EMM Procedure: 10/11. Toward Another City


목 차

I. 시작하는 글
II. EMM Case 10. 다른 도시로 이동 (Move to Another City)
III. EMM Case 11. 다른 도시에서 초기 접속 (Initial Attach in Another City)
IV. EPS Entity Information
V. 마치는 글




본 문서에서는 EMM Case 10과 EMM Case 11 절차를 다룬다. 즉, 한 도시(City 1)에 있던 사용자가 다른 도시(City 2)로 이동하면서 City 1에서 LTE 커버리지를 벗어나면서 Detach되는 절차와, City 2에 도착하여 LTE 커버리지에 들어서면서 Old GUTI(Globally Unique Temporary Identifier)를 이용하여 망에 재접속하는 절차를 나타낸다. EMM Case 10/11은 LTE 사업자가 지역적으로 떨어진 몇 개 주요 도시에서 서비스를 제공하는 경우로, 단일 LTE carrier 주파수로 동작하는 LTE 단일망을 대상으로 한다.





2013년 5월 30일



www.netmanias.com

NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
AMBR Aggregated Maximum Bit Rate
APN Access Point Name
ARP Allocation and Retention Priority
ASME Access Security Management Entity
AV Authentication Vector
DL Downlink
ECGI E-UTRAN Cell Global Identifier
ECM EPS Connection Management
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPS Evolved Packet System
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
M-TMSI MME Temporary Mobile Subscriber Identity
NAS Non Access Stratum
PCRF Policy and Charging Rule Function
P-GW Packet Data Network Gateway
PPF Paging Proceed Flag
QCI QoS Class Identifier
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

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I. 시작하는 글
사용자 단말(UE)이 이동하면서 서빙 셀(serving cell)의 수신 신호 세기가 약해지면 다른 셀로 핸드오버 또는 셀 재선택을 시도한다. 단말이 이동하는 방향으로 이웃 셀들(neighbor cells)이 없는 경우에는 서빙 셀 신호세기가 점점 감소하다가 결국 망에서 detach하게 된다. 단말이 다시 LTE 커버리지에 들어서면 셀 선택 과정을 거쳐 다시 망에 접속한다.

본 문서는 EMM 시나리오 중 사용자 단말이 LTE 커버리지를 벗어나 망에서 detach되었다가, LTE 커버리지에 들어서면서 다시 망에 접속하는 경우를 다룬다. “EMM Case 10. 다른 도시로 이동(Move to Another City)”과 “EMM Case 11. 다른 도시에서 초기 접속 (Initial Attach in Another City)”이 이에 해당한다[1]. 그림 1은 EMM Case 10과 EMM Case 11 시나리오를 나타낸다.


그림 1. EMM Case 10과 EMM Case 11 시나리오

본 문서에서 다룰 EMM Case 10/11의 환경은 다음과 같다: 이동통신사업자는 LTE 서비스를 몇 개 주요 도시에서 제공하고 있으며, 2G/3G 망 없이 LTE 단일망만 갖고 있다. MME, S-GW, P-GW는 도시마다 위치하고 HSS, PCRF, SPR은 한 도시에만 위치하고 있으며, MME들은 S10 인터페이스를 통해 연결되어 있다. 그림 1은 City 1과 City 2만 나타나 있고, 사용자는 차를 타고 City 1에서 City 2로 이동하고 있다.

EMM Case 10은 City 1에 있던 사용자 단말이 City 1을 떠나면서 LTE 커버리지를 벗어남에 따라 망에서 detach되는 경우이다. 단말은 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)에서 서비스를 이용하는 중이거나 휴지 상태(EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle)에서 서빙 셀에 캠핑하고 있다가, City 1을 벗어나면서 MME에 의해 망에서 detach되어 Detach 상태(EMM-Deregistered, ECM-Idle, RRC-Idle)로 가게 된다.

EMM Case 11은 사용자 단말이 City 2에 도착하여 LTE 커버리지로 들어서면서 다시 망에 접속하는 경우이다. 사용자 단말이 망(New MME)에 초기 접속할 때, 이전 기술문서[3]에서와는 달리 망(Old MME)에는 사용자 정보가 존재하고 있다. 단말은 망(Old MME)이 할당했던 UE ID(Old GUTI)를 이용하여 망(New MME)에 초기 접속하여, Detach 상태(EMM-Deregistered, ECM-Idle, RRC-Idle)에서 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)로 천이한다.

본 문서의 구성은 다음과 같다. 먼저 II 장에서 EMM Case 10 절차를 다루고 III 장에서 EMM Case 11 절차를 다룬다. 이어서 IV 장에서 각 절차 전?후로 EPS 엔터티가 갖는 정보를 설명한다.

II. EMM Case 10. 다른 도시로 이동 (Move to Another City)
2.1 연결 상태(Connected State)에서 이동
그림 1은 사용자 단말이 City 1에서 서비스를 이용 중에 LTE 커버리지를 벗어나면서 detach되는 절차를 나타낸다.


그림 2. Move to Another City in “Connected” State

1) [UE ? eNB] Measurement Report
UE가 City 1을 벗어나면서 서빙 셀 수신신호가 점점 약해진다. A2 event가 활성화되어 있으면 UE는eNB로 Measurement Report 메시지를 전송하여 서빙 셀 신호세기를 알린다.

2) [eNB] 핸드오버할 이웃 셀이 없음
eNB는 핸드오버할 이웃 셀을 찾는데 실패한다.

3) [eNB ? MME] Error 상황 알리기
무선링크 통신상태가 계속 나빠짐에 따라 무선 인터페이스 상에 전송실패가 발생하게 되고, eNB는 MME로 Error Indication(Cause=Failure in the Radio Interface ) 메시지를 전송하여 이를 알린다.(UE와의 통신이 허용 가능한 수준의 품질을 유지하기 어렵다고 판단되면, eNB는 UE Context Release Request 메시지를 MME로 전송할 수도 있다).

무선링크 통신품질이 안 좋아서 RRC 연결이 끊어지면 UE는 RRC 연결 재설정(RRC Connection Reestablishment)을 시도한다. 잠시 통신품질이 안 좋았던 경우에는 RRC 연결 재설정이 성공하여 정상적인 무선통신이 이루어지고 사용자 서비스는 끊김 없이 제공된다. 통신품질이 계속 안 좋은 경우에는 RRC 연결 재설정이 계속 실패하고 결국 RRC 연결이 끊어진다.

본 문서에서는 eNB가 UE와의 RRC 연결을 유지한 상태에서 MME에게 Error Indication 메시지를 전송하고, MME는 서빙 셀이 도시 경계에 있는 셀로 핸드오버할 이웃 셀이 없으므로 망에서 detach 하기로 결정한 상황을 고려한다. 이에 MME에서 Detach 절차가 triggering된다.

4) MME-initiated Detach
MME는 UE로 Detach Request 메시지를 전송하여 Detach 절차를 수행한다. 이 절차는 이전 기술문서[2]에서 “MME-initiated Explicit Detach 절차”와 같은 절차로 수행된다 . MME는 UE의 GUTI와 NAS security context를 저장하고, EPS 세션을 종료하고 S1 시그널링을 해제하고 Detach 상태(EMM-Deregistered, ECM-Idle)로 천이한다. UE는 GUTI와 NAS security context를 저장하고 EPS 베어러 context를 삭제하고 Detach 상태(EMM-Deregistered, ECM-Idle, RRC-Idle)로 천이한다.

2.2 휴지 상태(Idle State)에서 이동
Periodic TAU 절차는 휴지 상태에 있는 사용자 단말이 주기적으로 자신의 위치를 망에게 알리는데 사용된다(이전 기술문서[5] 참조). UE가 휴지 상태에 있는 경우, MME는 UE로 향하는 호/패킷이 발생하면 UE가 응답할 수 있는지(“reachable”한지) 확신할 수가 없다. 따라서 휴지 상태에 있는 UE는 망이 할당한 영역에(TAI list에 있는 TA에) 있더라도 주기적으로 자신의 위치를 망에 보고하고, 망은 UE가 “reachable”한지 여부를 확인한다. MME는 이를 위해 TAU timer(T3412), Mobile Reachable timer, Implicit Detach timer를 관리한다. 이 중 TAU timer(T3412) 값은 UE에게 전달되는데, UE가 망에 초기 접속할 때 Attach Accept 메시지를 통해서 또는 TA 갱신을 요구할 때 TAU Accept 메시지를 통해서 전달된다.

TAU timer(T3412)의 default 값은 54분[4]으로, MME가 이 값을 “0”으로 주면 UE는 TAU timer를 비활성화하고 Periodic TAU를 수행하지 않는다(M2M 통신용 UE에 적용되지 않을까요?). 단말에서 TAU timer는 단말이 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)에서 휴지 상태(EMM-Registered, ECM-Idle, RRC-Idle)로 천이할 때 구동된다. TAU timer가 만료되면, UE는 연결 상태로 천이하여 MME로 TAU Request 메시지를 전송하여 자신의 존재를 알린 후(“reachable”하다는 것을 알리고) 휴지 상태로 천이하고 TAU timer가 다시 구동된다. 휴지 상태에서 연결 상태로 천이하거나 망에서 detach하게 되면 단말은 TAU timer를 중지시킨다.
MME에서 UE의 TAU timer가 만료되면 MME는 곧이어 TAU Request 메시지를 수신하고서 UE의 위치를 확인하고, 필요시 TAI list를 재할당하고, TAU timer를 다시 구동시킨다. 즉, 망은 최소한 TAU timer 주기로 UE가 “reachable”한지 확인하여 PPF(Paging Proceed Flag) flag를 “1”로 설정함으로써 paging이 가능함을 표시한다.

만약 UE에게 무슨 일이 있으면 (예, T3412 만료시점에 음영지역에 있어 통신이 안 된다고 하자) T3412가 만료되었을 때 UE는 TAU 요청을 하지 못하고 MME는 UE가 어디 있는지 알지 못한다. UE는 TA 갱신을 실패시 재시도하므로 잠시 후 음영지역을 빠져나오면 TAU 요청이 성공하지만, 계속 음영지역에 있으면 TAU 요청이 계속 실패한다.

Mobile Reachable timer는 망이 UE가 “reachable”한지 확인하기 위해 사용하는 값으로 TAU timer(T3412) 보다 조금 큰 값을 갖는다. Default 값은 “T3412+4분”으로, UE와 ECM 연결이 해제되면(예, UE가 휴지 상태로 천이함) 구동되고 ECM 연결이 생성되면 중지된다(예, UE가 MME로 TAU Request 메시지를 전송함).

Mobile Reachable timer가 만료되면 MME는 UE가 현재 LTE 커버리지를 벗어나있다(out of coverage)고 판단하지만 얼마나 오랫동안 커버리지를 벗어나 있었는지는 모른다. 따라서 바로 UE context를 삭제하지 않고 PPF flag를 clear하고 Implicit Detach timer를 구동시킨다. PPF flag를 clear하면 UE는 locally detach된다. 즉, Implicit Detach timer가 구동하는 동안에는 망에서 UE context가 삭제되지는 않지만 UE를 paging하지 않는다(어디 있는지 모르는데 어디로 보내요?). UE로 향하는 호/패킷이 생겨서 S-GW가 MME로 Downlink Data Notification 메시지를 보내도 MME는 이를 거절한다.

UE가 NAS 메시지를 전송하여 ECM 연결이 생성되면 Implicit Detach timer는 중지된다. Implicit Detach timer가 만료되어도 UE 위치가 파악이 안되면, MME는 UE가 오랫동안 LTE 커버리지를 벗어나있다고 판단하고 UE를 망에서 detach시킨다. 이제 망에서 UE context는 삭제되고 UE를 paging 하지도 않는다.

그림 2은 사용자 단말이 City 1에서 서빙 셀에 캠핑하고 있다가 LTE 커버리지를 벗어나면서 detach되는 절차를 나타낸다.


그림 3. Move to Another City in “Idle” State

1) [MME] TAU Timer(T3412) 만료
UE의 TAU timer가 만료된다. MME는 UE로부터 TAU Request 메시지를 받지 못했고 UE가 “reachable”한지 확인해야 한다.

2) [MME] Mobile Reachability Timer 만료
UE의 Mobile Reachable timer 역시 만료된다. MME는 UE가 지금 “out of coverage” 상태에 있다고 판단한다. MME는 PPF flag를 clear하고 Implicit Detach timer를 구동한다. UE에게 할당한 자원(EPS 베어러, security context 등)은 유지되나 UE를 paging하지 않는다.

3) [MME] Mobile Implicit Timer 만료
UE의 Implicit Detach timer가 만료된다. MME는 UE가 오랫동안 “out of coverage” 상태에 있다고 판단하고 망에서 implicit detach시키기로 한다.

4) [eNB, MME, S-GW, P-GW, PCRF] UE를 Detach 시킴
MME는 Implicit Detach 절차를 수행한다. 이 절차는 이전 기술문서[2]에서 설명된 “MME-initiated Implicit Detach 절차”와 같은 절차로 수행된다. UE에게 할당했던 자원들과 UE 정보가 삭제된다.


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III. EMM Case 11. 다른 도시에서 초기접속 (Initial Attach in Another City)
City 2로 이동한 UE가 LTE 커버리지에 다시 들어서면서 셀을 선택하고 초기 접속을 수행하여 Detach 상태(EMM-Deregistered, ECM-Idle, RRC-Idle)에서 연결 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)로 천이하는 과정을 설명한다. UE가 City 1에서 MME-initiated Explicit Detach 절차를 통해 detach되어서 UE와 망(MME1)에 유효한 Old GUTI와 NAS Security context가 저장되어 있는 경우를 대상으로 한다.

그림 4는 UE가 City 2에서 초기 접속할 때 초기 접속 형태와 처리되는 기능을 나타낸다. City 2에서의 초기 접속 형태는 이전 기술문서[6]에서 “Attach Case 5: Attach to New MME with Old GUTI”에 해당한다. UE가 망에서 정상적으로 detach되어서 UE와 망(이전 MME)에 유효한 Old GUTI와 NAS Security context가 저장되어 있고 새로운 MME로 초기 접속을 하는 경우이다. UE는 UE ID로 IMSI 대신 Old GUTI를 이용하여 Attach Request 메시지를 전송하고 이 메시지는 NAS 무결성 키(KNASint)로 무결성 보호되어 전달된다. 새로운 MME(New MME)는 Attach Request 메시지를 이전 MME(Old MME)로 전달하여 이전 MME에서 무결성 검증을 수행한다.
본 문서에서는 이전 MME에서 무결성 검증이 성공한 경우를 대상으로 한다. 새로운 MME는 이전 MME로부터 IMSI를 비롯한 UE context를 획득하고 위치 갱신과 EPS 세션을 설정하게 된다. 이전 MME에서 무결성 검증이 실패하면 이전 MME는 새로운 MME로 에러 메시지를 전달하고 새로운 MME는 UE로부터 IMSI를 획득하여 인증 절차, NAS Security Setup 절차, 위치 갱신 절차를 수행하고 EPS Session을 설정한다.


그림 4. Attach Case 5: Attach to New MME with Old GUTI [6]

그림 5는 City 2에서 UE가 새로운 MME(MME2)로 Old GUTI를 이용하여 초기 접속하는 절차를 나타낸다.


그림 5. 다른 도시에서 초기 접속 절차

1) [UE, eNB] RRC 연결 설정
City 2에 들어서서 LTE 신호를 검출하고 셀을 선택한 UE는 eNB로 RRC 연결을 요청하고 RRC 연결을 설정한다.

2) [UE, New MME] Old GUTI로 New MME에 초기 접속 요청
UE는 City 1에서 MME1이 할당했던 Old GUTI를 UE ID로 하고 Attach Request(Old GUTI, Last Visited TAI, KSIASME, NAS-MAC) 메시지를 망(MME2)으로 전송한다. Attach Request 메시지는 KNASint 키로 무결성 보호되어 전송되며, 무선 인터페이스(LTE-Uu 인터페이스)에서는 RRC Connection Setup Complete 메시지를 통해서 S1 인터페이스에서는 Initial UE Message(ECGI, TAI) 메시지를 통해서 전달된다.

3) [New MME] Old MME를 파악
MME2는 Initial UE Message 메시지를 보고 UE의 위치를 확인하고, Attach Request 메시지에 있는 Old GUTI를 보고 MME1이 할당하였음을 파악한다 .
이제 MME2는 S10 인터페이스를 통해 MME1과 통신하여 해당 GUTI가 유효한 GUTI인지 확인하고 MME1에 저장되어 있는 UE context를 획득한다.

4) ~ 6) [Old MME, New MME] Old MME로부터 UE Context를 얻음
4) New MME(MME2)는 Old GUTI 값과 수신한 Attach Request 메시지 자체를 Identification Request(Old GUTI, Complete {Attach Request} message from UE) 메시지를 통해 Old MME(MME1)로 전송한다.

5) Old MME(MME1)는 이를 수신하여 자신이 할당한 GUTI임을 확인하고 저장하고 있는 UE security context를 이용하여 UE가 전송한 Attach Request 메시지를 무결성 검증한다. 무결성 검증이 성공한다.

6) 무결성 검증이 성공함에 따라 Old MME(MME1)는 UE context 를 Identification Response(IMSI, UE-AMBR, UE Security Context(KASME, KSIASME, Unused AVs, NAS Keys, etc)) 메시지를 통해서 New MME(MME2)로 전송한다. Old MME(MME1)는 UE context를 삭제하고 New MME(MME2)는 UE context를 획득한다.

7) ~ 10) [Old MME, New MME, HSS] New MME에서 위치정보 갱신, Old MME에서 위치정보 삭제
7) UE context를 성공적으로 얻은 MME2는 UE를 망(MME2)에 등록시키기 위하여 HSS로 Update Location Request(IMSI, MME ID=MME2) 메시지를 전송하여 IMSI 값을 갖는 UE가 MME2에 등록했음을 알린다. HSS는 MME1으로 되어 있는 UE의 위치를 MME 2로 갱신한다.

8) HSS는 MME1에 Cancel Location Request(IMSI) 메시지를 전송하여 IMSI 값을 갖는 UE의 정보를 삭제하도록 하고 MME1은 UE context를 삭제한다.

9) MME1은 HSS에게 Cancel Location Response(IMSI) 메시지를 전송하여 UE context를 삭제했음을 알린다.

10) HSS는 MME2가 EPS 세션을 설정할 수 있도록 MME2로 Update Location Answer(IMSI, APN, Subscribed Profile (QCI, ARP, APN-AMBR (UL/DL), UE-AMBR (UL/DL)) 메시지를 전송하여 가입 QoS 정보를 비롯한 UE의 가입 프로파일 정보를 전달한다.

11) [New MME] EPS 세션 설정
MME2는 MME1으로부터 받은 UE context와 HSS로부터 받은 UE의 가입 프로파일을 이용하여 EPS 세션을 설정한다. EPS 세션 설정 절차는 이전 기술문서[3]에서 설명된 “EPS Session Establishment 절차”와 같은 절차로 수행된다.

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IV. EPS Entity Information:
EMM Case 10. 다른 도시로 이동 (Move to Another City) 절차 전?후로 EPS 엔터티에 있는 정보는 다음과 같다.

? Before
- UE가 연결 상태에 있는 경우: Initial Attach 절차[3]를 마친 후 EPS 엔터티에 있는 정보와 같다.
- UE가 휴지 상태에 있는 경우: S1 Release 절차[9]를 마친 후 EPS 엔터티에 있는 정보와 같다.
? After
- UE는 망에서 detach되며, Detach 절차[4]를 마친 후 EPS 엔터티에 있는 정보와 같다.

EMM Case 11. 다른 도시에서 초기 접속 (Initial Attach in Another City) 절차 전?후로 EPS 엔터티에 있는 정보는 다음과 같다.

? Before: UE는 detach되어 있으며, Detach 절차[2]를 마친 후 EPS 엔터티에 있는 정보와 같다.
? After: UE는 망에 attach하며, Initial Attach 절차[3]를 마친 후 EPS 엔터티에 있는 정보와 같다.


V. 마치는 글
LTE 커버리지를 벗어난 경우와 Old GUTI 값으로 새로운 MME에서 초기 접속하는 절차를 다루었다. IMSI외에 Old GUTI로 초기 접속하는 절차를 설명하기 위한 시나리오로, 도시 간 이동시 실제 절차는 사업자의 망 구성과 망 노드 구현방법에 따라 다르게 나타날 수 있다. 우리나라 LTE 망은 전국망으로 본 문서에서와는 달리 전국 어디서나 서비스가 제공된다. LTE 전파 수신 상태가 나쁜 곳이면 어디서나 LTE 커버리지 홀(coverage hole)이 생길 수 있고, LTE 이웃 셀 및 2G/3G(예, CDMA2000, HSPA) 이웃 셀이 존재하므로 본 문서처럼 detach되는 대신에 이웃 셀로 핸드오버 또는 셀 재선택이 수행된다.


본 문서를 끝으로 EMM 시나리오[1]에 따른 EMM Case별 EMM 절차를 모두 마칩니다. 다음 기술문서부터는 다른 주제로 만나도록 하겠습니다.


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: 2. Detach”, November 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5324
[3] 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
[4] 3GPP TS 36.413, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)”.
[5] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 5. Periodic TAU”, May 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5496
[6] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 1. Initial Attach for Unknown UE (1편) ? 초기 접속 절차 종류”, September 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5316
[7] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Identification II: NE, Location 및 PDN 식별자”, February 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5161
[8] 3GPP TS 23.401, “General Packet Radio Service (GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Access”.
[9] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 3. S1 Release”, April 2012, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5464
[10] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.