[LTE] Ramdon Access & RRC connection

PSS, SSS와 MIB, SIB 정보를 eNB로부터 받은 뒤 단말은 Random Access Procedure을 수행한다.

단말이 랜덤엑세스를 통해서 망과의 연결설정을 요청할 수 있어야한다.

 

• 초기접속을 위해서 무선링크를 형성하려는 목적(RRC_IDLE to RRC_CONNECTED)
• 무선링크 실패 이후 무선링크 재형성
• 핸드오버 통해서 새로운 셀과의 상향링크 동기를 형성
• 단말이 RRC_CONNECTED상태에 있으나 상향링크는 동기화 하지 않았을때, 상향링크 혹은 하향링크데이터가 도달하는 경우에 상향링크 동기를 형성하려는 목적
• 상향링크 측정을 기반으로 한 위치측정방식을 사용할 경우 위치측정의 목적
• PUCCH상으로 지정된 스캐줄링 요청자원이 없는 경우에 스케줄링 요청을 하는 목적

랜덤엑세스는 CBRA(Contention-based RA: 경쟁기반), CFRA (Contention-free RA: 비경쟁기반)의 방식이 사용될 수 있다.

 

Random Access Procedure

Ramdon Access Procdeure

1. eNodeB가 단말의 전송타이밍을 추정할 수 있도록 단말이 랜덤 엑세스 프리앰블(preamble) 전송하는 단계. 상향링크 동기는 단말이 데이터를 보내려면 반드시 필요하며, 상향링크 동기가 되지않은 상태에서의 단말은 어떠한 상향링크 데이터도 전송할 수없다.
2. 첫번째 단계에서의 타이밍 추정을 기반으로 단말이 전송 타이밍을 조절할 수 있도록 망이 timing advance명령을 전송하는 단계. 상향링크 동기 형성과 함께, 랜덤엑세스 과정의 세번째 단계에서 사용되는 상향링크 자원을 단말에게 할당한다.

RRC connection Establishment

   3. 단말이 자신의 신원(identitiy)를 망으로 전송하는 단계. 일반적인 데이터 스케쥴링에서와 유사한 방식으로 UL-SCH를 사용하여 이루어진다. 이 시그널링 내의 정확한 내용은 단말의 상태, 특히 단말이 이전에 망에 알려져있는지의 여부에 따라 달라진다. (RRC Connection Request)

   4. DL-SCH상으로 망에서 단말로 경쟁해소(contention-resolution)메시지가 전송되는 단계. 이 단계는 동일한 랜덤엑세스 자원을 사용하여 시스템에 접속하려고 시도하는 복수개의 단말에 의한 경쟁을 해소한다.  (RA Contention Resoulution + RRC Connection Setup)

 

단계 1만이 랜덤 엑세스를 위해 특별시 설계된 별도의 물리계층 프로세싱을 사용하고, 나머지 단계는 일반적인 하향링크 및 상향링크 데이터 전송에 사용되는 것과 동일한 물리계층 프로세싱을 사용한다.

 

비경쟁 랜덤엑세스는 하향링크 데이터가 도달한경우, 핸드오버의 경우, 위치측정의 경우에 상향링크 동기를 재설정하는 경우에만 사용할 수 있다. 비경쟁 기반 방식의 경우 1,2단계만이 사용된다.

비경쟁방식의 경우는 eNodeB가 UE에게 특정한 프리앰블을 알려준다. 또한 두단계를 통해서 빠르게 접속이 가능한데 이는 핸드오버의 같은 경우는 빠르게 접속하지 않으면 퀄리티에 문제가 생길 수 있기 때문이다.

각 셀에는 64개의 가용한 프리앰블 시퀀스가 있는데 한꺼번에 많은 UE가 랜덤억세스나 핸드오버를 요청할 경우 전부 CFRA로 수행하기엔 프리앰블의 개수가 부족하므로 CBRA와 CFRA가 같이 수행된다. 

 

경쟁상태에서 다른 단말이 같은 시간에 동일한 프리앰블을 사용할 경우 충돌이 발생하여 

단계1. 랜덤 엑세스 프리앰블 전송

프리앰블 전송의 주요목적은 기지국에 랜덤 엑세스시도가 있음을 알리고 기지국이 단말과 기지국사이의 지연을 추정할수 있도록 하는것.

랜덤엑세스 프리앰블이 전송되는 시간-주파수 자원을 PRACH(Physical Random Access Channerel).

일반적으로 eNodeB는 랜덤엑세스에 사용되는 시간-주파수 자원에는 다른 상향링크 전송을 스케줄링 하지 않는다. 

 

단계2. 랜덤 엑세스응답

• 해당 응답이 유효한 프리앰블 시퀀스 인덱스
• 랜덤 엑세스 프리앰블 수신기에서 계산된 타이밍 보정값(timing correction)
• 3단계에서 단말이 메시지 전송에 사용할 자원을 지시하는 스케줄링 승인
• 단말과 망 사이에 추가적인 통신을 위해 사용되는 임시적인 신원인 TC-RNTI.

복수개의 단말이 랜덤엑세스를 시도할경우 복수개의 단말에 대한 개별적인 응답 메시지는 단일 전송으로 합쳐질 수 있다. 

여러 단말이 같은 프리앰블을 사용할 경우 여러 단말들이 하향링크 응답 메시지에 반응하여 충돌이 발생할 수 있다. 이와같은 충돌의 가능성은 HARQ가 사용되지 않는 이유이다.

경쟁에서 탈락한 단말은 경쟁해소 메시지를 받지못하고 타임아웃되어서 다시 랜덤억세스를 시도한다.

 

단계3 : 단말 식별

앞에 두 단계 이후 단말의 상향링크는 동기가 맞춰진다. 사용자 데이터가 단말로 또는 단말로부터 전송되기 이전에 C-RNTI라는셀 내 유일한 신원이 단말에 할당되어야한다.

 

단계4 : 경쟁해소

경쟁해소 메시지는 두번째 단계에서의 임시 신원을 사용하여 어느 단말에 해당하는 것인지를 표시해준다.

세번째 단계에서 상향링크 메시지 전송으로부터 특정시간내에 네번째 단계의 하향링크 메시지를 수신하지 못한 단말도 랜덤 엑세스 과정이 실패했음을 선언하고 첫단계부터 다시 시작한다.

 

단계 4까지의 절차가 끝나면 RRC-connected상태가 된다.