11장. 엑세스 절차

※ 4G LTE-Advanced Pro and The Road Road to 5G 한국어 판 내용을 바탕으로 정리한 것입니다.

 

 

★데이터를 전송하기 이전에 단말은 우선 네트웍에 접속해야 한다.★

따라서 이번 장에서는 단말이 네트웍으로 접속하는 방법에 대해 알아보자.

 

 

 

Acquisition 및 셀 탐색

 

단말은 LTE 네트웍과 통신하기 이전에

① 네트웍 내의 셀을 찾고 셀과의 동기(timing)를 획득하고,

*셀: 하나의 기지국이 포괄하는 지역

② 셀 내에서 통신을 하며 적절하게 동작하는 데 필요한 정보인 셀 시스템 정보를 수신 및 디코딩 해야한다.

 

 

 

LTE 셀 탐색 개요

 

단말은

① 처음에 전원을 켜고 최초로 시스템에 접속할 때

(단말이 RRC_IDLE 모드일 때) → 셀 재선택

② 이동성을 지원하기 위해 이웃하는 셀에 대하여 지속적으로 동기를 찾고 수신 품질을 추정할 때

(단말이 RRC_CONNECTED 모드일 때) → 핸드오버

셀 탐색을 수행해야 한다.

 

★셀 탐색을 통해 단말 및 네트웍은

① 셀에 대한 주파수 및 심볼 동기를 획득하고

② 셀의 프레임 동기 즉, 하향링크 프레임의 시작 시점을 획득하고

③ 셀의 물리 계층 셀 ID를 결정한다.★

*물리 계층 셀 ID: 각 그룹 당 3개의 ID가 있는 168개의 셀 ID그룹으로 이루어져 있으며,

각 셀 ID는 하나의 특정한 하향링크 reference 신호 시퀀스와 대응된다.

 

셀 탐색을 위해 네트웍은 각 하향링크 component 반송파에 2개의 특수한 신호인 PSS와 SSS를 전송한다.

SSS는 항상 PSS보다 앞에 전송되나,

FDD/TDD에 따라 프레임 내 동기신호의 시간 영역 상의 위치는 달라진다.

*위치: 프레임 내의 몇번째 슬롯, 몇번째 심볼에 전송할 것인가?

따라서 PSS/SSS 동기신호의 위치를 통해 반송파의 duplex 방식을 알아낼 수 있다.

 

 

FDD 및 TDD 경우의 시간 영역에서의 PSS, SSS 위치

 

그럼 이제 위에서 말한 PSS와 SSS가 무엇인지 알아보자.

 

PSS(Primary Synchronization Signal):

PSS는 길이가 63인 Zadoff-Chu 시퀀스이며

한가운데 부반송파를 제외하고, 양 끝에 각각 5개의 0이 붙어

총 72개의 자원 엘리먼트를 점유한다.

이 때, 이 자원 엘리먼트는 DL-SCH 전송에 사용되지 않는다.

 

한 셀 내에서 한 프레임 내의 두 PSS는 서로 동일하며

한 셀의 PSS는 셀의 물리 계층 셀 ID에 따라 3개의 서로 다른 값을 가질 수 있다.

따라서 하나의 셀 ID 그룹 내 3개의 셀 ID는 각각 서로 다른 PSS에 대응된다.

 

단말은 셀의 PSS를 검출하여

① 셀의 5ms 타이밍과 PSS 대비 고정적인 오프셋만큼 앞에 있는 SSS의 위치를 알게 되며

② 셀 그룹 내의 셀 ID에 대해 알게 된다.

 

PSS의 정의 및 구조

 

 

SSS(Secondary Synchronization Signal):

SSS는 PSS와 동일하게 72개의 자원 엘리먼트를 점유한다.

 

한 셀 내에서 한 프레임 내의 두 개의 SSS(SSS1, SSS2)에 대한 값이 다른데,

두 개의 SSS는 168개의 서로 다른 셀 ID 그룹에 대응하는 168개의 가능한 값들의 집합으로부터 취해져야 하며

하나의 SSS만을 수신하여도 프레임 타이밍을 알아내기 위해 각각의 SSS에 적용 가능한 값들은 서로 달라야 한다.

 

따라서 단말은 셀의 SSS를 검출하여

① 프레임 타이밍 즉, 찾아낸 두 PSS 중 어느것이 진짜 프레임의 시작인지를 알 수 있으며

② 셀이 속한 셀 ID그룹을 알 수 있다.

 

SSS의 정의 및 구조

 

 

단말이 프레임 타이밍과 물리 계층 셀 ID를 획득하면

해당하는 셀-특정 reference 신호가 무엇인지를 알 수 있는데,

만일 최초 셀 탐색(RRC_IDLE 모드)인 경우: reference 신호는 BCH 전송 채널의 디코딩에 사용되며,

*BCH: Broadcase Channel

이동성을 위한 특정(RRC_CONNECTED 모드)인 경우: 단말은 reference 신호의 수신 전력을 측정한다.

만일 측정값이 설정된 조건을 만족할 경우,

단말은 네트웍으로 RSRP(reference signal received power) 측정 보고를 전송하고,

네트웍은 이를 바탕으로 핸드오버를 해야 할지의 여부, component 반송파 관리에 사용한다.

참고로 여기서 component 반송파 관리란 추가적인 component 반송파를 설정해야 할지,

혹은 primary component 반송파를 재설정해야 할지의 여부를 결정하는 것을 뜻한다.

 

 

 

시스템 정보

 

셀 시스템 정보는 네트웍에 의해 반복적으로 브로드캐스팅되는,

셀 접속 및 특정 셀 내에서 적절하게 동작하기 위하여 알아야하는 정보로써

- 하향링크 및 상향링크 셀 대역폭

- TDD의 경우, 하향링크/상향링크 설정

- 랜덤엑세스 관련 세부 파라미터

- 상향링크 전력 제어 등의 정보가 포함되어 있다.

 

LTE에서는

① 제한된 양의 시스템 정보인 MIB(Master Information Block)가 BCH를 이용하여 전송되거나

② 시스템 정보의 주요 부분인 서로 다른 SIB(System Information Block)는 DL-SCH를 이용하여 전송된다.

참고로 MIB와 SIB의 시스템 정보는 모두 BCCH 논리 채널에 해당된다.

 

 

 

MIB 및 BCH 전송

 

MIB는 DL-SCH를 이용해서 제공되는 나머지 시스템 정보를 받는데 반드시 필요한 정보로써,

- 하향링크 셀 대역폭에 대한 정보

- 셀의 PHICH(Physical HARQ Indicator Channel) 설정에 대한 정보:

PDCCH 상의 L1/L2 제어 시그널링을 수신하기 위해 필요한 정보이며,

이 PDCCH 정보는 DL-SCH 상으로 전송되는 나머지 시스템 정보를 획득하기 위해서도 필요하다.

- BCH 디코딩으로 얻어낼 수 있는 2개의 LSB를 제외한 SFN(System Frame Number)가 포함되어 있다.

 

MIB는 향후 릴리즈의 추가적인 정보를 위한 남겨둔 10비트가 있으며,

오버헤드를 줄이기 위해 24비트가 아닌 16비트의 CRC를 사용한다.

또한 BCH 전송 블록의 크기가 작기에 1/3 코딩률의 tail-biting 콘볼루셔날 코딩을 사용한다.

채널 코딩 이후에는 rate matching, 비트 단위 스크램블링, QPSK 변조가 수행된다.

*콘볼루셔날 코딩: 여기선 옛날 코딩 이론임만 확인하고 넘어가자.

*rate matching: coded transport block size가 spreading 절차에 의해 같은 크기로 만들어질 수 있도록 하는 과정

즉, rate matching 이후에는 bit rate와 channel bit rate가 같아진다.

 

BCH의 다중 안테나 전송은 송신 다이버시티로 제한되며,

하나의 BCH 전송 블록은 4개의 연속된 프레임에서 각 프레임의 첫번째 서브프레임에 매핑된다.

따라서 채널 상태가 좋은 단말은 단 하나의 서브프레임만을 수신하여도 BCH를 디코딩할 수 있으나

채널 상태가 좋지 않은 단말은 여러 개의 서브프레임을 수신하여야 한다.

 

참고로 BCH를 수신할 때, 단말이 하향링크 셀 대역폭을 모를 수도 있기에

한가운데 72개의 부반송파로 전송을 제한한다.

 

 

 

System Information Block

 

DL-SCH를 사용하여 전송되는 정보로써

SI-RNTI로 표시된 PDCCH 전송을 통해 시스템 정보의 존재 여부를 알려준다.

*SI-RNTI: System Information Radio Network Temporary Identifier

일반적인 DL-SCH 전송을 위한 스케줄링 할당을 제공하는 PDCCH와 마찬가지로

이 PDCCH 역시 시스템 정보 전송에 사용되는 전송 포맷과 물리 자원(자원 블록)들을 알려준다.

 

LTE는 셀이 지원하는 기능에 따라 여러 종류의 SIB를 전송한다.

 

SIB1. 주로 단말이 해당 셀을 이용할 수 있는 지의 여부에 따라 관련된 정보를 포함한다.

TDD의 경우, 하향링크/상향링크에 대한 서브프레임의 할당 및 특수 서브프레임의 설정에 대한 정보를 포함한다.

또한 SIB1은 나머지 SIB들의 시간 영역 상의 스케줄링에 대한 정보를 가지고 있으므로 필수적이다.

SIB2. 단말이 셀에 접속하기 위해 필요한 정보들인

상향링크 셀 대역폭, 랜덤엑세스 파라미터, 상향링크 전력 제어와 관련된 파라미터 등을 포함한다.

SIB3. 셀-재선택과 관련된 정보를 포함한다.

SIB4-SIB8. 이웃하는 셀에 관련된 정보를 포함한다.

SIB9. home eNodeB의 이름을 포함한다.

SIB10-SIB12. 지진 경보와 같은 공공 경보의 메시지를 포함한다.

SIB13. MBMS(Multi Broadcase Multi Service) 수신을 위해 필요한 정보들을 포함한다.

SIB14. 개선된 접속 제한을 지원하는 데 사용되며,

단말이 셀에 접속하는 것을 제어한다.

conjestion 시스템 즉, 시스템 부하와 관련이 있다.

SIB15. 인접한 반송파 주파수의 MBMS 수신에 필요한 정보를 포함한다.

SIB16. GPS 시간과 UTC(Coordinated Universal Time) 관련 정보를 포함한다.

SIB17. LTE와 WLAN 사이의 상호연동에 관한 정보를 포함한다.

SIB18-SIB19. 단말 간 직접 통신을 위한 sidelink에 관련된 정보를 포함한다.

SIB20. 단일 셀 point-to-multipoint에 관련된 정보를 포함한다.

 

MIB와 비슷하게 SIB도 반복적으로 브로드캐스트된다.

일반적으로 낮은 번호의 SIB는 높은 번호의 SIB에 비하여 시간에 좀 더 민감하므로 좀 더 자주 전송된다.

 

서로 다른 SIB는 서로 다른 SI메시지로 매핑되는데

SIB1은 항상 첫번째 메시지인 SI-1에 매핑되며

나머지 SIB들은 동일한 전송 주기 별로, 전송 블록 별 전송 가능한 비트 수를 고려하여 그룹화된다.

SIB별 전송 주기는 네트웍에 따라 달라지며

SIB별 전송 주기와 매핑에 관한 정보는 SIB1이 제공한다.

 

SIB에서 SI로의 매핑의 예

 

SI-1은 항상 서브프레임 5번에서 전송된다.

SI-1을 제외한 각 SI에 대한 시간 윈도우의 시작 지점과 기간은 유연하며,

이에 관한 정보 역시 SIB-1에서 제공된다.

MIB와 마찬가지로 단말의 채널 상태가 좋다면 서브프레임의 일부만을 수신한 뒤에도 전체 SI를 디코딩할 수 있으며,

그렇지 않다면 단말은 SI의 적절한 디코딩을 위하여 더 많은 서브프레임을 수신해야할 필요가 있다.

더 적은 서브프레임을 수신하는 것은

① 단말의 전력 소모를 줄일 수 있으며

② 큰 코드 블록의 형태로 터보 코딩을 사용함으로써 채널 코딩 이득을 증가시킨다는 장점이 있다.

 

CA를 지원하는 단말에 대해서는

PCC에서 얻어진 정보가 SCC에서도 유효하다고 가정하며,

SSC에 대한 별도의 시스템 정보는 지정된 RRC 시그널링을 통하여 제공된다.

여기서 시그널링을 사용하는 이유는 SCC를 빨리 활성화시키기 위함인데,

시스템 정보를 읽는 방식은 단말이 관련 시스템 정보가 모두 전송될 때까지 기다려야 하기 때문이다.

*PCC: primary component carrier

*SCC: secondary component carrier

 

 

 

랜덤엑세스

 

랜덤엑세스는 네트웍과의 연결 설정을 요청하는 과정으로

아래의 목적을 위해 수행된다.

 

- 초기 접속으로서 무선링크를 형성하려는 목적

- 무선링크 실패 이후 무선링크를 재형성하려는 목적

- 핸드오버에서 새로운 셀과 상향링크를 동기화하려는 목적

- 단말이 RRC_CONNECTED 상태에 있으나 상향링크는 동기화되지 않았을 때,

상향링크 혹은 하향링크 데이터가 도달하는 경우 상향링크를 동기화하려는 목적

RRC_CONNECTED 상태에서 어떤 이유로 인해 동기가 깨진 상태를 의미한다.

- 상향링크 측정을 기반으로 위치를 측정하려는 목적

- PUCCH 상으로 지정된 스케줄링 요청 자원이 없는 경우에 스케줄링을 요청하려는 목적

 

여러 목적들 중 상향링크 동기(timing)을 획득하는 것이 랜덤엑세스의 가장 중요한 목적 중 하나이다.

만일 동기화되지 않는다면 서로 data를 전송하는 것이 불가능하기 때문이다.

또한 단말의 유일한 식별자인 C-RNTI를 할당하는 것도 랜덤엑세스의 중요한 목적 중 하나이다.

 

랜덤엑세스는 목적에 따라 경쟁-기반, 비경쟁-기반 방식이 사용될 수 있다.

 

경쟁-기반. contention-based 방식: 앞서 설명한 모든 목적에 사용할 수 있으며

하나의 프리앰블을 여러 단말이 함께 사용하는 경우이므로

아래의 4단계를 모두 수행해야 한다.

*프리앰블: 두 개 이상의 시스템 간에 전송 타이밍을 동기화하기 위해 사용되는 신호 

 

비경쟁-기반. contention-free 방식: 하향링크 데이터 도착에 따른 상향링크 동기를 다시 형성하는 경우,

SCC의 상향링크 동기, 핸드오버, 포지셔닝에만 사용할 수 있으며

프리앰블이 단말에 전용으로 할당되어 있어 충돌가능성이 없으므로

아래의 4단계 중 2단계까지만 사용한다.

*포지셔닝: 위치 추적 기술

 

1단계. 단말이 랜덤엑세스 프리앰블을 전송한다.

즉, 기지국에 랜덤엑세스 시도가 있음을 알리고, 기지국이 단말과 기지국 사이의 지연을 추정할 수 있도록 한다.

 

2단계. 랜덤엑세스 시도에 대한 응답으로 다음과 같은 정보를 전송한다.

- 네트웍이 검출한 랜덤엑세스 프리앰블 시퀀스의 인덱스

- 랜덤엑세스 프리앰블 수신기에서 계산된 타이밍 보정값(timing correction):

네트웍은 timing advance 명령을 전송한다.

- 3단게에서 단말이 메시지 전송에 사용할 자원을 지시하는 스케줄링 승인:

상향링크 자원을 단말에 할당한다.

- 임시적인 신원인 TC-RNTI:

이후에도 충돌 가능성이 있으므로 임시 신원을 할당한다.

 

응답 메시지는 랜덤엑세스 응답을 위한 신원인 RA-RNTI를 사용하는

PDCCH에 의해 지정되는 DL-SCH 상으로 스케줄링되며

만일 단말이 시간 윈도우 내에서 랜덤엑세스 응답을 검출하지 못하면, 

랜덤엑세스 시도는 실패한 것으로 간주하고 랜덤엑세스 과정은 1단계부터 다시 반복된다.

 

2단계 이후 단말의 상향링크는 시간 동기가 맞춰지게 된다.

 

3단계. 단말이 자신의 신원을 네트웍으로 전송한다.(신원 식별)

데이터 스케줄링과 유사한 방식으로 UL-SCH를 사용하여 전송된다.

이 때, eNodeB에서 필요한 랜덤엑세스 관련 상향링크 메시지를 함께 전송하게 되는데,

이를 프리앰블과 함께 전송하지 않고 따로 전송하는 이유는

① 동기가 확보되지 않은 상태에서의 데이터 전송은 큰 보호 구간을 필요로 하여 오버헤드에 관한 비용이 증가하고,

② 자원 크기와 변조 방식 등을 서로 다른 무선환경에 따라 적절하게 적응시킬 수 있으며,

③ 이를 통해 소프트 컴바이닝을 수반한 HARQ를 사용할 수 있기 때문이다.

 

4단계. 네트웍이 단말에게 경쟁 해소 메시지를 DL-SCH상으로 전송한다.(경쟁 해소)

동일한 랜덤엑세스 자원을 사용하여 시스템에 접속하려하는 복수 개의 단말은 동일한 임시신원을 가지고 있으므로

단말이 다른 단말의 신원을 잘못 사용하는 일이 없도록 경쟁을 해소해준다.

 

4단계까지 모두 끝나면 단말은 C-RNTI를 할당받게 된다.

 

참고로 네트웍도 랜덤엑세스 시도를 시작할 수 있는데,

이 경우에는 RRC 시그널링 혹은 소위 PDCCH order가 사용된다.

*PDCCH order: 비경쟁-기반 랜덤엑세스의 경우 언제 랜덤엑세스 절차를 시작할 것인지,

어떤 프리앰블을 사용할 것인지에 대한 정보를 담고 있다.

 

CA의 경우 단말은 PCC에만 랜덤엑세스를 수행할 수 있으며,

secondary timing advance 그룹에 대해서는 상향링크 시간 정렬을 수행할 수 있다.

 

 

 

페이징

 

페이징(paging)은 단말이 RRC_IDLE에 있을 때 network-initiated 연결 설정이나

RRC_IDLE 및 RRC_CONNECTED 모드에 있는 단말에 시스템 정보가 바뀌었음을 알려주는 데 사용된다.

페이징 주기(paging cycle)에 따라 미리 정해진 구간에만 깨어있고 나머지 시간에는 sleep하는데,

단말이 페이징에 사용되는 그룹 신원(P-RNTI)를 검출하면,

단말은 PCH상으로 전송되는 해당 하향링크 페이징 메시지를 처리하며

자신의 신원을 찾기 못한 단말은 수신된 정보를 폐기하고 DRX 주기에 따라 sleep한다.

 

네트웍은 단말이 깨어나서 페이징을 들어야하는 서브프레임을 설정하는데 이는 셀별로 설정된다.

IDLE 모드의 단말은 아직 C-RNTI를 할당받지 않은 상태이므로 신원은 IMSI가 사용되며

서로 다른 단말은 서로 다른 IMSI를 가지고 있으므로 서로 다른 페이징 인스턴스가 계산된다.

*IMSI(International Mobile Subscriber Identity):

국제 모바일 가입자 구별자로 LTE망이 가입자를 식별할 수 있는 파라미터이다.

 

참고로 페이징을 위해 사용되지 않은 자원은 데이터 전송에 사용할 수 있으며,

단말 입장에서 짧은 페이징 주기는 전력 소모를 증가시킨다.

 

 

 

셀 바링

 

셀 바링은 네트워크가 혼잡할 때, '누구를 얼마나 못 쓰게 할 것인가?'에 관한 것이다.

서비스의 우선순위에 따라 결정하거나,

랜덤으로 정해지는 바링 factor를 통해 우선순위가 결정된다.