[Protocol] 5G NR Fundamental - Part 3: Initial Access 절차 쉽게 이해하기

Part 2에서 5G NR 프로토콜 스택을 계층별로 살펴봤다면, 이번 글에서는 그 계층들이 실제 접속 과정에서 어떻게 연결되는지 보겠습니다. 단말이 전원을 켜고 셀을 찾은 뒤, 네트워크와 통신 가능한 상태가 되기까지의 흐름을 보통 Initial Access라고 부릅니다.

처음 공부할 때 Initial Access가 어렵게 느껴지는 이유는 용어가 한꺼번에 나오기 때문입니다. SSB, PBCH, MIB, SIB1, PLMN, Cell Selection, RACH, RRC Setup 같은 단어가 순서 없이 섞이면 전체 흐름을 놓치기 쉽습니다. 그래서 이 글에서는 표준 문서의 절차를 그대로 옮기기보다, 실제 공부할 때 이해하기 좋은 순서로 정리했습니다.

이 글은 5G NR 프로토콜 학습을 위한 정리 글입니다. 세부 파라미터와 메시지 구조는 반드시 최신 3GPP 표준 문서를 함께 확인해야 합니다.

핵심 요약

  • Initial Access는 단말이 셀을 찾고, 기본 정보를 읽고, 네트워크에 접속을 시작하는 과정입니다.
  • 가장 먼저 단말은 SSB를 통해 셀 동기와 PBCH 정보를 얻습니다.
  • PBCH 안의 MIB를 통해 SIB1을 읽기 위한 기본 정보를 확보합니다.
  • SIB1에는 셀 접속 가능 여부와 RACH 관련 설정 등 초기 접속에 필요한 정보가 포함됩니다.
  • RACH는 단말이 네트워크에 uplink 접속 의사를 알리는 절차입니다.
  • RACH 이후 RRC 메시지 교환을 통해 연결 설정이 진행됩니다.
5G NR Initial Access FlowUE가 셀을 찾고 RRC 연결을 시작하기까지의 큰 흐름1. SSB동기·PBCH2. MIBSIB1 읽기 준비3. SIB1접속·RACH 정보4. RACHUL 동기·접속 요청5. RRC연결 설정 셀 탐색 → 시스템 정보 획득 → 랜덤 액세스 → RRC 연결 시작
직접 제작한 5G NR Initial Access 흐름 도식입니다. 외부 이미지나 로고를 사용하지 않았습니다.

1. Initial Access를 한 문장으로 이해하기

Initial Access는 단말이 “어떤 셀에 붙을 수 있는지 확인하고, 그 셀과 통신을 시작할 준비를 하는 과정”입니다. 스마트폰이 전원을 켜자마자 바로 인터넷 데이터를 보내는 것이 아니라, 먼저 주변 셀을 찾고, 해당 셀이 접속 가능한 셀인지 판단하고, 네트워크가 정해둔 절차에 따라 uplink 접속을 시작합니다.

이 과정을 크게 나누면 다음과 같습니다.

  1. 단말이 SSB를 탐색해 셀 동기를 맞춥니다.
  2. PBCH를 통해 MIB를 읽습니다.
  3. SIB1을 읽어 셀 접속 가능 여부와 RACH 설정을 확인합니다.
  4. RACH 절차로 uplink 동기와 초기 접속을 시작합니다.
  5. RRC Setup 메시지를 통해 연결 설정으로 넘어갑니다.

2. Step 1: SSB 탐색 — 단말이 셀을 찾는 첫 단계

SSB는 Synchronization Signal Block의 약자입니다. 단말은 SSB를 통해 셀의 시간·주파수 동기를 잡고, PBCH를 통해 기본 정보를 읽을 준비를 합니다. 쉽게 말하면 SSB는 단말이 “여기에 5G NR 셀이 있구나”라고 인식하는 첫 단서입니다.

NR에서는 빔 기반 운용이 중요하기 때문에 SSB를 단순한 동기 신호로만 보면 부족합니다. 여러 방향으로 전송되는 SSB를 단말이 탐색하면서 어떤 빔이 가장 좋은지 판단하는 과정도 함께 생각해야 합니다.

SSB를 볼 때 기억할 포인트

  • SSB는 PSS, SSS, PBCH를 포함합니다.
  • PSS와 SSS는 셀 탐색과 동기에 사용됩니다.
  • PBCH는 MIB를 전달합니다.
  • 빔 기반 환경에서는 SSB index와 beam 선택이 중요해집니다.

3. Step 2: MIB 읽기 — SIB1로 가는 작은 안내판

단말이 SSB를 찾으면 PBCH를 통해 MIB를 읽습니다. MIB는 Master Information Block의 약자입니다. 이름은 거창하지만, 처음 공부할 때는 “SIB1을 읽기 위한 최소한의 기본 정보”로 이해하면 편합니다.

MIB 자체가 모든 시스템 정보를 담고 있는 것은 아닙니다. 단말은 MIB를 통해 SIB1을 어디서 어떻게 읽어야 하는지에 대한 단서를 얻습니다. 그래서 Initial Access 흐름에서는 MIB가 SIB1로 넘어가기 위한 연결고리 역할을 합니다.

4. Step 3: SIB1 읽기 — 이 셀에 붙어도 되는지 확인

SIB1은 System Information Block Type 1입니다. 단말이 셀에 접속할 수 있는지, 어떤 PLMN이 지원되는지, RACH 관련 설정은 무엇인지 같은 초기 접속에 필요한 정보를 포함합니다.

개인적으로 Initial Access를 공부할 때 SIB1을 제대로 이해하는 것이 중요하다고 봅니다. 이유는 단말이 무작정 RACH를 시도하는 것이 아니라, SIB1을 통해 셀 접속 가능 여부와 접속 조건을 확인한 뒤 다음 단계로 넘어가기 때문입니다.

정보 의미 초보자 관점의 이해
PLMN 정보 셀에서 제공하는 네트워크 식별 정보 내 가입자 정보와 맞는 네트워크인지 확인하는 단서
Cell Barred 정보 셀 접속 가능 여부 이 셀에 붙어도 되는지 판단
RACH 설정 Random Access 절차에 필요한 설정 어떤 자원과 조건으로 RACH를 시도할지 확인
Serving Cell 설정 초기 셀 운용 관련 기본 설정 셀의 기본 동작 조건 이해

5. Step 4: Cell Selection — 아무 셀이나 붙는 것이 아니다

단말은 주변에서 셀을 찾았다고 해서 무조건 접속하지 않습니다. 셀의 신호 품질, PLMN, 셀 접속 제한 여부, 우선순위 등을 고려해 적절한 셀을 선택합니다.

이 과정은 실제 상용망에서 매우 중요합니다. 단말이 약한 셀에 붙으면 통신 품질이 떨어질 수 있고, 접속이 제한된 셀에 시도하면 불필요한 실패가 발생할 수 있습니다.

Cell Selection에서 보는 대표적인 요소

  • 수신 신호 품질
  • 셀 접속 가능 여부
  • PLMN 선택 결과
  • 주파수 우선순위
  • 로밍 가능 여부

6. Step 5: RACH — 단말이 네트워크에 처음 말을 거는 과정

RACH는 Random Access Channel입니다. 단말이 uplink 동기를 맞추고 네트워크와 접속 절차를 시작할 때 사용하는 과정입니다. 앞 단계들이 “셀을 찾고 정보를 읽는 과정”이었다면, RACH는 단말이 실제로 네트워크에 접속 의사를 전달하는 단계입니다.

가장 기본적인 4-step Random Access는 다음 흐름으로 이해할 수 있습니다.

단계 메시지 의미
Msg1 PRACH Preamble 단말이 gNB에 랜덤 액세스 시도를 알림
Msg2 Random Access Response gNB가 timing advance, uplink grant 등을 응답
Msg3 RRC Setup Request 등 단말이 초기 RRC 메시지를 전송
Msg4 Contention Resolution 경쟁 기반 접속에서 단말 충돌을 해결

여기서 중요한 점은 RACH가 단순히 “접속 요청” 하나로 끝나는 절차가 아니라는 것입니다. uplink 동기를 맞추고, 임시 식별자를 받고, 충돌을 해결하고, 이후 RRC 연결로 넘어가는 출발점입니다.

7. Contention-based와 Contention-free RACH

RACH는 크게 contention-based 방식과 contention-free 방식으로 나누어 볼 수 있습니다. 처음 공부할 때는 경쟁 기반 방식부터 이해하는 것이 좋습니다.

Contention-based RACH

여러 단말이 같은 preamble을 선택할 수 있기 때문에 충돌 가능성이 있습니다. 그래서 Msg4의 contention resolution 과정이 중요합니다. 초기 접속처럼 네트워크가 단말을 미리 구분하기 어려운 상황에서 주로 떠올리면 됩니다.

Contention-free RACH

네트워크가 특정 단말에 전용 preamble을 할당하는 방식입니다. 핸드오버처럼 네트워크가 단말을 이미 알고 있는 상황에서 활용될 수 있습니다. 충돌 가능성이 낮다는 점이 특징입니다.

8. Step 6: RRC Setup — 연결 상태로 넘어가는 관문

RACH 절차 이후 단말은 RRC 연결 설정으로 넘어갑니다. 이때 등장하는 대표적인 메시지가 RRC Setup Request, RRC Setup, RRC Setup Complete입니다.

단말 입장에서 보면 이 과정은 “네트워크와 본격적인 제어 연결을 만들기 위한 절차”입니다. 이후 보안 설정, NAS 메시지 전달, bearer 설정 등이 이어지면서 실제 데이터 서비스를 사용할 준비가 진행됩니다.

RRC 메시지 방향 역할
RRC Setup Request UE → gNB 단말이 RRC 연결 설정을 요청
RRC Setup gNB → UE 네트워크가 초기 RRC 설정을 제공
RRC Setup Complete UE → gNB 단말이 설정 완료를 알리고 후속 절차로 이동

9. Initial Access를 로그로 볼 때의 관점

실제 로그를 볼 때는 단순히 메시지 이름만 찾는 것보다 “어느 단계에서 실패했는지”를 보는 것이 중요합니다. 실패 위치에 따라 의심해야 할 원인이 다르기 때문입니다.

실패 위치 가능한 원인 확인 포인트
SSB 탐색 실패 신호 약함, 주파수 설정 문제, 빔 탐색 문제 RSRP/RSRQ/SINR, SSB frequency, beam index
SIB1 획득 실패 PBCH decoding 문제, PDCCH/PDSCH 설정 문제 MIB, CORESET0, search space 설정
RACH 실패 PRACH 설정 오류, timing 문제, preamble 충돌 PRACH occasion, preamble index, RAR 수신 여부
RRC Setup 실패 Msg3 전송 실패, contention resolution 실패, 제어 메시지 처리 문제 Msg3, Msg4, RRC 메시지 흐름

이 표는 실제 표준 절차를 대체하는 것은 아니지만, 로그 분석을 시작할 때 유용한 큰 틀입니다. “어느 단계까지는 성공했고, 어느 단계에서 멈췄는가”를 먼저 나누면 문제 범위를 빠르게 좁힐 수 있습니다.

10. 초보자가 자주 헷갈리는 부분

SSB를 찾았다고 바로 접속이 끝나는 것은 아닙니다

SSB는 셀을 찾기 위한 출발점입니다. 이후 MIB, SIB1, RACH, RRC 설정을 거쳐야 실제 연결 절차가 진행됩니다.

MIB와 SIB1의 역할은 다릅니다

MIB는 SIB1을 읽기 위한 기본 정보를 제공하는 성격이 강합니다. SIB1은 셀 접속 가능 여부와 초기 접속 설정을 이해하는 데 더 직접적으로 중요합니다.

RACH는 uplink 동기와 연결됩니다

RACH는 단순히 “나 접속할래”라는 메시지가 아닙니다. uplink timing을 맞추고, 네트워크가 단말에게 초기 uplink 자원을 주는 과정과 연결됩니다.

RRC Setup이 끝났다고 모든 서비스 준비가 끝난 것은 아닙니다

RRC Setup은 제어 연결을 만드는 중요한 단계입니다. 이후 보안 설정, 등록 절차, bearer 설정 등 후속 절차가 이어져야 실제 데이터 서비스가 가능해집니다.

11. 공부 순서 추천

Initial Access를 제대로 이해하려면 표준 문서를 모두 한 번에 읽기보다, 메시지 흐름과 계층 역할을 번갈아 보는 방식이 좋습니다.

  1. SSB와 PBCH 구조를 먼저 봅니다.
  2. MIB와 SIB1이 왜 필요한지 이해합니다.
  3. Cell Selection과 접속 제한 조건을 확인합니다.
  4. 4-step RACH 흐름을 그림으로 정리합니다.
  5. RRC Setup Request → RRC Setup → RRC Setup Complete 순서를 봅니다.
  6. 마지막으로 실제 로그에서 각 단계가 어디에 나타나는지 확인합니다.

12. FAQ

Q1. Initial Access에서 가장 먼저 봐야 할 개념은 무엇인가요?

SSB를 먼저 보는 것이 좋습니다. 단말이 셀을 찾고 동기를 맞추는 출발점이기 때문에, SSB를 이해해야 이후 MIB, SIB1, RACH 흐름이 자연스럽게 이어집니다.

Q2. SSB와 RACH는 어떤 관계인가요?

SSB는 셀을 찾고 기본 정보를 읽기 위한 시작점이고, RACH는 단말이 네트워크에 uplink 접속을 시작하는 절차입니다. 순서상 SSB와 SIB1을 확인한 뒤 RACH로 넘어간다고 보면 이해가 쉽습니다.

Q3. RACH가 실패하면 무조건 신호가 약한 건가요?

꼭 그렇지는 않습니다. 신호 품질 문제일 수도 있지만, PRACH 설정, preamble 충돌, timing advance, RAR 수신 실패 등 여러 원인이 있을 수 있습니다.

Q4. Initial Access와 Registration은 같은 절차인가요?

아닙니다. Initial Access는 무선 접속 관점의 초기 연결 절차에 가깝고, Registration은 5G Core와 관련된 NAS 절차까지 포함합니다. 실제 접속 과정에서는 두 흐름이 이어지지만, 계층과 목적은 구분해서 보는 것이 좋습니다.

Q5. Part 3 이후에는 무엇을 공부하면 좋을까요?

다음 단계로는 RACH 상세 절차, RRC 상태 전이, Registration 절차, PDU Session Establishment를 순서대로 보는 것을 추천합니다. 이렇게 보면 무선 접속부터 데이터 세션 생성까지 하나의 흐름으로 연결됩니다.

13. 마무리

Initial Access는 5G NR 프로토콜을 공부할 때 가장 좋은 입문 주제 중 하나입니다. 이유는 여러 계층의 역할이 하나의 절차 안에서 자연스럽게 연결되기 때문입니다. SSB는 PHY, RACH는 PHY와 MAC, RRC Setup은 RRC 계층과 연결됩니다.

이 흐름을 한 번 잡아두면 이후에 로그를 보거나 표준 문서를 읽을 때 훨씬 편해집니다. 세부 파라미터를 외우기 전에 “셀 탐색 → 시스템 정보 획득 → RACH → RRC 연결”이라는 큰 흐름을 먼저 기억해두면 좋습니다.

참고자료