[5G] NR Initial Access: (1) Cell Search

---

Initial access는 단말이 망에 접속하기 위해 맨처음으로 이루어지는 과정입니다. NR이 연결된 구조인 SA와 NSA 모드에 따라 initial access 방법이 다르지만 NR SA 기준으로 정리해보도록 하겠습니다. Initial access는 cell search부터 random access까지의 과정을 나타냅니다.

 

Figure 1. Initial access 절차

Cell Search

Cell search 과정은 단말이 주변의 셀을 찾고 셀의 PCI (physical cell ID)를 획득하는 과정입니다. 이 과정을 통해 단말은 크게 세가지 목적을 달성할 수 있습니다.

 

• 단말 주변의 셀을 찾고 PCI를 획득
• 찾은 셀과의 DL 방향 동기 획득
• 셀 접속에 필요한 시스템 정보(system information) 획득

 

단말은 전원을 키고 처음으로 NR 망에 접속 시, 셀에 대한 아무 정보도 가지고 있지 않기 때문에 기지국이 어느 주파수에서 어느 타이밍에 신호를 보내고 있는지 알지 못합니다. 따라서 단말은 가능한 주파수 대역을 돌아가며 스캔하여 기지국이 주기적으로 broadcast하고 있는 동기 신호(synchronization signal, SS)를 찾습니다.

 

동기 신호는 서로 약속된 형태의 물리적 신호이기 때문에 단말이 사전 정보가 없어도 수신 에너지 세기가 충분하다면 검출할 수 있으며, PSS (primary SS)와 SSS (secondary SS) 두 종류가 있습니다. 동기 신호 전송의 목적은 단말의 DL 방향의 시간/주파수 동기와 PCI의 획득입니다.

 

다만 NR은 LTE보다 동기 신호가 긴 주기로 전송되고 주파수 영역 granularity가 촘촘하기 때문에, 동기 신호를 스캐닝 하는데 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 일반적인 주파수 raster인 NR-ARFCN보다 간격이 넓은 GSCN (global synchronization channel number)이라는 새로운 주파수 raster를 정의하여 동기 신호에 탐색에 걸리는 시간을 줄일 수 있습니다.

 

단말은 주파수 대역들을 스캔하다 PSS를 검출하면 해당 셀과의 주파수 동기를 맞출 수 있습니다. 그리고 단말은 PSS를 이용해 SSS 전송 타이밍을 알 수 있고, PSS와 SSS를 모두 검출하면 단말은 셀과의 DL 방향의 시간, 주파수 동기를 맞출 수 있게 됩니다. 또한 기지국은 PCI에 따라 PSS, SSS를 다른 형태로 생성하기 때문에, 단말은 동기 신호 검출을 통해 PCI를 얻어 수신된 동기 신호가 어떠한 셀로부터 전송되었는지 알 수 있습니다.

 

Figure 2. SSB 구조

NR의 특징으로는 PSS, SSS와 함께 PBCH를 SSB (SS/PBCH block)라는 하나의 단위로 묶어서 전송합니다. 기지국은 PBCH를 통해 MIB (master information block)를 broadcast 하는데, MIB는 단말이 최초로 획득하게 되는 시스템 정보입니다.

 

MIB는 구조적으로 많은 정보를 담을 수 없기 때문에, 기본적인 대역폭 정보와 다음 시스템 정보인 SIB1 (system information block 1) 수신을 위한 정보를 주로 포함하고 있습니다. SIB1은 MIB와 다르게 PDSCH로 전송되기 때문에 수신을 위해선 전송 위치에 대한 추가적인 정보들이 필요하기 때문입니다.

 

또한 MIB에는 cell access 금지를 위한 필드가 있어서 cell barred로 표시되어 있으면 해당 셀로의 접속이 불가능하게 됩니다. NR은 LTE와 다르게 빔 기반 설계가 들어갔기 때문에, 전체 셀 커버리지로 broadcast 되어야하는 SSB와 SIB1은 모든 빔방향으로 스위핑되어 반복 전송되는 특징이 있습니다.

 

Cell Selection

단말 주변에는 하나가 아닌 여러 셀들이 존재할 뿐만 아니라, 가입되지 않는 사업자의 셀들도 존재합니다. 따라서 앞서 idle 상태 단말이 검출한 SSB가 가입된 사업자의 망으로부터 전송되었는지, 접속하기에 적절한 셀인지를 판단하는 과정이 필요한데 이를 cell selection이라고 합니다.

 

이를 위한 정보들은 SIB1을 통해 전송됩니다. SIB1는 160 ms의 주기로 반복 전송되는데 random access를 위한 정보, PLMN, cell selection 정보, OSI (other system information) 수신을 위한 정보 등을 가지고 있습니다.

 

Figure 3. Cell search와 cell selection 과정

단말은 SIB1를 통해 가입된 PLMN이 맞는지 먼저 확인합니다. PLMN은 SKT, KT, LGU+와 같이 통신사마다 고유하게 부여되는 식별자입니다. 이후 수신한 신호 세기를 기준으로 접속하고자 하는 셀이 cell selection 기준을 통과하였는지 확인합니다. 만약 이 과정에서 단말이 접속할 수 있는 셀이 아니라고 결정되면 다시 주파수 대역을 스캔하여 다른 셀을 찾게 됩니다.

 

Cell selection이 완료되면 단말은 획득한 SIB1을 바탕으로 UL 방향 동기를 맞추고 셀에 접속하기 위한 random access 절차를 진행하게 됩니다. Random access 과정은 이어지는 포스팅에서 정리해보도록 하겠습니다.

 

References

[1] E. Dalman et al., 5G NR The Next Generation Wireless Access Technology, Elsevier, 2018.

[2] M. Kottkamp et al., 5G New Radio: Fundamentals, Procedures, Testing Aspects, Rohde & Schwarz, 2018.

[3] http://sharetechnote.com/html/5G/5G_Phy_Synchronization.html

[4] https://www.techplayon.com/5g-nr-cell-search-and-synchronization-acquiring-system-information

---

5G NR 스터디의 다른 글 목록

• 5G 통신과 NR 기술
• 5G 표준화 과정과 3GPP NR Timeline
• NR 전송 구조: (1) Numerology
• NR 전송 구조: (2) Time-Domain 구조
• NR 전송 구조: (3) Frequency-Domain 구조
• NR MIMO: (1) Antenna Port
• NR MIMO: (2) QCL (Quasi-Colocation)
• NR Initial Access: (1) Cell Search
• NR Initial Access: (2) Random Access

 

---

오타나 잘못된 부분 있으면 댓글 부탁드립니다. 도움이 되셨다면 공감 눌러 주시면 감사하겠습니다 :)