랜덤 액세스

스펙 · 릴리즈

MAC 절차: TS 36.321 §5.1 · 물리계층: TS 36.213 §6 (RAR grant §6.2) · PRACH: TS 36.211 §5.7 · RRC 설정: TS 36.331 RACH-ConfigCommon, RACH-ConfigDedicated

Rel-8~ (Rel-13 eMTC CE 레벨, NB-IoT, Rel-14 RACH-less 핸드오버)

한눈에 보기

랜덤 액세스(RA)는 단말이 기지국과 상향 동기를 맞추고 첫 자원을 얻는 절차입니다. 식당에 처음 들어가 "몇 명이요" 하고 자리를 안내받는 것과 비슷합니다.

여러 단말이 같은 프리앰블을 우연히 고를 수 있으므로(충돌), 일반적인 RA는 4단계로 충돌을 해결합니다.

1. Msg1: 단말 → 프리앰블 송신 ("누군가 여기 있어요")
2. Msg2: 기지국 → RAR ("그 프리앰블 보낸 분, 타이밍은 이만큼 당기고 이 자원으로 말하세요")
3. Msg3: 단말 → 자기 신원 전송 ("저는 이런 사람이에요")
4. Msg4: 기지국 → 경쟁 해결 ("당신으로 확정")

RA가 필요한 경우

상황	방식
초기 접속 (RRC_IDLE → CONNECTED)	경쟁 기반
RRC 연결 재수립 (RLF 후)	경쟁 기반
핸드오버 (타깃 셀 접속)	비경쟁 (전용 프리앰블) 우선, 없으면 경쟁
연결 상태에서 DL 데이터 도착, UL 동기 잃음	비경쟁 (PDCCH order)
연결 상태에서 UL 데이터 도착, UL 동기 잃음 또는 SR 자원 없음	경쟁 기반
측위를 위한 TA 측정	비경쟁

경쟁 기반 RA (4-step)

sequenceDiagram
    participant UE
    participant eNB
    Note over UE: SIB2에서 PRACH 설정 획득
    UE->>eNB: Msg1: 프리앰블 (64개 중 랜덤 선택)
    Note over eNB: 프리앰블 검출, 지연 측정 → TA
    eNB->>UE: Msg2: RAR (PDCCH RA-RNTI + PDSCH)<br/>RAPID · TA · UL grant · TC-RNTI
    Note over UE: RAR 창 (n+3 ~ n+3+윈도) 안에서 수신
    UE->>eNB: Msg3: PUSCH (n+6 이후)<br/>RRCConnectionRequest (S-TMSI 또는 랜덤 40비트)
    Note over UE: mac-ContentionResolutionTimer 시작
    eNB->>UE: Msg4: PDSCH (TC-RNTI)<br/>Contention Resolution ID + RRCConnectionSetup
    Note over UE: ID 일치 → TC-RNTI를 C-RNTI로 승격
    UE->>eNB: HARQ ACK (Msg4)

RAR 내용

필드	크기	의미
RAPID	6비트	어느 프리앰블에 대한 응답인지
Timing Advance	11비트	0–1282 × 16 Ts (최대 0.67 ms ≈ 100 km)
UL grant	20비트	호핑 1 · RB 할당 10 · MCS 4 · TPC 3 · UL delay 1 · CSI 요청 1
Temporary C-RNTI	16비트	Msg3/Msg4에서 쓸 임시 ID
(MAC 헤더) Backoff Indicator	4비트	혼잡 시 재시도 전 대기 (0–960 ms)

경쟁 해결

• Msg3에 CCCH SDU(RRCConnectionRequest)를 보낸 경우: Msg4의 UE Contention Resolution Identity MAC CE가 Msg3의 CCCH SDU 앞 48비트와 같으면 성공
• Msg3에 C-RNTI MAC CE를 보낸 경우(연결 상태 단말): 자기 C-RNTI로 스크램블된 PDCCH(UL grant 등)를 받으면 성공

같은 프리앰블을 고른 두 단말은 같은 RAR을 받고 같은 자원에 Msg3를 보냅니다. 기지국은 둘 중 하나만 디코딩하거나 둘 다 실패하고, Msg4로 승자를 알립니다. 진 단말은 백오프 후 다시 시도합니다.

비경쟁 RA

sequenceDiagram
    participant UE
    participant eNB
    eNB->>UE: Msg0: 전용 프리앰블 할당<br/>(핸드오버 명령 또는 PDCCH order: DCI 1A)
    UE->>eNB: Msg1: 전용 프리앰블
    eNB->>UE: Msg2: RAR (TA, UL grant)
    Note over UE: 완료 — 경쟁 해결 불필요

전문가 노트 — 타이밍, 재시도, 실패 처리

타이밍 (FDD). - RAR 창: 프리앰블을 보낸 마지막 서브프레임 + 3부터 ra-ResponseWindowSize(2–10 서브프레임) - Msg3: RAR을 받은 서브프레임 \(n\)에서 \(n+6\) 이후 첫 UL 서브프레임 (UL delay 필드가 1이면 한 서브프레임 더 뒤) - 경쟁 해결 타이머: mac-ContentionResolutionTimer 8–64 서브프레임, Msg3 재전송마다 재시작

재시도. RAR을 못 받거나 경쟁에서 지면 PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER를 올리고, 전력을 powerRampingStep만큼 높여 다시 보냅니다(백오프 지시가 있으면 0 ~ BI 사이 랜덤 대기). preambleTransMax에 도달하면 MAC이 RRC에 RA 문제를 알리고, 연결 상태라면 RLF가 됩니다.

Msg3 크기. RAR grant의 TBS는 보통 56–144비트 수준입니다. RRCConnectionRequest(약 48비트 + 헤더)가 들어가는 최소 크기는 56비트입니다. Msg3가 크면(예: 연결 상태에서 BSR+데이터) 프리앰블 그룹 B를 써서 큰 grant를 요청합니다. 그룹 B 사용 조건: Msg3 크기 > messageSizeGroupA 이고 경로 손실이 \(P_{CMAX} - P_{O,PRE} - \Delta_{PREAMBLE,Msg3} - messagePowerOffsetGroupB\)보다 작을 때.

Msg3 HARQ. Msg3는 동기 HARQ로 재전송되며 최대 횟수는 maxHARQ-Msg3Tx(1–8)입니다. Msg3 스크램블은 TC-RNTI로 합니다.

RA-RNTI 충돌. 같은 서브프레임의 PRACH를 쓴 단말들은 같은 RA-RNTI를 공유하므로, 하나의 RAR MAC PDU에 여러 RAPID 응답이 함께 들어갑니다.

RACH-less 핸드오버 (Rel-14). 소스와 타깃 셀이 같은 사이트이거나 TA가 같다고 판단되면, 핸드오버 명령에 타깃의 UL grant를 미리 넣어 RA를 생략합니다(rach-Skip). 중단 시간을 줄입니다.

LTE ↔ NR 비교

항목	LTE	NR
단계	4-step	4-step + 2-step (Rel-16, MsgA/MsgB)
RA-RNTI	서브프레임·주파수 인덱스	심볼·슬롯·주파수·캐리어 인덱스
빔	없음	SSB 선택 → 그 SSB에 연동된 RO 사용
Msg3	RRCConnectionRequest	RRCSetupRequest / RRCResumeRequest
실패 시	전력 ramping	ramping + 빔 변경(카운터 유지)

관련 페이지

• PRACH
• MAC
• RRC 연결 관리
• NR 랜덤 액세스 (4-step·2-step)