RACH (Random Access Channel)
RACH는
RACH는 모든 셀룰러 시스템에서 가장 중요한 단계 중 하나이며
단말기의 전원을 켰을 때 단말에서 기지국으로 보내는 첫 번째 메시지이다.
UE(단말) → eNB(기지국)
이동통신에서는 셀룰러라는 통신시스템을 사용하는데 셀룰러 기술에는 CDMA / GSM / WCDMA / LTE 등이 있다. 이 기술들은 각각 동일한 기능을 수행하는 특정 신호가 존재한다.
▶셀룰러 기술이란?
통신 시스템에서 한 지역을 여러 개의 셀로 분할하여 통신망을 구성하고 운용하는 것을 말한다.
셀룰러 통신 시스템에서는 제한된 주파수를 알뜰하게 사용할 수 있다.
사용자가 운용되는 셀 안에서 인터넷에 접속하거나 통화를 시도하는 경우 전용 주파수를 필요로 한다. 하지만 실제 사용할 수 있는 주파수의 개수는 한정되어 있다. 셀룰러 시스템은 한정된 주파수를 사용할 구역을 셀이라는 영역으로 나누어 그 셀들이 인접해 있지 않는 이상 별개의 작업을 동일한 주파수로 사용할 수 있게 만든다.
ex) 만약 한정된 공간 10km가 있다고 가정한다면 이 영역 안에서 사용할 수 있는 주파수 대역의 개수는 정해져 있다. 하지만 이 공간을 A, B 영역 두 개로 나눈다면 동일한 주파수 대역을 두 사람이 동시에 사용할 수 있다.
@ 셀룰러 사용 전
사용자 1명만 주파수 대역 50번 사용 가능
@ 셀룰러를 사용한다면
사용자 1은 A 영역에서 주파수 대역 50번 사용
사용자 2는 B 영역에서 주파수 대역 50번 사용
이처럼 셀룰러 시스템에서는 동일한 공간에서도 몇 개의 셀로 나누느냐에 따라 훨씬 더 많은 사용자가 통신 시스템을 사용할 수 있다.
▶셀룰러 기술마다 동일한 기능을 수행하는 신호
CDMA : Access probe
GSM : Channel Request
WCDMA / LTE : RACH
= Access probe, Channel Request, RACH는 동일한 기능을 수행
LTE에서는 단말을 켜었을 때 기지국으로 보내는 첫 번째 메시지를 RACH라고 한다.
▶ RACH Preamble이란
단말은 처음 기지국에 RACH Preamble이라는 신호를 보낸다.
RACH Preamble : 네트워크 통신에서 두 개 이상의 시스템이 전송 타이밍을 동기화하기 위해 사용되는 신호
= 상대에게 데이터를 전송하기 전에 먼저 데이터 전송의 시작 지점을 나타내는 것
RACH 처리는 쉬운 단계가 아니다.
단말을 켜면 처음 RACH 프리앰블이라는 신호를 기지국에 전송하는데, 이 신호를 전송하기로 결정하기 전에는 여러 전제조건을 만족시켜야 한다. 만약 전제조건에 문제가 생길 경우 네트워크의 로그로는 문제를 파악하기가 쉽지 않다.
따라서 처음 단말이 기지국으로 RACH 프리앰블 신호를 전달할 때 문제가 발생한다면 단말 쪽의 로그에만 의존해서 문제를 찾아내야 한다. 하지만 문제를 찾아낼 수 있는 사용자는 드물다.
RACH의 기능 및 절차
LTE에서 RACH의 주요 기능은 크게 두 가지로 나뉜다.
▶RACH의 주요 목적
1. 단말과 기지국 간의 Up Link 동기화
2. RRC Connection Request (Msg 3)에 대한 자원 확보
통신에서 중요한 전제조건 중 하나는 수신과 송신기 사이의 타이밍 동기화를 설정하는 것이다. 타이밍 동기화가 제대로 설정되어야 원활하게 데이터를 주고받을 수 있다. 따라서 어떤 통신기술이건 그에 따라 동기화를 하기 위해 설계된 방식이 존재한다.
▶ Up Link에서의 동기화
eNB(기지국) / UE(단말)이 데이터를 주고받을 때
Down Link 동기화 (송신기 = eNB → 수신기 = UE) = 다운로드
Up Link 동기화 (송신기 = UE → 수신기 = eNB) = 업로드
Down Link에서는 기지국에서 동기화 채널에 의해 모든 사람에게 브로드캐스팅을 이용해 동기 신호를 항상 전송한다. 하지만 Up Link에서는 모든 사람에게 신호를 항상 전송하는 방식은 효율적이지 않다. 그 이유는 에너지 낭비뿐만 아니라 여러 단말끼리 많은 간섭이 생기기 때문이다.
따라서 Up Link의 경우 아래 추가적인 조건을 필요로 한다.
- 즉각적으로 필요한 상황에서 동기화 프로세스 생성
- 동기화는 필요한 단말에게만 제공
RACH는 이런 Up Link 동기화에 필요한 기준을 충족시키기 위해 사용하는 목적이 크다.
즉, Up Link 작업이 필요한 단말에게만 즉각적으로 동기화를 제공하고 불필요한 경우 바로 해제한다. 이렇게 되면 단말의 불필요한 배터리 소모를 줄일 수 있고 단말끼리의 간섭 또한 적어진다.
▶ RRC Connection Request (Msg 3)에 대한 자원 확보
Msg 3의 유형은 여러 가지가 있는데 대표적으로 RRC 연결 요청에 대한 자원을 확보하기 위해 RACH를 사용한다.
@ RRC 프로토콜이란
LTE에서 무선으로 연결된 기지국과 단말 사이에서 연결을 관리하는데 필수적인 메시지를 주고받으며 통신상태를 제어하는 제어 프로토콜 (기지국과 RRC Connection 상태가 되면 망으로부터 자원을 할당받는다.)
RACH는 단말과 기지국이 RRC Connection 상태가 되기 위한 자원을 확보하기 위해 사용한다.
이외에 RACH는 다음과 같은 상황에서 사용한다.
1. 단말이 RRC_Idle (RRC 대기) 상태에서 기지국에 초기 접속할 때
2. RRC Connection 재확립 절차시
3. handover (셀 간의 이동성 관리) 시에 사용
4. 단말이 RRC_Connected 상태에서 Download, Upload 할 때
▶ 단말이 기지국과 최초 연결 시 RACH 기본 절차
1. UE -> eNB : PRACH Preamble (Msg 1)
2. UE <- eNB : PRACH Response (Msg 2)
3. UE -> eNB : RRC Connection Request (Msg 3)
4. UE <- eNB : CR+RRC:RRC Connection Setup (Msg 4)
1단계
단말이 기지국으로 RACH 프리앰블 (동기화를 위한 신호)를 전송하고, 기지국은 RACH 프리앰블을 디코딩해서 원하는 자원을 얻는다.
2단계
기지국은 RACH 프리앰블을 디코딩해서 계산된 자원 (시간, 주파수)와 관련 정보로 단말에게 RACH 응답 메시지를 전송한다. 단말은 RACH 응답 메시지를 바탕으로 RB 할당, MCS 구성 후 RRC 연결 요청을 위해 준비한다.
3단계
단말은 RACH 응답 메시지를 바탕으로 자원을 할당한 뒤 구성된 방식으로 기지국에게 RRC 연결 요청 메시지를 보낸다.
4단계
기지국은 단말에게 RRC 연결 설정 메시지를 전달하고 이 과정에서 단말과 네트워크는 CRNTI라는 메시지를 교환한다.
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