LTE 셀 탐색(Cell Search) 과정

핸드폰(이하 단말)을 처음 켜게되면 핸드폰은 자기 주변에 있는 기지국들의 정보를 수신하고 그중에서 원하는 네트워크로 접속을 시도해야한다. 이때 이 기지국의 무선접속정보를 수신하려는 행위를 셀 탐색(Cell Search)라고 한다. 하나의 기지국(핸드폰과 전파를 주고받는 하드웨어 장비)는 셀(Cell)이라는 무선통신 서비스영역(Service Coverage Area)를 갖는다. 즉, 단말은 기지국이 담당하는 셀 영역 내에 위치하여 기지국과 통신을 수행한다. 이러한 이유로 기지국 탐색이라는 단어대신 셀 탐색이라는 단어를 사용한다. 참고로 LTE의 eNodeB의 경우 최대 256 개의 셀을 가질 수 있다. (from 36.423)

셀 탐색에 앞서 전체 주파수를 쓲 훓어보며 가장 RSRP이 높은 대역을 찾는 주파수 탐색(Frequency Search)과정이 끝나면, (1) 셀과의 동기화 (2) 셀 시스템 정보 수신 의 두가지 과정으로 셀 탐색이 이루어진다. 물론 많은 경우 1번 과정만을 셀 탐색이라고 하기도 하지만, 편의상 두개를 셀 탐색이라 하기로 한다. 이렇게 해야 셀 탐색과정에서 Downlink Synchronization이 이루어지듯, Uplink Synchronization 과정이 수행되는 '랜덤 엑세스 과정'으로 다음글을 말끔하게 이어나갈 수있기 때문이다.

1. 셀과의 동기화 (Downlink Synchronization)

단말을 처음 켰을때 네트워크에 접속하기 위하여 셀 탐색을 시도한다. 공중에는 수많은 무선신호가 떠다니는데, 그 중에서 특정 정보를 딱 잡아내는데에는 어떤 신호를 어떻게 받아야할 지 기준이 필요하다. 이를 위해서 1. 셀 주파수 및 심벌 획득, 2. 셀 프레임 동기 획득, 3. 물리계층 셀 ID 획득 으로 구성된 셀 동기화 과정을 통해 정보를 읽어올 준비를 한다. 

셀 동기화를 위해서 기지국에서는 PSS(Primary Synchronization Signal), SSS(Secondary Synchronization Signal)이라는 동기신호를 브로드캐스트하고, 단말은 이를 읽어내어 셀에대한 동기화를 진행할 수 있다. FDD의 경우, PSS는 서브프레임 0번과 5번의 첫번째 슬롯의 마지막 심벌에 전송되고 SSS는 동일 슬롯의 마지막에서 두번째 심벌(PSS 바로앞심벌)에 전송된다. TDD인경우 PSS는 서브프레임 1번과 6번의 세번째 심벌에 전송되고 SSS는 서브프레임 0번과 5번의 마지막심벌(PSS보다 3심벌앞)에 전송된다. FDD/TDD의 이러한 차이로 인하여 단말은 해당 셀의 듀플렉스 방식을 알아낼 수 있다. 아래의 그림은 FDD에서의 PSS(초록색)와 SSS(노란색)을 보여준다. 

LTE에는 504개의 물리계층 Cell ID (Physical-layer Cell ID; PCI)가 정의되어있다. PCI는 168개의 Cell Group ID (0~167) 와 3개의 Cell Sector ID (0~2)의 조합으로 구성된다. 즉, PCI = Cell Group ID (168) * Cell Sector ID (3) 인 것이다. PSS에 Cell Sector ID가 들어가고 SSS에 Cell Group ID가 들어간다. 이때 주의할점은 PCI는 뒤에나올 SIB1에 들어있는 28비트의 CellIdentity와는 전혀 다른 개념이라는 것이다.(from 36.331) PCI는 (앞글자 P가 Physical인만큼) 물리계층의 디코딩에사용된다. 반면 Cell ID는 (엄밀히말해 ECI; E-UTRAN Cell Identifier) PLMN내의 유일성을 보장하는 ID로써, 20비트의 eNB ID 와 8비트의 Cell ID 로 구성되어있다. 또한 ECI는 PLMN ID와 결합하여 ECGI(Evolved Cell Global Identifier)를 형성하여 RRC 및 다양한 레이어/노드에서 사용된다. 

먼저, 단말이 셀의 PSS를 검출해내면 셀의 1슬롯, 즉 5ms 타이밍을 알게되고, SSS의 위치도 알 수 있다. 그 후 SSS를 검출하면 프레임의 시작을 알 수 있고 PSS에서의 정보와 결합하여 PCI를 파악해낼 수 있다. PCI를 통하여 단말은 레퍼런스 신호의 위치를 파악할 수 있으며, 레퍼런스 신호(빨간색)는 채널 예측, 셀 선택 및 핸드오버등에 사용된다. 참고할것은, 한 프레임 내의 두 PSS는 서로 동일하지만 두 SSS는 서로 다르다는 것이다. (동일 시퀀스가 Sector ID의 정보에 따라 Shift 됨) 그 이유는 앞과 뒤의 SSS를 구분시켜놓아 하나의 SSS을 기준으로 PSS와의 간격차를 계산하여 프레임 타이밍을 알아낼 수 있게 하기 위해서이다. 

2. 셀 시스템 정보 수신

기지국은 셀의 시스템 정보를 반복적으로 브로드캐스트한다. 이 정보는 단말이 셀 내에서 기지국과 통신하기 위해 필요한 정보로써, Uplink/Downlink 정보 뿐 아니라 랜덤 액세스 관련 파라미터 및 전력제어 정보를 포함한다. LTE에서는 시스템 정보를 두개의 서로다른 전송채널을 통해 전달하며, 이는 BCH 채널을 통한 MIB(Master Information Block)와 DL-SCH 채널을 통한 SIB(System Information Block)으로 구분할 수 있다. 물론 이 두 채널은 모두 BCCH 논리 채널에 해당된다. 

BCCH: Broadcast Control CHannel

BCH: Broadcast Channel

DL-SCH: Downlink Shared Channel

PBCH: Physical Broadcast Channel

PDSCH: Physical Downlink Shared Channel

PHICH: Physical channel HybridARQ Indicator Channel

PDCCH: Physical Downlink Control Channel

MIB(첫번째 그림에서 PSS,SSS 바로뒤에 따라오는 파란색)는 매 40ms 마다 BCH 채널으로 브로트캐스트되며, SIB를 수신하기 위한 극히 작은정보를 가지고 있다. MIB에는 1. Downlink 셀 대역폭 정보(3비트) 2. 셀 PHICH 설정정보(3비트) 3. SFN(System Frame Number) 정보가 담겨있다. 그중에서 PHICH 설정을 알면 PDCCH 상의 L1/L2 제어시그널링을 수신할 수 있고, 이를 통해 DL-SCH 상으로 전송되는 SIB를 수신할 수 있다. 또한 MIB에는 10ms 클럭, 0~1024 주기로 1씩 증가하며 동작하는 SFN 정보가 들어있어서, MIB와 SIB의 반복적인 브로드캐스트에 대한 정보를 알수도 있다. MIB의 경우에는 SFN%1=0 마다(10ms마다) 메시지가 송출되며, SFN%4=0인 경우에 새로운 내용으로 갱신된다. SIB1의 경우에는 SFN%2=0(20ms)마다 메시지가 송출되며, SFN%8=0인 경우에 새로운 내용으로 갱신된다.

BCH는 셀 대역폭에 관계없이 한가운데 72개의 부반송파에 걸쳐 전송되는데, 이것은 BCH를 수신하는 단말은 Downlink 셀 대역폭을 알지 못할 수 있기 때문이다. 따라서 가능한 대역폭 중 가장 작은 Downlink 대역폭(즉 1.4Mhz, 72개 부반송파, 6개 자원블록)으로 셀 대역폭을 가정하고 MIB를 디코딩함으로써 실제 셀 대역폭을 알아낼 수 있고 이를 통해 수신기의 대역폭이 조절된다. 또한 BCH에 매핑되는 전체 자원엘리먼트의 개수는 BCH 전송블록의 크기에 비해 매우 큰데, 이는 매우 낮은 수신 SINR(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio) 환경에서도 BCH를 디코딩 할 수 있도록 많은 반복코딩이 걸려있기 때문이다.

위의 MIB으로 기본적인 시스템 정보를 알아내면, DL-SCH 채널(첫번째 그림에서 흰색)에 포함된 SIB를 알아낼 수 있다. 서브프레임 내에서 SIB의 존재여부는 SI-RNTI(System Information RNTI)로 표시된 PDCCH(첫번째 그림에서 황토색) 전송에 의해 알 수 있다. PDCCH는 DL-SCH 전송을 위한 스케줄링 할당에도 사용되지만 이와같이 SIB 존재를 알리는데도 사용될 수 있다. SIB는 SIB1 부터 SIB16까지 자신이 담고있는 정보의 종류에 따라 구분되어지는데, 각 SIB의 타입마다 브로드 캐스트되는 주기도 서로 다르다. 서로다른 SIB들은 DL-SCH 상에 전송되는 실제 전송블록에 해당하는, 동일한 전송주기를 가지고 서로 겹치지 않는 시간윈도우를 가지는, SI(System Information) 메시지로 매핑된다. 

SIB1을 제외한 SIB들에 대한 전송주기는 서로다른 네트워크에서 서로 다를 수 있다. SI들의 전송주기(시간윈도우의 시작지점과 기간)와, SIB:SI간의 매핑에 대한 정보는 SIB1에서 제공된다. 또한 SIB1(SI-1)은 항상 서브프레임 5번에서 전송된다. 그러나 SI-1이 전송되는 대역폭이나 자원블록들 및 전송포맷등의 정보들은 변할 수 있으며, 이는 PDCCH상에서 시그널링된다. 이것이 MIB에서 셀 PHICH 정보를 알아야하는 이유이다. 

그리고 하나의 서브프레임으로 SI의 전송이 충분하지 않은 경우(즉 여러개의 서브프레임이 필요한 경우), 각 SI를 작은 블록들로 분할한 후 각각 독립적으로 채널코딩하여 각각 다른 서브프레임으로 전송하는것 대신, 전체 SI 형태로 채널코딩한 후 여러개의 (반드시 연속할 필요가 없는) 서브프레임으로 매핑한다. 그리고 PDCCH상의 SI-RNTI를 사용하여, 시간윈도우내의 비연속적인 서브프레임내에 포함된 나머지 SI 정보들을 가져올 수 있다. (SI-1는 서브프레임 5번으로 고정되었으므로 제외)

SIB1는 단말이 해당셀을 이용할 수 있는지의 여부와 관련된 정보를 포함하는데, 여기에는 해당 셀의 사업자 정보(PLMN ID, Tracking Area ID, Cell ID) 및 서브프레임 관련 정보를 포함하고, 나머지 SIB들의 시간영역상 스케줄링에 대한 정보를 갖는다. SIB2는 단말이 셀에 접속하기 위해 필요한정보, 즉 Uplink 셀 대역폭/전력제어, 랜덤 엑세스 파라미터 등의 정보를 갖는다. 이러한 과정으로 드디어 '랜덤 액세스 과정'을 수행할 수 있게되었다.

내용출처: 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, Eric Dahlman / TS 36.211 6.11 Synchronization signals