2. S1 핸드오버 개념 (Concept of S1 Handover)
 

2.1 S1 프로토콜 스택
S1 핸드오버는 source eNB와 target eNB 간에 핸드오버가 S1 인터페이스를 통하여 수행된다. S1 인터페이스는 eNB와 EPC를 연결하는 인터페이스로, eNB는 제어 평면에서는 S1AP 시그널링을 통하여 MME와 통신하고, 사용자 평면에서는 GTP 터널을 통하여 S-GW와 통신한다. 그림 1은 S1 인터페이스 상에서 제어 평면과 사용자 평면의 프로토콜 스택을 나타낸다.

그림 1. Protocol Stack over S1 Interface

새로운 eNB가 설치될 때, eNB와 MME(들) 간에는 “S1 Setup” 절차가 수행된다. eNB는 MME(들)로 S1 Setup Request(eNB ID, eNB Name, TAC) 메시지를 전송하여 eNB configuration 정보를 알리고, MME는 eNB에게 S1 Setup Response(GUMMEI, MME Name, Relative MME Capacity) 메시지를 전송하여 eNB가 configuration 정보를 업데이트하도록 한다. Relative MME Capacity는 MME pool에 있는 MME 간 load balancing에 사용되는 정보로 UE connection 처리 능력에 대한 weight factor를 나타낸다. eNB는 여러 MME와 연결되어 있을 때, 새로운 UE connection을 어느 MME로 설정할지 이 값을 이용하여 결정한다.

eNB와 EPC 간 UE connection을 살펴보면, 제어 평면의 경우 eNB와 MME 간에 사용자별 시그널링은 S1AP (S1 Application Protocol) 시그널링 연결1로 제공되며 {eNB UE S1AP ID, MME UE S1AP ID}에 의해 구별된다. 사용자 평면의 경우 eNB와 S-GW 간에 사용자별 S1 베어러는 GTP(GPRS Tunneling Protocol) 터널로 제공되며 {하향 S1 TEID(S1 eNB TEID), 상향 S1 TEID(S1 S-GW TEID)}에 의해 구별된다.

2.2 핸드오버 관련 S1AP 절차와 S1AP 메시지
3GPP TS 36.413 Table 1과 Table 2는 S1AP 기본 절차를 나타내며 이들 절차들은 Non-UE 관련 절차와 UE 관련 절차를 모두 포함한다. 본 문서에서는 핸드오버 절차에 관한 문서로, UE 관련 절차 그 중에서도 III 장에서 기술될 핸드오버 관련 절차만을 설명하기로 한다. 표 1은 S1 핸드오버 관련 S1AP 기본 절차와 S1AP 메시지를 나타낸다.

표 1. S1 Messages for Handover related S1AP Elementary Procedures [2]

표 1의 메시지 중 III 장에서 사용되는 S1AP 메시지들(성공적으로 핸드오버가 수행될 때 사용되는 메시지들)을 아래에 간단히 기술하였다.

• Handover Required message: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 MME로 전송하며 target eNB 정보와 source 셀에서의 radio 관련 정보를 포함함
• Handover Request message: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, MME가 target eNB로 전송하며 사용자의 UE Context를 포함함
• Handover Request Acknowledge message: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, target eNB에서 UE에 대한 자원 할당이 성공적인 경우 target eNB가 MME에게 전송함. Target eNB는 핸드오버 후 사용할 S1 베어러를 위한 하향 S1 TEID와, 핸드오버 중 DL 패킷 전달에 사용할 S1 베어러(indirect 터널)를 위한 하향 S1 TEID를 할당하여 전달함
• Handover Command message: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, MME가 source eNB에게 전송함. UE가 target eNB로 접속 시 필요한 정보(Target C-RNTI, Target eNB AS Security 알고리즘, DRB ID 등)와 S-GW가 핸드오버 중 DL 패킷 전달에 사용할 S1 베어러(indirect 터널)를 위해 할당한 상향 S1 TEID가 전달됨
• Status Transfer message: 핸드오버 실행 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 MME로 전송하며 어느 패킷부터 송·수신 해야 하는지를 알림
• MME Status Transfer message: 핸드오버 실행 단계에서 사용되는 메시지로, MME가 target eNB로 전송하며 어느 패킷부터 송·수신 해야 하는지를 알림
• Handover Notify message: 핸드오버 완료 단계에서 사용되는 메시지로, target eNB가 MME로 전송하며 UE가 target eNB로 핸드오버를 마쳤음을 알림
• Context Release Command message: 핸드오버 완료 단계에서 사용되는 메시지로, MME가 source eNB에게 전송하며 UE Context 해제를 요청
• UE Context Release Complete message: 핸드오버 완료 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 MME에게 전송하며 UE Context를 해제했음을 알림
   

2.3 S1 핸드오버 절차: One Shot
S1 핸드오버 절차는 1편[3]에서 기술한 바와 같이 준비 단계(Preparation), 실행 단계(Execution) 및 완료 단계(Completion)로 구분된다. III 장에서 본격적으로 S1 핸드오버 절차를 상세히 기술하기에 앞서, 전체 절차를 간단히 정리해 보도록 한다.

그림 2. Simplified Procedure of S1 Handover

그림 2는 S1 핸드오버 전·중(준비/실행/완료단계)·후 과정을 “One Shot”으로 나타낸 것이다. 편의상 S-GW와 P-GW를 SAE-GW로 통합하여 나타내었고, source eNB와 target eNB는 SeNB와 TeNB로 기술하였다.

S1 핸드오버 전 (Before S1 Handover)
사용자는 eNB A(에 있는 serving 셀)에 접속하여 서비스를 받고 있다. Measurement event가 발생하면 UE는 eNB A로 Measurement Report 메시지를 전송한다.

S1 핸드오버 준비 단계 (S1 Handover Preparation)
Source eNB(eNB A)는 Measurement Report 메시지에 있는 neighbor 셀의 신호세기 정보와 자신이 관리하고 있는 Neighbor Cell List 정보를 기반으로 어느 eNB로 핸드오버 할지 target eNB(eNB B)를 결정한다. Source eNB는 target eNB로 X2 connection을 이용하여 핸드오버 할 수 없음을 알고 S1 핸드오버를 결정하고, MME를 통하여 target eNB와 핸드오버를 실행하기 위한 준비를 한다. Source eNB와 target eNB는 모두 S1AP 시그널링을 통해 MME와 통신하며, 이 과정에서 target eNB는 사용자가 source eNB에서 제공받고 있는 서비스가 target eNB에서도 제공 가능하도록 미리 자원을 할당하고, MME는 UE가 target 셀에 접속하는데 필요한 정보들을 source eNB에게 전달한다.
 

또한 target eNB와 S-GW는 사용자가 핸드오버를 실행하는 동안 source eNB로 전달되는 DL 패킷을 S-GW를 거쳐 target eNB로 전달할 indirect 터널을 설정하기 위한 자원을 할당한다. Target eNB와 S-GW에서 자원 할당 과정은 다음과 같다.

• Source eNB가 Handover Required 메시지에 target eNB 정보를 담아 MME로 전송하면(❶),
• MME는 target eNB가 AS Security 베이스 키를 만드는데 필요한 AS Security 정보를 UE Context 정보와 함께 Handover Request 메시지에 담아 target eNB로 전송하고(❷),
• Target eNB는
  • MME로부터 얻은 S1 S-GW TEID를 이용하여 핸드오버 후 상향 패킷을 전송할 상향 S1 베어러를 설정하고, 하향 S1 베어러를 위한 S1 target eNB TEID를 할당하며(❸),
  • UE가 target eNB로 접속을 시도하는 핸드오버 동안 source eNB가 DL 패킷을 전달할 indirect 터널^# {source eNB ~ S-GW ~ target eNB} 구간 중 {S-GW ~ target eNB} 구간용 S1 target eNB TEID를 할당하고,
  • UE가 target 셀로 접속할 때 필요한 정보(Target C-RNTI, Target DRB ID 등)를 포함하는 Handover Command 메시지를 구성하여
  • 이를 Handover Request Ack 메시지에 담아 MME로 전송한다(❹).
• MME는 이를 수신하여 Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request 메시지에 target eNB가 할당한 indirect 터널용 S1 target eNB TEID를 담아 S-GW로 전송한다(❺).
• S-GW는
  • Target eNB로 indirect 터널을 설정하고(❻),
  • Indirect 터널 {source eNB ~ S-GW ~ target eNB} 구간 중 {source eNB ~ S-GW} 구간용 S1 S-GW TEID를 할당하여 Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response 메시지에 담아 MME로 전송한다.
• MME는 Handover Command 메시지에 S-GW가 할당한 indirect 터널용 S1 S-GW TEID와 UE가 target 셀로 접속할 때 필요한 정보를 담아 source eNB로 전송한다(❼).
• Source eNB는 S-GW로 indirect 터널을 설정한다(❽).

# Source eNB가 DL 패킷을 target eNB로 직접 보내지 않고 S-GW를 거쳐 보내기 때문에 indirect 터널이라 부른다.

❽과 ❻과정으로부터 {source eNB ~ S-GW ~ target eNB}에 이르는 indirect 터널이 생성된다.

S1 핸드오버 실행 단계 (S1 Handover Execution)
이제 두 eNB 간에 핸드오버를 위한 준비를 모두 마쳤으므로 UE가 핸드오버를 하도록 할 차례이다.

• Source eNB는
  • UE에게 target 셀에 접속하는 데 필요한 정보를 담아 Handover Command 메시지를 전송함으로써 target 셀로 핸드오버 할 것을 지시하고(❶),
  • MME로 eNB Status Transfer 메시지를 전송하여 UE와 어느 상·하향 패킷부터 송·수신해야 하는지 알리고(❷),
  • S-GW로부터 수신되는 DL 패킷을 S-GW를 경유하여 target eNB와 설정된 indirect 터널을 통해 target eNB로 전송한다(❹).
• MME는 target eNB로 MME Status Transfer 메시지를 전송하여 UE와 어느 상·하향 패킷부터 송·수신해야 하는지 알린다(❸).
• UE는 source eNB와 접속을 끊고 target eNB로 접속한다(❺).
• Target eNB는 UE가 성공적으로 접속하면 즉시 패킷 송수신이 가능해진다(❻).

S1 핸드오버 완료 단계 (S1 Handover Completion)
MME는 UE가 target eNB로 핸드오버 할 것을 미리 알고 있으므로, X2 핸드오버와는 달리 target eNB가 핸드오버 실행 후 MME로 경로 변경을 요청하지 않는다. 대신 UE가 target eNB로 접속을 마치면 target eNB는 MME로 Handover Notify 메시지를 보내어 UE가 핸드오버 했음을 알린다.

• Target eNB는 UE가 접속을 마치면, MME로 Handover Notify 메시지를 전송하여 이를 알린다(❶).
• MME는 이를 수신하여 S-GW로 S1 베어러 수정을 요청하고(❷), S-GW는 하향 S1 베어러 경로를 target eNB로 변경한다(❸).
• S-GW에서 경로를 변경하는 과정은 다음과 같다.
  • S-GW는 source eNB로 향하는 하향 S1 베어러로 EM(End Marker) 패킷을 전송한 후 DL 패킷 전송을 중지하고,
  • Target eNB로 향하는 하향 S1 베어러를 설정하여 target eNB로 DL 패킷을 전송한다.
• Target eNB에서 UE에게 DL 패킷을 전송하는 과정은 다음과 같다.
  • Target eNB는 EM을 수신할 때까지 indirect 경로로 오는 패킷을 UE에게 전송하고,
  • EM을 수신한 후에는 새로운 경로로 오는 패킷을 UE에게 전송한다.
• MME는
  • Source eNB로 UE Context Release Command 메시지를 전송하여, source eNB에 있는 UE Context와 source eNB와 관련된 S1 자원을 해제하도록 하고(❹),
  • S-GW로 Delete Indirect Data Forwarding Tunnel Request 메시지를 전송하여 indirect 터널 자원을 해제하도록 한다(❺).

S1 핸드오버 후 (After S1 Handover)
사용자는 eNB B(에 있는 serving 셀)에 접속하여 서비스를 받는다.

2.4 S1 핸드오버 전·후 사용자 상태 및 연결 정보
그림 3은 S1 핸드오버 전·중(실행 단계)·후에 사용자/제어 평면에서의 connection 설정과 UE와 MME의 사용자 상태를 나타낸다.
 

S1 핸드오버 전
사용자는 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Connected 상태에 있고 E-UTRAN 및 EPC에서 할당 받은 자원을 모두 유지하고 있다.
S1 핸드오버 중
핸드오버 중에도 NAS 레벨의 사용자 상태는 변하지 않고 source eNB와 target eNB 모두 MME와는 S1-MME 인터페이스 상에 S1 시그널링 연결이 설정되고 있고, S-GW와는 S1-U 인터페이스 상에 DL 패킷 전달용 indirect 터널이 설정되어 있다. 그림 3에서 2)는 핸드오버 실행 단계(Handover Execution)에서 핸드오버 단절 시간 구간에 있을 때를 나타낸 것으로, 무선 구간 접속이 없으나 사용자 상태는 연결 상태로 유지된다.
S1 핸드오버 후
사용자는 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Connected 상태를 유지하며, 연결 정보를 보면 사용자 평면에서는 E-RAB(DRB와 S1 베어러) 경로가 변경되고 제어 평면에서는 새로운 RRC 연결이 설정된다.

그림 3. Connections and States before/after S1 Handover