LTE Network의 Initial Access 절차

5G의 Initial Access를 다루기 전에, LTE의 Initial Access부터 시작하는 것이 좋을 것 같다. 특히, 현재의 Non-StandAlone 5G 시스템에서는 LTE도 큰 역할을 차지하기 때문에도 그렇고, 5G의 Initial Access를 이해하는 과정에서 LTE의 기본 구조를 알고 있는 것이 좋겠다는 생각을 했다. 

 

LTE Cell Search & Selection

Initial Access는 처음 전원을 켜서 망에 접속하는 것부터 시작한다. 딱 전원을 키면, 가장 먼저 해야 할 일은, 자신과 통신이 가능한 Cell을 찾고 정보를 가지고 오는 것부터 시작하는데, 이걸 Cell Search라고 한다.

 스마트폰을 사면 'Universal Subscriber Identity Module (USIM)'이라는 것을 끼워주는데, USIM에 미리 정의되어 있는 EUTRA absolute radio frequency channel number (EARFCN)라는 주파수 대역 번호의 우선순위에 따라서 해당 주파수 대역을 돌며, Frequency Band를 Scanning 한다. EARFCN은, 표준에 정리되어 있는, 인접 Cell간의 주파수 간섭을 줄이기 위해, 나눠놓은 대역폭에 붙은 주파수 대역 번호를 의미한다. 어느 주파수대역부터 Cell Search를 할지 정했으면, 인접 Channel과의 거리 단위를 의미하는 100 kHz의 Channel Raster라는 주파수 주기로, Searching을 시작한다. LTE에서는 SS block이 Carrier Frequency 가운데에 있기 때문에 NR보다 찾기 쉽다.

Channel Raster이라는 Step-Size만큼 건너뛰면서 Downlink의 Receive Power를 측정해서 Sync signal이 있을 후보 대역을 찾는다. 만약 해당 EARFCN의 주파수 대역에서 Sync Signal을 찾지 못하면, USIM에 있는 EARFCN 순서대로 돌면서 Cell을 찾을 때까지 이를 반복한다. 여기서, Cell을 찾았다의 기준은 'Received Signal Strength Indication(RSSI)를 측정하고, Physical Cell Identity (PCI)를 Decoding할 수준일 때' 다음 스텝으로 넘어간다. LTE에는 504개의 PCI가 있다.

Cell Search를 위해, EARFCN으로 찾을 대역을 먼저 선정하고, Channel Raster이라는 Step-Size만큼 건너뛰면서 Downlink의 Receive Power를 측정해서 Sync signal이 있을 후보 대역을 찾는다. 

 LTE에서는  PSS, SSS라는 Sync Signal이 5ms (1 frame에 2번) 주기의 시간축으로, 6 RB (6 x 12 sub-carier x 15 kHz= 1.08 MHz)의 주파수 축에서 전송되기 때문에, Time-Frequency의 Sync를 모두 맞출 수 있게된다. 이렇게 Sync를 맞춘 Cell이 Selection 되었으면, 해당 Cell에게서 Cell의 정보를 받아 올 차례다.

 

System Information Acquistition (MIB, SIB)

대략적인 MIB와 SIB에 대한 설명은 5G의 Initial Access에서도 언급했지만, Master Information Block (MIB)는 Cell의 몹시 중요한 정보, System Information Block (SIB)도 그것보다는 덜하지만 중요한 정보라고 했다. 조금 더 자세하게 어떤 정보를 담고 있는지 보면, MIB는

• Downlink System의 Bandwidth
• HARQ의 ACK/NACK를 보내기 위한 별도의 Physical Downlink Channel (PHICH)의 Configuration
• eMTC에 쓰이는 SIB type1의 Repetition
• System Frame Number (SFN)의 상위 8bit (MSB)

SFN와 PBCH의 80 ms 주기를 통해, UE는 SIB 1이 어느 Radio Frame에 있는지를 알 수 있는데 SIB 1에 UE가 Cell에 Access 하기 위한 추가 정보들이 많이 들어있다. 만약 이 과정에서, UE가 Cell Selection Criterion 'S'라는 것을 계산해서, 상태가 신통치 않으면, Cell을 바로 Re-selection 할 수 있도록 한다.

 MIB 1과 SIB 1은 Cell에 있어서 몹시 필수적인 정보를 담고 있는데, 이외에도 25개의 SIB들이 있다. 이 때, MIB 1과 SIB 1는 주기성을 가지고, Broadcast 된다. 이외의 SIB 중 일부는 System Information (SI)이라는 Group으로 묶여서 하나의 period time window 주기로 전송되는데 SI의 맨 앞에 SIB 2가 위치한다.

MIB 1, SIB 1, 2는 initial LTE access에 몹시 중요한 parameter들을 갖고 있기 때문에 UE는 이 3가지를 받아야, DL, UL, LTE에 Register하는 것이 가능해진다.

 SI의 Physical Resource Block (PRB)를 알기 위해, UE는 SI-RNTI를 가지고, PDCCH를 monitoring 한다. (Radio Network Temporary Identifier (RNTI)는 5G의 RNTI에서 조금 더 자세하게 설명해놓았다.) SI-RNTI로 PDCCH를 찾다 보면, Downlink Control Indicator (DCI)를 찾을 수 있는데, DCI가 SI와 MCS에 대한 정보를 갖고 있는 PDSCH의 Resource block을 알려준다. (DCI에 대한 내용도 5G의 DCI에서 설명해놓았다.) 

PDSCH에 있는 PRB를 Decoding하면, UE는 SIB 2를 포함해 SI에 들어있는 Information을 최종적으로 획득할 수 있다.

 여기서 한 가지 더 주목해야 하는 점은, 3GPP Release 15에서 SIB 2에 추가된 Parameter로, 5G NSA에 몹시 중요한 요소다. PLMN-INfo-List-r15라는 parameter가 이 Cell이 EN-DC를 지원하는 Cell인지, 아닌지를 알려주는 요소다.

즉, LTE에서는 SIB 2를 열어보면 이 Cell이 EN-DC, 즉, 5G NR의 NSA모드를 지원하는지 여부를 알 수 있다.

 

LTE Initial Access

 이제, UE는 Cell에 Access하기 위한 준비를 마쳤다. 지금까지는 UE가 일방적으로 Cell의 정보를 받아들이기만 했다면, 이제는 Cell에 자신을 연결시켜달라고 말할 차례다. UE가 Cell에 Initial Access를 할 때는, 아직 Cell이 지정해주는 타이밍에 보내기 위한 약속을 하지 않았기 때문에, Random Access를 통해 통신을 시작한다. Random Access는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, UE 간의 Collision이 있을 수 있는 Contention-based 방식과 Collision이 없는 Contention-free 방식이 있다.

Initial Access에서는 아직 UE와 Cell간의 어떤 약속도 되어있지 않기 때문에 Contention-based이지만, 나중에 다룰, 다른 Cell로 Connection을 넘겨주는 Handover에서는 Contention-free방식이 사용된다. Initial Access에 사용되는 Contention-based 방식은 UE의 Preamble transmit을 시작으로 4-step으로 이루어진다.

 

STEP 1.

UE가 이미 정해진 64개의 Preamble이라는 Sequence를 Random하게 뽑아 Message 1을 전송한다. 하지만 64개 중에서 일부는 이미 Collision-free Random Access를 위해 Reserved 되어 있다. 이와 관련하여, SIB 2에서 사용할 수 있는 Preamble 종류를 지정해준다. 이때, 다른 UE가 같은 Preamble을 뽑아서 보내면, Collision이 발생하게 된다. FDD의 경우에는 기본적으로 800 us, 1.25 kHz의 sub-carrier spacing을 사용하고, TDD의 경우에는 4096 x Sampling Period, 7.5 kHz의 sub-carrier spacing을 갖는다.

UE에서 transmit 하는 preamble의 power도 SIB 2를 통해 알 수 있다. 우선, SIB 1에 담겨서 오는 Cell에서 허용하는 최대 Power 정보 P_cmax와 eNB가 기대하는 receive Power를 고려한 Transmit Power (P_e) 중에 작은 값을 고르게 된다. 즉, P_transmit = min(P_cmax , P_e)다. 하지만, P_e는 Path loss를 고려해서 UE가 계산해야 하는데, 이를 위해 Reference Signal Received Power (RSRP)가 사용된다.

 Cell이 보낸 Reference Power와 UE가 받은 Receive Power를 비교해서 사이에 있는 Path loss 상태를 알아낼 수 있다. 이 때, Reference Power를 SIB 2에 담아서 보낸다. 참고로 Reference Signal에 대한 내용은 5G Reference Signal에 조금 더 자세히 설명되어 있지만 LTE와 5G에서는 Reference Signal에 변화가 조금 있었으니  참고하면 좋을 것 같다. 추가적으로, 이어지는 STEP에서 연결이 제대로 이루어지지 않으면, Power를 조금씩 증가시켜 나간다.

Preamble에 Identification을 위해 RA-RNTI가 Scrambling되어 전송된다는 점도 중요한 포인트 중 하나다.

 

STEP 2.

UE가 Preamble을 보냈으니, Cell도 이에 대한 대답을 해야할 차례다. 이 과정을 Random Access Response (RAR)라고 하는데, 이 메시지를 Message 2라고도 한다. RA-RNTI를 통해 Scrambling 되어 있는, DCI를 통해, RAR가 스케쥴링된다. 또한, 1개의 Base station에 여러 UE가 Random Access 할 수 있기 때문에 MAC Layer에 여러 RAR가 포함될 수 있다. RAR에는 앞으로 보낼 UE의 Uplink PUSCH 정보, MCS 등이 담겨서 내려간다.

Message 2에는 Time Advance (TA)라는 정보도 담기는데, UE에게 Uplink 타이밍을 얼마나 조정해야하는지 알려주는 요소다. UE가 보낸 Preamble이 하늘을 날아오면서 발생하는 Propagation time을 고려했을 때, 미세한 시간 조정을 해주는 단계다.

 

STEP 3.

STEP 1에서 UE가 Base station으로 보내는 preamble과 비교했을 떄, STEP 3에서는, 본격적으로 Base station에서 지정해준 PUSCH, MCS, Grant 등을 활용해서 안정적으로 UE-Specific 한 정보 (message 3)를 보낸다. 가장 중요한 것은 Layer 3의 RRC Layer에서 관장하는 RRCConnection Request라는 Message다. (Layer에 대한 내용은 5G의 Layer 글들을 참고하면 좋을 것 같다.) RRCConnection Request는 Signal Radio Bearer 0 (SRB 0)로 Common Control Channel을 통해 전송된다. Bearer는 쉽게 말하면, Priority나 Channel 특성 등을 고려한 paramter 값들의 Setting으로 인해 생기는 전송 통로 같은 느낌이다. 여러 종류의 Bearer가 있지만, UE와 Base station의 Bearer를 Radio Bearer라 하고, Control Message와 관련된 SRB, 일반 Data를 위한 Bearer인 Data Radio Bearer (DRB)가 있다. SRB는 RRC 정보를 보내는 용도로 쓰인다. LTE에서 1개의 UE는 일반적으로 3개의 SRB와 8개의 DRB를 갖는다.

 

STEP 4.

Base Station은 UE가 자신을 Cell의 UE로 연결해달라는 요청을 받고, RRCConnectionSetup, message 4을 보냄으로써, 4가지 Step을 완료하게 된다. 만약 UE가 message 4를 받지 못했다면 다시 STEP 1의 Preamble 전송 단계부터 시작한다. message 4를 받지 못할 때는 보통, Preamble이 겹쳤을 때이기 때문에, message 4를 시간 내에 받으면 Contention Resolution이 되었다고 표현한다. 이 '받지 못했다'의 기준을 위한 TIMER의 길이도 SIB에서 전송될 수 있다. 

이렇게 STEP 4까지 끝나면 UE는 연결이 되어있지 않은 RRC_IDLE 상태에서 RRC_CONNECTED 상태로 바뀌게 된다.

 

Initial Attach

UE가 Base Station에서 보낸 message 4를 받으면, message 4를 잘 받았다는 의미로, RRCConnectionSetupComplete라는 메시지를 보낸다. 그러면 Base station은 드디어, LTE의 Core 망인 EPC로 연결을 시켜준다. EPC에서 Mobility를 담당하는 Mobile Management Entity (MME)에 S1이라는 Signal을 보내서, UE와 MME를 연결시켜준다.

따라서, UE-Base Station-MME로 이러지는 통로가 만들어지고, S1AP라는 message를 통해, 통신하게 된다. 이 message에 UE의 Capability와 ID (IMSI)를 넣어서 보내게 된다. Core망과의 연결은 Authentication (인증), Security (보안)과 관련된 복잡한 프로토콜이 있지만, 이 부분은 추가로 공부를 하여서, 별도의 페이지에서 정리하도록 한다.

 

정리

 초반에 밝혔던 바와 같이 LTE의 Initial Access를 이해하는 것은 5G NR의 Initial Access를 이해하는데 큰 도움이 될 것이라고 생각한다. 특히, 전체적인 구조가 바뀐다기 보다는, 세부적인 parameter이나 성능 향상을 할 기술이 추가되는 정도이기 때문에, 이를 기반으로 5G의 Initial Access에 대한 정리도 해보려고 한다.

 

[Reference]

Rohde & Schwarz의 5G New Radio 책