[5G] NR Initial Access: (2) Random Access

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이전 포스팅에서 설명했던 cell search와 cell selection이 완료되면 단말은 획득한 SIB1 정보를 바탕으로 UL 방향 동기를 맞추고 셀에 접속하기 위한 random access 절차를 진행하게 됩니다.

 

Figure 1. NR random access procedure

Random access는 CBRA (contention-based RA)와 CFRA (contention-free RA) 두가지로 구분되는데 NR NSA에서는 CFRA를 통해, 그리고 NR SA에서는 CBRA를 통해 initial access를 수행합니다.

 

CBRA (Contention-based Random Access)

Random access의 목적 중 하나는 단말이 UL 동기를 획득하는 것입니다. UL 동기는 기지국이 설정한 UL 수신 타이밍에 맞춰 단말이 신호를 보낼 수 있어야 한다는 의미입니다. 이를 위해 단말이 먼저 UL 전송을 해보고 (Msg1), 기지국이 수신 시 어긋났던 시간 오차를 TA (timing advance)로 피드백하여 (Msg2), 단말은 UL 전송을 위한 정확한 타이밍을 찾을 수 있습니다.

 

Preamble Transmission (Msg1)

먼저 단말은 ramdom access preamble를 기지국으로 전송합니다. Preamble은 길이 $L$의 Zadoff-Chu sequence $\left[x_u(1),x_u(2),...,x_u(L)\right]$를 기반으로 생성됩니다.

 

$$ x_u(i)=e^{-j \frac{\pi ui(i+1)}{L}},~~~(i=0,1,...,L-1) $$

 

또한 root index $u$에 따라 $L-1$ 개의 서로 다른 sequence (길이는 $L$)가 생성될 수 있습니다. Sequence의 길이는 short preamble의 경우 $L=139$, long preamble의 경우 $L=839$가 될 수 있습니다. 단말이 preamble을 전송하기 위해서는 다음과 같은 것들을 고려해야 합니다.

 

■ 어떤 preamble를 전송할 것인가?

단말은 여러 개의 preamble 중 임의로 하나의 preamble을 선택하게 됩니다. 선택할 수 있는 preamble에 대한 정보는 SIB1을 통해 획득합니다. 만약 여러 단말이 동시에 같은 preamble을 선택하면 경쟁(contention)이 발생하게 됩니다.

 

만약 CFRA를 하는 상황에서는 [그림 1]과 같이 기지국이 단말에게 어떤 preamble을 선택해야 할지 RRC 메시지나 DCI를 통해 미리 알려주게 되어 경쟁이 발생하지 않고 random access를 수행할 수 있습니다.

 

■ 어떤 시간/주파수 자원에 전송할 것인가?

Preamble은 시간/주파수 영역에서 미리 정해진 위치들 중 하나에 전송되어야 기지국이 수신할 수 있으며, 이 전송 가능한 시간/주파수 위치를 RO (PRACH occasion)이라고 합니다. RO 설정 정보는 SIB1을 통해 획득할 수 있으며 [그림 2]는 RO의 예시입니다.

 

Figure 2. PRACH occasion 예시

msg1-fdm은 주파수 영역으로 멀티플렉싱된 RO의 개수이며, ssb-perRACH-Occasion은 하나의 RO에 해당하는 SSB 개수를 의미합니다. 또한 CB-PreamblesPerSSB를 통해 하나의 SSB 당 선택 가능한 preamble 개수를 알려줍니다.

 

위처럼 설계된 이유는 빔 기반 NR에서 initial access 시 초기 빔방향을 결정하기 위함입니다. 단말은 빔포밍된 SSB들의 신호 세기 측정을 통해 적합한 빔방향을 가진 SSB를 선택하고, 해당 SSB가 속한 RO에 preamble을 전송합니다. 기지국 역시 RO에 해당하는 SSB의 빔방향에 맞춰 수신빔을 설정함으로써 단말-기지국 간의 초기 빔쌍을 결정할 수 있습니다.

 

■ 어떤 파워로 전송할 것인가?

단말은 어떤 파워로 preamble을 전송해야 기지국이 성공적으로 수신할 수 있을지 정확히 알 수 없습니다. 따라서 측정한 경로손실을 기반으로 필요 전력을 추정하여 preamble을 전송합니다. 

 

단말은 Msg1 전송 후 RAR (random access response) 수신을 위한 RAR window를 설정합니다. RAR window 시간 동안 RAR을 수신하지 못하면 Msg1 전송이 실패했다고 판단하여 단말은 전송 파워를 높여 preamble을 재전송합니다.

 

Random Access Response (Msg2)

기지국은 Msg1의 응답으로 RAR을 전송하는데, 이를 위해 먼저 PDCCH를 RA-RNTI로 스크램블하여 전송합니다. 단말과 기지국은 RA-RNTI를 Msg1이 전송된 RO의 시간/주파수 위치를 통해 계산할 수 있습니다. 단말은 RAR window 동안 RA-RNTI를 통해 PDCCH로 전송된 DCI를 디코딩하고, 이를 통해 RAR을 수신할 수 있습니다. MAC RAR subPDU의 구조는 [그림 3]과 같습니다.

 

Figure 3. MAC RAR subPDU format

단말은 RAR을 수신하면 MAC subheader의 RAPID (RA preamble ID)가 본인이 전송한 preamble과 일치하는지 확인하여 본인에게 전송된 RAR이 맞는지 확인합니다. 이는 기지국이 여러 단말로부터 동시에 수신한 preamble들에 대한 RAR들을 하나의 MAC PDU로 멀티플랙싱하여 전송할 수 있기 때문입니다. 단말은 RAPID 확인 후 RAR payload에 실린 아래의 정보를 획득합니다.

 

• TAC (TA command): UL 동기를 위해 기지국은 Msg1 수신 시 발생했던 시간 오차를 보정하기 위한 값을 전송합니다.
• UL grant: Msg3는 PUSCH로 전송되므로 기지국은 단말이 Msg3를 전송하기위한 UL 자원을 할당하여 알려줍니다.
• TC-RNTI (temporary C-RNTI): 단말에게 임시로 발급되는 RNTI로 Msg3, Msg4 송수신에 TC-RNTI를 이용합니다.

 

Scheduled Transmission (Msg3)

Msg1~2에서 UL 동기를 획득하였다면, Msg3~4는 경쟁(contention)을 해결하기 위한 절차입니다. 단말은 RAR에서 획득한 UL grant를 이용하여 Msg3을 PUSCH를 통해 전송합니다.

 

Random access가 발생하는 상황에 따라 Msg3는 다양한 종류의 정보를 가지며 initial access 시에는 RRC Setup Request 메시지를 전송합니다. RRC Setup Request 메시지의 경우 5G-S-TMSI와 같이 단말을 식별할 수 있는 정보를 포함하고 있습니다.

 

Contention Resolution (Msg4)

경쟁(contention)은 동일한 preamble을 선택한 단말 간에서 발생하며, 경쟁 해소(contention resolution)란 단말마다 고유의 C-RNTI 가지도록 하는 과정입니다. 여러 단말이 동일한 preamble을 선택하였다면, 해당 단말들은 RAR을 통해 동일한 TC-RNTI를 가지고 있는 상태입니다. 

 

기지국은 이러한 단말들 중 하나를 선택함으로써 경쟁을 해소합니다. Msg4에는 선택한 단말이 전송한 Msg3의 단말 식별 정보를 Contention Resolution Identity MAC CE를 통해 실어 보냅니다.

 

단말은 Msg3 전송 후, contention resolution timer 동안 Msg4 수신을 기다립니다. 단말은 TC-RNTI로 PDCCH를 디코딩하고 이를 통해 PDSCH에서 Msg4를 수신합니다. 그리고 수신된 Contention Resolution Identity가 본인이 Msg3에서 보낸 내용과 동일하다면 사용하던 TC-RNTI를 C-RNTI로 승격하여 경쟁 상황이 해소됩니다.

 

Msg2 RAR을 통해 UL동기를 획득한 상태이므로, Msg4로부터 일치된 신원을 수신하여 경쟁이 해소되었으면 단말은 HARQ ACK를 기지국에게 전송합니다. 만약 수신한 신원이 동일하지 않거나, contention resolution timer동안 Msg4를 수신하지 못하면 random access가 실패한 것으로 간주하여 절차를 Msg1부터 다시 수행하게 됩니다.

 

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] https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_RACH.html

[4] https://www.techplayon.com/5g-nr-rach-procedure-overview-cbra-cfra/

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