EMM Procedure: 5. Periodic TAU

목 차
I. 시작하는 글
II. Concept of Periodic TAU
III. Procedure of Periodic TAU
IV. EPS Entity Information: Before/After Periodic TAU
V. 마치는 글

EMM 절차 다섯 번째 문서로, EMM 시나리오 편에서 정의했던 EMM Case 5, 즉 LTE 망에 접속 후 휴지 상태(ECM/RRC-Idle)에 있는 사용자가 TAU(Tracking Area Update) timer가 경과하여 UE의 위치 정보로 TA 정보(TAI: Tracking Area Identity)를 MME로 보고하는 Periodic TAU 절차를 다룬다. UE와 MME 간에는 베어러(E-RAB) 설정 없이 시그널링 연결(ECM 연결) 만이 설정되며, 사용자가 TA를 보고 하고 나면 ECM 연결은 해제되고 사용자는 다시 휴지 상태로 돌아가는 과정을 기술하고, Periodic TAU 절차 전·후로 EPS 엔터티 내에 정보들이 어떻게 변경되는지 살펴본다.

2012년 05월 24일
www.netmanias.com
NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
AKA Authentication and Key Agreement
ASME Access Security Management Entity
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
GUMMEI Globally Unique MME ID
GUTI Globally Unique Temporary Identifier
HSS Home Subscriber Server
KSI Key Set Identifier
LTE Long Term Evolution
MAC Message Authentication Code
MME Mobility Management Entity
NAS Non Access Stratum
PCRF Policy and Charging Rule Function
P-GW Packet Data Network Gateway
RRC Radio Resource Control
S1AP S1 Application Protocol
S-GW Serving Gateway
TA Tracking Area
TAI Tracking Area Identity
TAU Tracking Area Update
TIN Temporary Identifier used in Next update
UE User Equipment

I. 시작하는 글
“LTE: 사용자 경험에 기반한 EMM 시나리오와 11가지 EMM Case들” 기술문서[1]에서 정의한 EMM Case 5, 즉 LTE 망에 접속하여 서비스를 이용하던 사용자가 트래픽 비활성화로 휴지 상태(ECM/RRC-Idle)로 천이한 후에, 주기적으로 UE의 위치 정보를 망(MME)에 보고 하는 Periodic TAU(Tracking Area Update) 절차를 다룬다.
TAU 절차는 사용자가 망에 등록시 MME로부터 할당 받은 TAI(Tracking Area Identity) list에 없는 TA로 이동하거나 TAU timer가 경과하면 수행된다. 본 문서에서 설명하는 EMM Case 5는 휴지 상태에 있는 사용자가 TAU timer가 경과함에 따라 주기적으로 TAU를 수행하는 절차를 나타낸다. 휴지 상태에 있는 사용자는 TAU timer 경과 시 TAU Request 메시지를 MME로 전송하여 현재 위치를 보고하는데, 연결 상태(ECM/RRCConnected)로 천이하여 Periodic TAU 절차를 수행하고 완료 후 다시 휴지 상태로 돌아간다.
본 문서는 LTE 망에서 휴지 상태에 있는 사용자의 Periodic TAU 절차를 설명하기 위한 문서로, 먼저 II 장에서 Periodic TAU란 무엇인지 살펴보고, III 장에서 그 절차를 기술한다. 이어서 VI 장에서 Periodic TAU 절차 전·후로 EPS 엔터티들이 갖는 정보가 어떻게 변하는지 정리한다.

II. Periodic TAU 개념 (Concept of Periodic TAU)
사용자가 연결 상태에 있는 경우에는 사용자(UE)와 망(P-GW) 간에 EPS 베어러가 End-to-End로 설정되어 있고 망(MME)은 사용자가 어느 셀에 접속되어 있는지 알고 있어 망에서 사용자에게 전달할 트래픽이 있는 경우 바로 전달될 수 있다. 사용자가 휴지 상태에 있는 경우에는 사용자(UE)와 망(MME) 갂에 시그널링 연결 및 베어러(E-RAB 베어러)가 모두 해제되므로 망(MME)은 사용자가 어느 셀에 있는지 알지 못한다. 휴지 상태에 있는 사용자에게 전달해야 할 트래픽이 발생하면 사용자에게 이를 알릴 수 있어야 하므로, 망은 사용자가 휴지 상태에 있더라도 사용자의 위치를 파악할 수 있어야 하고, 휴지 상태에 있는 사용자들은 전송할 데이터가 없더라도 일정시간마다망(MME)에게 어느 TA(Tracking Area)에 있는지 보고해야 한다. TA는 셀들을 묶은 그룹으로 MME가 관리하며, 사용자가 휴지 상태에 있을 때 사용자의 위치를 파악하는 단위가 된다. 이를 위하여 사용자가 망에 초기 접속할 때 MME는 Attach Accept 메시지를 통하여 TAI list와 TAU timer(T3412)를 사용자에게 전달하고 사용자는 TAU timer 경과 시 TAU 절차를 수행한다.
MME는 사용자로부터 TA 정보를 수신하면 사용자의 현재 위치(TA, 셀)를 갱신하여 가장 최근의 위치 정보를 유지한다. 휴지 상태에서 사용자로 향하는 트래픽이 발생하면 Paging을 통하여 사용자에게 이를 알리는 데,사용자가 가장 최근에 보고한 TA에 속한 셀들로 Paging Message를 전송하여 Paging을 수행한다.
그림 1은 휴지 상태에 있는 사용자가 TAU를 수행하는 예를 보여준다. 사용자(UE1)는 초기 접속 시 eNB1에 있는 셀 2를 통해 접속하여 MME로부터 Attach Accept 메시지를 수신할 때 TAI list(예, TAI={TAI1, TAI2}) TAU timer(예, T3412=60분)를 할당 받고, 이 후 휴지 상태로 천이 하여 1-2-3-4로 이동한 경우이다. UE는 Attach Accept 메시지를 통해 처음에 할당 받은 TA 앆에서맊 이동하고, UE가 TA를 보고하는 MME는 사용자 정보가 등록되어 있는 MME이며, UE와 MME에는 유효한 NAS Security Context(KNASint, KNASenc 등)가 유지되고 있는 홖경으로 가정하고 설명하기로 한다.
셀 2로 접속 후 셀 2에서 휴지 상태로 천이한 UE1은 t1에서 TAU timer가 경과하면 휴지 상태에서 깨어나 MME와 ECM 시그널링 연결을 설정하여 현재 셀의 TAI와 Last Visited TAI(최근에 TAU Request를 통해 보고한 TAI)를 포함하여 TAU Request (TAI=TAI1, Last Visited TAI=TAI1) 메시지를 MME로 전송하고(?), TAU Accept 메시지를 수신하면 다시 휴지 상태로 천이한다. MME는 휴지 상태에 있는 사용자로부터 TAU Request메시지를 수신하면 사용자의 최근 TAI(TAI of Last TAU)가 변경되었는지 확인하여 변경 시 TAI of Last TAU 정보를 갱신한다. 맊약 UE1으로 향하는 트래픽이 발생하여 S-GW가 MME로 DL 트래픽이 있음을 알리면, MME는 TAI of Last TAU 정보로부터 UE1이 가장 최근에 위치했던 TA를 파악하여 해당 TA에 속한 셀들로 Paging Message를 전송하게 된다(상세 절차는 LTE 기술 문서 Service Request[2]를 참조). 이 후 UE1이 셀 4로 이동하여 ?에서 TAU timer가 경과했을 때 UE1은 여전히 TA 1에 위치하므로 MME로 TAU Request (TAI=TAI1, Last Visited TAI=TAI1) 메시지를 전송한다. 이 후 UE1이 셀 11로 이동하여 ?에서 TAU timer가 경과하였을 때 UE1은 TA 2에 위치하게 되고 MME로 TAU Request (TAI=TAI2, Last Visited TAI=TAI1)메시지를 전송하고, MME는 이를 수신하여 UE1이 위치한 TA가 변경되었으므로 UE1의 TAI of Last TAU를 TAI2로 갱신한다.
그림 2는 Periodic TAU 전/후에 사용자/제어 평면에서의 connection 설정 및 UE와 MME의 상태를 나타낸다.
Periodic TAU 전/후 사용자 상태를 단계적으로 보면, (i) Periodic TAU 전에는 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Idle 상태에 있고 E-UTRAN에서 할당 받은 자원은 해제되어 있다. 즉, UE와 MME 갂에 E-RAB(상향S1 베어러 제외)과 ECM 시그널링 연결이 해제되어 있는 상태이다. (ii) Periodic TAU를 수행하는 동앆에는 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Connected 상태에 있는다. 초기 접속이나 Service Request 때와 다른 점은 UE와 MME 갂에 베어러(E-RAB)는 설정되지 않고 Periodic TAU 관련 NAS 메시지를 전송하기 위한 시그널링 연결(ECM 시그널링 연결)맊 설정된다. (iii) Periodic TAU 후에는 UE와 MME 갂에 설정되어 있는 ECM 시그널링 연결이 해제되어 E-UTRAN 자원이 해제되고 사용자 상태는 다시 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Idle상태로 돌아갂다. Periodic TAU 전/후 사용자 상태 변화 단계를 정리하면 다음과 같다.
- Before Periodic TAU: EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle
- During Periodic TAU: EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected
- After Periodic TAU: EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle
그림 3은 Periodic TAU 전/후 사용자 상태를 다시 한번 나타내었다. 휴지 상태에서 T3412가 경과한 UE는 MME로 TAU Request 메시지를 전송하여 현재 위치한 TA와 최근 방문했던 TA를 보고하고(사용자 상태는 연결 상태로 천이됨), MME는 UE의 위치 정보(TA)를 갱신 한 후 UE에게 TAU Accept 메시지를 보내고 UE와의 시그널링 연결을 해제하여 사용자 상태는 다시 휴지 상태로 천이한다.

III. Periodic TAU 절차 (Procedure of Periodic TAU)
그림 4와 그림 5는 휴지 상태에 있는 사용자의 Periodic TAU 절차를 나타낸다. 그림 4에서 UE NAS 계층은 MME로 Update 타입을 “Periodic Updating” 2으로 하여 TAU Request 메시지를 전송하여 TA를 보고한다. “Periodic Updating” 타입의 TAU는 베어러 설정이 요구되지 않으므로 ECM 시그널링 연결맊을 설정하여 TAU Request 메시지를 전송하고 TAU Accept 메시지를 수신하면 ECM 시그널링 연결을 해제한다. TAU Request 메시지는 NAS 무결성 키(KNASint)를 이용하여 무결성 보호하여 전송되며(즉, NAS-MAC을 포함하여 전송되며) 이를 수신한 MME는 무결성 여부를 검사하여 가입자 인증을 수행할 것인지 결정한다.
1 Periodic TAU Triggering
1) [UE] TAU Timer Expiry
휴지 상태에 있는 사용자의 TAU timer(T3412)가 경과하여 MME에게 TA를 보고하기 위한 Periodic TAU 절차가 triggering 된다.
2 ECM 연결 설정 (ECM Connection Establishment) & TA Report
UE의 NAS 계층은 MME로 TAU Request 메시지를 전송하기 위하여 (i) TAU Request 메시지를 구성하고, (ii) RRC 파라미터(예, old GUMMEI3)를 구성하여 RRC 계층으로 전달한다.
2), 3) [UE - eNB] RRC 연결 설정
UE의 RRC 계층은 NAS 계층으로부터 TAU Request 메시지를 수신하여 eNB로 RRC Connection Request 메시지를 전송하여 dedicated 시그널링 자원을 요청한다. eNB는 SRB 채널을 할당하여 RRC Connection Setup 메시지를 UE에게 전송함으로써 RRC 연결을 설정한다(상세 과정은 Initial Attach 기술문서[4] 참조).
4), 5), 6) [UE - MME] ECM 연결 설정 요청 및 TA Report
TAU Request 메시지는 UE - eNB 갂에는 RRC 메시지인 RRC Connection Setup Complete 메시지를 통하여, eNB - MME 갂에는 S1AP 메시지인 Initial UE Message를 통하여 전달된다. UE와 MME 갂에는 NAS Security Context가 설정되어 있으므로 TAU Request 메시지는 NAS 무결성 키(KNASint)와 암호화 키(KNASenc)에 의해 무결성 보호되고 암호화되어 전송된다. Periodic TAU를 위한 TAU Request 메시지는 다음과 같은 정보를 포함한다.
TAU Request (Update Type=Periodic Updating, Active Flag=0, GUTI, Last Visited TAI, KSIASME, NASMAC)
- Update Type: TAU 유형을 나타냄. TAU timer(T3412) 경과인 경우 Periodic Updating으로 set 함
- Active Flag: 전송할 상향 사용자 데이터나 시그널링이 있는지 여부를 나타냄. 있는 경우 1로 set되어 베어러를 설정하며 TAU 종료 후 ECM 연결을 유지함
- GUTI: MME에게 할당 받았던 UE ID로 MME가 UE를 식별할 수 있게 함
- Last Visited TAI: 최근에 TAU Request를 통해 보고한 TAI (TAI that the UE was last registered in)
- KSIASME: NAS Security Base Key인 KASME에 대한 인덱스
- NAS-MAC: NAS 무결성 Key(KNASint)로 TAU Request 메시지를 무결성 보호한 MAC(메시지 인증 코드)
UE의 RRC 계층은 NAS 계층으로부터 수신한 TAU Request 메시지를 빠르게 전송하기 위하여 RRC 연결 절차 중 마지막 단계인 RRC Connection Setup Complete 메시지에 piggyback하여 eNB로 전송한다. RRC Connection Setup Complete 메시지에는 GUMMEI가 포함되어 전송되는데, 이 GUMMEI는 NAS 계층으로부터 수신한 GUTI로부터 구해지며, 사용자가 어느 MME에 등록되어 있는지를 나타낸다. 일반적으로 eNB는 여러 사업자 망 및 여러 MME와 연결될 수 있으므로, eNB는 RRC Connection Setup Complete 메시지를 수신하여 사용자 정보가 등록되어 있는 MME가 자신과 연결되어 있는 MME인지 확인한다.
이 후 eNB는 TAU Request 메시지를 Initial UE Message에 포함하여 MME로 전송한다. eNB는 Initial UE Message에 eNB S1AP UE ID를 할당하여 전송하며, MME는 Initial UE Message 수신 후 MME S1AP UE ID를 할당하여 eNB와 MME 갂에 S1 시그널링 연결을 설정한다. 이로써 UE와 MME 갂에 ECM 시그널링 연결이 설정되고 사용자 상태는 연결 상태로 천이한다.
3 가입자 인증 (UE Authentication) 및 NAS Security Setup (Optional)
7) [UE - MME - HSS] 가입자 인증
UE로부터 TAU Request 메시지를 수신한 MME는 NAS-MAC에 대해 무결성 검사를 수행한다. 무결성 검사가 성공하면, MME는 가입자 인증을 새로 하지 않고 갖고 있는 NAS Security Context를 NAS 메시지 송/수신에 계속 이용할 수 있다. 무결성 검사가 실패한 경우에는 EPS-AKA 절차를 통하여 가입자 인증을 수행한다.
8) [UE - MME] NAS Security Setup
7)에서 가입자 인증이 새로 수행되었다면, 새로운 KASME를 기반으로 NAS Security Setup 절차를 통하여 NAS 메시지 통신에 사용할 NAS Security Key들(KNASenc, KNASint)을 설정한다.
4 TA 갱신 (TA Update)
9) [MME - S-GW] TA 갱신
UE로부터 TAU Request 메시지를 수신한 MME는 TAU timer T3412를 리셋하고, S-GW로 Modify Bearer Request 메시지를 전송하여 사용자 위치 정보(ECGI, TAI)를 전송한다.
10) EPS Session 수정 (Optional)
MME로부터 사용자 위치 정보를 수신한 S-GW는 UE가 위치한 셀(ECGI) 또는 TA(TAI)가 변경된 경우 P-GW로 Modify Bearer Request를 전송하여 이를 알리고, P-GW는 EPS Session 수정 절차를 통하여 PCRF로 위치 변경 사실을 보고한다.
11) [MME ? S-GW] TA 갱신 응답
S-GW는 9)에서 수신한 Modify Bearer Request 메시지에 대한 응답으로 Modify Bearer Response 메시지를 MME로 전송한다.
12) [MME] TAU 응답 준비
MME는 구현여부에 따라 현재 사용자 위치에 맞게 새로운 TAI list를 구성하거나 새로운 GUTI를 할당할 수 있다.
13) [UE - MME] TAU 수락 메시지 전송
MME는 UE로 TAU Accept 메시지를 전송한다. TAU Accept 메시지는 무결성 보호되고 암호화되어 전송되며, eNB - MME 구갂에서는 S1AP 메시지인 Downlink NAS Transport 메시지로 UE - eNB 구갂에서는 RRC 메시지인 DL Information Transfer 메시지를 통해 전달된다.
14) [UE] TIN 및 TAI list 갱신
UE는 MME로부터 TAU Accept 메시지를 수신하여 GUTI와 TAI list를 확인하고 이전 값과 다르면 TIN(Temporary Identifier used in Next update)과 TAI list를 갱신한다. TIN은 다음 번 TAU Request메시지를 전송할 때 사용될 사용자 ID로 TAU Accept 메시지를 수신할 때마다 GUTI로 갱신된다.
15) [UE] GUTI 변경 시 Confirm (Optional)
MME가 새로운 GUTI를 할당한 경우, UE는 MME로 TAU Complete 메시지를 전송하여 새로운 GUTI를 수신했음을 알린다.
5 ECMConnection 해제 (ECM Connection Release)
16) [eNB - MME] E-UTRAN에서 UE Context를 해제할 것을 요구
사용자 위치 갱신을 마친 MME는 Periodic TAU 관련 메시지 송수신에 사용한 ECM 연결을 해제하고 E-UTRAN 내에 설정되어 있는 사용자 context를 해제하기 위하여 eNB로 UE Context Release Command 메시지를 전송한다.
17) [UE - eNB] RRC Connection 해제하기
eNB는 MME로부터 UE Context Release Command 메시지를 수신하여, User Context를 지우고 UE에 할당했던 E-UTRAN 자원을 해제한다. UE로는 RRC Connection Release 메시지를 전송하여 RRC 연결을 해제하는데 UE에게 할당되었던 SRB 채널이 해제된다.
18) [eNB - MME] E-UTRAN에서 UE Context가 해제되었음을 알림
eNB는 또한 MME로는 UE Context Release Complete 메시지를 전송하여 S1 시그널링 연결을 해제했음을 알린다.
이로써 TAU Request 메시지를 전송하기 위해 설정되었던 ECM 연결이 해제되고 사용자 상태는 다시 휴지 상태(ECM/RRC-Idle)로 천이한다.

IV. EPS Entity Information: Before/After Periodic TAU
이 장에서는 Periodic TAU 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.
4.1 Before Periodic TAU
EMM 시나리오[1]에 따라 Periodic TAU 절차가 triggering 되기 전에 사용자는 EMM-Registered, ECM/RRCIdle 상태에 있으므로, EPS 엔터티들에 있는 정보는 EMM Case 4. Service Request 전에 EPS 엔터티에 유지되고 있는 정보[2]와 같다. 즉, E-UTRAN(eNB)에서 할당한 무선 자원과 E-UTRAN 영역에서 설정되는 EPS 베어러 및 시그널링 연결과 관련된 정보(하향 S1 베어러 및 S1 시그널링 정보)는 EPS 엔터티들에서 삭제되어 있다. 그림 6에서 Periodic TAU 절차가 시작되기 전에 EPS 엔터티들에 있는 정보가 검은색으로 나타나 있다.
4.2 After Periodic TAU
Periodic TAU 절차를 마치면 사용자는 ECM 연결 해제를 거쳐 다시 Periodic TAU 전인 휴지 상태(ECM/RRCIdle)로 천이하므로, Periodic TAU 절차를 마친 후 EPS 엔터티들에 유지되는 정보는 Periodic TAU 전에 유지되던 정보와 동일하며 그림 6과 같다.

V. 마치는 글
사용자가 LTE 망에 등록 후 휴지 상태(ECM/RRC-Idle)에 있을 때, TAU timer가 경과하여 자신의 위치를 알리는 Periodic TAU 절차(“EMM Case 5” in [1])에 대하여 살펴보았다. Periodic TAU 절차에서는 Service Request 절차와는 달리 E-RAB 베어러가 설정되지 않고 TAU 후 ECM 연결이 해제되어 사용자 상태가 다시 휴지 상태로 천이한다. 본 문서에서 다루지 않았지맊 UE가 전송할 상향 데이터가 있으면 Service Request의 경우처럼 E-RAB 베어러가 설정되고 TAU 후 데이터 전송이 이루어진다. 다음 기술문서에서는 연결 상태(ECM/RRC-Connected)에 있는 사용자가 TAI list에 있는 TA로 이동하여, 핸드오버가 발생하나 TAU를 수행하지 않는 시나리오(“EMM Case 6: Handover without 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: 4. Service Request”,
May 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5479
[3] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Identification II: NE, Location 및 PDN 식별자”,
February 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5161
[4] 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
[5] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Security I”, May 2011,
https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5192
[6] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010