 이들을 분리해낸다. 이론적으로 데이터 전송률은 송신 안테나와 수신 안테나 중 더 적은 수에 비례하여 선형적으로 증가한다.27 예를 들어, 2개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나를 사용하는 2x2 MIMO 시스템은 단일 안테나 시스템 대비 최대 2배의 데이터 전송 속도를 얻을 수 있다.
  • 공간 다이버시티 (Spatial Diversity): 데이터 전송 속도 향상보다는 통신 링크의 신뢰성과 안정성을 높이는 데 중점을 둔다. 송신단의 여러 안테나에서 동일한 데이터를 시차를 두거나(시간 다이버시티) 다른 방식으로 인코딩하여(공간-시간 부호화, STC) 중복 전송한다.19 수신단에서는 다중 경로 페이딩으로 인해 일부 안테나의 신호 품질이 저하되더라도, 다른 안테나에서 수신된 양호한 신호를 선택하거나 결합하여 원래의 데이터를 오류 없이 복원할 확률을 높인다. 이 기법은 신호가 약한 셀 경계 지역이나 고속으로 이동하는 환경에서 통화 끊김이나 데이터 전송 오류를 줄이는 데 매우 효과적이다.
  • 빔포밍 (Beamforming): 다수의 안테나에서 방사되는 전파의 위상과 진폭을 정밀하게 제어하여, 특정 방향으로만 신호 에너지가 집중되도록 빔(Beam)을 형성하는 기술이다.26 이를 통해 특정 사용자 단말의 방향으로 신호를 집중시켜 수신 신호 강도를 높이고, 동시에 다른 방향으로의 불필요한 전파 방사를 최소화하여 주변 사용자에게 미치는 간섭을 줄일 수 있다. 빔포밍은 셀 전체의 주파수 효율성과 용량을 증대시키는 데 기여한다.

2. LTE 네트워크 구조 - Evolved Packet System (EPS)

2.1 전체 시스템 아키텍처 개요: EPS (Evolved Packet System)

LTE 네트워크의 전체 시스템 구조는 EPS(Evolved Packet System)로 명명되며, 이는 무선 접속망인 E-UTRAN(Evolved UTRAN)과 핵심망(Core Network)인 EPC(Evolved Packet Core)를 합친 개념이다.33 EPS 아키텍처의 가장 큰 특징은 3G WCDMA의 복잡한 구조를 탈피하고 ’All-IP 기반의 평면 구조(Flat Architecture)’를 채택한 점이다.

3G 네트워크는 음성 통화를 위한 회선 교환(CS, Circuit Switched)망과 데이터 통신을 위한 패킷 교환(PS, Packet Switched)망으로 이원화되어 있었다.1 또한, 다수의 기지국(NodeB)을 제어하는 RNC(Radio Network Controller)라는 별도의 제어 계층이 존재하여 데이터가 단말에서 핵심망까지 도달하는 경로가 길고 복잡했다.1

반면, LTE의 EPS는 이러한 구조를 E-UTRAN과 EPC라는 단순한 2계층 구조로 평면화했다.33 음성, 데이터, 시그널링 등 모든 트래픽을 IP 패킷 형태로 처리하는 All-IP 네트워크를 기반으로 하여 1, 네트워크의 복잡성을 줄이고 데이터 처리 경로를 최적화했다. 이러한 구조적 혁신은 지연 시간을 획기적으로 단축하고 데이터 처리량을 극대화하는 결과를 가져왔다.6

LTE의 평면 구조는 단순히 노드의 수를 줄인 것을 넘어선 패러다임의 전환을 의미한다. 3G의 계층적 구조에서 RNC는 성능의 병목 지점(bottleneck)이 될 수 있는 잠재적 문제를 안고 있었다. LTE는 RNC를 제거하고 그 기능을 기지국인 eNodeB에 통합함으로써, 단말에서 코어망까지의 데이터 경로를 단축시켜 저지연과 고성능을 실현했다. 또한, 신호 처리를 담당하는 제어 평면과 실제 데이터 트래픽을 전달하는 사용자 평면을 분리함으로써, 데이터 트래픽이 폭증하더라도 시그널링 부하와는 독립적으로 사용자 평면 장비만 효율적으로 증설하여 대응할 수 있는 유연성과 확장성을 확보했다. 이는 이후 5G 네트워크 아키텍처가 서비스 기반 아키텍처(SBA)와 제어/사용자 평면 분리(CUPS) 구조로 더욱 발전하는 중요한 기술적 토대가 되었다.

2.2 무선 접속망: E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)

E-UTRAN은 LTE의 무선 접속망(RAN)으로, 오직 단일 구성 요소인 eNodeB(evolved NodeB)로만 이루어져 있다.13 이는 3G UTRAN이 기지국(NodeB)과 기지국 제어기(RNC)로 구성되었던 것과 비교되는 가장 큰 차이점이다.

eNodeB는 3G의 NodeB와 RNC가 수행하던 기능을 하나로 통합한 장비다.35 즉, 사용자 단말(UE)과의 무선 인터페이스를 제공하는 전통적인 기지국의 역할뿐만 아니라, RNC가 담당했던 지능적인 제어 기능까지 직접 수행한다. 이로 인해 별도의 상위 제어기 요소가 사라져 네트워크 구조가 대폭 단순화되고, 단말과 네트워크 간의 응답 시간이 단축되는 효과를 얻었다.36

eNodeB가 수행하는 주요 기능은 다음과 같다.

  • 무선 자원 관리 (RRM, Radio Resource Management): 무선 채널 환경을 지속적으로 측정하고, 각 단말에 최적의 주파수, 시간, 전송 전력 등 무선 자원을 동적으로 할당(스케줄링)한다.37
  • 이동성 제어 (Mobility Control): 단말이 이동함에 따라 서비스 연속성을 보장하기 위해 인접 셀의 eNodeB로 연결을 전환하는 핸드오버(Handover) 절차를 관장한다.38
  • 연결 관리: 단말의 접속 및 해제 절차를 관리하고, 데이터 전송을 위한 무선 베어러(Radio Bearer)를 설정 및 제어한다.
  • 셀 간 간섭 제어 (ICIC, Inter-Cell Interference Coordination): 인접한 셀 간의 전파 간섭을 최소화하기 위해 eNodeB들이 서로 협력하여 전력이나 자원 할당을 조절한다.38

2.3 핵심망: EPC (Evolved Packet Core)

EPC는 LTE 네트워크의 핵심 두뇌이자 관문 역할을 하는 부분으로, All-IP 통신을 위한 다양한 기능들을 수행한다.33 EPC의 가장 중요한 설계 사상 중 하나는 네트워크 기능(Function)을 제어 평면(Control Plane)과 사용자 평면(User Plane)으로 명확히 분리한 것이다.6

  • 제어 평면 (Control Plane): 사용자의 접속 인증, 이동성 관리, 데이터 경로 설정 등 네트워크의 제어와 관련된 신호(Signaling)를 처리하는 논리적인 영역이다.
  • 사용자 평면 (User Plane): 실제 사용자의 데이터(음성, 영상, 웹 트래픽 등) 패킷을 전달하고 라우팅하는 논리적인 영역이다.

이러한 분리 구조 덕분에 각 평면의 트래픽 특성에 맞게 네트워크 자원을 독립적으로 확장하고 최적화할 수 있어, 전체적인 네트워크 운영 효율성이 크게 향상되었다.6 EPC를 구성하는 주요 네트워크 요소(노드)는 다음과 같다.

2.3.1 주요 구성 요소

  • MME (Mobility Management Entity): MME는 제어 평면의 핵심 노드로, ’LTE 망의 두뇌’와 같은 역할을 수행한다.37 단말이 네트워크에 접속하고 서비스를 유지하는 데 필요한 모든 제어 신호를 처리한다. 주요 기능으로는 ▲단말의 네트워크 접속 및 이탈 관리 ▲단말의 위치 추적 및 핸드오버 절차 제어 등 이동성 관리 ▲데이터 전송 경로인 EPS 베어러(Bearer)의 생성, 유지, 해제 등 세션 관리 ▲HSS와 연동하여 사용자를 인증하고 보안 키를 관리하는 기능 등이 있다.6
  • S-GW (Serving Gateway): S-GW는 사용자 평면에 위치하며, E-UTRAN(eNodeB)과 P-GW 사이에서 사용자의 데이터 패킷을 라우팅하고 전달하는 역할을 담당한다.6 또한, 단말이 eNodeB 간에 이동하는 핸드오버 상황이나, LTE와 3G 같은 다른 종류의 네트워크 간에 이동할 때 데이터 경로가 끊기지 않도록 하는 이동성 앵커(Mobility Anchor)의 역할을 수행한다.6
  • P-GW (PDN Gateway, Packet Data Network Gateway): P-GW 역시 사용자 평면에 위치하며, LTE 네트워크와 인터넷, 기업 내부망, IMS(IP Multimedia Subsystem)와 같은 외부 패킷 데이터 네트워크(PDN)를 연결하는 최종 관문(Gateway) 역할을 한다.6 P-GW는 단말에게 IP 주소를 할당하고 37, 가입자별 서비스 품질(QoS) 정책을 적용하며, 데이터 사용량에 따른 과금 정책을 실행하는 등 사용자 데이터 트래픽에 대한 정책 집행자(Policy Enforcement)의 기능을 수행한다.37
  • HSS (Home Subscriber Server): HSS는 모든 가입자의 정보를 영구적으로 저장하고 관리하는 중앙 데이터베이스다.34 각 가입자의 식별 정보, 인증에 필요한 보안 키, 가입 요금제에 따른 QoS 프로파일, 현재 위치 정보 등 핵심적인 가입자 데이터를 포함한다. MME는 단말이 네트워크에 최초 접속할 때 HSS에 질의하여 가입자 정보를 확인하고 인증 절차를 수행한다.6

아래 다이어그램은 EPS의 전체적인 구조와 주요 요소들 간의 관계를 보여준다.

graph TD
subgraph E-UTRAN
UE[사용자 단말<br>User Equipment] --- eNB
end

subgraph EPC ["EPC (Evolved Packet Core)"]
MME["MME<br>Mobility Management Entity<br>(제어 평면)"]
SGW
PGW
HSS
end

subgraph External Networks
Internet[인터넷]
IMS
end

eNB -- S1-MME (제어) --> MME
eNB -- S1-U (데이터) --> SGW
MME -- S11 --> SGW
MME -- S6a --> HSS
SGW -- S5/S8 --> PGW
PGW -- SGi --> Internet
PGW -- SGi --> IMS

linkStyle 0 stroke-width:2px,fill:none,stroke:black;
linkStyle 1 stroke-width:2px,fill:none,stroke:red,stroke-dasharray: 5 5;
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linkStyle 3 stroke-width:2px,fill:none,stroke:red,stroke-dasharray: 5 5;
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linkStyle 5 stroke-width:2px,fill:none,stroke:blue;
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linkStyle 7 stroke-width:2px,fill:none,stroke:blue;

그림 1: LTE EPS 네트워크 구조 및 주요 인터페이스 6

3. 표준의 진화 - 3GPP 릴리즈를 통해 본 LTE의 발전

LTE는 단일 기술로 완성된 것이 아니라, 3GPP의 릴리즈(Release)라는 표준화 단위를 통해 약 10여 년에 걸쳐 지속적으로 발전해 온 기술이다. 각 릴리즈는 새로운 기능을 추가하고 기존 성능을 개선하며 LTE를 4G 시대를 넘어 5G 시대로 이어지는 교두보로 만들었다.

3GPP 릴리즈명칭표준 동결 시점주요 기술 및 특징목표 성능
Release 8/9LTE2008년 12월 / 2009년 12월OFDMA/SC-FDMA, MIMO(4x4), EPS 아키텍처 도입DL: 300 Mbps, UL: 75 Mbps
Release 10/11/12LTE-Advanced2011년 3월~반송파 집성(CA), 향상된 MIMO(8x8), CoMP, RelayDL: 1 Gbps, UL: 500 Mbps
Release 13/14LTE-Advanced Pro2016년 3월~비면허대역 접속(LAA/LWA), eMTC/NB-IoT, Massive MIMO, V2XDL: >3 Gbps, Latency: <10 ms

표 1: 3GPP 주요 릴리즈별 LTE 기술 진화 요약 10

3.1 3GPP Release 8/9: LTE의 탄생과 안정화

Release 8 (2008년 12월 표준 동결) 은 최초의 LTE 표준으로, 4세대 이동통신의 서막을 열었다.10 이 릴리즈는 LTE의 근간을 이루는 핵심 기술과 구조를 정의했다. 물리 계층에서는 하향링크에 OFDMA, 상향링크에 SC-FDMA를 채택하고, 최대 4개의 안테나를 사용하는 4x4 MIMO 기술을 도입했다.10 네트워크 구조 측면에서는 3G의 복잡한 구조를 탈피한 All-IP 기반의 평면 구조, 즉 EPS(E-UTRAN + EPC)를 처음으로 선보였다.10 또한, 사업자가 보유한 주파수 환경에 유연하게 대응할 수 있도록 1.4 MHz부터 20 MHz까지 다양한 채널 대역폭을 지원하도록 설계되었다.10 성능 목표로는 이상적인 무선 환경에서 5 ms 미만의 사용자 평면 지연 시간과 5, 20MHz 대역폭 및 4x4 MIMO 적용 시 하향링크 최대 300 Mbps, 상향링크 최대 75 Mbps의 이론적 최고 속도를 제시했다.5 네트워크 운용 자동화를 위한 SON(Self-Organizing Network)의 기본 개념 역시 이 릴리즈에서 처음 도입되었다.10

Release 9 (2009년 12월 표준 동결) 는 Release 8을 기반으로 안정성을 높이고 새로운 기능을 추가하는 데 중점을 두었다.43 주요 개선 사항으로는 다수의 사용자에게 방송 형태의 서비스를 제공하는 eMBMS(enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service) 기능 강화, 단말의 위치를 정밀하게 측정하는 측위(Positioning) 기능 추가, 그리고 2개의 데이터 스트림을 특정 방향으로 집중시키는 듀얼 레이어 빔포밍(Dual-layer Beamforming) 지원 등이 포함되었다.47

3.2 3GPP Release 10: 진정한 4G, LTE-Advanced (LTE-A)

Release 10 (2011년 3월 표준 동결) 은 LTE 기술 발전의 중요한 이정표로, ITU-R이 제시한 4G(IMT-Advanced)의 엄격한 요구사항, 특히 하향링크 1 Gbps의 최고 속도를 충족하는 것을 목표로 개발되었다.14 이 릴리즈부터 ’LTE-Advanced(LTE-A)’라는 공식 명칭이 사용되었으며, 진정한 의미의 4G 기술 시대를 열었다.43

LTE-A의 성능을 비약적으로 향상시킨 핵심 기술은 다음과 같다.

  • 반송파 집성 (Carrier Aggregation, CA): LTE-A의 가장 중요하고 대표적인 기술이다.54 CA는 물리적으로 떨어져 있는 여러 개의 주파수 대역(Component Carriers, CC)을 논리적으로 하나로 묶어 마치 하나의 넓은 광대역 주파수처럼 사용하는 기술을 말한다.25 3GPP Release 10에서는 최대 5개의 CC(각 CC는 최대 20MHz의 대역폭)를 집성하여 총 100MHz의 대역폭을 구현할 수 있도록 표준화했다.56 데이터 전송 속도는 대역폭에 비례하므로, CA를 통해 이론적으로

1 Gbps 이상의 초고속 데이터 전송이 가능해졌다.

  • 향상된 MIMO (Advanced MIMO): 기존 LTE의 MIMO 기술을 더욱 확장하여, 하향링크에서는 최대 8개의 안테나를 사용하는 8x8 MIMO, 상향링크에서는 최대 4개의 안테나를 사용하는 4x4 MIMO를 지원하도록 표준화했다.44 이를 통해 동일한 주파수 대역 내에서 더 많은 데이터 스트림을 동시에 전송하여 주파수 효율과 최고 전송 속도를 한층 더 끌어올렸다.

이 외에도 셀 경계 지역에 위치한 사용자의 통신 품질 저하 문제를 해결하기 위해, 인접한 여러 기지국이 협력하여 신호를 전송하거나 간섭을 제어하는 CoMP(Coordinated Multi-Point) 기술과 55, 통신 음영 지역을 해소하기 위해 신호를 증폭하고 재전송하는 중계기(Relay) 기술 등이 LTE-A 표준에 포함되었다.44

3.3 3GPP Release 13/14: 5G로의 교두보, LTE-Advanced Pro

Release 13 (2016년 3월 표준 동결) 부터의 LTE 표준은 ’LTE-Advanced Pro’라는 새로운 마커로 명명되었다.59 이는 4.5G, Pre-5G, 혹은 4.9G 등으로도 불리며 14, 5G 시대로 넘어가기 위한 기술적 교두보 역할을 수행했다. 이 단계의 LTE는 단순히 ’더 빠른 속도’를 추구하는 것을 넘어, 5G 시대에 본격화될 다양한 서비스 시나리오, 특히 사물 인터넷(IoT)과 차량 통신(V2X) 등을 지원하기 위한 기능 확장에 초점을 맞추었다.62 성능 목표 또한 하향링크 최대 3 Gbps 이상의 속도와 2∼3 ms 수준의 저지연을 목표로 하여 5G에 근접한 성능을 지향했다.45

LTE의 진화 과정에서 초기 LTE와 LTE-Advanced가 스마트폰 중심의 모바일 브로드밴드(MBB) 시장을 완성하기 위해 ‘속도’ 경쟁에 집중했다면, LTE-Advanced Pro부터는 패러다임이 전환되었다. eMTC/NB-IoT와 같은 기술의 등장은 ‘사람’ 중심의 연결에서 ’사물’의 연결이라는 완전히 새로운 시장을 목표로 삼았으며, V2X, D2D와 같은 기능은 ‘사물-사물’, ‘사람-사물’ 간의 직접적인 연결을 표준에 포함시키기 시작했다. 이는 LTE의 진화가 단순히 파이프를 넓히는(속도 향상) 단계를 넘어, 연결의 대상을 다양화하고 연결의 방식을 다변화하는 단계로 나아갔음을 의미한다. 결과적으로 LTE-Advanced Pro는 5G의 3대 특성(eMBB, mMTC, URLLC)의 기술적, 사상적 기반을 미리 닦아놓은 선제적 진화이자 5G를 위한 기술적 실험장 역할을 수행한 셈이다.

주요 핵심 기술은 다음과 같다.

  • 비면허 대역 활용 기술: 폭증하는 데이터 트래픽을 수용하기 위한 주파수 자원 부족 문제를 해결하고자, Wi-Fi 등에서 사용하는 비면허 대역(Unlicensed Band, 주로 5GHz)을 LTE 통신에 보조적으로 활용하는 기술이 도입되었다.
  • LAA (Licensed-Assisted Access): 통신사가 보유한 면허 대역을 주 제어 채널(Primary Cell)로 사용하면서, 비면허 대역을 데이터 전송 용량 확대를 위한 보조 채널(Secondary Cell)로 CA 기술을 통해 묶는 방식이다.61
  • LWA (LTE-WLAN Aggregation): eNodeB와 Wi-Fi AP(Access Point)를 연동하여, 데이터 트래픽을 LTE망과 Wi-Fi망으로 동시에 분산 전송하는 기술이다.63
  • 사물 인터넷(IoT) 지원 강화: 저전력, 저비용, 광역 커버리지를 특징으로 하는 LPWA(Low-Power Wide-Area) 기술이 표준화되어 IoT 시장에 본격적으로 대응하기 시작했다.
  • eMTC (enhanced Machine-Type Communication, 또는 LTE-M): 1.4 MHz의 비교적 좁은 대역폭을 사용하며, 이동성과 음성 통화(VoLTE)를 지원한다. 이 특성 덕분에 자산 추적, 웨어러블 기기, 휴대용 카드 결제기 등 이동성이 요구되는 IoT 서비스에 적합하다.65
  • NB-IoT (Narrowband-IoT): 180 kHz라는 극히 좁은 대역폭을 사용하여 배터리 소모를 최소화하고(최대 10년 이상), 건물 지하와 같은 깊은 실내까지 도달하는 탁월한 커버리지를 제공한다. 이동성이 거의 없는 고정된 위치에서 소량의 데이터를 간헐적으로 전송하는 데 최적화되어 있으며, 스마트 미터링(수도, 가스, 전기), 환경 센서 모니터링, 스마트 주차 등과 같은 서비스에 활용된다.65

이 외에도 단말기 간에 기지국을 거치지 않고 직접 통신하는 D2D(Device-to-Device) 기술과 차량이 주변 사물과 통신하는 V2X(Vehicle-to-Everything) 기술에 대한 지원이 Release 13과 14를 거치며 대폭 강화되었다.59

4. LTE 성능 분석 - 이론과 실제

LTE의 성능을 평가하는 핵심 지표는 데이터 전송 속도(Throughput)와 지연 시간(Latency)이다. 3GPP 표준에 명시된 이론적 최대 성능과 사용자가 실제 네트워크 환경에서 체감하는 성능 사이에는 상당한 차이가 존재하며, 이는 다양한 외부 요인에 의해 결정된다.

4.1 데이터 전송 속도 (Throughput)

4.1.1 이론적 최대 속도 vs. 실제 체감 속도

3GPP 표준에서 제시하는 이론적 최대 속도(예: LTE-Advanced의 하향 1 Gbps)는 전파 간섭이 없고 신호가 가장 강한 이상적인 실험실 환경에서, 가용한 모든 기술 요소를 최적으로 결합했을 때 달성할 수 있는 수치다.5 여기에는 최대치의 채널 대역폭 사용, 가장 효율적인 고차 변조 방식(예: 256QAM) 적용, 최대 개수의 안테나를 활용한 MIMO 운용 등이 전제된다.44

그러나 실제 사용 환경에서는 이러한 이상적인 조건이 충족되기 어렵다. 사용자의 체감 속도는 ▲기지국과의 거리 및 장애물(건물, 지형)로 인한 신호 감쇠 ▲동일 기지국에 접속한 사용자 수에 따른 자원 경쟁 및 네트워크 부하 ▲단말기 자체의 성능(지원하는 LTE Category, 안테나 수, 프로세서 성능) ▲기상 조건 등 수많은 가변적인 요인에 의해 결정된다.71 따라서 실제 환경에서 측정되는 평균 속도는 이론적 최대치의 일부에 불과한 것이 일반적이다.73

4.1.2 속도 결정 요인 분석

LTE의 데이터 전송 속도를 결정하는 주요 기술적 요인은 다음과 같다.

  • 채널 대역폭 (Channel Bandwidth): 할당된 주파수 대역폭은 데이터를 실어 나르는 도로의 폭과 같다. 대역폭이 1.4 MHz에서 20 MHz로 넓어질수록 한 번에 전송할 수 있는 데이터의 양이 증가한다.5 또한, CA(반송파 집성) 기술을 통해 여러 개의 주파수 대역을 묶어 총 대역폭을 확장하면 속도는 그에 비례하여 더욱 향상된다.54
  • MIMO 구성 (MIMO Configuration): 송신단과 수신단에 장착된 안테나의 수는 데이터가 동시에 지나갈 수 있는 차선의 수와 같다. 2x2 MIMO보다 4x4 MIMO가 공간 다중화를 통해 이론적으로 2배 더 높은 속도를 낼 수 있다.19
  • 변조 방식 (Modulation Scheme): 변조는 데이터를 무선 신호로 변환하는 기술이다. 무선 환경, 즉 신호 대 잡음비(SINR)가 좋을수록 한 번의 신호(Symbol)에 더 많은 데이터 비트(bit)를 실어 보내는 고차 변조 방식(예: QPSK → 16QAM → 64QAM → 256QAM)을 사용할 수 있다.19 256QAM은 64QAM 대비 동일한 시간 동안 약 33% 더 많은 데이터를 전송할 수 있다.66

4.1.3 국내 이동통신사별 평균 속도 비교

과학기술정보통신부가 매년 실시하는 통신서비스 품질평가 결과는 국내 LTE 네트워크의 실제 성능을 가늠하는 중요한 지표다. 국내 이동통신 3사는 LTE-A 및 LTE-A Pro 기술을 적극적으로 도입하여 세계 최고 수준의 LTE 속도를 제공해왔다.75

2022년 평가 결과, 국내 LTE 서비스의 3사 평균 다운로드 속도는 178.93 Mbps를 기록했다.76 통신사별로는 SK텔레콤이 243.21 Mbps로 가장 빨랐고, KT가 171.31 Mbps, LG유플러스가 122.28 Mbps로 그 뒤를 이었다.76 그러나 2023년 평가에서는 3사 평균 다운로드 속도가 178.05 Mbps로 전년 대비 소폭 감소하거나 정체되는 양상을 보였다.78 SK텔레콤은 여전히 238.49 Mbps로 1위를 유지했지만 속도는 다소 감소했으며, KT 역시 소폭 하락했다. 반면 LG유플러스는 속도가 소폭 개선되었다.77 이러한 LTE 속도의 정체 현상은 5G 네트워크 구축 및 품질 개선에 통신사들의 투자가 집중되면서, 기존 LTE 망에 대한 유지보수 및 최적화 작업의 우선순위가 상대적으로 낮아졌기 때문으로 분석된다.80 이는 신기술(5G)로의 전환 과정에서 기존 기술(LTE) 사용자들이 겪을 수 있는 품질 저하 또는 정체 문제를 보여주는 ‘기술 전환기 딜레마’ 현상으로 해석할 수 있으며, 통신 정책 입안자들에게 ’세대 간 네트워크 품질 유지’라는 새로운 과제를 제시한다.

4.2 지연 시간 (Latency)

지연 시간은 데이터 패킷이 송신단에서 출발하여 수신단에 도달하기까지 걸리는 시간으로, 네트워크의 반응 속도를 나타내는 핵심 지표다.81 특히 웹 페이지가 처음 로딩될 때의 반응성, 실시간 온라인 게임의 조작감, 영상 통화의 끊김 없는 대화 등 상호작용이 중요한 서비스의 사용자 경험(UX)을 결정짓는 데 절대적인 영향을 미친다.83

LTE 표준은 설계 초기부터 저지연을 핵심 목표 중 하나로 삼았다. 3GPP Release 8 표준에서는 사용자 평면(User-plane)에서의 단방향 지연 시간을 5 ms 미만으로, 단말이 비활성 상태(Idle Mode)에서 활성 상태(Connected Mode)로 전환되는 데 걸리는 시간을 50 ms 미만으로 규정했다.48

실제 네트워크 환경에서 사용자가 체감하는 지연 시간은 보통 왕복 지연 시간(RTT, Round-Trip Time)으로 측정된다. LTE 네트워크의 RTT는 일반적으로 20∼50 ms 범위에서 측정된다.70 이는 수백 ms에 달했던 3G 네트워크에 비해 10분의 1 수준으로 획기적으로 개선된 수치이며 85, 모바일 환경에서도 유선 인터넷과 유사한 수준의 반응성을 제공할 수 있게 된 배경이 되었다. 하지만 이는 5G가 목표로 하는 1 ms 미만의 초저지연(URLLC, Ultra-Reliable and Low Latency Communications) 수준에는 아직 미치지 못하며, 자율주행차나 원격 수술과 같은 실시간 제어가 필수적인 미래 서비스를 구현하기에는 한계가 있다.83

구분3G (HSPA+)4G (LTE-Advanced)5G
이론상 최대 속도 (DL)~168 Mbps~3 Gbps~20 Gbps
실제 평균 속도 (DL)0.5∼5 Mbps50∼150 Mbps150∼1000+ Mbps
실제 평균 지연 시간 (RTT)100∼500 ms20∼50 ms5∼20 ms (현재), <5 ms (목표)
주요 서비스모바일 웹, 영상통화HD/FHD 동영상 스트리밍, 모바일 게임4K/8K 스트리밍, AR/VR, 자율주행, 스마트 팩토리

표 2: 이동통신 세대별 성능 비교 85

5. LTE의 확장 - 특수 목적 네트워크 및 응용 서비스

LTE는 스마트폰을 위한 범용 이동통신 기술을 넘어, 높은 신뢰성과 보안, 특화된 기능을 요구하는 다양한 산업 및 공공 분야의 핵심 통신 인프라로 진화했다. 이는 LTE가 단순한 통신 기술을 넘어 국가 기간 산업을 위한 ’플랫폼 기술’로 자리매김했음을 의미한다. 이러한 특수 목적 LTE 네트워크의 등장은 5G 시대에 논의되는 ‘네트워크 슬라이싱(Network Slicing)’ 개념의 실질적인 선행 사례로 볼 수 있다.

5.1 공공 안전 및 재난 대응: PS-LTE (Public Safety-LTE)

대규모 재난 상황에서는 경찰, 소방, 해경, 의료 등 다양한 재난 대응 기관 간의 원활한 소통이 무엇보다 중요하다. 그러나 과거에는 각 기관이 TRS(주파수공용통신), VHF/UHF 무전기 등 서로 다른 통신 방식을 사용하여 재난 현장에서 기관 간 상호 통신이 불가능했고, 이는 재난 대응의 골든타임을 놓치는 심각한 문제로 이어졌다.92

PS-LTE는 이러한 문제를 해결하기 위해 LTE 기술을 기반으로 재난 통신에 필수적인 특화 기능들을 추가한 공공 안전 통신망 표준이다.93 PS-LTE는 ▲다수의 현장 요원이 동시에 통화하는 그룹 통신(MCPTT) ▲기지국이 파괴된 상황에서도 단말기 간 직접 통신이 가능한 D2D(Device-to-Device)/ProSe(Proximity Services) ▲현장 상황을 영상으로 실시간 공유하는 멀티미디어 서비스(MCVideo) 등의 핵심 기능을 제공한다.94

대한민국은 2014년 세월호 참사를 계기로 PS-LTE 기반의 전국 단일 재난안전통신망 구축 사업을 본격적으로 추진했다. 2018년부터 3년간 약 1조 5천억 원의 예산을 투입하여 92, 2021년 세계 최초로 700MHz 주파수 대역을 사용하는 PS-LTE 전국망 구축을 완료하고 본격적인 운영에 들어갔다.95 이는 통신사가 운영하는 상용망을 일부 활용하되, 핵심적인 통제 및 운영은 정부가 직접 관리하는 자가망 기반의 혼합형 방식으로 구축되어 안정성과 효율성을 동시에 확보했다.93

5.2 차세대 철도 통신: LTE-R (LTE-Railway)

철도 시스템은 안전 운행을 위해 열차와 관제 센터, 선로변 설비 간에 매우 높은 신뢰성의 통신을 요구한다. 기존 철도 환경에서는 음성 통신을 위한 VHF/TRS, 열차 제어를 위한 Wi-Fi 등 목적에 따라 여러 종류의 통신망이 혼재되어 운영의 비효율성과 상호 운용성 문제를 야기했다.96

LTE-R은 이러한 다양한 철도 통신 시스템을 LTE 기술 기반으로 통합하기 위해 개발된 철도통합무선망이다.97 LTE-R은 고속으로 이동하는 열차 환경에서도 안정적인 통신을 제공하며, 다음과 같은 다양한 철도 서비스를 단일 네트워크 위에서 구현한다.

  • 열차 관제 통신: 기관사와 관제사, 역무원 간의 음성 및 영상 그룹 통화.97
  • 열차 제어 시스템: 무선 통신을 기반으로 열차의 간격과 속도를 자동으로 제어하는 차세대 열차제어시스템(CBTC, Communications-Based Train Control).96
  • 철도 시설 모니터링: 열차에 부착된 카메라를 통해 선로 상태나 주변 환경을 실시간으로 전송하고, 선로변의 각종 센싱 데이터를 수집.96
  • 승객 서비스: 객실 내 CCTV 영상 실시간 모니터링 및 승객용 Wi-Fi 서비스 제공.

국내에서는 원주-강릉선 KTX 구간을 시작으로 주요 간선 및 광역철도에 LTE-R이 성공적으로 구축 및 운영되고 있다.97

5.3 해상 통신 혁신: LTE-M (LTE-Maritime)

선박의 안전 운항과 해양 활동 지원을 위해 육상과 해상 간의 원활한 데이터 통신은 필수적이다. 그러나 기존의 VHF(초단파) 통신은 통신 거리가 30km 내외로 제한적이고, 데이터 전송 속도가 9.6kbps 수준에 불과하여 텍스트나 간단한 위치 정보 전송만 가능했다.99

LTE-M(Maritime)은 이러한 해상 통신의 한계를 극복하기 위해 대한민국 정부 주도로 구축된 세계 최초의 초고속 해상무선통신망이다.100 해안가 고지대 및 도서 지역에 총 263개의 전용 기지국을 설치하여, 연안에서 최대 100km 떨어진 해역까지 LTE 기반의 초고속 데이터 통신(최대 10Mbps)을 제공한다.99

LTE-M은 ’바다 내비게이션’으로 불리는 한국형 e-Navigation 서비스의 핵심 인프라 역할을 수행한다.100 이를 통해 선박은 ▲충돌·좌초 위험 경보 ▲전자해도 실시간 자동 업데이트 ▲기상 및 어장 정보 ▲최적 항로 추천 등 다양한 지능형 해상교통정보 서비스를 실시간으로 제공받을 수 있다.103 또한, 해양 사고 발생 시 신속한 조난 신호(SOS) 발신과 음성·화상 통신을 지원하여 수색·구조 활동의 골든타임을 확보하는 해상재난망의 기능도 담당한다.100

5.4 지능형 교통 시스템: C-V2X (Cellular-Vehicle to Everything)

자율주행 시대의 도래와 함께 차량이 주변 환경과 실시간으로 소통하는 V2X(Vehicle-to-Everything) 기술의 중요성이 부각되고 있다. C-V2X는 LTE 및 5G와 같은 셀룰러(Cellular) 이동통신 기술을 기반으로 차량이 다른 객체와 정보를 교환하는 V2X 표준 기술이다.104 3GPP는 Release 14에서 LTE 기반의 C-V2X를 처음 표준화했으며, 이후 5G NR 기반으로 기술이 진화하고 있다.104

C-V2X는 다음과 같은 통신 유형을 포함한다.

  • V2V (Vehicle-to-Vehicle): 차량 간 직접 통신을 통해 주변 차량의 위치, 속도, 방향 등의 정보를 공유하여 충돌을 예방한다.
  • V2I (Vehicle-to-Infrastructure): 차량이 신호등, 도로변 기지국(RSU) 등 교통 인프라와 통신하여 신호 정보, 교통 상황, 위험 구간 정보 등을 수신한다.
  • V2P (Vehicle-to-Pedestrian): 차량이 보행자의 스마트폰 등과 통신하여 보행자 사고를 예방한다.
  • V2N (Vehicle-to-Network): 차량이 이동통신 기지국을 통해 원격 서버와 연결되어 실시간 교통 정보, 지도 업데이트, 인포테인먼트 서비스를 제공받는다.

C-V2X는 기존 Wi-Fi 기반의 DSRC/WAVE 기술에 비해 더 넓은 통신 범위, 높은 데이터 전송률, 그리고 고신뢰성·초저지연 통신을 지원하여, 고속으로 주행하는 차량 환경에서도 안정적인 정보 교환을 가능하게 한다.104 이는 미래 자율주행 기술의 안전성과 효율성을 높이는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.106

5.5 사물 인터넷(IoT) 생태계: NB-IoT와 LTE-M (eMTC)

기존 LTE 네트워크는 스마트폰 사용자를 위한 고속·대용량 데이터 전송에 최적화되어 있었다. 그러나 사물 인터넷(IoT) 환경에서는 수많은 기기가 소량의 데이터를 저렴한 비용과 극히 낮은 전력으로 장기간 전송해야 하는 상반된 요구사항이 존재했다.108 이러한 시장의 요구에 부응하기 위해 3GPP는 Release 13에서 LPWA(Low-Power Wide-Area) 기술 표준인 NB-IoT와 LTE-M을 제정했다.67 이 두 기술은 기존 LTE 망을 기반으로 하므로 전국적인 커버리지를 쉽게 확보할 수 있다는 장점이 있다.108

  • NB-IoT (Narrowband-IoT): 180∼200 kHz의 매우 좁은 대역폭을 사용하여 통신 모듈의 복잡성과 비용을 최소화하고, 배터리 수명을 10년 이상으로 극대화한 기술이다.67 전파 투과율이 높아 건물 지하나 깊은 실내까지 커버리지를 제공할 수 있다.111 이동성이 거의 없는 고정형 저속·소량 데이터 전송에 최적화되어 있으며, ▲원격 검침(스마트 수도·가스·전기 미터) ▲스마트 시티(스마트 가로등, 쓰레기통 관리) ▲환경 모니터링 ▲스마트 농업(토양 센서) 등 다양한 분야에 활용된다.109
  • LTE-M (eMTC, enhanced Machine-Type Communication): 1.4 MHz의 대역폭을 사용하여 NB-IoT보다 높은 데이터 전송률(최대 1 Mbps)과 낮은 지연 시간을 제공한다.67 기지국 간 핸드오버를 지원하여 이동 중에도 통신이 끊기지 않으며, 음성 통화(VoLTE) 기능도 지원할 수 있다.67 이러한 특성 덕분에 ▲실시간 위치 추적이 필요한 자산 추적(물류, 차량 관제) ▲웨어러블 헬스케어 기기 ▲휴대용 카드 결제기 등 이동성이 필요하고 상대적으로 빠른 데이터 응답이 요구되는 IoT 서비스에 적합하다.67

6. 5G 시대의 LTE - 공존과 미래 전망

5G 상용화가 본격화되었지만, 이는 LTE 시대의 종말을 의미하지 않는다. 오히려 LTE는 5G로의 전환 과정에서 필수적인 역할을 수행하며, 향후 수년간 5G와 공존하며 특정 영역에서 고유의 가치를 지속할 것이다. 5G 시대에 LTE는 ’대체’되는 것이 아니라, 5G 네트워크에 ’통합’되고 그 역할이 ’재정의’되고 있다.

6.1 5G 네트워크 초기 구축 전략: NSA (Non-Standalone)

5G 상용화 초기, 전 세계 대부분의 통신 사업자들은 NSA(Non-Standalone, 비단독모드) 방식으로 5G 네트워크를 구축했다.113 NSA는 막대한 초기 투자 비용을 절감하고 5G 서비스를 신속하게 출시하기 위한 실용적인 전략으로, 기존 4G LTE 인프라를 최대한 활용하는 방식이다.115

NSA 구조의 핵심은 ‘이중 연결(Dual Connectivity)’ 기술이다.116 이 구조에서 단말은 제어 신호(Control Plane)를 처리하기 위해 항상 4G LTE 기지국에 먼저 연결한다. 즉, 통화 설정, 이동성 관리 등 핵심적인 제어 기능은 안정적이고 넓은 커버리지를 갖춘 LTE 망이 담당한다.113 이후 실제 사용자 데이터(User Plane)를 전송할 때, 5G NR(New Radio) 기지국을 추가로 연결하여 LTE와 5G의 데이터 경로를 동시에 사용함으로써 전송 속도를 극대화한다.118

이처럼 NSA 구조에서 LTE는 5G 서비스를 위한 안정적인 제어와 커버리지를 제공하는 ‘앵커(Anchor)’ 또는 ’기반 인프라’로서의 필수적인 역할을 수행한다.114 5G의 기술적 한계인 좁은 커버리지를 보완하고, 5G 신호가 약하거나 없는 지역에서는 끊김 없이 LTE로 전환하여 서비스 연속성을 보장하는 것이다.

6.2 주파수 자원 공유 기술: DSS (Dynamic Spectrum Sharing)

DSS(동적 주파수 공유)는 5G 커버리지를 효율적으로 확장하기 위한 핵심 기술 중 하나다. 이 기술은 기존 LTE에서 사용하던 주파수 대역을 4G와 5G가 실시간으로 공유할 수 있게 해준다.120 기지국은 해당 지역의 4G 사용자와 5G 사용자 수를 실시간으로 파악하여, 밀리초(ms) 단위로 주파수 자원을 동적으로 할당한다.

DSS의 가장 큰 장점은 통신사가 5G 전용 주파수를 추가로 확보하거나 새로운 기지국을 대규모로 건설하지 않고도, 기존 LTE 기지국의 소프트웨어 업그레이드만으로 5G 서비스를 제공할 수 있다는 점이다.122 특히 전파 도달 거리가 길어 넓은 커버리지를 확보하는 데 유리한 저대역 주파수(Sub-6GHz)를 5G에 활용할 수 있게 되어, 5G 전국망을 조기에 구축하는 데 결정적인 기여를 한다.122 DSS는 LTE 주파수를 5G를 위한 ’자원 풀(Resource Pool)’로 활용함으로써, 4G에서 5G로의 매끄러운 전환을 가능하게 한다.

6.3 LTE의 장기적 역할과 미래 전망

5G 네트워크가 성숙하고 SA(Standalone, 단독모드) 방식이 보편화된 이후에도 LTE는 다양한 영역에서 그 역할을 지속할 것이다.

  • 5G 커버리지 보완 및 트래픽 분산: 5G, 특히 초고주파(mmWave) 대역은 직진성이 강해 커버리지가 좁고 장애물 투과에 취약하다. 5G 전국망이 LTE만큼 촘촘하게 구축되기까지는 상당한 시간이 소요될 것이므로, LTE는 향후 수년간 5G의 커버리지 공백을 메우고, 급증하는 데이터 트래픽을 분산 수용하는 중요한 보조 네트워크로서의 역할을 계속 수행할 것이다.119
  • 사물 인터넷(IoT) 네트워크의 근간: 5G의 핵심应用 중 하나인 대규모 사물 통신(mMTC) 분야에서, LTE 기반의 LPWA 기술인 NB-IoT와 LTE-M은 장기적으로 핵심적인 역할을 담당할 것이다. 모든 IoT 기기가 5G의 초고속·초저지연 성능을 필요로 하는 것은 아니다. 오히려 저비용, 저전력, 광역 커버리지가 더 중요한 수많은 IoT应用에서는 LTE 기반 기술이 5G 기술보다 더 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있다.108
  • VoLTE (Voice over LTE)의 지속성: 현재 대부분의 5G 음성 통화는 LTE 망을 활용하는 VoLTE 방식으로 처리된다. 5G 코어망과 5G NR을 통해서만 음성 통화를 처리하는 VoNR(Voice over NR) 기술이 완전히 안정화되고 보편화되기 전까지, VoLTE는 5G 시대에도 필수적인 음성 통화 솔루션으로 그 지위를 유지할 것이다.9
  • 트래픽 감소와 주파수 가치 변화: 장기적으로 전체 모바일 트래픽에서 LTE가 차지하는 비중은 점차 감소할 것이다. 이미 국내에서는 전체 모바일 트래픽의 90% 이상이 5G를 통해 발생하고 있다.126 LTE 트래픽 감소 추세가 지속되면, 현재 LTE에 할당된 주파수의 가치에 대한 재평가가 이루어질 것이며, 이는 향후 6G 시대를 대비하여 해당 주파수를 새로운 기술에 재할당하는 ‘주파수 리파밍(Refarming)’ 논의로 이어질 수 있다.

결론적으로, 4G에서 5G로의 전환은 과거의 세대 전환처럼 기존 기술을 완전히 대체하는 ’단절적 전환’이 아니다. NSA 구조와 DSS 기술에서 볼 수 있듯이, 이는 LTE를 적극적으로 활용하고 통합하는 ’통합적 전환’의 양상을 띤다. 5G 시대에 LTE는 5G로 가는 징검다리, 5G의 자원을 확장하는 수단, 그리고 5G와 함께 특정 서비스 영역을 분담하는 파트너로서 그 역할이 재정의되고 있으며, 이러한 공존 관계는 미래 통신 기술의 진화 방향이 기존 인프라와의 연속성과 효율성을 극대화하는 방향으로 나아갈 것임을 시사한다.

7. 참고 자료

  1. LTE 이동통신의 이해, https://koreascience.kr/article/JAKO201528638841097.pdf
  2. [임직원 칼럼] 이동통신 읽어주는 여자_②LTE면 LTE지 3밴드 LTE-A는 또 뭔가요?, https://news.samsung.com/kr/%EC%9E%84%EC%A7%81%EC%9B%90-%EC%B9%BC%EB%9F%BC-%EC%9D%B4%EB%8F%99%ED%86%B5%EC%8B%A0-%EC%9D%BD%EC%96%B4%EC%A3%BC%EB%8A%94-%EC%97%AC%EC%9E%90_%E2%91%A1lte%EB%A9%B4-lte%EC%A7%80-3%EB%B0%B4%EB%93%9C-lte
  3. Overview 미래를 앞당기는 기술, 5G - 월간 통상, https://tongsangnews.kr/webzine/1902011/sub6_1.html
  4. 알쏭달쏭 LTE 용어, 무슨 뜻일까? - IT동아, https://it.donga.com/23684/
  5. LTE (telecommunication) - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/LTE_(telecommunication)
  6. EPC(Evolved Packet Core): LTE 네트워크의 지능형 핵심 인프라 - GilliLab - TechLog, https://rupijun.tistory.com/entry/EPCEvolved-Packet-Core-LTE-%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC%EC%9D%98-%EC%A7%80%EB%8A%A5%ED%98%95-%ED%95%B5%EC%8B%AC-%EC%9D%B8%ED%94%84%EB%9D%BC
  7. 4세대 이동 통신 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전, https://ko.wikipedia.org/wiki/4%EC%84%B8%EB%8C%80_%EC%9D%B4%EB%8F%99_%ED%86%B5%EC%8B%A0
  8. 데이터 전송속도 이론 및 측정 기반의 LTE-Advanced와 IEEE802.16m의 비교 분석 - Korea Science, https://koreascience.kr/article/CFKO201130533388918.pdf
  9. 4G LTE의 이해, http://ebook.pldworld.com/_ebook/IDG/Tech%20Library/4G%20LTE%EC%9D%98%20%EC%9D%B4%ED%95%B4%20-%20IDG%20Tech%20Report/TechReport_LTE.pdf
  10. 3GPP Release 8 - Techplayon - 3GPP Specification, https://www.techplayon.com/3gpp-release-8-features/
  11. 4세대 통신이 온다! 근데 LTE는 뭐지? - 한겨레, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/476092.html
  12. 지식정보 > ICT 동향정보 > 상세 정보 | IITP, https://iitp.kr/kr/1/knowledge/organScrapView.it?masterCode=publication&searClassCode=K_OGS_01&identifier=02-004-111107-000020
  13. [통신프로젝트] LTE 네트워크 구조 _ CIS본부 파트2 이진연 수석 - 비투엔블로그, https://blog.b2en.com/157
  14. LTE Advanced - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/LTE_Advanced
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