EMM Procedure: 6. Handover without TAU (2편)
- X2 Handover -

목 차

I. 시작하는 글
II. Concept of X2 Handover
III. Procedure of X2 Handover
IV. EPS Entity Information: Before/After X2 Handover
V. 마치는 글

EMM Case 6, 즉 intra-LTE 환경에서 발생하는 핸드오버 중 X2 핸드오버 절차를 다룬다. X2 프로토콜에서 핸드오버와 관련된 기능을 살펴보고, X2 핸드오버 절차를 단계별로 상세히 설명한다. EPC 개입 없이 eNB 간 핸드오버를 준비하고 실행하는 과정, 끊김 없는 서비스를 제공하기 위해 핸드오버 단절 시간 동안 DL 패킷이 eNB간 direct 터널을 통하여 forwarding 되는 과정 및 핸드오버 후 EPC가 개입하여 EPS 베어러 경로를 변경하는 과정을 기술하고, X2 핸드오버 절차 전?후로 EPS 엔터티 내에 정보들이 어떻게 변경되는지 살펴본다.

2012년 7월 5일

www.netmanias.com
NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
AMBR Aggregated Maximum Bit Rate
ARP Allocation and Retention Priority
AS Access Stratum
ASME Access Security Management Entity
C-RNTI Cell Radio Network Temporary Identifier
DL Downlink
DRB Data Radio Bearer
EARFCN E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number
ECGI E-UTRAN Cell Global Identifier
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPS Evolved Packet System
E-RAB E-UTRAN Radio Access Bearer
E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GTP GPRS Tunneling Protocol
HFN Hyper Frame Number
HSS Home Subscriber Server
LTE Long Term Evolution
MME Mobility Management Entity
NAS Non Access Stratum
NCC Next hop Chaining Counter
NH Next Hop
PCI Physical Cell ID
PDCP Packet Data Convergence Protocol
P-GW Packet Data Network Gateway
QCI QoS Class identifier
RRC Radio Resource Control
S1AP S1 Application Protocol
SCTP Stream Control Transmission Protocol
S-GW Serving Gateway
SN Sequence Number
SON Self-Organizing Networks
TA Tracking Area
TAI Tracking Area Identity
TAU Tracking Area Update
TEID Tunnel Endpoint IDentifier
UE User Equipment
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
UL Uplink
X2AP X2 Application Protocol

I. 시작하는 글
“EMM Case 6. Handover without TAU (1편) - Overview of Handover” 기술문서[1]에서는 LTE 핸드오버 개요로서 LTE 핸드오버와 관련된 절차들을 기술하였고, LTE 핸드오버는 단말이 핸드오버 상황임을 알리면 eNB가 핸드오버를 결정하는 “UE Assisted Network Controlled” 형태임을 살펴보았다. 이번 문서에서는 intra-LTE 환경에서 X2 인터페이스를 통해 핸드오버가 수행되는 X2 핸드오버 절차를 다룬다. Source eNB와 target eNB는 같은 MME/S-GW에 연결되어 있으며, 두 eNB 모두 사용자의 TAI(Tracking Area Identifier) list에 있는 TA에 속해 있는 경우이다.

먼저 II 장에서 X2 핸드오버 개념을 정리하고, III 장에서 X2 핸드오버 절차를 상세히 기술한다. 이어서 IV 장에서 핸드오버 절차 전?후로 EPS 엔터티들이 갖는 정보가 어떻게 변하는지 정리한다.

II. X2 핸드오버 개념 (Concept of X2 Handover)
2.1 X2 프로토콜 스택
X2 핸드오버는 source eNB와 target eNB 간에 X2 인터페이스를 통하여 수행된다. X2 인터페이스를 통해 두 eNB는 직접 통신할 수 있는데, 이는 이전 세대(2G/3G)에서는 없었고 LTE에서 처음 규정된 것으로 LTE 망이 이전 망과 구별되는 특징 중 하나이다. 이전 세대 망에서는 기지국이 Packet Core 노드의 제어를 통해서만 이웃 기지국의 상태 정보를 알 수 있었으나, LTE 망에서는 X2 인터페이스를 통하여 이웃 기지국들과 상태 정보를 주고 받을 수 있으며 핸드오버도 EPC 노드의 개입 없이 수행할 수 있게 된다. 그림 1은 X2 인터페이스 상에서 제어 평면과 사용자 평면의 프로토콜 스택을 나타낸다.

그림 1. Protocol Stack over X2 Interface

제어 평면을 보면 두 eNB는 하나의 SCTP(Stream Control Transmission Protocol) 연결 상에서 다수의 사용자에게 X2AP(X2 Application Protocol) 시그널링을 제공하며, X2AP 계층에서 각 사용자는 eNB UE X2AP ID (Old eNB UE X2AP ID, New eNB UE X2AP ID) 에 의해 구별된다. 사용자 평면을 보면 두 eNB 간 베어러는 S1/S5 베어러와 마찬가지로 GTP(GPRS Tunneling Protocol) 터널로, GTP 터널은 사용자 별로 생성되며 TEID(Tunnel Endpoint IDentifier)에 의해 구별된다.

2.2 X2AP 기능
표 1은 X2AP 시그널링을 통해 수행되는 기능들과 각 기능에서 수행되는 기본 절차를 나타낸다[2]. X2AP 시그널링 정보는 크게 Load/Interference 관련 정보(표 1에 Load Management 기능)와 핸드오버 관련 정보(표 1에 Mobility Management, Mobility Parameter Management, Mobility Robustness Optimisation 기능)가 있음을 볼 수 있다.

표 1. X2AP Functions and Elementary Procedures [2]
Function
-Mobility Management
-Load Management
-Reporting of General Error Situations
-Resetting the X2
-Setting up the X2
-eNB Configuration Update
-Mobility Parameters Management
-Mobility Robustness Optimisation
-Energy Saving

Elementary Procedure(s)
-Handover Preparation
-SN Status Transfer
-UE Context Release
-Handover Cancel
-Load Indication
-Resource Status Reporting Initiation
-Resource Status Reporting
-Error Indication
-Reset
-X2 Setup
-eNB Configuration Update
-Cell Activation
-Mobility Settings Change
-Radio Link Failure Indication
-Handover Report
-eNB Configuration Update
-Cell Activation

LTE와 같은 광대역 망에서는 2G/3G 보다 셀 커버리지가 감소하고 기지국 수가 크게 증가하므로, 2G/3G에서 사용하던 방법으로는 효율적으로 망을 구성하고 관리하기가 어려워진다. 이에 LTE에서는 X2AP 규격을 제공하여 eNB가 이웃한 eNB들과 X2 연결을 맺어 이웃 eNB들의 상태 정보를 수집하고, 이렇게 수집한 로컬 정보를 이용하여 eNB 파라미터를 자동적으로 구성하고 최적화할 수 있는 Self-Organizing Networks(SON) 기능을 제공한다 . 표 1의 X2AP 기능 중 SON과 관련된 기능을 간단히 정리하면 다음과 같다.

- Load Management: 두 기지국간 load 및 interference 정보를 교환하여 셀 간 간섭 성능을 향상시킴
- eNB Configuration Update: eNB configuration을 자동으로 구성
- Mobility Parameters Management: Peer eNB 간에 handover trigger setting 정보를 협상하여 핸드오버 최적화에 사용
- Mobility Robustness Optimisation: 핸드오버 실패 event 정보를 제공
- Energy Saving: 셀 활성화/비활성화에 대한 정보를 교환하여 eNB의 에너지 소비를 감소시킴

2.3 Mobility Management 기능 관련 X2 메시지
표 2는 표 1에 나타난 X2 기능 중 III 장에서 기술될 핸드오버와 관련된 “Mobility Management” 기능에서 사용하는 메시지를 나타낸다[2]. 핸드오버 준비 절차(Handover Preparation)에서는 반드시 target eNB의 응답 메시지가 필요함을 볼 수 있다.
- Handover Request 메시지: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 target eNB로 전송하며 사용자의 UE Context를 포함함
- Handover Request Acknowledge 메시지: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, target eNB에서 자원 할당이 성공적으로 진행되면 target eNB가 source eNB에게 전송
- Handover Preparation Failure 메시지: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, target eNB에서 자원 할당에 실패하면 target eNB가 source eNB에게 전송
- SN Status Transfer 메시지: 핸드오버 실행 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 target eNB에게 전송하며 어느 패킷부터 송?수신 해야 하는지를 알림
- UE Context Release 메시지: 핸드오버 완료 단계에서 사용되는 메시지로, target eNB가 source eNB에게 전송하며 UE Context 해제를 요청
- Handover Cancel 메시지 : 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 진행 중인 핸드오버 준비를 취소하고자 할 때 target eNB에게 전송

표 2. X2 Messages for Mobility Management Function [2]
Procedure
-Handover Preparation
-SN Status Transfer
-UE Context Release
-Handover Cancel

Initiating Message
-Handover Request
-SN Status Transfer
-UE Context Release
-Handover Cancel

Response Message
Successful
-Handover Request Acknowledge
--
--
--

Unsuccessful
-Handover Preparation Failure
--
--
--

2.4 X2 핸드오버 절차: One Shot
X2 핸드오버 절차는 1편에서 기술한 바와 같이 준비 단계(Preparation), 실행 단계(Execution) 및 완료 단계(Completion)로 구분된다. III 장에서 본격적으로 X2 핸드오버 절차를 상세히 기술하기에 앞서, 전체 절차를 간단히 정리해 보도록 한다. 그림 2는 X2 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.


그림 2. Simplified Procedure of X2 Handover

X2 핸드오버 전 (Before X2 Handover)
사용자는 eNB A(에 있는 serving 셀)에 접속하여 서비스를 받고 있다. Measurement event가 발생하면 UE는 eNB A로 Measurement Report 메시지를 전송한다.

X2 핸드오버 준비 단계 (X2 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 결정하고 , X2 시그널링을 통해 target eNB와 X2 핸드오버를 준비한다. 이 과정에서 target eNB는 사용자가 source eNB에서 제공받고 있는 서비스가 target eNB에서도 제공 가능하도록 미리 자원을 할당하고, 사용자가 target eNB로 빨리 접속할 수 있도록 target 셀에 접속하는데 필요한 정보들(예, C-RNTI)을 source eNB에게 전송한다(Source eNB는 이후 이 정보를 UE에게 전달함으로써 핸드오버 실행 단계를 시작한다). Target eNB에서 자원 할당 과정은 다음과 같다.

- Source eNB가 Handover Request 메시지에 UE Context 정보를 담아 target eNB로 전송하면(1),
- Target eNB는
- 상향 S1 베어러 정보(S1 S-GW TEID)를 얻어 상향 패킷을 송신할 상향 S1 베어러를 설정하고(2),
- UE가 target eNB로 접속을 시도하는 동안 DL 패킷을 전송할 X2 transport 베어러(GTP-U 터널)의 TEID를 할당하고,
- UE가 target 셀에서 사용할 DRB 자원 및 C-RNTI를 할당하여
- Handover Request Ack 메시지를 source eNB에게 전송한다(3).
- Source eNB는 이를 수신하여 DL 패킷을 전달할 X2 transport 베어러를 설정한다(4).

X2 핸드오버 실행 단계 (X2 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(1),
- Target eNB로 SN Status Transfer 메시지를 전송하여 UE와 어느 상?하향 패킷부터 송?수신해야 하는지 알리고(2),
- S-GW로부터 수신되는 DL 패킷을 target eNB와 설정된 X2 transport 베어러를 통해 target eNB로 전송한다(3).
- UE는 source eNB와 접속을 끊고 target eNB로 접속한다(4).
- Target eNB는 UE가 성공적으로 접속하면 즉시 패킷 송수신이 가능해진다5).

X2 핸드오버 완료 단계 (X2 Handover Completion)
이제까지의 X2 핸드오버 절차를 보면 source eNB가 핸드오버를 결정하여 UE가 target eNB로 접속을 마칠 때까지 EPC(MME)로 사용자의 핸드오버에 대한 아무런 정보도 보고되지 않고 두 eNB 간에만 이루어졌음을 볼 수 있다. 이제 UE가 핸드오버를 마쳤으므로 target eNB는 EPC에게 이를 알린다.

- Target eNB는 UE가 접속을 마치면, EPC에게 이를 알리고 EPS 베어러 경로를 변경하도록 MME로 Path Switch Request 메시지를 전송한다(1).
- MME는 이를 수신하여 비로소 UE의 serving 셀이 바뀌었음을 알고, S-GW로 S1 베어러 경로를 변경할 것을 요구하고(2),
- 이에 S-GW는 target eNB로 하향 S1 베어러(S1 Target eNB TEID)를 설정하여, source eNB로 전송하던 DL 패킷 전송을 중지하고 target eNB로 DL 패킷을 전송한다(3).
- MME는 target eNB로 하향 S1 베어러의 경로가 수정되었음을 알리고(4),
- Target eNB는 source eNB로 UE Context Release 메시지를 전송하여, source eNB가 UE Context를 해제하도록 한다(5).

X2 핸드오버 후 (After X2 Handover)
사용자는 eNB B(에 있는 serving 셀)에 접속하여 서비스를 받는다.

2.5 X2 핸드오버 전?후 사용자 상태 및 연결 정보
그림 3은 X2 핸드오버 전?중(실행 단계)?후에 사용자/제어 평면에서의 connection 설정과 UE와 MME의 사용자 상태를 나타낸다.
- X2 핸드오버 전
사용자는 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Connected 상태에 있고 E-UTRAN 및 EPC에서 할당 받은 자원을 모두 유지하고 있다.
- X2 핸드오버 중
핸드오버 중에도 NAS 레벨의 사용자 상태는 변하지 않고 X2 인터페이스 상에 X2 베어러와 X2 시그널링 연결이 설정된다. 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.
- 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 연결과 S1 시그널링 연결(eNB(B) S1AP UE ID)이 설정된다.

그림 3. Connections and States before/after X2 Handover

III. X2 핸드오버 절차 (Procedure of X2 Handover)
이제 본격적으로 X2 핸드오버 절차를 단계별로 하나씩 살펴보도록 한다 . 그림 4는 X2 핸드오버 이전과 X2 핸드오버 준비 단계의 절차를 나타낸다.

그림 4. X2 Handover - Handover Preparation (핸드오버 준비 단계)

- 핸드오버 이전 단계
1) [UE ? eNB] Measurement 보고 (Measurement Report)
UE에서 measurement event가 triggering된다 . UE는 이웃 셀들의 신호세기를 측정하여 eNB(serving 셀)로 Measurement Report 메시지를 전송한다.

- 핸드오버 준비 단계 (Handover Preparation)
2) [Source eNB] 핸드오버 결정 (Handover Decision)
Source eNB는 UE가 전송한 Measurement Report 메시지에 있는 정보와 자신이 관리하고 있는 Neighbor Cell List 정보에 기반하여 target eNB를 결정한다. Target eNB는 하나가 아니라 여러 eNB일 수도 있으며, UE가 측정하여 올린 neighbor 외에 다른 neighbor가 선택될 수도 있다. 이 글에서는 target eNB는 UE가 전송한 Measurement Report 메시지에 있는 셀에 속한 eNB이고 source eNB는 하나의 target eNB를 선택하는 경우를 대상으로 설명한다.

3) [Source eNB] Target eNB가 사용할 AS Security 베이스 키 (KeNB*) 도출
핸드오버가 발생하여 UE가 서비스 받는 eNB가 바뀌더라도 RRC 시그널링 메시지와 사용자 패킷은 지속적으로 안전하게 전송되어야 한다. 무선 구간에서 안전한 전송은 AS Security 키에 의해 제공되는데, AS Security 키는 AS Security 베이스 키인 KeNB로부터 구해진다 . KeNB는 가입자 인증 후 MME가 KASME로부터 도출하여 eNB로 전송해주는 값이다 . 하지만 X2 핸드오버는 EPC(MME)의 개입 없이 eNB 간에 수행되므로, target eNB는 MME로부터 KeNB를 얻지 못하고 대신 source eNB에서 target eNB가 사용할 KeNB인 KeNB*를 구하여 target eNB로 전달한다.
따라서 source eNB는 핸드오버를 결정하면 우선 KeNB*를 도출한다. 그림 5는 KeNB* 도출 과정을 나타낸다. 그림 5에서 보듯 KeNB*는 source eNB의 AS Security 베이스 키인 KeNB와 target 셀의 PCI(Physical Cell ID) 그리고 주파수(EARFCN-DL; E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number-Downlink)로부터 구해진다.

그림 5. Derivation of KeNB* (for the 1st Handover)

4) [Source eNB ? Target eNB] X2 핸드오버를 요청
Source eNB는 target eNB로 Handover Request 메시지를 전송하여 핸드오버를 요청하며 본 메시지를 통해 source eNB에 설정되어 있는 UE Context 정보와 UE가 이전에 어떤 셀들을 거쳐왔는지를 나타내는 UE History 정보를 전달한다. Handover Request 메시지는 다음과 같은 정보를 포함한다.

Handover Request (Target Cell ID, UE Context Info(UE-AMBR, UE Security Capability, KeNB*, E-RAB to be setup (E-RAB ID, QCI, ARP, S1 S-GW TEID), RRC Context), UE History Info)

- Target Cell ID: Target 셀의 ECGI
- UE Context Info: Source eNB에 저장되어 있는 UE Context
- UE-AMBR: HSS에 의해 제공되나 MME가 갱신할 수 있으며, eNB에 설정되어 non-GBR 베어러들의 aggregated MBR 값을 제어하는데 사용됨
- UE Security Capability: UE가 사용 가능한 security 알고리즘 (암호화 및 무결성 알고리즘)
- KeNB*: Target eNB가 사용하도록 source eNB가 생성한 AS Security 베이스 키, 즉 target eNB에서 사용될 KeNB
- E-RAB to be setup: Source eNB에 설정되어 있는 UE의 E-RAB 정보
- UE History Info: UE가 active 상태에서 접속했던 이전 셀들에 대한 정보로, 셀 별로 ECGI, Cell Type, UE가 셀에 머문 시간을 포함

5) [Target eNB] X2 핸드오버 준비
Target eNB는 Handover Request 메시지를 수신하여 곧 핸드오버 할 UE에게 끊김없는 서비스를 제공하기 위한 준비 작업에 착수한다.
(i) 먼저 source eNB로부터 수신한 KeNB*로부터 AS Security 키들(KRRCint, KRRCenc, KUPenc)을 구한다. 잠시 후 UE가 target eNB로 접속하면 UE와 target eNB는 이들 키 값을 이용하여 무선구간에서 안전하게 통신할 수 있다.
(ii) E-RAB to be setup 정보를 기반으로 source eNB가 제공하던 QoS가 target eNB에서도 제공가능한지 확인한다. 제공 가능한 경우 source eNB에 설정되어 있는 상향 S1 베어러 정보(S1 S-GW TEID)를 이용하여 S-GW로 상향 S1 베어러를 설정한다.
(iii) E-RAB QoS 정보를 기반으로 UE가 무선 구간에서 사용할 RRC 자원을 예약하고(DRB ID 할당 등) C-RNTI 값을 할당한다.
(iv) UE가 핸드오버를 실행하는 동안(즉, source eNB와 접속을 끊고 target eNB로 접속하는 동안) source eNB로 도착하는 DL 패킷을 target eNB로 전달하기 위해 source eNB가 X2 transport 베어러(GTP 터널)를 설정할 수 있도록 X2 Target eNB TEID(X2 GTP 터널의 하향 TEID)를 할당한다.

6) [Source eNB ? Target eNB] 핸드오버 준비가 되었음을 알림
Target eNB는 X2 핸드오버를 위해 5)에서 준비한 자원들에 대한 정보를 Handover Request Ack 메시지를 통해 source eNB로 전달한다. Handover Request Ack 메시지는 다음과 같은 정보를 포함한다.

Handover Request Ack (E-RAB Admitted(E-RAB ID, Target eNB TEID), Handover Command (Target C-RNTI, Target DRB ID, AS Security Algorithm of Target eNB))

- E-RAB Admitted : Target eNB에서 할당한 E-RAB ID와 해당 E-RAB 패킷을 target eNB로 전달할 X2 transport 베어러의 TEID 정보를 포함
- Handover Command: Target eNB에서 source eNB로 전달되는 Transparent Container로 UE가 target eNB로 접속하는데 필요한 정보를 포함
- Target C-RNTI: Target 셀에서 UE를 식별하기 위해 UE에 할당한 C-RNTI
- Target DRB ID: Target eNB가 무선 구간에서 사용자 패킷을 전달하기 위해 설정한 DRB의 ID
- AS Security Algorithm of Target eNB: Target eNB에서 지원 가능한 AS Security 알고리즘

7) [Source eNB] DL 패킷을 전달하기 위한 X2 Transport 베어러 설정
Source eNB는 Handover Request Ack 메시지를 수신하여 target eNB가 UE를 서비스 해 줄 수 있음을 확인하고, X2 Target eNB TEID 값으로부터 핸드오버 실행 단계에서 DL 패킷을 target eNB로 전달할 X2 transport 베어러를 설정한다.

- 핸드오버 실행 단계 (Handover Execution)
그림 6은 X2 핸드오버 실행 단계의 절차를 나타낸다.

그림 6. X2 Handover - Handover Execution (핸드오버 실행 단계)

8) [UE ? Source eNB] UE에게 핸드오버를 명령함
Target eNB와 핸드오버 준비를 마친 source eNB는 UE에게 Handover Command 메시지를 전송함으로써 UE에게 핸드오버를 명령한다. Handover Command 메시지는 RRC Connection Reconfiguration 메시지를 통하여 UE에게 전달된다.

9) [UE] 핸드오버 실행 시작
UE는 source eNB로부터 Handover Command 메시지를 수신하여 target 셀에서 사용할 C-RNTI와 DRB ID를 알고 source eNB로부터 detach 한다. 이제부터 UE는 source eNB와 패킷 송/수신이 중단되고, 핸드오버 단절 시간(handover interruption time) 구간이 시작된다.

10) [UE] AS Security Setup
UE는 target eNB 무선 구간에서 사용하게 될 AS Security 키들을 구한다. 먼저 source eNB의 KeNB와 target 셀의 PCI 그리고 주파수 정보로부터 target eNB의 AS 베이스 키인 KeNB*를 구하고(키 도출 함수는 그림 5와 같음), target eNB가 선택한 AS Security 알고리즘을 이용하여 target eNB의 AS Security 키들(KRRCint, KRRCenc, KUPenc)을 구한다.

11) [Source eNB ? Target eNB] UE와 송수신할 패킷 Number를 알림
Source eNB는 DL Count, UL Count를 포함하는 SN Status Transfer 메시지를 target eNB에게 전송함으로써 target eNB가 UE와 어느 패킷부터 송/수신해야 하는지 알린다. 여기서 Count는 PDCP PDU의 Count 값으로 HFN(Hyper Frame Number)과 PDCP SN(Sequence Number)으로부터 구성되는 32 bit의 값을 나타낸다. SN Status Transfer 메시지 구성은 다음과 같다.

SN Status Transfer (DL Count, UL Count)

- DL Count: UE로 보내야 할 첫 번째 패킷의 Count
- UL Count: UE로부터 수신 할 첫 번째 패킷의 Count

Target eNB로 SN Status Transfer 메시지를 전송하고 나면 source eNB는 S-GW로부터 수신되는 DL 패킷을 X2 인터페이스 상에 설정된 X2 transport 베어러(GTP 터널)를 이용하여 target eNB로 전송하기 시작한다. Target eNB는 source eNB가 전달하는 패킷을 버퍼링하면서 UE가 target eNB로 접속하기를 기다린다.

12) ~ 14) [UE, Target eNB] UE가 Target eNB로 접속
12) UE는 target eNB의 동기 신호를 검출하여 target eNB로 동기를 맞추고 non-contention 기반 random access를 수행하고, 13) Target eNB는 UE에게 timing alignment 정보와 UL Grant를 전송하고, 14) UE는 target eNB로 Handover Confirm 메시지를 RRC Connection Reconfiguration Complete 메시지를 통하여 전송한다. 이제 UE는 target eNB와 패킷 송/수신을 시작할 수 있고, 핸드오버 단절 시간 구간이 종료된다.

15) [Target eNB] UE에게 DL 패킷을 전송하기 시작
UE가 target eNB로 성공적으로 접속했으므로, target eNB는 버퍼링하고 있는 DL 패킷을 UE에게 전송하기 시작한다. UE에게 전달되는 DL 패킷의 전달 경로는 다음과 같다(그림 6, [A] 참조).
S5 베어러 ? S1 베어러(@source eNB) ? X2 베어러 ? DRB(@target eNB)

또한 UE가 패킷을 송신하는 경우에 target eNB는 이를 수신하여 패킷 순서가 맞는지 확인하고, S-GW로 전달하기 시작한다. UE가 전송한 UL 패킷의 전달 경로는 다음과 같다(그림 6, [B] 참조).
DRB(@target eNB) ? S1 베어러(@target eNB) ? S5 베어러

16) [UE - Target eNB] 무선 구간에서의 안전한 통신
UE와 target eNB 간 무선 구간에서 전송되는 RRC 시그널링 메시지 및 사용자 패킷은 AS Security 키들을 통하여 안전하게 전송된다. RRC 시그널링 메시지는 무결성 보호되고 암호화되어 전송되고, 사용자 패킷은 암호화되어 전송된다.

- 핸드오버 완료 단계 (Handover Completion)
그림 7은 X2 핸드오버 완료 단계의 절차를 나타낸다.

그림 7. X2 Handover - Handover Completion (핸드오버 완료 단계)

17) [Target eNB ? MME] EPS 베어러 (S1 베어러) 경로 변경 요청
Target eNB는 EPC(MME)로 Path Switch Request 메시지를 전송하여 UE가 서비스 받는 셀이 변경되었음을 알리고 EPS 베어러의 경로 변경을 요청한다.

18) ~ 23) EPS 베어러 수정
MME는 S-GW에게 Modify Bearer Request 메시지를 전송하여 target eNB가 할당한 S1 Target eNB TEID를 전달하면서 하향 S1 베어러가 변경되었음을 알리고, 베어러 경로를 변경할 것을 요청한다. S-GW는 이를 수신하여 target eNB로 하향 S1 베어러를 설정한다. 만약 UE 초기 접속 과정에서 EPS 세션이 생성될 때 UE가 접속한 셀이 변경되면 보고하도록 설정되었으면, P-GW로 Modify Bearer Request 메시지를 전송하고 P-GW는 EPS 세션 수정 절차를 통하여 PCRF로 UE가 접속한 셀이 변경되었음을 보고한다.

24) [S-GW] EPS 베어러 경로 변경 및 EM 패킷 전송
S-GW는 하향 S1 베어러 경로가 변경되었으므로 DL 패킷 전송 경로를 target eNB와 설정된 하향 S1 베어러로 변경한다. 이를 위한 절차로 먼저 source eNB와 설정되어 있는 하향 S1 베어러로 마지막 패킷임을 나타내는 EM(End Maker)를 전송하고, 이 후 변경된 하향 S1 베어러를 통해 target eNB로 DL 패킷을 전송한다.

25) [Target eNB] 패킷 Re-ordering
이제 target eNB는 X2 transport 베어러를 통해 source eNB로부터 전달되어 오는 DL 패킷과 하향 S1 베어러를 변경한 S-GW가 전송하는 DL 패킷이 모두 수신될 수 있으므로, target eNB는 DL 패킷을 순서대로 사용자에게 전달할 수 있어야 한다. Target eNB는 먼저 X2 transport 베어러를 통해 수신되는 DL 패킷을 사용자에게 전송하면서 EM이 수신되면 X2 transport 베어러를 통한 마지막 패킷임을 인지하고 이 후 S1 베어러를 통해 수신되는 DL 패킷을 사용자에게 전송한다.

26) [Target eNB ? MME] EPC에서 베어러 경로를 변경했음을 알림
MME는 target eNB에게 Path Switch Request Ack 메시지를 전송하여 S-GW가 EPS 베어러(S1 베어러) 경로를 변경했음을 알리고, 향후 UE가 다른 셀로 핸드오버 시 사용할 수 있도록 핸드오버용 Security Context인 {NCC(NH Chaining Count), NH(Next Hop)}를 전달한다 .

27) [Source eNB ? Target eNB] UE Context를 해제해도 됨을 알림
Target eNB는 {NCC, NH}를 저장하고, 이제 UE의 베어러 경로 변경이 모두 끝났으므로 source eNB에게 UE Context Release 메시지를 전송하여 UE Context를 해제하도록 한다.

IV. EPS Entity Information: Before/After X2 Handover
이 장에서는 X2 핸드오버 전?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 X2 Handover
핸드오버가 시작되기 전에 사용자는 EMM-Registered, ECM/RRC-Connected 상태에 있으므로, EPS 엔터티들에 있는 정보는 EMM Case 1. Initial Attach 또는 EMM Case 4. Service Request 후에 EPS 엔터티에 유지되고 있는 정보와 같다. 즉, E-UTRAN 및 EPC에서 할당한 모든 자원과 모든 UE Context 정보들이 EPS 엔터티들에 설정되어 있다. 그림 8은 X2 핸드오버 전 EPS 엔터티에 있는 정보를 나타낸다.

그림 8. Information in EPS entity before X2 Handover

4.2 After X2 Handover
핸드오버를 마친 후 사용자는 계속 EMM-Registered, ECM/RRC-Connected 상태를 유지한다. EPS 엔터티들이 유지하는 정보의 종류는 같으나 UE 위치 정보가 수정되고, source eNB에 있던 E-UTRAN 자원 및 UE Context 정보는 해제되고 target eNB에 E-UTRAN 자원 및 UE Context 정보가 설정된다. 그림 9는 X2 핸드오버 후 EPS 엔터티에 있는 정보를 나타낸다(Target eNB는 source eNB가 지원하던 QoS를 지원하며, PCC 정책에 따라 UE가 접속한 셀이 변경시 PCRF로 보고하도록 되어 있는 경우이다). 핸드오버 전과 비교하여 값이 변경된 정보를 파란색으로 표시하였다.

그림 9. Information in EPS entity after X2 Handover

III. 마치는 글
핸드오버 전?후로 MME와 S-GW가 변하지 않는 intra-LTE 환경에서 X2 핸드오버 절차를 살펴보았다. X2 핸드오버는 EPC의 개입 없이 source eNB와 target eNB가 협력하여 핸드오버를 수행하며, 핸드오버 단절 시간(handover interruption time) 동안 X2 transport 베어러를 통하여 DL 패킷을 전달함으로써 패킷 손실을 방지함을 보았다. 이어서 3편에서는 intra-LTE 핸드오버 환경에서 S1 핸드오버 절차를 상세히 기술하고, X2 핸드오버와의 차이를 살펴보도록 한다.

참고문헌
[1] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (1편) ? Overview of Handover”, June 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5523
[2] 3GPP TS 36.423, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 Application Protocol (X2AP)”
[3] 3GPP TS 36.331, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol Specification”
[4] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Security II”, June 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5222
[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.


Handover without TAU (Part 2)
X2 Handover

March 25, 2013
(Last Updated: March 28, 2013)
NMC Consulting Group
www.netmanias.com
www.nmcgroups.com

[Scope] EMM Case 6: Handover without TAU
“EMM Case 6: Handover without TAU” from the EMM Scenario [1]

Concept of X2 Handover (1/4)
Control Plane
Protocol
-X2AP
3GPP Spec.
-TS 36.423, “E-UTRAN; X2AP”
User Classification
-eNB UE X2AP ID
-Old eNB UE X2AP ID: assigned by Source eNB
-New eNB UE X2AP ID: assigned by Target eNB

User Plane
Protocol
-GTP-U
3GPP Spec.
-TS 29.281, “GTPv1-U”
User Classification
-TEID

X2AP : X2 Application Protocol
E-UTRAN : Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GTP-U : GPRS Tunneling Protocol User Plane
TEID : Tunnel Endpoint Identifier

Concept of X2 Handover (2/4)
X2 AP Functions and Elementary Procedures

Elementary Procedure
Mobility Management
-Handover Preparation
-SN Status Transfer
-UE Context Release
-Handover Cancel
Load Management
-Load Indication
-Resource Status Reporting Initiation
-Resource Status Reporting
Reporting of General Error Situations
-Error Indication
Resetting the X2
-Reset
Setting up the X2
-X2 Setup
eNB Configuration Update
-eNB Configuration Update
-Cell Activation
Mobility Parameters Management
-Mobility Settings Change
Mobility Robustness Optimization
-Radio Link Failure Indication
-Handover Report
Energy Saving
-eNB Configuration Update
-Cell Activation

Description
Mobility Management
-Basic handover procedure:
Forwarding of user plane data, Status Transfer and UE Context Release
Load Management
-Improving the performance of Inter-cell interference by exchanging load and interference information between eNBs
Reporting of General Error Situations

Resetting the X2
-Aligning the resources in neighbor eNBs in the event of an abnormal failure
-eNB aborts any ongoing procedures over X2 and deletes all the context information related to the neighbor eNB except data exchanged during the X2 Setup procedure.
Setting up the X2
-Exchanging application level configuration data needed for eNBs.
-The initiating eNB transmits a list of served cells and optionally direct neighbors of cells, number of antenna port, PRACH configuration and MBSFN sub-frame Info.
eNB Configuration Update
-Updating application level configuration data needed for two eNBs
Mobility Parameters Management
-Handover optimization:
Negotiating the mobility parameter settings (handover trigger settings) with a peer eNB controlling neighbor cells
Mobility Robustness Optimization
-Handover optimization:
- Reporting information related to mobility failure events
- Transferring mobility related information (e.g. HO too early, HO to wrong cell) between eNBs controlling neighbouring cells
Energy Saving
-Decreasing energy consumption by enabling indication of cell activation/deactivation over the X2 interface

Concept of X2 Handover (3/4)
Messages used for Basic Handover Procedure

Concept of X2 Handover (4/4)
Simplified Procedure of X2 Handover

Connections and State Transition: Before/During/After X2 Handover (1/2)

Connections and State Transition: Before/During/After X2 Handover (2/2)

Phase 1. Handover Preparation (1/4)

Phase 1: Handover Preparation (2/4)
Before Handover
1) [UE - eNB] Measurement Report
- A handover event is triggered at UE. UE measures the signal strength of neighbor cells and sends a Measurement Report (Serving Cell
(RSRP and/or RSRQ), Neighbor Cells (RSRP and/or RSRQ)) message to the serving eNB.
Phase 1: Handover Preparation
2) [Source eNB] Handover Decision
- Source eNB determines target eNB and handover type. The target eNB is determined based on neighbor cell list (NCL) and the received
Measurement Report message, and the handover type is determined as a X2 handover.
- (The target eNB may be multiple and determined as not reported by the UE. Here, assuming that there is only one target eNB and it has
been included in the Measurement Report message.)
3) [Source eNB] Deriving AS Security Base Key, KeNB*
- There is no intervention of MME, therefore the source eNB derives AS security base key, KeNB* to be used by the target eNB.
- KeNB* is derived using target PCI, target cell’s frequency EARFCN-DL, and either NH or the current KeNB.
- NH : used if an unused {NH, NCC} pair is available
- KeNB : used if no unused {NH, NCC} pair is available

Phase 1: Handover Preparation (3/4)
4) [Source eNB - Target eNB] Requesting X2 Handover Preparation
-The Source eNB requests X2 handover to the target eNB by sending a Handover Request (Target Cell ID, UE Context Info (UE-AMBR, UE Security Capability, KeNB*, E-RAB to be setup (E-RAB ID, QCI, ARP, S1 S-GW TEID), RRC Context), UE History Info) message.
5) [Target eNB] Preparing the Imminent X2 Handover
-The target eNB gets on preparing the imminent X2 handover to provide UE with seamless service.
-Creates AS security keys (KRRCint, KRRCenc, KUPenc) from the KeNB* received from the source eNB.
-Carries out admission control whether the QoS provided at the source eNB can be granted by the target eNB.
If available, configures the required resources based on the E-RAB QoS Info (e.g. establishes uplink S1 bearer with the S1 S-GW TEID received from the source eNB).
-Reserves a C-RNTI and a RACH preamble (to be used by the UE soon) .
-Allocates a X2 target eNB TEID so that the source eNB can establish X2 transport bearer to forward DL packets to the target eNB during handover execution.

Phase 1: Handover Preparation (4/4)
6) [Source eNB - Target eNB] Notifying that TeNB is ready to Initiate the X2 Handover
-Information for the resources prepared by the target eNB is sent to the source eNB in a Handover Request Acknowledge (E-RAB Admitted (E-RAB ID, Target eNB TEID), Handover Command (Target C-RNTI, Target DRB ID, AS Security Algorithm)) message.
7) [Source eNB] Establishing X2 Transport Bearer(s) to Transfer DL Packets
-The source eNB verifies the X2 handover can be supported in the target eNB, and establishes the X2 transport bearer for the DL packets to the target eNB.

Phase 2: Handover Execution (1/3)

Phase 2: Handover Execution (2/3)
8) [UE - Source eNB] Triggering X2 Handover Execution
-The source eNB commands the UE to execute X2 handover by sending a Handover Command message delivered encapsulated in a RRC Connection Reconfiguration message to the UE.
9) [UE] Start to Handover
-The UE detaches from the source cell. From now on the handover interruption time is started.
10) [UE] AS Security Setup
-First, the UE derives the KeNB* using target PCI, target cell’s frequency EARFCN-DL, and KeNB, then derives the AS security keys (KRRCint, KRRCenc, KUPenc) to be used with the target eNB over the ration link.
11) [Source eNB ? Target eNB] SN Status Transfer
-The source eNB informs the target eNB of the UL/DL packet sequence number (PDCP SN and HFN ) status by sending a SN Transfer so that user packets are delivered in order at the target eNB.
SN Status Transfer (DL Count, UL Count)
DL Count
Count of the first packet to be sent to the UE
UL Count
Count of the first packet to be received from the UE
12 ~ 14) [UE, Target eNB] Accessing to the Target eNB
-12) The UE performs synchronization to target eNB and accesses to the target cell via RACH (using a dedicated RACH preamble).
-13) The target eNB responds with UL allocation and timing advance.
-14) The UE sends a Handover Confirm message delivered encapsulated in a RRC Connection Reconfiguration Complete message to the target eNB.

Phase 2: Handover Execution (3/3)
15) [Target eNB] Start to Send DL Packets to the UE
-The target eNB delivers the buffered DL packets to the UE.
16) [UE - Target eNB] Secure Communication over Radio link
-RRC signaling messages and user IP packets are securely delivered over radio link between UE and target eNB.
-RRC signaling message: integrity protected and ciphered
-User IP packets: ciphered

Phase 3: Handover Completion (1/2)

Phase 3: Handover Completion (2/2)
17) [Target eNB - MME] Requesting Path Switch of EPS Bearer (S1 Bearer)
-Target eNB sends a Path Switch message to MME to inform that the UE has changed cell.
18 ~ 23) [UE, Target eNB] Modification of EPS Bearer
-18) MME informs S-GW that the DL S1 bearer has changed and requests to switch DL path to the target eNB by sending the S1 Target eNB TEID in a Modify Bearer Request message.
-The S-GW establishes the DL S1 bearer to the target eNB.
-19 ~22) If the Change Reporting Action option is set, information for the change (e.g. ECGI, TAI) is reported to PCRF via P-GW.
24) [S-GW] Switching the DL Path of EPS Bearer and Sending EM Packet(s)
-S-GW switches the transport path for DL packets to the changed DL S1 bearer. First, the S-GW sends one or more EM packets on the old path (DL S1 bearer towards the source eNB) and then releases any resources for the source eNB.
25) [Target eNB] Packet Re-ordering
-Target eNB should send DL packets to the UE in order as the packets are arrived through different bearers (one, X2 transport bearer from source eNB and the other, a new DL S1 bearer from S-GW). First, the target eNB transmits DL packets arrived through the X2 transport until receiving EM packets. After receiving the EM packets the target eNB transmits DL packets arrived from the S-GW.
26) [Target eNB - MME] Notifying Path Switch
-MME confirms the change of the UE’s location by sending a Path Switch Request Acknowledge message back to the target eNB, and delivers the security context for handover (the newly computed {NH, NCC} pair) to the target eNB for further handovers.
27) [Source eNB - Target eNB] Release of the UE Context
-Target eNB stores the {NH, NCC} pair, and informs successful X2 handover to the source eNB and triggers the release of the UE context by sending a UE Context Release message.

Information in EPS Entity: Before X2 Handover

Information in EPS Entity: After X2 Handover

References
[1] Netmanias Technical Document, “EMM Scenario and Eleven EMM Cases”, February 2013, https://www.netmanias.com/en/?m=view&id=techdocs&no=6002
[2] Netmanias Technical Document, “Handover without TAU (Part 1): Overview of LTE Handover”, February 2013, https://www.netmanias.com/en/?m=view&id=techdocs&no=6224
[3] 3GPP TS 36.423, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X1 Application Protocol (X2AP)”.
[4] 3GPP TS 36.331, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol Specification”.
[5] Netmanias Technical Document, “LTE Security II”, August 2012, https://www.netmanias.com/en/?m=view&id=techdocs&no=5903
[6] Netmanias Technical Document, ““LTE Security I”, August 2012, https://www.netmanias.com/en/?m=view&id=techdocs&no=5902
[7] NMC Consulting Group Report, “E2E LTE Network Design”, August 2010.