[NR] 5G Initial Access & RACH Procedure

5G 초기 접속 및 RACH 절차

5G NR 단독모드(SA) 초기 등록 절차 (Initial Registration Procedure)

 

1. DL: 기지국 탐색 및 동기화 (SSB 수신 및 MIB 추출)

SSB(Sync Signal Block): 기지국에서 주기적으로 수신하는 신호 블록

• UE가 기지국을 처음 발견하고 연결을 시작하기 위해 가장 먼저 수신하는 신호 묶음
• "여기 기지국이 있습니다!"를 알려주는 첫 번째 신호
• 특정 구간(SSB Burst)에 묶어서 브로드캐스팅함

Sync Signal Block

SSB(SS/PBCH Block) 구성요소

1. PSS(Primary Synchronization Signal): 시간 동기 획득 및 1차 Cell ID 결정
   • 가장 먼저 찾는 신호로 셀과의 시간, 주파수 동기를 맞출 수 있게 되고, Cell ID의 일부를 결정함
   • SSS 전송 타이밍을 알 수 있음
   • PSS 찾기 == 기지국 찾기
2. SSS(Secondary Synchronization Signal): 추가 Cell ID 정보 및 프레임 동기 획득
   • PSS 다음으로 읽는 신호로, PSS의 1차 Cell ID와 결합하여 최종 기지국 고유 번호(Physical Cell ID)를 완성할 수 있음
3. PBCH(Physical Broadcast Channel): 기지국의 기본 설정 정보를 알려줌
   • MIB(Master Information Block): 기본적인 대역폭 정보와 다음 시스템 정보인 SIB1 수신을 위한 정보를 포함
     • pdcch-ConfigSIB1: SIB1을 찾으려면 "CORESET0(제어 채널 구역)를 확인해라"라는 주파수/시간 위치 정보가 담겨있음
       
       • CORESET:  PDCCH를 전송할 수 있도록 예약해 놓은 시간·주파수 자원 영역 / 여러 개가 있을 수 있음
       • CORESET0: UE가 처음 기지국에 접속할 때 사용하는 특별한 CORESET
         • 초기 PDCCH 영역을 의미함
       • 즉, pdcch-ConfigSIB1을 통해 SSB를 기준으로 COERSET0가 어느 위치에 있는지를 알 수 있음 
     • SFN(System Frame Number)
     • SCS(Subcarrier Spacing)
   • SSB Index
4. DMRS for PBCH: PBCH 채널 추정(Channel Estimation) 지원
   • PBCH를 정확히 복조(↔변조) 하기 위한 기준 신호
     
     

PSS/SS 탐색에서 4G LTE vs 5G NR

• 4G LTE: PSS/SSS 신호가 무조건 해당 주파수 대역의 정중앙에 고정
  • UE가 Center Frequency(중간 주파수)를 찾은 뒤 주변을 스캔하는 방식
• 5G NR: 주파수 대역폭이 훨씬 넓어져 일일이 훑거나 중앙을 찾는 것이 비효율적
  
  • GSCN(Global Synchronization Channel Number): 미리 약속된 특정 주파수 좌표들만 징검다리 건너듯 듬성듬성 스캔하여 PSS를 찾아냄 (Sync Raster 개념 도입)

 

PDCCH 탐색 및 SIB 획득 절차

1. PDCCH 탐색
   • MIB의 pdcch-ConfigSIB1 정보를 이용해 CORESET0(초기 PDCCH 영역)의 위치를 찾음
   • PDCCH(Physical Downlink Control CHanel): 기지국이 UE에게 제어 정보를 전달하는 물리 채널
     • UE는 CORESET0에서 PDCCH를 모니터링함
2. DCI 수신
   • DCI(Downlink Control Information): PDCCH를 통해 전달되는 제어 정보
     • PDSCH의 위치(RB), 길이, MCS 등 PDSCH를 수신하기 위한 정보가 포함되어 있음
     • PDSCH의 위치와 읽는 방법(RB, MCS 등)을 알려주는 메타데이터
   • SI-RNTI로 암호화(Scrambling)되어 있으며 UE가 이 공용키를 사용하여 채널을 스캔해서 발견해야 함
     • SI-RNTI(System Information RNTI): 기지국에 접속하려는 모든 단말이 기본적으로 알고 있는 고정된 공용 식별자(0xFFFF)
     • RNTI(Radio-Network Temporary Identifier): 기지국과 UE가 무선 구간에서 제어 메시지의 대상을 식별하기 위해 사용하는 임시 식별자
3. PDSCH 수신
   • PDSCH(Physical Downlink Shared Channel): 기지국이 실제 데이터(SIB1, 사용자 데이터 등)를 전송하는 물리 채널
   • UE는 DCI가 알려준 위치의 PDSCH를 수신함
4. SIB1 획득
   • PDSCH에 실려 있는 SIB1(System Information Block 1)을 읽어 기지국 접속에 필요한 상세 시스템 정보를 획득

 

메모리로 비유

Memory

0x1000 ~ 0x1FFF
┌──────────────────┐
│   CORESET0       │   ← 메모리 영역
│                  │
│   PDCCH          │
│     ↓            │
│    DCI           │
└──────────────────┘

• CORESET0: PDCCH가 존재하는 영역
• PDCCH: 그 영역에 저장된 제어 채널
• DCI: PDCCH가 담고 있는 데이터
• PDSCH: DCI가 가리키는 실제 데이터(SIB1)가 있는 영역

과정 요약

1. SSB 수신
      ↓
2. PBCH에서 MIB 획득
      ↓
3. MIB를 보고 SIB1을 찾기 위한 설정을 알게 됨
      ↓
4. PDCCH에서 DCI 수신
      ↓
5. DCI가 PDSCH 위치를 알려줌
      ↓
6. PDSCH에서 SIB1 수신

----------------------------------------------------

SSB
 └─ PBCH
      └─ MIB
           └─ PDCCH를 어디서 볼지 알려줌

PDCCH
 └─ DCI
      └─ PDSCH의 SIB1 위치를 알려줌

PDSCH
 └─ SIB1
      └─ 기지국 접속 규칙이 들어 있음

PDCCH, DCI, PDSCH는 초기 접속에서만 사용하는 것이 아니라, 기지국과 연결된 이후에도 거의 모든 DL 전송에서 계속 사용된다.

 

2. DL: 시스템 정보 획득 (SIB1 수신)

• SIB1(System Information Block 1): 기지국 접속을 위한 상세 파라미터가 들어있음
  • 다음 단계인 무선 접속(RACH)을 언제(Random Access Occasion), 어떤 주파수 자원(PRACH Resource)을 사용하여 어떤 방식(Random Access Configuration)으로 접속해야 하는지 알려줌
  • 셀 선택 및 셀 재선택 정보
  • 접속 제어 정보
  • 기타 시스템 정보(SIB2 ~) 획득 방법
• UE는 SIB1의 정보를 이용하여 MSG1(PRACH Preamble)을 전송하며 Random Access(RACH)를 시작함

 

3. UL: MSG1 (PRACH Preamble)

• 단말이 기지국에 접속을 시작하겠다고 알리는 짧은 신호 시퀀스
  • UE는 SIB1에서 획득한 RACH 설정 정보(규칙)에 따라 전송
  • + 여러 Preamble 패턴 중 하나를 랜덤하게 골라 전송
    • Preamble: 통신 시스템에서 "데이터 프레임이나 패킷의 시작 부분의 특별한 비트 패턴이나 신호 시퀀스"를 의미

• UE 또한 MSG2가 자신의 응답인지 확인하기 위해서, 사용한 PRACH 자원으로 RA-RNTI를 계산해서 가지고 있어야 함

 

4. DL: MSG2 (RAR, Random Access Response)

RA-RNTI(Random Access RNTI) 계산

• 단말이 MSG1을 쏜 '시간과 주파수 위치'를 공식에 대입하여 임시 그룹 번호인 RA-RNTI를 계산
• 이를 이용해 PDCCH의 DCI를 전송하고, UE가 이를 수신할 때, 동일한 RA-RNTI로 자신의 응답인지 확인 가능
  • 다수의 UE들의 계산값이 같으면 중복 가능
• UE와 기지국에서 모두 각각 계산

PDCCH 마스킹

• 기지국은 MSG1에서 계산된 RA-RNTI로 제어 채널(PDCCH)의 DCI CRC를 RA-RNTI로 Scrambling(마스킹)하여 방송 
  • CRC(Cyclic Redundancy Check): 데이터가 전송 중 손상되었는지 확인하기 위한 오류 검출 코드 (체크섬과 유사)
  • Scrambling: UE를 구분하기 위한 기법 (인코딩/디코딩으로 UE가 보낸 정보 검증)
• 단말은 자신의 RA-RNTI로 CRC를 검사(디코딩)하여 DCI가 나를 위한 Random Access 응답인지 확인
  • 이후 DCI가 알려주는 위치의 PDSCH를 읽어 RAR 메시지를 수신

RAR 메시지 구성 요소

1. RAPID(Random Access Preamble ID): 기지국이 자신이 받은 Preamble 번호(0~63)를 알려주어, 어떤 시도에 대한 응답인지 명시
2. Timing Advance(TA): 전파가 날아오며 생긴 시간 오차를 보정해 주는 동기화 값
3. UL Grant: 단말이 다음 단계인 MSG3를 보낼 수 있도록 할당해 준 Uplink 자원(주파수/시간)
4. TC-RNTI(Temporary Cell RNTI): 기지국이 단말에게 임시로 부여하는 1:1 식별자

 

5. UL: MSG3 (RRCSetupRequest 전송)

• UE가 MSG2에서 받은 자원(UL Grant)을 사용해, 기지국에 자신의 진짜 신원을 밝히는 단계
• 단말 고유 ID + TC-RNTI 전달
  • UE는 코어 네트워크에서 할당받았던 고유 식별자(ex. 5G-S-TMSI)나, 처음 켜진 경우 임의로 생성한 40비트 난수 ID(Random ID)를 메시지(RRCSetupRequest)에 실어 보냄
  • MSG2에서 할당받은 TC-RNTI를 사용해 메시지를 전송

 

6. DL: MSG4 (RRCSetup & 충돌 해결)

• 기지국이 최종 접속을 승인하고, Preamble 충돌(Collision)을 판가름하여 정식 식별자를 확정하는 단계
  • MSG4의 DCI는 TC-RNTI로 CRC를 스크램블 하여 전송
  • MSG4 데이터(PDSCH)내에 MSG3에서 UE가 전달했던 고유 ID를 포함해서 전달

충돌 해결(Contention Resolution, CR) 메커니즘

1. 충돌 발생 상황: 단말 A와 단말 B가 MSG1에서 우연히 같은 Preamble을 보냈다면, 둘 다 MSG2에서 같은 TC-RNTI와 UL Grant를 받게 되며 MSG3를 동시에 전송하게 됨
2. 기지국의 판정: 기지국은 두 신ㄴ호 중 전파 환경이 더 좋아 정상적으로 디코딩에 성공한 단 하나(ex. 단말 A)의 MSG3만 수신
3. Echo 체크: 기지국은 MSG4(RRCSetup + MAC CE)를 전송할 때, 자신이 수신한 단말 A의 고유 ID를 MSG4 안에 그대로 복사해서 넣어 보냄
4. 단말의 판별: UE는 자신의 TC-RNTI로 DCI를 디코딩한 후, PDSCH의 고유 ID가 자신이 보낸 ID와 일치하는지 확인
   • ex) 단말 A와 B는 모두 MSG4를 수신하여 안의 고유 ID를 확인
     • 단말 A(성공): MSG3에 실어 보낸 내 ID가 MSG4에 있음
     • 단말 B(실패): MSG3에 실어 보낸 내 ID와 다른 ID가 MSG4에 담겨옴
       • 잠시 대기 후 MSG1부터 재시도

RNTI 승격 (TC-RNTI → C-RNTI)

• 충돌 해결에 성공한 단말 A는 MSG2부터 임시로 사용하던 TC-RNTI를 정식 식별자인 C-RNTI(Cell RNTI)로 승격시킴
• 이후 UE와 기지국은 이 C-RNTI를 이용해 서로를 식별하며 통신

 

5G 초기 접속 RNTI 종류

RNTI	명칭	용도
SI-RNTI	System Information RNTI	0xFFFF로 고정된 공용 식별자. SIB1(시스템 정보)이 위치한 DCI를 찾을 때 사용
RA-RNTI	Random Access RNTI	Msg1(Preamble)을 전송한 시간/주파수 자원 위치 기반 식별자. Msg2(RAR) 수신 시 사용
TC-RNTI	Temporary Cell RNTI	기지국이 Msg2에서 임시로 부여한 식별자. Msg3 전송 및 Msg4 수신 시 사용
C-RNTI	Cell RNTI	Msg4 충돌 해결 성공 후 TC-RNTI가 정식 승격된 식별자. 이후 모든 1:1 기지국 통신에 사용

 

5G NR DCI Blind Decoding

CRC Check Pass

CRC Check Fail