Es sencillo, tu error es que nunca consultas si existe una sesión actual, solo te limitas a enviar a la pagina de logeo si no hay variables `$_POST`, para ser mas exacto en esta linea:

    if (empty($usuario) || empty($pass)) {
        header("Location: index.php");
        exit();
    }

Ahora lo ideal es que tengas esto:

    if (!isset($_SESSION)) {
        session_start();
    }
    if (isset($_SESSION['usuario'])) {
        header("Location: inicio.php");
    } else {
        // Sentencias...
    }

 - primero ejecutas `session_start` si no ha sido ejecutado nunca
   durante la petición.
 - segundo redireccionas a tu pagina principal si el variable de sesión
   ha sido seteada, en caso contrario entonces es cuando entras a
   validar la información `$_POST`.

**Sugerencias**

 1. Filtra los valores `$_POST` te expones a una inyección SQL por
    confiar en los valores enviado por el usuario.
 2. `session_start` solo debe ejecutarse una vez por petición.