EMM Procedure: 3. S1 Release

목 차

I. 시작하는 글
II. S1 Release due to User Inactivity
III. EPS Entity Information: Before/After S1 Release
IV. 마치는 글

EMM 절차 문서 중 세 번째 문서로, EMM 시나리오 편에서 정의했던 EMM Case 3, 즉 LTE 망에서 서비스를 이용 중이던 사용자가 비활성화되어 더 이상 eNB에 접속되어 있지 않고 S1 연결을 해제하는 S1 Release 절차를 다룬다. S1 Release 절차를 통해 제어 평면에서 S1 시그널링 연결이 해제되고 사용자 평면에서 하향 S1 Bearer 연결이 해제되는 절차를 기술하고, S1 Release 절차 전•후로 EPS 엔터티 내에 정보들이 어떻게 변경되는지 살펴본다.


2012년 04월 26일

www.netmanias.com

NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
AMBR Aggregated Maximum Bit Rate
APN Access Point Name
ARP Allocation Retention Priority
AS Access Stratum
C-RNTI Cell Radio Network Temporary Identifier
CSG Closed Subscriber Group
DL Downlink
DRB Data Radio Bearer
ECGI E-UTRAN Cell Global Identifier
ECM EPS Connection Management
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPS Evolved Packet System
E-RAB E-UTRAN Radio Access Bearer
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GTP GPRS Tunneling Protocol
GUTI Globally Unique Temporary Identifier
HSS Home Subscriber Server
IMSI International Mobile Subscriber Identity
LTE Long Term Evolution
MME Mobility Management Entity
NAS Non Access Stratum
O&M Operation and Maintenance
PCC Policy and Charging Control
PCRF Policy and Charging Rule Function
P-GW Packet Data Network Gateway
QCI QoS Class Identifier
RRC Radio Resource Control
S1AP S1 Application Protocol
SDF Service Data Flow
S-GW Serving Gateway
SPR Subscriber Profile Repository
TAI Tracking Area Identity
TEID Tunnel End Point Identifier
TFT Traffic Flow Template
UE User Equipment
UL Uplink
 
I. 시작하는 글
“LTE: 사용자 경험에 기반한 EMM 시나리오와 11가지 EMM Case들” 기술문서[1]에서 정의한 EMM Case 3, 즉 LTE 서비스를 이용 중이던 사용자가 비활성화되어 S1 연결이 해제되는 절차를 다룬다. 사용자는 망에는 등록되어 있으나 서비스를 이용하고 있지 않으므로 eNB로부터 할당 받은 무선자원을 사용하지 않는다. 따라서 망은 사용자에게 할당한 자원 중 radio access와 관련된 자원을 해제하고 이와 관련된 정보를 삭제한다.

S1 연결 해제란 망 입장에서 보면 해당 사용자에 대해 제어 평면에서 S1 시그널링 연결과 RRC 연결을 해제하고 사용자 평면에서 하향 S1 베어러와 DRB(Data Radio Bearer)를 해제하는 것으로, 사용자 입장에서 보면 제어 평면에서 RRC 연결이 해제되고 사용자 평면에서 DRB가 해제되는 것이다. S1 연결이 해제되면 사용자(UE)와 망(MME) 간에 ECM 연결이 해제되고 eNB에서 사용자와 관련된 모든 context가 삭제된다. 사용자 상태는 UE와 MME에서 ECM 연결 상태(ECM-Connected)에서 ECM 휴지 상태(ECM-Idle)로 천이하며, 상태 천이 후에도 EMM 등록 상태(EMM-Registered)를 유지한다.

본 문서는 LTE 망에서 사용자 트래픽 비활성화로 인한 S1 해제 절차를 설명하기 위한 문서로, II 장에서 S1 해제 절차를 설명하고, III 장에서 S1 해제 절차 전•후로 EPS 엔터티들이 갖는 정보가 어떻게 변하는지 정리한다

II. S1 해제 (S1 Release due to User Inactivity)
S1 해제 절차는 eNB 또는 MME에 의해 triggering 될 수 있다. 먼저, eNB에 의해 triggering 되는 예는 다음과 같다.
 User inactivity
 Repeated RRC signaling integrity check failure
 Release due to UE generated signaling connection release
 Unspecified failure
 O&M intervention 등

MME에 의해 triggering 되는 예는 다음과 같다.
 Authentication failure
 Detach
 Not allowed CSG cell 등

이외에도 eNB와 MME에서 S1 해제는 control processing overload, not enough user plane processing resources available 등의 이유로 triggering될 수 있다.

그림 1은 S1 Release 전과 후에 사용자/제어 평면에서의 connection 설정과 UE와 MME의 상태를 나타낸다. S1 Release 전에는 사용자와 망 간(UE와 P-GW 간)에 트래픽 전송을 지원하기 위한 EPS 베어러와 시그널링 연결이 설정되어 있다. EPS 베어러로는 DRB, S1 베어러 및 S5 베어러가 설정되어 있고, 시그널링 연결로는 ECM 연결(RRC 연결 + S1 시그널링 연결), S11 연결 및 S5 연결이 설정되어 있다. UE와 MME는 EMM-Registered 및 ECM-Connected 상태에 있고, UE와 eNB는 RRC-Connected 상태에 있다.
S1 Release 후에 사용자 평면에서는 DRB와 하향 S1 베어러가 해제되고 제어 평면에서는 ECM 연결(RRC 연결 + S1 시그널링 연결)이 해제되어 E-UTRAN 자원이 해제된다. S1 베어러의 경우 하향 S1 베어러 자원만 해제되고 상향 S1 베어러 자원은 망에서 유지된다.
이를 이전 기술문서인 detach 경우와 비교하면, detach가 발생한 경우에는 망이 사용자에게 할당한 모든 자원이 해제되고 사용자 상태는 EMM-Deregistered 상태로 천이하게 되며, S1 Release가 발생한 경우에는 무선 access 망(E-UTRAN 또는 eNB)에서 할당한 자원은 해제되나 EPC에서 할당한 자원은 그대로 유지되어 사용자 상태는 EMM-Registered 상태를 유지하면서 ECM-Idle 상태로 천이하게 된다. 이후 상향/하향 사용자 트래픽이 발생하면 ECM 연결 및 DRB/S1 베어러(하향)가 설정되면서 ECM-Connected 상태로 천이하고 사용자 트래픽을 전송하게 된다.


그림 1. Connections and States before/after S1 Release

그림 2는 eNB가 사용자 비활성화(User inactivity)를 검출하여 eNB에서 S1 해제가 triggering되어 S1이 해제되는 절차를 나타낸다(Triggering 이유가 사용자 비활성화가 아닌 경우에도 S1 해제는 같은 절차로 수행된다). MME에 의해 S1 해제가 triggering되는 경우에는 그림 2에서 절차 1)이 없이 절차 2)부터 시작된다.


그림 2. Procedure for S1 Release (eNB-initiated)

1) [eNB  MME] UE Context 해제 요구
eNB는 사용자 비활성화를 검출하고 UE context를 해제하기 위하여 MME로 해제이유를 포함한 UE Context Release Request 메시지를 전송한다.

2) [MME  S-GW] S1 베어러 해제 요구
MME는 S1 베어러의 하향 종단점(Download endpoint)인 eNB에 대한 자원 정보를 해제하기 위하여 S-GW로 Release Access Bearer Request 메시지를 전송한다.

3) [S-GW] 하향 S1 베어러 해제
S-GW는 해당 사용자에 대해 하향 S1 베어러 자원(예, S1 TEID(DL))를 해제한다. 상향 S1 베어러 자원(즉, 자신이 할당한 S1 TEID(UL) 등)은 해제하지 않고 유지한다. 따라서 상향으로 전송할 패킷이 발생한 경우 eNB는 MME로부터 S1 TEID(UL)를 전달 받아 지체 없이 상향 S1 베어러를 통해 패킷을 전송할 수 있다.

4) [MME  S-GW] S1 베어러 해제 응답
S-GW는 MME로 Release Access Bearer Response 메시지를 전송함으로써 하향 S1 베어러 자원이 해제되었음을 알린다. 이 후 사용자로 향하는 DL 패킷이 발생하는 경우 S-GW는 이를 버퍼링하고 하향 S1 베어러가 재설정된 후 전송할 수 있다. 이 과정은 다음 기술문서인 “EMM Procedure: 4. Service Request”에서 다루게 된다.

5) [eNB  MME] UE Context 해제 명령
MME는 eNB에 있는 UE context를 해제하기 위하여 eNB로 UE Context Release Command 메시지를 전송한다.

6) [UE  eNB] RRC 연결 해제
MME로부터 UE context 해제를 명령받은 eNB는 유지하고 있던 UE context를 모두 삭제한다. 만약 RRC 연결이 아직 해제되지 않은 상태이면 eNB는 UE로 RRC Connection Release 메시지를 전송하여 RRC 연결을 해제함으로써, 사용자에게 할당한 무선 자원과 무선 베어러들을 해제하고 UE context를 삭제한다.

7) [eNB  MME] UE Context 해제 완료
eNB는 단계 5)에 대한 응답으로 MME로 UE Context Release Complete 메시지를 전송한다. MME는 eNB에서 사용자 정보가 모두 삭제되었음을 확인한다.

8) [MME] S1 해제
MME는 UE context 중 eNB와 관련된 정보는 상향 S1 베어러 정보를 제외하고 모두 삭제한다. eNB와 관련되지 않은 나머지 정보는 그대로 유지한다.

 
III. EPS Entity Information: Before/After S1 Release
이 장에서는 S1 Release 절차가 시작되기 전과 후에 EPS 엔터티에 있는 정보를 살펴본다. 각 엔터티 정보는 UE ID 관련 정보, UE Location 관련 정보, Security 관련 정보, EPS Session/Bearer 관련 정보로 분류하여 표시한다.

3.1 Before S1 Release
S1을 해제하기 전에 사용자는 망에 접속하여 서비스를 이용하고 있었고 EMM-Registered, ECM/RRC-Connected 상태에 있다. 따라서 S1 해제 전에 EPS 엔터티들이 갖는 정보는 EMM Case 1에서 초기 접속 이후 갖고 있는 정보들이다(문서 [2] 참조). 그림 3은 S1 해제 절차가 시작되기 전에 EPS 엔터티들에 있는 정보를 나타낸다.


그림 3. Information in EPS entity before S1 release

 
3.2 After S1 Release
S1을 해제한 후 사용자는 망에는 등록되어 있지만 서비스를 이용하고 있지 않으며 EMM-Registered, ECM/RRC-Idle 상태에 있게 된다. 사용자는 어느 eNB에도 접속되어 있지 않으므로 UE가 eNB(E-UTRAN)에 접속하여 트래픽을 송수신하는데 사용하는 모든 정보가 해제된다. 제어 평면에서는 ECM 연결(RRC 연결 및 S1 시그널링 연결)이 해제되고, 사용자 평면에서는 DRB와 하향 S1 베어러가 해제된다. 그림 4는 S1 해제 절차를 마친 후 EPS 엔터티들에 있는 정보 및 제어 평면과 사용자 평면에 있는 연결들을 나타낸다. 각 엔터티에서 S1 해제 후 삭제되는 정보를 회색으로 나타내었다.


그림 4. Information in EPS entity after S1 release

UE에서 삭제되는 정보
 C-RNTI: UE가 접속한 셀 안에서 UE를 구분하는 정보
 ECGI: UE가 접속해 있는 셀 정보
 DRB ID: UE가 eNB로부터 할당받은 무선 구간 상의 EPS 베어러 ID
 AS Security Info: UE와 eNB 간 AS security 정보(RRC 메시지에 대한 무결성 보호/암호화 및 사용자 패킷에 대한 암호화에 사용되는 정보)

eNB에서 삭제되는 정보
 모든 정보
MME에서 삭제되는 정보
 S1AP UE ID: S1 시그널링 연결에서 사용되는 UE ID인 eNB S1AP UE ID와 MME S1AP UE ID 정보
 ECGI: UE가 접속해 있는 셀 정보
 S1 TEID (DL): 하향 S1 베어러에 대한 TEID 정보
S-GW에서 삭제되는 정보
 ECGI: UE가 접속해 있는 셀 정보
 S1 TEID (DL): 하향 S1 베어러에 대한 TEID 정보

IV. 마치는 글
LTE 망에 접속하여 서비스를 이용 중이던 사용자가 일정시간 동안 서비스를 이용하지 않음으로써 S1 연결이 해제되는 S1 Release (“EMM Case 3” in [1]) 절차를 기술하였다. S1 Release 절차 후 사용자는 망 등록 상태(EMM-Registered)는 유지한 채 ECM 휴지 상태(ECM-Idle)로 천이한다. 다음 기술문서에서는 사용자가 S1 Release 후 ECM 휴지 상태(ECM-Idle)에 있을 때 사용자로부터 또는 사용자로 향하는 새로운 트래픽(UL 또는 DL 트래픽)이 발생한 경우, 사용자에게 다시 서비스를 제공하기 위하여 새로 S1 연결을 설정하는 Service Request 절차(“EMM Case 4: Service Request” in [1])에 대하여 기술한다.

참고문헌
[1] 넷매니아즈 기술문서, “LTE: 사용자 경험에 기반한 EMM 시나리오와 11가지 EMM Case들”,
September 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5303
[2] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 1. Initial Attach for Unknown UE (2편) – Call Flow of Initial Attach (초기 접속 호 흐름)”,
September 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5320
[3] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.