5G NR Initial Access 및 Random Access

 이번 글에서는 UE가 특정 Cell로 처음 들어왔을 때의 과정 Initial Access에 대해 정리한다. LTE에서도 Initial Access을 다뤘는데, 그 글과 비교를 하면서 보는 것도 좋을 것 같다. 절차나 기능이 크게 바뀌지는 않지만, 세부적인 Parameter들이나 기술들에 변화가 있다. 

 

5G NR Initial Access

 LTE처럼, UE가 Cell에 들어오면, Cell과 시간-주파수를 동기화 시키는 것부터 시작해야한다. NR에서는

• Primary / Secondary Sync signal (PSS/SSS)
• PBCH를 Decoding하기 위한 PBCH-DMRS
• MIB 등의 정보를 Broadcast하는 PBCH

를 묶어서 Synchronization signal / Broadcast Block (SSB)라고 한다.

 우선, Synchronization을 통해 Cell과 Time-Frequency 축을 동기화하고, PBCH에서 Cell의 가장 중요한 정보 MIB를 받는다. 즉, UE가 synchronization 과정에서 Cell을 Searching하고 Selection하면서 SSB를 찾고, SSB를 Decoding하면서 Initial Access가 시작된다. (LTE와 동일)

 그런데 처음에 SSB이 어디 있는지를 찾을 때, 한가지 문제가 생긴다. 주파수 축 중에 어디에 원하는 정보가 있을지 모르는 상황이기 때문에, 전체 주파수 축을 다 Search해야 하는 상황이 발생한다. LTE까지는 SSB가 Carrier Bandwidth의 가운데 위치하고, Carrier Bandwidth가 상대적으로 넓지 않다. 따라서, Carrier Bandwdith 중심 주파수가 위치할 수 있는 단위인 100 kHz Channel raster를 사용하여, SSB를 찾을 수 있었다.

 LTE에서는 Carrier Frequency를 찾아나갈 때, E-ARFCN이라는 번호로 지정되어 있는 주파수 영역을 돌면서 찾는 방식이었다. 해당 주파수 영역에서 Channel raster라는 100 kHz '고정된' 단위로 돌면서, Carrier Frequency 위치만 찾으면, 그 Carrier Bandwidth의 가운데가 곧 SSB 위치이기 때문에 어렵지 않았던 것이다.

 하지만, NR에서는 Carrier bandwidth가 매우 넓어질 수 있다. (최대 400 MHz). 또한, BWP라는 개념이 들어오면서, SSB가 Carrier Bandwidth의 가운데에 없을 수도 있고, 심지어 1개 Carrier Bandwidth에 SSB가 여러 개가 나올 수도 있기 때문에 LTE보다 훨씬 복잡해진다. 따라서, 기존에 있던 방식으로 100 kHz정도 씩을 돌면서, SSB를 찾는 과정으로는 효과적인 Synchronization을 진행할 수 없게 되었다. 

 

NR-ARFCN와 GSCN

우선, NR에서도 LTE의 E-ARFCN처럼 NR-ARFCN이라는 값이 있어서, Carrier Freuqncy의 위치를 지정할 수 있게 되어있다. NR에서는 대역폭에 따라서 NR-ARFCN이라는 번호로 지정된 주파수 대역을 갖고 있고, Channel Raster도 바뀔 수 있다. (100 kHz 고정 X) TS 38.104에 있는 Table 5.4.2를 참고하면 될 것같다.

 중요한 것은 NR도 LTE처럼 ARFCN이나 Channel raster는 있다. 하지만, 몹시 넓은 주파수 대역을 Channel raster만을 이용해서 Initial Access를 진행하기에는 비효율적이라는 것이다.

 따라서, NR에서는 SSB의 주파수 위치를 찾는 Synchronization Raster라는 별도의 개념을 도입했다. 대역 (e.g., FR 1의 n34, FR 2의 n257) 에 따라 다른 값을 갖고, 기존의 Channel raster보다 주파수 축에서 Step-size를 넓게 잡아 SSB를 효과적으로 Searching할 수 있도록 했다. 즉, Synchronization raster는 SSB의 Frequency 위치를 효과적으로 찾기 위해 만들어졌다.

 

Synchroization raster에 대한 설명을 잘해놓은 글을 찾기 힘들어서 일단, TS 38.104의 5.4.3의 정의를 써보면,

The synchronization raster indicates the frequency positions of the synchronization block that can be used by the UE for system acquisition when explicit signalling of the synchronization block position is not present.

A global synchronization raster is defined for all frequencies. The frequency position of the SS block is defined as SS_REF with corresponding number GSCN. The parameters defining the SS_REF and GSCN for all the frequency ranges are in table 5.4.3.1-1. 

이라고 되어있다. 즉, 주파수 대역을 GSCN이라는 번호로 지정된 주파수 대역으로 쪼개고, 해당 주파수대역에서 SSB가 위치할 수 있는 주파수 위치를 지정한다. 아래 표의 두 번째 Column의 SS_REF에서 N의 계수로 붙어있는 1.44 MHz, 17.28 MHz이 Search에 필요한 Step Size인 Synchronization raster가 된다.

ARFCN에 대응되는 GSCN(Global Synchronization Channel Number)라는 synchronization을 위한 별도의 번호를 부여하고, 이를 이용해서 더 효율적인 channel raster에 대응되는 synchronization raster를 만든 것이다.

즉, 주파수 영역별로, 1.44 MHz, 17.28 MHz 등의 단위로 널뛰기 하면서 SSB를 찾는다. 참고로 SS_REF는 20 RB를 차지하는 SSB 가운데 RB의 주파수 위치를 의미한다.

 

MIB와 SIB

 이렇게 복잡하게 Searching해서 찾은 SSB에서 MIB를 찾아내고, MIB안에 있는 MIB.pdcch-configSIB1라는 Parameter를 통해 SIB를 찾아냄으로써 Cell의 기본적인 정보를 얻을 준비가 완료되었다.

SSB의 구조

 240 sub-carriers (20 RB), 4 symbols로 구성된 SSB는 MIMO에서 각 Beam마다 하나씩 할당이 되고, 그렇게 여러 Beam을 구성하는 SSB가 모여서, SS Burst Set을 이루게 된다.  SSB burst set의 Time축 주기는 5, 10, 20, 40, 80, 160 ms로 정할 수 있다. NR의 PSS와 SSS에는 LTE처럼 Physical Cell Identity (PCI)가 있지만 PCI가 504개에서 1,008개로 늘어난다. 5G NR로 가면서 Small Cell을 다루게 되고, 더 Base station이 밀집되기 때문에 많은 ID가 필요하다. 또한 PBCH를 통해 전송되는 MIB도 23bits로 늘어나서, Sub-carrier spacing (SCS), CORESET 등 5G NR에서 추가된 정보들을 담을 수 있다.

 

NR이 SSB raster를 sparse하게 잡았기 때문에, initial cell search에서 더 적은 시간으로 이를 수행할 수 있고, 시간 측면에서도 SSB 주기를 길게 하여 (20ms), energy performance가 더 좋아진다.

 

MIB와 SIB decoding하는 절차는 다음과 같다.

1) PSS/SSS를 decoding하고, PBCH를 Decoding하여 MIB를 detect하고, Decoding한다. (MIB가 더 중요하기 때문에 먼저 찾을 수 있도록 SIB와 분리되어 있다.)

2) MIB에 있는 PDCCH-ConfigSIB1이라는 parameter안에 있는 'PDCCH/DCI를 위한 CORESET 0'과 'Search-Space'를 통해, SIB를 찾고 Decoding할 준비를 한다.

 

CORESET 0

 CORESET은 다른 글에서 설명한 것 처럼, PDCCH/DCI를 전달할 수 있는 후보군과 parameter 값들이다. 일반적인 CORESET이 RRC에 의해 configure되는 것과 비교했을 때, CORESET 0은 아직 RRC Connection이 이루어지지 않은 단계이기 때문에 MIB의 PDCCH-ConfigSIB1를 통해서 미리 정해진 방식으로 configure한다. 

Search-Space

Search-Space는 CORESET에서 UE가 DCI/PDCCH를 얻기 위해 Monitoring해야 하는 부분이다. Cell 전반의 정보를 위한 Common Search Space (CSS)와 UE-Specific Search Space (USS)로 크게 나뉜다. 

 

3) Search-Space에 있는 DCI1_0을 Decoding한다. SI-RNTI로 scramble되어 있는 Type의 DCI 1_0은 SIB의 스케쥴링을 위해 사용되는 DCI다. (DCI 1_0은 여러 RNTI와 scramble될 수 있다.) 이 DCI를 decoding함으로써 PD'S'CH의 어디에 SIB 1이 있는지를 알 수 있다. 

4) SIB1와 다른 SIB들이 담겨있는 PDSCH를 Decoding한다.

 

Initial Access 중간정리

 처음에 보면, LTE와 절차적으로는 크게 다른 부분 없이, CORESET과 Synchronization raster 등에 대한 내용이 조금 추가되었지만 상당히 복잡하게 느껴진다. 이렇게 복잡한 절차를 통해서 MIB와 SIB이 있는 위치를 찾아서 Decoding함으로써, Cell의 정보를 받아들여서 Cell과 연결할 준비가 끝난다. 다음 글에서는 받아들인 정보를 기반으로 Cell과 어떤 절차로 연결되는지 알아보도록 한다.

 여기까지의 Initial Access는 UE가 gNB에서 정보를 받아들여서 Sync를 맞추는 Downlink기반이었다. 이제, UE는 Cell에 대한 정보를 가지고, 준비가 되었으니, Cell에게 UE 자신도 데이터를 보낼 수 있도록 Uplink Synchronization을 진행할 필요가 있다. 이 과정에서 Random Access를 진행한다. 이렇게 Random Access도 완료되면, 일반적인 DL/UL을 진행할 수 있게 된다.

 

Random Access for Initial Access

 처음에 할 말이 있다면, 손을 들고 발언권을 구하는 것처럼, gNB 주변에는 여러 UE가 있을 수 있기 때문에, UE도 손을 든다. 이 과정을 'Preamble을 보낸다.'라고 한다. 미리 정해져있는 64개의 preamble 중에 UE가 임의로 하나를 골라서, gNB로 쏘기 때문에 동시에 1개의 gNB에 여러 UE에서 고른 preamble이 겹칠 수도 있다. 이 경우, Contention이 발생했다고 말하기 때문에, 기본적으로 Random Access는 Contention-based다. 이런 Contention을 gNB에서 조정하기 위해 추가 절차를 거치는데 이 과정을 Contention Resolution이라 한다. Initial Access의 Random Access는 기본적으로 4개의 절차를 거친다.

 

1) UE에서 Physical Random Access Channel (PRACH)를 통해서 gNB로 RA-RNTI와 Scrambing된 Preamble을 쏜다. (Msg. 1)

2) gNB에서 Random Channel에 대한 응답으로, Random Access Response (RAR)를 전송한다. gNB에서 UE로 PDCCH를 통해 RA-RNTI로 Scrambling된 DCI를 전송한다. 이 DCI에는 PDSCH의 Scheduling정보가 들어있다. (Msg. 2)

3) UE에서는 Scheduling된 정보를 기반으로, PUSCH를 통해 메시지를 보내게된다. 이 메시지는 RRC Connection을 위해 RRC Request의 정보를 담고 있다. (Msg. 3)

4) 이제 gNB에서는 같은 Preamble로 전송한 UE가 있는지, 즉, Contention된 UE가 있는지 알 수 있기 때문에, UE에게 Contention 여부를 알려주는 Contention Resolution 메시지를 보낸다. 이 때, 제대로 RACH이 완료되었으면, UE에게 Uplink Grant를 줘서 일반적인 전송의 프로세스로 들어가게 된다. RRC의 Setup에 대한 메시지가 PDSCH로 담겨서 전송된다. (Msg. 4)

 

 이제 UE는 다른 UE와의 기본적인 눈치게임을 끝냈다. 이제 UE에서 gNB로 메시지를 잘 받았는지에 대한 대답인 HARQ ACK/NACK 메시지를 보내고, NAS layer를 통해 AMF로 등록 (Registration)해달라는 요청을 한다. 이후, NAS Layer를 통해 Authentication (인증)과 Security (보안) 절차를 거치고, AMF에서 UE로 Registration Accept이 되었다는 메시지를 보낸다. 이 때, RRC reconfiguration이 이루어지고, UE에서 gNB로 RRC reconfiguration Complete / Registration Complete Message를 보내며, Cell 안에서 본격적으로 Data를 주고받는다.

 

 정리하면, gNB에서 DL을 위해 전송하는 SSB를 통해서, DL 기준의 Synchronization을 진행하고, UE는 MIB/SIB를 Decoding하여 Cell의 정보들을 수집한다. 수집한 정보들을 기반으로, UL 기준의 Synchronization을 진행한다. Preamble transmit을 시작으로 Random Access의 4-Step을 진행하고, NAS Layer를 통한 Registration을 마치면, Network에 들어가는 초기 Setting이 끝나게 된다. LTE의 Initial Access 글을 읽는 것도 도움이 될 것으로 보인다.

 이 과정에서 많은 Parameter들이 다양한 채널을 통해 전송되지만, 타겟팅하는 절차에 맞는 Specification을 찾아보면, 어떤 Parameter들이 있는지에 대한 정보를 얻을 수 있다.

 

Reference

[1] "NR; Base Station (BS) radio transmission and reception", 3GPP TS 38.104, Release 15, July, 2020

[2] "5G New Radio: Fundamentals, Procedures, Testing Aspects", Meik, Kottkamp, et al., rohde-schwarz, 2019.