Q. What is RACH (Random Access Channel)?
1. 개념 (Concept)
RACH (Random Access Channel)는 사용자 장치(UE, User Equipment)가 네트워크에 최초로 접근할 때 사용하는 공용 채널(Common Channel)입니다.
- LTE, 5G NR, 그리고 기타 무선 통신 시스템에서 사용됨.
- 네트워크에 연결하기 위한 랜덤 액세스(Random Access) 절차를 수행하는 업링크(Uplink) 채널.
- 주로 시그널링 메시지나 초기 연결 설정을 위해 사용되며, 음성 및 데이터 트래픽은 다른 전용 채널을 통해 전송됨.
2. 역할 (Purpose)
RACH는 다음과 같은 상황에서 UE와 네트워크 간 통신을 초기화하기 위해 사용됩니다.
1. 초기 연결 설정 (Initial Access):
- UE가 네트워크에 접속하려고 할 때 기지국(Base Station)과 첫 번째 연결을 설정.
- 핸드오버 (Handover):
- 사용자가 이동하면서 다른 셀(Cell)로 전환할 때, 새로운 기지국에 접근.
- 동기화 재설정 (Re-synchronization):
- UE가 네트워크와 동기화를 잃었을 때 재연결.
3. 작동 원리 (Working Principle)
1) RACH 전송 과정
RACH는 다음과 같은 단계로 작동합니다.
1. UE가 RACH 요청 전송 (Preamble Transmission)
- UE는 RACH Preamble이라는 초기 신호를 전송하여 네트워크 접근을 요청.
- RACH Preamble: 고유 시퀀스로 구성된 신호, 특정 주파수와 시간 슬롯에서 송출.
-
기지국 응답 (Random Access Response, RAR)
- 기지국(eNodeB 또는 gNodeB)은 RACH 요청을 수신한 후 RAR 메시지를 전송.
- RAR 메시지 내용:
- 전송 시간 동기화 정보.
- 임시 식별자(TC-RNTI, Temporary Cell Radio Network Temporary Identifier).
- 리소스 블록(Resource Block) 할당.
-
UE의 연결 요청 (Connection Request)
- UE는 할당받은 자원을 사용해 본인의 ID와 연결 요청 메시지를 전송.
- UE가 보낸 ID는 네트워크에서 사용자 식별 및 자원 배분에 사용됨.
-
기지국 연결 설정 완료 (Contention Resolution)
- 네트워크는 UE의 요청을 승인하고, 연결을 완료함.
- 요청이 충돌했을 경우 재시도.
4. 종류 (Types of RACH)
1) Contention-Based RACH
- 여러 UE가 동일한 RACH Preamble을 사용해 네트워크에 접근하는 방식.
- 충돌 가능성: 여러 UE가 동시에 접근하면 충돌 발생.
- 사용 예시: 초기 연결 설정, 핸드오버.
2) Contention-Free RACH
- 네트워크가 UE에게 전용 Preamble을 할당하여 충돌을 방지하는 방식.
- 충돌 없음: 사전에 할당된 Preamble을 사용.
- 사용 예시: 긴급 상황(예: VoLTE 통화 설정), 중요한 서비스 품질 보장(QoS) 상황.
5. 기술 구성 요소 (Key Technical Components)
1) RACH Preamble
- 고유한 코드 시퀀스로, 기지국과 연결하기 위해 UE가 전송.
- Preamble은 주파수 대역(Frequency Domain)과 시간 슬롯(Time Domain)에서 송신됨.
2) Physical Random Access Channel (PRACH)
- Preamble이 실제로 전송되는 물리 계층(Physical Layer)의 채널.
- LTE와 5G NR 모두 PRACH를 통해 RACH 프로세스를 수행.
3) RACH Request Timing
- UE는 네트워크 상태에 따라 특정 시간(TTI, Transmission Time Interval)에 요청을 전송.
- 네트워크는 특정 슬롯(Slot)에서 RACH 요청을 수신하도록 설계됨.
6. RACH의 기술 발전 (LTE vs 5G NR 비교)
| 기술 요소 | LTE (4G) | 5G NR |
|---|---|---|
| Preamble 개수 | 최대 64개 | 최대 1000개 (밀리미터파 대역 지원) |
| 주파수 대역 | Sub-6 GHz | Sub-6 GHz 및 mmWave |
| 슬롯 구성 | 고정된 슬롯에서 사용 가능 | Flexible PRACH Slot Design |
| 초기 연결 지연 | 약 10ms | 약 1ms (초저지연) |
| 충돌 해결 | Contention 기반 | Contention-Free 활용 증가 |
7. 장단점 (Pros and Cons)
장점 (Pros)
- 효율적인 네트워크 접근:
- UE가 단순하고 빠르게 네트워크에 연결 가능.
- 공용 채널 활용:
- 여러 UE가 동시에 사용할 수 있음.
- 유연성:
- LTE, 5G 등 다양한 기술에 적용 가능.
단점 (Cons)
- 충돌 가능성:
- Contention-Based 방식에서 여러 UE가 동일 Preamble을 사용할 경우.
- 리소스 제한:
- PRACH 슬롯이 제한적이기 때문에 대규모 UE 연결 시 병목 가능.
8. 실무 사례 (Practical Use Cases)
- 스마트폰 초기 연결:
- 스마트폰이 LTE 또는 5G 네트워크에 연결될 때 PRACH를 통해 초기화.
- IoT 장치 연결:
- 저전력 IoT 디바이스가 네트워크에 접속할 때 사용.
- 핸드오버:
- UE가 셀 경계에서 다른 기지국으로 이동 시 RACH 절차 수행.
요약: RACH란 무엇인가?
- Random Access Channel은 네트워크에 초기 접근을 지원하는 업링크 공용 채널.
- 작동 과정: Preamble 전송 → RAR 응답 → 연결 요청 → 연결 완료.
- 유형: Contention-Based, Contention-Free.
- LTE/5G 비교: 5G는 더 많은 Preamble과 유연한 슬롯 디자인으로 효율성 증가.
RACH는 무선 네트워크의 안정적인 초기 연결과 데이터 통신의 핵심 역할을 수행하며, 특히 5G NR에서는 더욱 빠르고 효율적인 방식으로 발전하고 있습니다.
