EMM Procedure: 8/9. Handover/Cell Reselection with TAU


목 차

I. 시작하는 글
II. TAU 절차를 동반한 핸드오버 (Handover with TAU)
III. TAU 절차를 동반한 셀 재선택 (Cell Reselection with TAU)
IV. EPS Entity Information
V. 마치는 글




본 문서에서는 EMM Case 8과 EMM Case 9 절차를 다룬다. 즉 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)에 있는 사용자 단말이 망에 등록되어 있지 않은 TA로 이동할 때의 핸드오버 절차와 휴지 상태(EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle)에 있는 사용자 단말이 망에 등록되어 있지 않은 TA로 이동할 때의 셀 재선택 절차를 다룬다. EMM Case 8/9의 핸드오버/셀 재선택 절차는 EMM Case 6/7(TAU 절차 없는 핸드오버/셀 재선택)에서와 동일하나, 단말이 등록되어 있지 않은 TA로 이동함에 따라 핸드오버/셀 재선택 절차 후 새로운 셀에서 TAU(Tracking Area Update) 절차가 추가된다. EMM 6/7에서와 마찬가지로 핸드오버 종류는 intra-LTE 핸드오버이고 셀 재선택 종류는 intra-frequency 셀 재선택을 대상으로 한다.





2013년 5월 23일



www.netmanias.com

NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
ASME Access Security Management Entity
DL Downlink
ECGI E-UTRAN Cell Global Identifier
ECM EPS Connection Management
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPS Evolved Packet System
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GUTI Globally Unique Temporary Identifier
KSI Home Subscriber Server
LTE Long Term Evolution
MAC Message Authentication Code
MME Mobility Management Entity
NAS Non Access Stratum
PCRF Policy and Charging Rule Function
PDU Protocol Data Unit
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
UE User Equipment
UL Uplink

?
I. 시작하는 글
사용자 단말(UE)은 망에 접속할 때 망(MME)으로부터 TAI(Tracking Area Identity) list를 받아서 일련의 TA(Tracking Area)들을 할당 받는다. 이 TA들은 UE가 망에 자신의 위치를 보고하지 않고 이동할 수 있는 영역으로, 망은 UE가 휴지상태에 있을 때 단말로 향하는 호/패킷이 발생하면 UE가 캠핑하고 있는 셀을 몰라도 망이 할당한 TA 영역에 있는 것으로 생각하여 이 영역 안에서 paging을 수행한다. 즉, UE가 할당 받은 TAI list는 망에 UE가 등록되어 있는 영역을 나타낸다. 따라서 UE가 할당 받지 않은 TA로 이동하게 되면 TAU(Tracking Area Update) 절차를 수행하여, UE는 망(MME)으로 TA 갱신을 요청하고 망(MME)은 단말의 TA 영역을 갱신하여 새로운 TA들을 할당한다.

본 문서는 EMM 시나리오 중 사용자 단말이 망에 등록되어 있지 않은 TA로 이동하는 경우를 다룬다. “EMM Case 8. TAU 절차를 동반한 핸드오버(Handover with TAU)”와 “EMM Case 9. TAU 절차를 동반한 셀 재선택(Cell Reselection with TAU)”이 이에 해당된다[1].
EMM Case 8은 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)에 있는 단말이 이동하는 경우이다. 소스 eNB(source eNB)에서 타겟 eNB(target eNB)로 핸드오버하는 절차는 이전 기술문서[2,3,4]인 EMM Case 6. TAU 절차없는 핸드오버(Handover without TAU) 에서와 같고, 핸드오버 후에 타겟 eNB에 있는 새로운 셀에서 TAU 절차를 수행한다. EMM Case 9는 휴지 상태(EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle)에 있는 단말이 이동하는 경우이다. 서빙 셀(serving cell)에서 셀 재선택하는 절차는 이전 기술문서[5]인 EMM Case 7. TAU 절차 없는 셀 재선택(Cell Reselection without TAU)에서와 같고, 셀 재선택 후에 새로운 셀에서 TAU 절차를 수행한 후 새로운 셀에 캠핑한다.

본 문서의 구성은 다음과 같다. 먼저 II 장에서 EMM Case 8 절차를 다루고 III 장에서 EMM Case 9 절차를 다룬다. 이어서 IV 장에서 각 절차 전?후로 EPS 엔터티가 갖는 정보를 설명한다.

II. EMM Case 8. TAU 절차를 동반한 핸드오버 (Handover with TAU)
그림 1은 연결 상태에 있는 사용자 단말이 망에 등록되어 있지 않은 TA로 이동할 때 핸드오버 절차를 나타낸다. UE가 망에 초기 접속(Initial Attach)할 때, MME는 UE에게 할당할 TA로 TA1과 TA2을 선택하고 Attach Accept 메시지를 통해 TAI list={TAI=1, TAI=2}를 UE에게 전달하였다. 핸드오버가 발생하기 전에 UE는 TA1 영역에 속한 eNB 2(에 속한 셀 5)에서 서비스를 이용하고 있으며, TAI list에 없는 TA3 영역에 속한 eNB 5(에 있는 셀 13)을 향해 이동하고 있다. 본 문서의 범위는 intra-LTE 핸드오버로, eNB 2와 eNB 5는 같은 MME와 같은 S-GW에 연결되어 있다.


그림 1. 핸드오버 절차 (등록되지 않은 TA로 이동 시)

핸드오버
UE가 eNB 5로 이동함에 따라 핸드오버 triggering event 가 발생하고 UE는 서빙 셀과 이웃 셀들(neighbor cells)의 신호세기를 측정하여 eNB 2로 Measurement Report 메시지를 전송한다. 소스 eNB(eNB 2)는 핸드오버 형태를 결정하여, X2 핸드오버인 경우에는 source eNB가 S1 핸드오버인 경우에는 MME가 타겟 eNB(eNB 5)를 결정하고, eNB 2(에 속한 셀 5)에서 eNB 5(에 속한 셀 13)로 핸드오버가 수행된다(핸드오버 절차는 이전 기술문서[2,3,4]를 참조).

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TAU (Tracking Area Update)
1) [UE ? MME] TA 갱신 요청 (TAU Request)
UE는 타겟 eNB(eNB 5)로 핸드오버하면서 eNB 5가 MME로부터 할당받았던 TA 영역에 포함되지 않음을 안다. UE는 eNB 5로 핸드오버를 마치면 바로 TAU Request(Update Type=TA Updating, GUTI, Last Visited TAI, KSIASME, NAS-MAC) 메시지를 MME로 전송하여 TA 갱신을 요청한다. TA 변경으로 인한 TAU Request 메시지는 다음과 같은 정보를 포함한다.


TAU Request (Update Type=TA Updating, GUTI, Last Visited TAI, KSIASME, NAS-MAC)

? Update Type: TAU 유형을 나타냄. 등록된 TA가 아닌 경우 TA Updating으로 set 함
? GUTI: MME에게 이전에 할당 받았던 UE ID로 MME가 UE를 식별할 수 있게 함
? Last Visited TAI: 최근에 TAU Request를 통해 보고한 TAI
? KSIASME: NAS Security Base Key인 KASME에 대한 인덱스
? NAS-MAC: NAS 무결성 Key(KNASint)를 이용하여 TAU Request 메시지를 무결성 보호한 메시지 인증 코드


TAU Request 메시지는 UE ? eNB 간에서는(RRC 메시지로는) UL Information Transfer 메시지를 통해 전달되고, eNB ? MME 간에서는(S1AP 메시지로는) Uplink NAS Transport(NAS-PDU(TAU Request), ECGI, TAI) 메시지를 통해 전달된다. Uplink NAS Transport 메시지는 TAU Request 메시지와 함께 현재 셀의 ECGI와 TAI를 포함하여 MME로 전달한다.
UE와 MME 간에는 NAS Security Context가 설정되어 있으므로, UE는 TAU Request 메시지를 NAS 무결성 키(KNASint)에 의해 무결성 보호하여 전송한다. MME가 TAU Request 메시지를 수신하여 무결성 검증에 실패하면 사용자 인증 및 NAS Security Setup 절차가 수행된다(이전 기술문서[6]를 참조). 본 문서에서는 MME에서 무결성 검증이 성공한 경우를 다룬다.

2) [MME] TA 갱신: 새로운 TA 할당
UE가 망에 등록되어 있지 않은 TA로 이동했으므로, MME는 UE에게 할당할 일련의 TA들을 새로 구하여 새로운 TAI list를 구성한다. 또한 새로운 GUTI(Globally Unique Temporary Identifier)를 할당할 수도 있다.

3) [UE ? MME] TA 갱신 수락 (TAU Accept)
MME는 새로 갱신한 TA(와 GUTI)를 UE에게 TAU Accept(GUTI, TAI List) 메시지를 통하여 전달한다. TAU Accept 메시지는 무결성 보호되고 암호화되어 전송되며, eNB ? MME 구간에서는(S1AP 메시지로는) Downlink NAS Transport 메시지를 통해 UE ? eNB 구간에서는(RRC 메시지로는) DL Information Transfer 메시지를 통해 전달된다.

4) [UE ? MME] TA 갱신 종료 (TAU Complete)
MME가 새로운 GUTI를 할당한 경우, UE는 MME로 TAU Complete 메시지를 전송하여 새로운 GUTI를 수신했음을 알린다

TAU 절차가 끝나면 사용자 단말은 새로 할당 받은 TAI list(와 GUTI)를 가지고 eNB 5에서 계속하여 서비스를 이용한다.
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III. EMM Case 9. TAU 절차를 동반한 셀 재선택 (Cell Reselection with TAU)
그림 2는 휴지 상태에 있는 사용자 단말이 망에 등록되어 있지 않은 TA로 이동할 때 셀 재선택 절차를 나타낸다. UE는 셀 5(eNB 2)에 캠핑하고 있고 셀 13(eNB 5)을 향해 이동하고 있다. 본 문서의 범위는 intra-frequency 셀 재선택이다.


그림 2. 동일 주파수 셀 재선택 절차 (등록되지 않은 TA로 이동 시)
셀 재선택
1) ~ 7) [UE] 셀 재선택
UE가 eNB 5로 이동함에 따라 셀 재선택 triggering 이 발생하고 UE는 이웃 셀들을 측정하고 셀 Rank를 구하여 셀 재선택 기준을 만족하는 셀 중 best 셀로 셀 13(eNB 5)을 선택한다. 이상의 셀 재선택 절차는 이전 기술문서(EMM Procedure: 7. Cell Reselection without TAU)[5]와 동일하게 수행된다.

TAU (Tracking Area Update)
UE는 셀 재선택 절차를 수행하여 셀 13(eNB 5)을 선택하면서 셀 13이 이전에 할당 받았던 TA 영역에 포함되지 않음을 안다. UE는 셀 13으로 셀 재선택 절차를 마치면 바로 TAU 절차를 수행한다. TAU 절차는 이전 기술문서(EMM Procedure: 5. Periodic TAU)[7]와 동일하게 수행된다. 차이점은 [7]에서는 휴지 상태에 있는 UE가 TAU timer(T3412)가 만료되어 망에게 자신이 위치한 TA를 보고하는 것이고, 여기서는 망에 등록되지 않은 영역으로 이동함에 따라 TA 갱신을 요청하는 것이다. TAU Request 메시지에서 TA 갱신 형태는 “Periodic Updating” 대신 “TA Updating”이 사용된다. 아래에서 주요 절차만 간단히 설명하도록 한다.

8) [UE ? MME] TA 갱신 요청 (TAU Request)
UE는 TAU Request(Update Type=TA Updating, GUTI, Last Visited TAI, KSIASME, NAS-MAC) 메시지를 MME로 전송하여 TA 갱신을 요청한다. TAU Request 메시지에 포함되는 정보는 II 장에서와 동일하며, NAS 무결성 키(KNASint)에 의해 무결성 보호되어 전송된다. UE는 eNB로 RRC 연결을 설정하고 TAU Request 메시지를 전송함으로써 휴지 상태(EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle)에서 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)로 천이한다.

9) [MME] TA 갱신: 새로운 TA 할당
Uplink NAS Transport 메시지를 통해 TAU Request 메시지를 수신한 MME는 Uplink NAS Transport 메시지에 있는 TAI를 통해 현재 UE가 캠핑한 셀의 TA(TA3)를 파악하고, TAU Request 메시지에 있는 Last Visited TAI를 통해 최근에 보고한 TA(예, TA1)를 파악한다.
현재 UE가 위치한 TA(TA3)가 UE에게 할당했던 TA(TA1, TA2)와 다르므로 MME는 Last Visited TAI 값을 참고하여 UE의 현 위치와 속도에 적합한 TA를 새로 할당한다. TAU 시그널링으로 인한 부하를 줄이기 위해 이동 속도가 빠른 단말에는 느린 단말에 비해 넓은 TA 영역을 할당할 수 있다. 그러나 이 경우 휴지 상태에 있는 단말로 향하는 호/패킷이 발생했을 때 paging으로 인한 시그널링 부하가 증가하고 paging 응답 시간이 길어질 수 있다. UE별로 TAI list를 달리 할당하는 경우에는 TAU 시그널링 부하와 paging 성능 간 trade-off를 고려하여 결정하게 된다 . MME는 또한 UE 정보 중 “Last Visited TAI” 값을 현재 “TAI” 값으로 갱신한다.

10) [MME, S-GW, P-GW, PCRF] 베어러/세션 변경 (EPS Bearer/Session Modification)
UE의 위치가 변경되었으므로 MME는 S-GW로 Modify Bearer Request 메시지를 전달하여 이를 알린다. UE가 초기 접속하여 EPS 세션을 생성할 때, PCRF로부터 Change Report Action 파라미터를 통해 TA 변화시 보고하도록 설정되어 있는 경우에는 세션 변경 절차가 수행되어 UE의 TA 변화가 PCRF에게 보고된다.

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11) [UE ? MME] TA 갱신 수락 (TAU Accept)
MME는 새로 할당한 TAI list(와 GUTI)를 TAU Accept(GUTI, TAI List) 메시지를 통해 UE에게 전달한다. TAU Accept 메시지에 포함되는 정보는 II 장에서와 동일하며, 무결성 보호되고 암호화되어 전송된다.

12) ~ 14) [UE, eNB, MME] 휴지 상태로 천이
MME는 TAU 절차를 마친 후 S1 연결을 해제(이전 기술문서[8] 참조)하여 eNB 5와 MME 간 S1 시그널링 연결을 해제한다. eNB 5는 이어서 UE와 RRC 연결을 해제한다. 이로써 UE와 MME 간 ECM 연결이 해제되고 UE는 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)에서 다시 휴지 상태(EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle)로 천이한다.

15) [UE] 셀 13에 캠핑
휴지 상태로 돌아온 UE는 셀 13에 캠핑한다. UE는 새로이 할당 받은 TAI list를 가지고 셀 13에서 DRX cycle마다 깨어나 셀 13의 신호(RSRP, RSRQ)를 측정한다.

IV. EPS Entity Information: Before/After
EMM Case 8. TAU 절차를 동반한 핸드오버(Handover with TAU) 절차 전?후로 EPS 엔터티에 있는 정보는 다음과 같다.

? Before/After
- TAU 절차 없는 핸드오버(Handover without TAU) 절차[3,4]를 마친 후 EPS 엔터티에 있는 정보와 같다. TA 갱신으로 인하여 TAI(와 GUTI) 정보의 값이 변경된다.

EMM Case 9. TAU 절차를 동반한 셀 재선택(Cell Reselection with TAU) 절차 전?후로 EPS 엔터티에 있는 정보는 다음과 같다.

? Before/After
- TAU 절차 없는 셀 재선택(Cell Reselection without TAU) 절차[5]를 마친 후 EPS 엔터티에 있는 정보와 같다. TA 갱신으로 인하여 TAI(와 GUTI) 정보의 값이 변경된다.

V. 마치는 글
사용자 단말이 망에 접속하여 망(MME)에 등록된 후(TAI list를 할당 받은 후) 등록되어 있지 않은 TA로 이동할 때 핸드오버와 셀 재선택 절차를 살펴보고, 핸드오버/셀 재선택 절차를 수행한 단말이 새로운 셀에서 TAU 절차를 수행하여 망(MME)으로부터 TAI list를 새로 할당 받음을 보았다.
다음 문서[9]는 EMM 절차 마지막 문서로, 사용자가 다른 도시로 이동할 때(City 1 ? City 2), 사용자 단말이 City 1에서 Detach되고 City 2에서 새로이 초기 접속을 수행하는 절차를 설명한다(EMM Case 10과 EMM Case 11에 해당[1]).



참고문헌
[1] 넷매니아즈 기술문서, “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: 6. Handover without TAU (1편) ? Overview of Handover”, June 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5523
[3] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (2편) ? X2 Handover”, July 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5542
[4] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (3편) ? S1 Handover”, April 2013, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5567
[5] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 7.Cell Reselection without TAU”, May 2013, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5740
[6] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 1. Initial Attach for Unknown UE (2편) ? 초기 접속 호 흐름”, March 2013, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5320
[7] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 5.Periodic TAU”, May 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5496
[8] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 3. S1 Release”, April 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5464
[9] 넷매니아즈 기술문서, “EMM Procedure 10/11. Toward Another City”, May 2013, TBD
[10] 3GPP TS 23.401, “General Packet Radio Service (GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Access”.
[11] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.