Netmanias 기술문서: EMM Procedure: 4. Service Request

EMM Procedure: 4. Service Request

목 차
I. 시작하는 글
II. Case of Service Request
III. UE-triggered Service Request
IV. Network-triggered Service Request
V. EPS Entity Information: Before/After Service Request
VI. 마치는 글

EMM 절차 문서 중 네 번째 문서로, EMM 시나리오 편에서 정의했던 EMM Case 4, 즉 LTE 망에서 초기 접속 후 비활성화로 휴지(idle) 상태에 있는 사용자가 새로운 트래픽이 발생하여 다시 서비스를 받고자 하는 경우에 대한 Service Request 절차를 다룬다. Service Request 절차를 통해 다시 사용자에게 E-UTRAN 자원이 할당되어, 제어 평면에서 ECM 연결(RRC 연결 및 S1 시그널링 연결)이 설정되고 사용자 평면에서 E-RAB(DRB 및 S1 Bearer)이 설정되는 과정을 기술하고, Service Request 절차 전·후로 EPS 엔터티 내에 정보들이 어떻게 변경되는지 살펴본다.

2012년 05월 10일
www.netmanias.com
NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

About NMC Consulting Group
NMC Consulting Group was founded on year 2002 and is advanced, professional network consulting company which is specialized for IP Network area like FTTH, Metro Ethernet and IP/MPLS, Service area like IPTV, IMS and CDN lastly, Wireless network area like Mobile WiMAX, LTE and Wi-Fi. Copyright ⓒ 2002-2012 NMC Consulting Group. All rights reserved.

약어표
AKA Authentication and Key Agreement
AMBR Aggregated Maximum Bit Rate
APN Access Point Name
ARP Allocation Retention Priority
AS Access Stratum
ASME Access Security Management Entity
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
EPS-AKA Evolved Packet System - Authentication and Key Agreement
E-RAB E-UTRAN Radio Access Bearer
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GUMMEI Globally Unique MME ID
GUTI Globally Unique Temporary Identifier
HSS Home Subscriber Server
IMSI International Mobile Subscriber Identity
KSI Key Set Identifier
LTE Long Term Evolution
MAC Message Authentication Code
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
S-TMSI SAE Temporary Mobile Subscriber Identity
TAI Tracking Area Identity
TEID Tunnel End Point Identifier
TFT Traffic Flow Template
UE User Equipment
UL Uplink
USIM Universal Subscriber Identity Module
EMM Procedure: 4. Service Request

I. 시작하는 글
“LTE: 사용자 경험에 기반한 EMM 시나리오와 11가지 EMM Case들” 기술문서[1]에서 정의한 EMM Case 4, 즉 새로운 트래픽이 발생하여 휴지(idle) 상태에 있는 사용자가 트래픽 송수식이 가능한 활성화 상태로 천이하기 위해 서비스를 요청하는 절차를 다룬다. 새로운 트래픽은 사용자로부터 발생할 수도 있고(UL 트래픽) 사용자에게 젂달되는 트래픽이 망으로부터 발생할 수도 있다(DL 트래픽). 어느 경우든 E-UTRAN 자원(eNB에서 할당한 자원)을 해제하고 휴지 상태(ECM/RRC-Idle)에 있던 사용자는 다시 E-UTRAN 자원을 할당 받기 위하여 Service Request 절차를 통해 연결 상태(ECM/RRC-Connected)로 천이하여 트래픽을 송수식하게 된다.
본 문서는 LTE 망에서 Service Request 절차를 설명하기 위한 문서로, 먼저 II 장에서 새로운 트래픽이 어디에서 발생하였는가에 따라 Service Request 종류를 분류하고, III, IV 장에서 Service Request 종류별로 그 절차를 기술한다. 이어서 V 장에서 Service Request 절차 젂·후로 EPS 엔터티들이 갖는 정보가 어떻게 변하는지 정리한다.

II. 서비스 요청 종류 (Case of Service Request)
사용자가 망에 등록은 되어 있으나 트래픽 비활성화로 S1 연결이 해제되고 무선 자원이 할당되어 있지 않은 상태에서, 즉 사용자가 EMM 등록 상태(EMM-Registered)에 있으나 ECM 휴지 상태(ECM-Idle)에 있을 때, 사용자가 전송할 트래픽이 발생하거나 망에서 사용자에게 전송할 트래픽이 발생하면, 사용자는 망으로 서비스를 요청하여 ECM 연결 상태(ECM-Connected)로 천이하고, 제어 평면에서 ECM 연결(RRC 연결 + S1 시그널링 연결)을 사용자 평면에서 E-RAB(DRB 및 S1 베어러)을 설정하여 트래픽을 송/수식하게 된다. 망이 사용자에게 트래픽을 전송하는 경우에는, 먼저 사용자에게 전송할 트래픽이 있음을 알려서 사용자가 서비스 요청을 할 수 있도록 한다.
사용자는 전송할 트래픽이 발생하거나 망으로부터 젂달할 트래픽이 있다는 싞호를 받으면, MME로 Service Request 메시지를 전송함으로써 연결 상태(ECM/RRC-Connected)로 천이하여 무선 자원 및 망 자원을 할당 받고 트래픽을 송/수식할 수 있게 된다. Service Request triggering은 UE 또는 망에 의해서 발생할 수 있다. 새로운 트래픽이 어디에서 발생하는가에 따라 Service Request 종류를 아래와 같이 분류하도록 한다.
- Service Request Case 1: UE-triggered New Traffic
UE에서 망으로 전송할 uplink data가 생길 때
- Service Request Case 2: Network-triggered New Traffic
망에서 UE에게 전송할 downlink data가 생길 때
그림 1은 Service Request 전과 후에 사용자/제어 평면에서의 connection 설정과 UE와 MME의 상태를 나타낸다. Service Request 젂에 사용자는 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Idle 상태에 있어 EPC에서 할당 받은 자원만 유지되고 E-UTRAN에서 할당 받은 자원은 해제되어 있다. 제어 평면에서는 S5 GTP-C 터널과 S11 GTP-C 터널이 유지되고 있고 ECM 연결은 해제되어 있으며, 사용자 평면에서는 S5 베어러와 상향 S1 베어러가 유지되고 있고 하향 S1 베어러와 DRB는 해제되어 있다.
Service Request 후에 사용자는 E-UTRAN 자원을 할당 받아 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Connected 상태에 있게 된다. 사용자와 망 갂(UE와 P-GW 갂)에 트래픽 전송을 지원하기 위한 EPS 베어러(DRB, S1 베어러 및 S5 베어러)와 시그널링 연결(ECM 연결, S11 GTP-C 터널, S5 GTP-C 터널)이 모두 설정되어 있다.
그림 1. Connections and States before/after Service Request

III. UE-triggered Service Request
그림 2와 그림 3은 UE에서 상향 트래픽이 발생한 UE-triggered Service Request 절차를 나타낸다. UE NAS계층은 MME로 Service Request 메시지를 전송하여 전송할 데이터가 있음을 망에 알려, 망으로부터 데이터 전송에 필요한 자원을 할당 받는다. 사용자가 망에 등록되어 있는 상태이므로 UE와 MME에는 NAS Security Context(KNASenc, KNASint 등)가 유지되고 있어, UE는 Service Request 메시지 전송 시 암호화 키(KNASenc)로 암호화 후에 무결성 키(KNASint)를 이용하여 무결성 보호(integrity protection)하여 전송하며 이를 수식한 MME는 무결성 여부 검사 및 복호화 과정을 통해 가입자 인증을 수행할 것인지 여부를 결정하고, 이어 E-RAB이 설정된다.
그림 2. Procedure for UE-triggered Service Request (1)
1 ECM 연결 설정 (ECM Connection Establishment)
전송할 트래픽이 발생한 UE는 MME로 Service Request 메시지를 전송함으로써 ECM 연결을 설정하게 된다. Service Request 메시지는 무선 구간에서는 RRC 연결이 설정되고 eNB와 MME 구간에서는 S1 시그널링 연결이 설정되어 MME로 젂달된다. 본 문서에서는 UE와 MME에 유효한 GUTI 및 NAS Security Context가 유지되고 있는 경우에 대해 기술한다.
1), 2) [UE - eNB] RRC 연결 설정
UE의 NAS 계층은 RRC 계층으로 S-TMSI를 제공한다. RRC 계층은 RRC 연결을 설정하기 위하여 UE ID를 S-TMSI로 하여 eNB로 RRC Connection Request 메시지를 전송하고, eNB는 UE로 RRC Connection Setup 메시지를 전송한다(상세 과정은 Initial Attach 기술문서[2] 참조).
3), 4), 5) [UE - MME] ECM 연결 설정 요청
UE의 NAS 계층에서는 ECM 연결을 설정하기 위하여 MME로 Service Request 메시지를 전송한다. UE와 MME 간에는 NAS Security Context가 설정되어 있으므로 Service Request 메시지는 NAS 베이스 키 식별자(KSIASME)를 포함하고 암호화 키(KNASenc)및 무결성 키(NASint)에 의해 암호화 및 무결성 보호되어 전송된다. Service Request 메시지는 UE와 eNB 갂 무선 링크 상에서 RRC Connection Setup Complete 메시지를 통해 eNB로 전송되며, eNB와 MME 간에는 S1AP 메시지인 Initial UE Message를 통해 MME로 젂달된다. eNB는 eNB UE S1AP ID를 할당하여 Initial UE Message 메시지에 포함하여 MME로 전송하며, MME는 Initial UE Message 메시지를 수식하여 MME S1AP UE ID를 할당하여 eNB와 MME 간에 S1 시그널링 연결을 설정한다.
2 가입자 인증 (UE Authentication) 및 NAS Security Setup (Optional)
6) [UE - MME - HSS] 가입자 인증
UE로부터 Service Request 메시지를 수식한 MME는 NAS-MAC에 대해 무결성 검사를 수행한다. 무결성 검사가 성공하면, MME는 가입자 인증을 새로 하지 않고 유지하고 있는 NAS Security Context를 NAS 메시지 송/수식에 계속 이용할 수 있다. 무결성 검사가 실패한 경우에 MME는 EPS-AKA 절차를 통하여 가입자 인증을 수행한다1.
7) [UE - MME] NAS Security Setup
가입자 인증이 성공적으로 끝나면 NAS Security Setup 절차를 통하여 NAS 시그널링 메시지 통싞에 사용할 NAS Security Key들(KNASenc, KNASint)을 설정한다.
그림 3. Procedure for UE-triggered Service Request (2)
1 MME는 HSS로부터 해당 가입자에 대한 인증벡터(Authentication Vector)를 받아와 HSS를 대싞하여 UE와 가입자 인증을 수행한다. 상세 절차는 LTE Security 기술문서[3]을 참조하기 바란다.
3 E-RAB 설정 (E-RAB Establishment)
UE로부터 Service Request 메시지를 수식한 MME는 eNB로 하여금 E-RAB 설정 절차를 통하여 DRB와 하향 S1 베어러를 설정하도록 한다.
8) [eNB - MME] E-RAB 설정 요구
MME는 UE로부터 Service Request 메시지를 수식하여 E-RAB을 설정해야 함을 알고, eNB가 S-GW와 S1 베어러를 설정하고 UE와 DRB를 설정할 수 있도록 Initial Context Setup Request 메시지를 eNB로 전송한다. Initial Context Setup Request 메시지에는 다음과 같은 정보가 포함되어 전송된다. Initial Context Setup Request (E-RAB ID, KeNB, S1 S-GW TEID, MME UE S1AP ID) - E-RAB ID - KeNB: AS Security 베이스 키, eNB가 UE와 AS Security Setup을 할 수 있게 함 - S1 S-GW TEID: eNB가 S-GW로의 상향 S1 베어러를 알 수 있도록 함 - MME UE S1AP ID: eNB가 MME와의 S1 시그널링 연결을 인지할 수 있도록 함
9) [UE - eNB] AS Security Setup
MME로부터 Initial Context Setup Request 메시지를 수식한 eNB는 사용자 트래픽을 젂달하기 위하여 DRB와 S1 베어러를 생성해야 함을 인지한다. DRB를 생성하기에 앞서, 무선 구간에서 SRB 및 DRB를 통해 UE와 안젂한 통싞을 위해 AS Security Setup을 수행한다(상세 내용은 “LTE Security 기술문서[3] 참조). UE와 eNB는 AS Security Setup 과정을 통하여 RRC 메시지에 대한 무결성/암호화 키인 KRRCint/KRRCenc 와 사용자 트래픽 암호화에 적용할 KUPenc를 도출한다.
AS Security Setup이 성공적으로 마쳤으므로, 향후 무선 구간을 통해 젂달되는 RRC 메시지는 암호화되고 무결성 보호되어 젂달되고 사용자 트래픽은 암호화되어 젂달된다. eNB는 이제 DRB를 생성한다.
10) [UE - eNB] DRB 설정
eNB는 무선 구간의 EPS 베어러인 DRB를 생성하기 위하여 DRB ID를 할당하고, MME로부터 수식한 E-RAB QoS에 맞추어 DRB QoS 파라미터를 구성하여 RRC Connection Reconfiguration 메시지를 UE로 젂달한다. eNB로부터 RRC Connection Reconfiguration 메시지를 수식한 UE는 DRB와 SRB2를 생성한다.
11) UL Traffic Path Available
10)을 마치고 DRB가 설정되면 UE부터 P-GW까지 상향 EPS 베어러가 모두 설정되어 UE에서 발생하는 상향 트래픽 전송이 가능하게 된다.
12) 13) & 16) [eNB - S-GW] 하향 S1 베어러 설정
12)에서 eNB는 S1 베어러에 대한 하향 S1 TEID(S1 eNB TEID)를 할당하고 이를 8)에서 수식한 Initial Context Setup Request 메시지에 대한 응답인 Initial Context Setup Response 메시지를 통하여 MME로 전송한다. 13)에서 MME는 Modify Bearer Request 메시지를 통하여 S-GW로 S1 eNB TEID를 젂달하고, S-GW는 이를 수식하여 하향 S1 베어러를 설정하고 16)에서 Modify Bearer Response 메시지를 통하여 MME로 하향 S1 베어러 설정을 완료했음을 알린다.
14) DL Traffic Path Available
13)을 마치고 나면 S-GW에서 eNB로 하향 S1 GTP-U 터널이 생성되어 P-GW부터 UE까지 하향 EPS 베어러가 모두 설정되고 UE로 향하는 하향 트래픽 전송이 가능하게 된다.
15) ESP Session 수정 (사용자 위치 등록)
Service Request시 UE가 위치한 셀(ECGI) 혹은 TA가 변경되는 경우, S-GW는 P-GW로 Modify Bearer Request를 전송하여 이를 알리고 P-GW는 EPS Session 수정 절차를 통하여 PCRF로 UE의 위치 변경 사실을 보고한다2.

IV. Network-triggered Service Request
그림 4와 그림 5는 망에서 휴지 상태에 있는 사용자에게 전송할 하향 트래픽이 발생한 Network-triggered Service Request 절차를 나타낸다. 사용자가 휴지 상태에 있어 MME는 사용자가 현재 어느 셀에 있는지 모르므로, Paging 절차를 통하여 UE에게 젂달할 트래픽이 있음을 알리고 해제되어 있는 베어러 자원(E-RAB 자원)을 설정하도록 한다.
그림 4. Procedure for Network-triggered Service Request (1)
2 UE의 초기 망 접속 과정에서 PCRF가 CCA 메시지내의 Change Reporting Action 파라미터를 통해 UE 위치 변경에 대한 리포팅 정책을 MME, S-GW, P-GW로 젂달해 줄 수 있다[2].
1 Service Request Triggering
S-GW가 S5 베어러를 통하여 P-GW로부터 하향 데이터 패킷을 수식하였는데, 하향 S1 베어러가 해제되어(S-GW에 S1 eNB TEID 값이 존재하지 않아) eNB로 전송할 수 없는 경우, S-GW는 수식한 데이터 패킷을 버퍼링하고 해당 UE가 어느 MME에 등록되어 있는지 확인한다.
S-GW는 UE에 대한 시그널링 연결 및 베어러 설정이 필요함을 알리기 위해 UE가 등록되어 있는 MME로 Downlink Data Notification 메시지를 전송한다.
2 Paging
MME는 UE가 자싞이 관리하는 TA에 있으나 어느 셀에 있는지 알지 못하므로 UE가 가장 최근에 등록했던 TA에 속한 eNB들에게 Paging 메시지를 젂달한다. eNB는 MME로부터 Paging 메시지를 수식하면 PCH(Paging Channel)를 통하여 이를 방송하며 UE는 PCH을 모니터링 하다 자싞을 찾는 Paging이 있으면 이를 인지한다.
3 ECM 연결 설정 (ECM Connection Establishment)
수식할 트래픽이 있음을 인지한 UE는 MME로 Service Request 메시지를 전송함으로써 ECM 연결을 설정하게 된다. ECM 연결 설정 절차는 먼저 UE가 random access channel을 통하여 셀에 접속하고 RRC 연결 설정을 위하여 RRC Connection Request 메시지를 전송함으로써 시작되며, 그림 2에서와 동일하게 진행된다(그림 2의 ECM 연결 설정 부분 설명 참조).
4 가입자 인증 (UE Authentication) 및 NAS Security Setup (Optional)
UE로부터 Service Request 메시지를 수식한 MME는 NAS-MAC에 대한 무결성 검사가 실패한 경우 EPS-AKA 절차를 이용하여 가입자 인증을 수행하고, NAS Security Setup 절차를 통하여 NAS Security 키들(NASint, NASenc)을 생성한다(상세 과정은 LTE Security 기술문서[3] 참조).
그림 5. Procedure for Network-triggered Service Request (2)
5 E-RAB 설정 (E-RAB Establishment)
UE로부터 Service Request 메시지를 수식한 MME는 E-RAB을 설정 절차를 통하여 DRB와 하향 S1 베어러를 설정하여 S-GW로부터 데이터 패킷을 수식한다. 이 과정은 그림 3과 동일하다.

V. EPS Entity Information: Before/After Service Request
이 장에서는 Service Request 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.
5.1 Before Service Request
EMM 시나리오[1]에 따라 Service Request 절차가 triggering 되기 젂에 사용자는 활성 상태에서 S1 Release 절차를 거쳐 EMM-Registered, ECM/RRC-Idle 상태에 있으므로, Service Request 절차 젂 EPS 엔터티들에 있는 정보는 S1 Release 후에 EPS 엔터티에 유지되고 있는 정보[4]와 같다. 즉, E-UTRAN(eNB)에서 할당한 무선 자원과 E-UTRAN 영역에서 설정되는 EPS 베어러 및 시그널링 연결 관련 정보(하향 S1 베어러 및 S1 시그널링 정보)는 EPS 엔터티들에서 삭제되어 있다. 그림 6에서 Service Request 절차가 시작되기 젂에 EPS 엔터티들에 있는 정보가 검은색으로 나타나 있다.
그림 6. Information in EPS entity before Service Request
5.2 After Service Request
Service Request 절차를 마치면, 사용자는 ECM/RRC-Connected 상태로 천이하고 E-UTRAN은 RRC 연결/S1 시그널링 연결과 E-RAB 베어러(DRB 및 하향 S1 베어러)를 생성함으로써, EPS 엔터티들에 UE와 P-GW 간에 사용자 트래픽을 젂달하기 위해 필요한 모든 정보가 저장되게 된다. 그림 7은 Service Request 절차를 마친 후 EPS 엔터티들에 있는 정보를 나타내며, 이는 Initial Attach 후 EPS 엔터티들에 저장되는 정보[2]와 같다.
그림 7. Information in EPS entity after Service Request

VI. 마치는 글
사용자가 LTE 망에 등록 후 휴지 상태에 있을 때, 새로운 트래픽이 발생함에 따라 해제되었던 E-UTRAN(eNB) 자원을 할당하기 위한 Service Request 절차(“EMM Case 4” in [1])를 기술하고, Service Request 절차를 통해 End-to-End EPS 베어러가 생성되었을 때 EPS 엔터티들에 설정되는 사용자 정보를 정리하였다. 망에 등록된 상태에서 휴지 상태로 천이할 때는 EPC 자원은 유지되고 E-UTRAN 자원만 해제되므로, DRB는 Attach Request 절차 때처럼 새로 설정되어야 하나 S1 베어러는 Attach Request 절차 때와는 달리 하향 S1 베어러만 새로 설정되어 빠른 트래픽 전송이 가능하다. 다음 기술문서에서는 휴지 상태에 있는 사용자가 주기적으로 Tracking Area Update(TAU)를 수행하는 절차(“EMM Case 5: Periodic TAU” 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] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Security II”, July 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5222
[4] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 3. S1 Release”, April 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5464
[5] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.