사용자 경험에 기반한 EMM 시나리오와 11가지 EMM Case들 문서를 참고하시고 본 문서를 읽기 바랍니다.
본 문서를 시작으로 앞으로 세 편에 걸쳐 EMM Case 6, 즉 LTE 망에 접속하여 서비스를 이용중인 사용자가 이동함에 따라 현재 접속되어 있는 셀과 접속을 끊고 같은 Tracking Area(TA)에 속한 이웃 셀로 접속하여 계속하여 서비스를 제공받는 핸드오버(Handover) 절차를 다룬다. 이번 편에서는 LTE 핸드오버와 관련된 기본 개념 및 절차를 간단히 살펴보고 다음 편에서 다룰 핸드오버 종류와 범위를 정의한다.
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목차 1. 시작하는 글 |
1. 시작하는 글
“LTE: 사용자 경험에 기반한 EMM 시나리오와 11가지 EMM Case들” 기술문서[1]에서 정의한 EMM Case 6, 즉 LTE 망에 접속하여 TAI(Tracking Area Identifier) list를 할당 받은 사용자가 서비스 이용 중에 이동하여 TAI list에 있는 TA에 속한 셀로 핸드오버 하는 절차를 다룬다. 이 경우 단말은 핸드오버 시 TAU(Tracking Area Update) 절차를 수행하지 않으며, 이러한 핸드오버를 “TAU 절차 없는 핸드오버(Handover without TAU)”로 정의하기로 한다.
“TAU 절차 없는 핸드오버” 절차는 세 편의 기술문서로 진행된다. 첫 번째 문서는 개요편으로 LTE 핸드오버와 관련된 기본 사항들을 다루고, 두 번째와 세 번째 문서에서는 intra-LTE 환경에서 X2 핸드오버 절차와 S1 핸드오버 절차에 대하여 기술한다.
2. LTE 핸드오버 개요 (Overview of LTE Handover)
무선 단말기(이동통신 단말기)가 유선 단말기에 비해 갖는 가장 큰 특징은 사용자가 이동하면서 서비스를 이용할 수 있다는 것이다. 집 밖에서도 필요할 때 언제 어디서나 서비스를 이용할 수 있는 편의성으로 인해 무선 가입자 수는 오래 전에 유선 가입자 수를 추월하였다. 무선 가입자(이하 사용자로 칭함)가 이동하면서도 서비스를 이용할 수 있는 이유는 무선망에서 핸드오버가 제공되기 때문이다. 통신 중인 무선 단말은 송수신 데이터를 잃어버리지 않으면서 현재 접속하고 있는 기지국/셀에서 다른 기지국/셀로 접속하여 연속적으로 통신을 함으로써(즉, 핸드오버 함으로써), 사용자는 단말이 어느 셀로 접속하던 서비스를 끊김없이 이용할 수 있다. 핸드오버를 위해 LTE 망의 단말과 장비들이 어떤 동작을 수행하는지, 이와 관련된 절차들을 몇 가지로 구분하고 간단히 살펴보기로 한다. 표 1은 핸드오버와 관련된 절차들을 나타낸다.
표 1. 핸드오버 관련 절차
단말기 안테나는 넓은 대역폭에 걸쳐 여러 주파수 채널을 탐색할 수 있으므로, 주변의 여러 셀들을 탐색하여 일반적으로(access 제어나 혼잡 제어에 의해 접속이 허용되지 않는 경우가 아니라면) 수신 신호 세기가 가장 큰 셀로 접속한다. 사용자가 이동하거나 또는 shadowing 등으로 인하여 현재 접속하여 있는 셀(serving 셀)로부터의 수신 신호 세기가 작아지고 이웃 셀로부터의 수신 신호 세기가 커지기 시작하면 핸드오버가 발생하고 단말은 다른 셀로 접속하여 새로운 RRC 연결을 설정하게 된다.
이를 위하여 단말이 eNB와 RRC 연결을 설정할 때 eNB는 단말에게 어떤 event가 있을 때 수신 신호 세기를 보고할 지를 configuration 메시지(RRC Connection Reconfiguration 메시지)를 통해 전달한다. 단말은 serving 셀과 이웃 셀들의 수신 신호 세기를 측정하고 있다가 해당 event가 발생하면 eNB에게 Measurement Report 메시지를 통해 이들 신호 세기를 보고하고, eNB는 단말이 보고한 신호 세기 정보와 이웃 셀들의 overload 상태 정보를 참고하여 핸드오버를 결정하고 target 셀로 핸드오버를 수행한다.
2.1 Measurement
그림 1은 단말이 셀들로부터 수신되는 신호 세기*를 측정하고 보고하기 위한 measurement configuration 및 measurement report를 간단히 나타내고 있다.
* 수신 신호 세기는 RSRP(Reference Signal Received Power) 또는 RSRQ(Reference Signal Received Quality) 값으로 측정될 수 있다.
그림 1. Measurement Configuration and Measurement Report
(1) Measurement Configuration
Measurement configuration은 eNB가 단말에게 주는 정보로, UE가 어떤 측정 정보를 보고해야 하는지를 알려준다. eNB는 UE와 RRC 연결을 설정할 때 RRC Connection Reconfiguration 메시지를 통하여 단말에게 measurement configuration을 제공하며, measurement configuration은 다음과 같은 정보를 포함한다.
* E-UTRA에서 기본적인 측정 값으로는 RSRP와 RSSI(Received Signaling Strength Indicator)가 있다.
측정할 이웃 셀이 serving 셀과 같은 carrier 주파수를 사용하는 경우(intra-frequency neighbor measurement) 단말은 measurement gap 없이 이웃 셀을 측정할 수 있지만, 이웃 셀이 다른 carrier 주파수를 사용하는 경우에는(inter-frequency neighbor measurement) measurement gap을 이용하여 UL/DL idle period 동안 이웃 셀의 주파수로 동기를 맞추어 이웃 셀을 측정한다.
(2) Measurement Report Triggering
단말은 serving 셀과 이웃 셀들의 수신 신호 세기를 측정하여 주기적으로 보고하거나, 측정값들이measurement configuration에 의해 주어진 조건을 만족하게 되면 measurement event가 triggering되어 eNB에게 이들 값을 보고한다. E-UTRA에 대한 보고 기준(reporting criteria)으로는 A1, A2, A3, A4, A5가 있고 inter-RAT 측정에 대한 보고 기준으로는 B1과 B2가 있다*. Event A3는 핸드오버 triggering 으로 많이 사용되는 event로, 그림 2는 A3에 의한 핸드오버 triggering 예를 보여준다. 표 2는 A3에서 사용되는 기호에 대한 정의를 나타낸다.
* Inter-RAT 핸드오버는 본 문서 범위 밖으로 여기서는 다루지 않는다. Reporting Criteria 관련 상세 내용은 3GPP TS 36.331을 참조.
Event A3
이웃 셀의 수신 신호 세기(신호 세기와 offset 값의 합; MNbr = Mn + Ofn + Ocn)가 serving 셀의 수신 신호 세기(신호 세기와 offset 값의 합; MSer = Ms + Ofs + Ocs) 보다 A3 offset 값(Off)만큼 더 커지면 A3 event 가 발생하고 단말은 측정 값을 eNB로 보고한다. Hysteresis(Hys) 값은 serving 셀과 target 셀 간 핸드오버 margin을 나타낸다. eNB는 A3가 triggering 되어 Time-to-Trigger(TTT) 시간 동안 A3 triggering 조건이 지속되면 핸드오버 triggering을 결정한다.
그림 2. Measurement Event A3
표 2. Definition of the Symbols Represented in E-UTRA Measurement
2.2 Handover Decision
A3 event가 보고되면 eNB는 target 셀 및 어떤 종류의 핸드오버를 할지 결정하여 핸드오버 절차를 시작하게 된다*.
* “Handover without TAU” 시나리오는 다른 eNB에 있는 셀간 핸드오버(inter-eNB handover)로 본 문서에서 같은 eNB에 있는 셀간 핸드오버(intra-eNB handover)는 고려하지 않는다
핸드오버 종류는 그 기준에 따라 여러 가지로 분류할 수 있으나 본 문서와 관련된 분류는 다음과 같다.
(1) 핸드오버 분류 1: EPC 엔터티 변경 여부 따른 분류
핸드오버 전/후에 UE가 연결된 EPC 엔터티가 바뀌는가에 따라 핸드오버 종류는 intra-LTE handover, inter-LTE handover, inter-RAT handover로 구분할 수 있다. “Handover without TAU” 시나리오는 intra-LTE handover에 해당한다.
(2) 핸드오버 분류 2: EPC 개입 여부 따른 분류
Source eNB와 target eNB 간에 핸드오버 준비와 실행이 EPC 개입 없이 이루어지는가 EPC가 개입하여 이루어지는가에 따라 LTE 핸드오버는 X2 인터페이스를 이용한 핸드오버(X2 핸드오버)와 S1 인터페이스를 이용한 핸드오버(S1 핸드오버)로 구분할 수 있다. 그림 3은 단말이 이동함에 따라 X2 핸드오버와 S1 핸드오버가 발생하는 예를 나타내고, 그림 4는 핸드오버 triggering 발생시(그림 2 참조) source eNB가 X2 핸드오버 또는 S1 핸드오버를 결정하는 기준을 나타낸다.
X2 핸드오버 (X2 Handover)
X2 인터페이스는 eNB 간 인터페이스로, serving 셀이 속한 eNB(source eNB)와 target 셀이 속한 eNB(target eNB) 간에 X2 연결이 존재하는 경우 X2 핸드오버가 수행된다. X2 핸드오버가 수행되면 MME 개입 없이 source eNB와 target eNB가 핸드오버 제어를 위해 통신한다.
S1 핸드오버 (S1 Handover)
S1 인터페이스는 E-UTRAN(eNB)과 EPC(제어 메시지인 경우 MME, 사용자 패킷인 경우 S-GW) 간 인터페이스로 source eNB와 target eNB 간에 X2 연결이 없거나, X2 연결이 있더라도 X2 연결이 핸드오버를 위해 사용하도록 허용되어 있지 않거나, serving 셀과 target 셀 간에 핸드오버 준비 작업이 실패한 경우에는 S1 핸드오버가 수행된다. S1 핸드오버가 수행되면 source eNB는 핸드오버 제어를 위해 MME를 통해 target eNB와 통신한다.
그림 3. Example of X2 Handover and S1 Handover
그림 4. Decision on Handover Type
2.3 Handover 절차
Measurement configuration을 기반으로 단말이 측정 결과를 보고하고 eNB가 핸드오버를 결정하면 핸드오버 절차가 시작된다. 핸드오버 절차는 아래와 같이 핸드오버 준비 단계, 핸드오버 실행 단계 및 핸드오버 완료 단계의 3단계로 구성된다.
(1) 핸드오버 준비 단계 (Handover Preparation)
핸드오버 준비 단계는 source eNB와 target eNB가 단말을 핸드오버 시키기 위한 준비를 하는 단계로, source eNB와 target eNB 간 핸드오버 준비 절차는 X2 핸드오버의 경우 MME의 개입 없이 X2 시그널링을 통해 source eNB와 target eNB 간에 직접 수행되고, S1 핸드오버의 경우 MME가 개입하여 S1 시그널링을 통해 수행된다.
Source eNB는 target eNB로 사용자 context(security context 및 QoS context 등)를 전달하여 target eNB가 서비스 품질을 제공할 수 있는지 확인한다. 서비스 품질 제공이 가능한 경우 target eNB는 packet forwarding을 위한 transport 베어러(DL packet forwarding 베어러)를 설정하고, 단말이 target eNB로 접속할 때 사용할 C-RNTI 값을 할당하여 source eNB로 전달함으로써 핸드오버를 수행하기 위한 준비를 마친다. DL packet forwarding 베어러는 X2 핸드오버의 경우 source eNB와 target eNB 간에 direct tunnel로 생성되고, S1 핸드오버의 경우 source eNB S-GW target eNB를 거쳐 indirect tunnel로 생성된다. 그림 5는 핸드오버 준비 단계에서 UL/DL 베어러 트래픽 전달 경로(양방향 실선), 제어 메시지 전달 경로(점선) 및 DL 패킷 forwarding 경로(단방향 실선)를 보여준다.
그림 5. 핸드오버 준비 단계 (Handover Preparation)
(2) 핸드오버 실행 단계 (Handover Execution)
핸드오버 실행 단계는 단말이 실제로 핸드오버를 실행하는 단계로, 단말은 source eNB에 접속되어 있는 무선 링크를 끊고 target eNB로 무선 링크를 설정하여 새로운 셀로 접속한다. 핸드오버 준비 단계에서 source eNB와 target eNB 간에 패킷 forwarding을 위한 자원이 할당되고(DL packet forwarding 베어러가 생성됨), target eNB에서 새로운 단말을 위한 자원이 할당되어(DRB, 하향 S1 베어러, C-RNTI 등) 핸드오버를 지원할 준비를 마치면, source eNB는 단말에게 Handover Command 메시지를 전달함으로써 핸드오버 실행을 명령한다.
핸드오버 실행 계에서 단말은 핸드오버 준비 계에서 받은 target eNB가 할당한 C-RNTI를 사용하므로 target eNB로 빠르게 접속이 가능하다. 핸드오버가 실행되는 DL 패킷은 source eNB로 도착한 후 forwarding 베어러를 통해 target eNB로 전달되어 단말이 target eNB로 무선 접속을 마칠 때까지 target eNB에서 버퍼링됨으로써 패킷 손실을 막을 수 있다. 단말에서 발생한 UL 패킷은 단말이 target eNB로 접속을 마칠 때까지 전송이 중지되며 단말이 target eNB로 무선 접속을 마치면 target eNB를 통해 S-GW로 바로 전송이 가능하게 된다. 그림 6은 핸드오버 실행 단계에서 DL 트래픽의 전달 경로 및 핸드오버 실행 완료 후 target eNB를 통한 UL 트래픽 전달 경로를 보여준다.
그림 6. 핸드오버 실행 단계 (Handover Execution)
(3) 핸드오버 완료 단계 (Handover Completion)
핸드오버 완료 단계는 단말이 target eNB로 무선 접속을 성공적으로 마친 후 사용자 베어러의 경로(DL S1 베어러)를 target eNB로 변경하는 단계이다. 핸드오버 실행 단계에서 DL 패킷을 forwarding 하던 forwarding 베어러는 경로 변경 후 해제된다. 그림 7과 같이 핸드오버 완료 계 이후에는 UL/DL 트래픽 모두 새로운 베어러 경로를 통해 전송된다.
그림 7. 핸드오버 완료 단계 (Handover Completion)
2.4 Handover Interruption Time
비록 핸드오버 준비 단계에서 망 장비들이 핸드오버를 위한 자원을 미리 할당하여 실제 핸드오버가 실행되는 동안 DL 패킷을 잃어버리지 않도록 저장하지만, 핸드오버 실행 단계에서 단말이 source eNB와의 무선 접속을 끊고 target eNB로 무선 접속을 마칠 때까지는 단말과 셀 간에 패킷을 송/수신할 수 없는 시간이 존재하게 되는데 이를 핸드오버 단절 시간(handover interruption time)이라 한다. 그림 8은 X2 핸드오버 실행 단계에서 핸드오버 단절 시간을 나타낸다. 핸드오버 단절 시간이 큰 경우 끊김 없는 서비스(seamless service)를 지원하지 못하고 사용자는 품질저하를 겪게 된다. 핸드오버 단절 시간은 다음과 같은 단계들로 구성된다.
그림 8. Handover Interruption Time
2.5 Mobility Robustness Optimization
핸드오버 실행 단계에서 단말이 target 셀에서 무선접속을 성공적으로 마칠 때까지 serving 셀 또는 target 셀로부터의 수신 신호 세기가 충분히 유지되지 않아 무선 링크 실패(RLF; Radio Link Failure)가 발생하는 경우가 있다. RLF는 핸드오버 중이 아닌 경우에도 발생하고 발생 원인은 여러 가지가 있으나, 핸드오버 실행 시점과 관련 원인으로 핸드오버가 너무 일찍 실행되었거나 너무 늦게 실행된 경우에 발생할 수 있다. 핸드오버 실행 중 RLF가 발생하면 단말은 RRC Connection Reestablishment 절차를 수행하여 serving 셀 또는 target 셀 또는 제3의 셀(wrong cell)로 접속할 수 있다. RLF는 셀 coverage와도 관련된 문제로, 3GPP 규격에서는 intra-LTE 핸드오버로 인한 접속 실패가 어떤 유형인지 검출하여 핸드오버 robustness를 강화하는 Mobility Robustness Optimization(MRO) 기능을 정의하고 있다. MRO 기능은 본 문서 범위 밖으로 향후 LTE Self-Organizing Networks(SON) 기술 문서를 작성하게 되는 경우 다루도록 한다. “EMM Case 6. Handover without TAU” 다음 편 문서에서 다루는 핸드오버 절차는 핸드오버 실행 중 RLF 없이 핸드오버가 성공하는 경우로 한정한다.
3. 마치는 글
“EMM Case 6. Handover without TAU” 에서 본격적인 핸드오버 절차를 기술하기에 앞서 이번 편에서는 셀 측정, 핸드오버 종류 및 핸드오버 절차의 단계별 구분 등 LTE 핸드오버 개요에 대해 기술하였다. 다음 편 문서들에서는 intra-LTE 핸드오버 환경에서 X2 및 S1 핸드오버 절차를 상세히 기술하도록 한다.
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] 3GPP TS 36.300, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall Description”
[3] 3GPP TS 36.331, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol Specification”
[4] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
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글을 보다보니 질문이 있어서 글을 올려봅니다.
1) 2.2 handover decision에 핸드오버 분류 1에 보면 S-GW만 변경되는 경우에 대해서는 언급이 없어서요. 제가 알기론 핸드오버시에 S-GW만 변경되는 경우도 있는것으로 아는데, 언급이 없는 이유가 있는지요?
2) S1 핸드오버에서 S1 핸드오버 조건으로 'X2 연결이 있더라도 target 셀이 overload 상태에 있거나' 라는 말이 있는데요. 왜 overload 상태인 경우에는 S1으로 해야하는 건가요? target 셀이 overload 상황이라면, X2든 S1이던 핸드오버를 수행할 수 없는거 아닌지요?
말씀하신 부분이 구현 dependent한 예가 적용되어 기술된 것 같아, 관련 부분(2.2)을 일반화하여 문서를 update 하였습니다.
남은주님, 관심 및 comment 감사합니다.
1) S-GW만 변경되는 경우를 반영하였습니다.
(참고로, TS 23.401에는 본문서의 intra-LTE, inter-LTE가 intra-E-UTRAN으로 분류되어 있습니다)
2) Target셀이 overload 상태에 있는 경우 MME로 전송하여 MME가 다른 셀을 선택하도록 할 수도 있습니다. 구현 dependent한 면이 있어, target 셀의 overload 여부를 떠나 좀 더 일반적인 상황을 적용하여 X2 HO가 허용되어 있는지로 수정하였습니다 (eNB 간에 X2 연결이 있더라도 load, interference 등의 정보를 주고받는 용으로만 사용하고 handover용으로는 사용하지 않을 수 있습니다).
■ 수정부분
- 2.2 핸드오버 분류 1: inter-S-GW Handover 추가
- 2.2 핸드오버 분류 2: S1 핸드오버 본문 및 그림 4
제가 초보가 모르는 것이 있어 여쭙니다.
page. 5를 보면 핸드오버 분류에서 EPC 개입여부에 따라 X2, SI Handover 2종류가 있다고 되어 있는데요...
X2의 경우 eNB간 인터페이스로 알고 있습니다. 그럼 eNB내의 다른 Cell로 이동할 경우도 X2 handover로 볼 수 있는것인가요? 아님 그냥 handvoer라고 불러야 되는 것인가요?
설명 부탁드립니다.
감사합니다.
(Intra-eNB handover는 본 문서 범위밖이라 언급하지 않았습니다만, 포함하여 표현하면..)
Intra-LTE 핸드오버는 다음과 같이 분류됩니다: Intra-eNB Handover, Inter-eNB Handover(X2 Handover, S1 Handover)
i) Intra-eNB Handover: Serving eNB와 UE 간에 RRC 메시지 교환만으로 handover 수행됨
. eNB -> UE: RRC Connection Reconfiguration 메시지 (serving eNB의 source cell을 통해 )
. UE -> eNB: RRC Connection Reconfiguration Complete 메시지 (serving eNB의 target cell을 통해)
ii) X2 Handover
iii) S1 Handover
감사합니다.
한가지 문의사항이 있어서 글 남깁니다.
단말이 eNB와 주고 받는 signal message 로 X2 Handover와 S1 Handover를 구분할 수 있는지요?
구분이 가능하다면 어떤 차이가 있는지 설명 부탁드립니다.
감사합니다.
유익한 정보에 감사 드립니다. 많은 도움이 된 것 같습니다