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LTE와 Wi-Fi 네트워크 연동 구조 (5편: 핸드오버 전/후로 P-GW는 바뀌면 안된다)
Network Architecture for LTE and Wi-Fi Interworking (Part 5: Location Management)
May 30, 2012 | By 유창모 (cmyoo@netmanias.com)
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"LTE와 Wi-Fi 네트워크 연동 구조" 연재 마지막 편으로 Location Management에 대한 설명입니다. 

 

본론에 들어가기에 앞서 핸드오버에 대해 간단히 살펴 보겠습니다.

  • LTE 망 안에서의 eNB(기지국)간 핸드오버 결정은 UE(단말)가 아닌 LTE 망(eNB)이 수행합니다. 이를 위해 UE가 현재 붙어 있는 eNB(Serving eNB)는 "자신(Serving eNB) 및 인접한 eNB로 부터 수신되는 셀의 신호세기"를 UE로 부터 지속적으로 리포팅 받아 핸드오버를 결정하게 됩니다. (LTE 핸드오버에 대해 자세히 알고 싶으면 여기, 여기 클릭)
  • 반면, LTE와 Wi-Fi 간에 핸드오버와 같이 LTE(3GPP 망)와 이기종 Access 망(Non 3GPP 망)간의 핸드오버의 경우, 핸드오버 결정을 UE가 하게 됩니다. 그 이유는 LTE 망과 이기종 Access 망간에 연동(인터페이스)이 없기 때문에 UE가 새로 붙을 망의 신호세기를 알 길이 없기 때문입니다. (eNB는 UE의 Wi-Fi 수신 신호세기(RSSI)를 알 수 없음)
  • LTE 망 내에서의 핸드오버를 Optimized Handover라 부르고 핸드오버 과정에서 Packet Loss/Reordering이 발생하지 않는 반면, 이기종 망간의 핸드오버는 Non-Optimized Handover라 부르고 핸드오버 과정에서 (어느 정도의) Packet Loss가 발생할 수 밖에 없습니다.

 

UE가 통신의 끊김 없이 LTE 망과 Wi-Fi 망간에 핸드오버가 이루어 지기 위해서는 핸드오버 전/후에 IP Anchor 역할을 하는 P-GW가 바뀌면 안됩니다. 따라서

  • LTE 망에서 Wi-Fi 망으로 핸드오버시에 ePDG는 LTE 망에서 할당되었던 P-GW가 누군지 알아야 해당 P-GW와 GRE 터널을 생성하고 (아래 그림 좌측에서 P-GW1 ~ P-GW3 중에 누구? 답은 P-GW2),
  • Wi-Fi 망에서 LTE 망으로 핸드오버시에 S-GW는 Wi-Fi(ePDG) 망에서 할당되었던 P-GW가 누군지 알아야 해당 P-GW와 GTP 터널을 생성하게 됩니다. (아래 그림 우측에서 P-GW1 ~ P-GW3 중에 누구? 답은 P-GW1)

 

 

1. P-GW ID 알려주기: LTE 망에서 Wi-Fi 망으로 핸드오버 절차
 

 

■ UE가 LTE 망에 초기 접속

[1] UE가 LTE 망에 접속하기 위해 MME로 Attach Request를 보냅니다. 이 메시지에는 UE의 ID인 IMSI=A와 Request Type이 포함되는데 여기서는 Request Type이 Initial Request입니다. (뒤에 Wi-Fi에서 LTE로 핸드오버시에는 Request Type이 다른 값으로 들어감)

[2] LTE망 초기 접속 절차 중에 하나인 Location Update에서 MME는 UE(IMSI=A)가 나(MME1)에게 붙어 있음을 HSS로 전달하고,

[3] HSS는 그 정보를 저장합니다(IMSI=A는 MME1이 관리함을 저장).

[4] HSS는 [2]번 메시지의 응답으로 사용자의 Subscribed Profile(QoS 정보)을 전달하면서 어떤 P-GW에 붙어라라는 P-GW ID 정보(P-GW ID는 IP 주소 혹은 FQDN 모두 가능)를 함께 MME로 전달합니다. 이 경우 Wi-Fi 망에서의 핸드오버가 아니므로(Attach Request 메시지의 Request Type이 뒤에 나올 Handover가 아니므로) MME는 반드시 HSS가 알려준 P-GW로 붙을 필요는 없습니다. HSS가 알려준 값을 사용하던 MME 나름의 알고리즘(P-GW의 부하를 고려)으로 P-GW를 선택하던 이건 구현 이슈입니다. 

[5] 이제 MME는 S-GW로 Create Session Request를 보내어 EPS Bearer(eNB와 S-GW간 GTP 터널, S-GW와 P-GW간 GTP 터널) 생성 절차를 시작하는데 이 메시지에는 P-GW ID=2.1.1.1 정보가 포함되고,

[6] 이 메시지를 수신한 S-GW는 MME가 결정한 P-GW인 2.1.1.1로 Create Session Request를 보내어 EPS Bearer를 생성하도록 합니다.

[7] LTE망 초기 접속 절차가 마무리 되면 UE는 LTE 망으로 부터 IP 주소 100.1.1.1을 할당받습니다. (P-GW가 IP 주소를 할당하며 자세한 내용은 여기를 클릭)

[8] UE의 LTE 망 접속이 끝나면 MME는 optional하게 HSS로 Notify Request 메시지를 보내어 해당 UE(IMSI=A)가 접속된 P-GW ID(2.1.1.1)를 알려줍니다. 이는 [4]번 과정에서 MME가 HSS로 부터 받은 P-GW가 아닌 다른 P-GW를 선택시에는 꼭 해야  하는 과정입니다(mandatory).

[9] 이를 수신한 HSS는 이제 IMSI=A인 UE가 MME ID=MME1을 통해 이동성 관리를 받고, P-GW=2.1.1.1을 통해 인터넷(PDN) 과 연결 되었음을 알게 됩니다. (그 정보를 저장합니다)

 

■ UE가 Wi-Fi 망으로 핸드오버

[10] 이제 UE가 Wi-Fi Hotspot 지역으로 이동을 하여, UE에 올라가 있는 Handover Manager가 LTE와 Wi-Fi 망의 신호세기를 기반으로 핸드오버 결정을 합니다. 

[11] UE는 Wi-Fi 접속 절차 완료 후, ePDG와 IPSec 터널을 생성하기 위해 IKEv2 절차를 시작합니다. 이를 위해 IKE_AUTH Request 메시지를 ePDG로 보내는데 그 정보에는 UE ID인 IMSI=A와 이전에 LTE 망에서 할당 받은 IP 주소=100.1.1.1이 포함되어 있습니다. ePDG 입장에서 UE가 "requested IP address"에 IP 주소를 넣었는냐 아니냐가 매우 중요합니다. ePDG는 이 필드에 값이 있는지 없는지에 따라 핸드오버인지 아닌지(초기 접속)를 판단하기 때문입니다. 이 경우 값이 들어 있으므로 ePDG는 UE가 LTE 망에 붙었다가 핸드오버하여 ePDG로 붙은 건지 알게 됩니다.

[12] ePDG 접속을 위한 UE 인증 절차 마무리 단계에서 3GPP AAA는 HSS로 UE Registration Request를 보내어 IMSI=A인 UE는 이제 나(3GPP AAA IP=10.1.1.1)에 의해 인증 받았고 앞으로 내가 관리하겠다는 사실을 알리고

[13] HSS는 그 정보를 저장합니다.

[14] HSS는 [12]번 메시지의 응답으로 UE Registration Ack를 3GPP AAA로 보내는데 그 메시지에 UE가 LTE 망에서 접속되어 있던 P-GW ID=2.1.1.1이 포함되어 있습니다.

[15] 그리고 3GPP AAA는 그 정보를 ePDG로 전달합니다.

[16] 이제 ePDG는 이 UE가 LTE 망에 있을때 어느 P-GW와 접속하였는지 알았으므로 해당 P-GW(2.1.1.1)로 Proxy Binding Update 메시지를 보내어 PMIPv6 터널(=GRE 터널)을 생성하려 합니다.

[17] 그리고 Proxy Binding Update 메지시를 수신한 P-GW는 해당 UE(IMSI=A)가 나에게 접속되어 있다는 사실을 3GPP AAA로 알리면

[18] 3GPP AAA는 그 사실을 HSS로 전달하여 

[19] HSS가 IMSI=A인 UE가 3GPP AAA=10.1.1.1을 통해 관리를 받고, P-GW=2.1.1.1을 통해 인터넷(PDN)과 연결 되었음을 알게 됩니다. (그 정보를 저장합니다)

 
 
 
2. P-GW ID 알려주기: Wi-Fi 망에서 LTE 망으로 핸드오버 절차
 
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넷매니아즈 2012-05-30 09:50:33
오늘 새벽 올라간 그림(맨 아래 그림)에는 18번 과정이 "MME가 HSS로 Notify Request를 보냄"으로 표시 되어있었으나 이를 수정하였습니다. 그 근거는 TS 23.401 chapter 5.3.2.1 E-UTRAN Inital Attach (page 70) 입니다.

After the MME receives Modify Bearer Response (EPS Bearer Identity) message, if Request Type does not indicate handover and an EPS bearer was established and the subscription data indicates that the user is allowed to perform handover to non-3GPP accesses, and if the MME selected a PDN GW that is different from the PDN GW identity which was indicated by the HSS in the PDN subscription context, the MME shall send a Notify Request including the APN and PDN GW identity to the HSS for mobility with non-3GPP accesses.

즉, UE가 MME로 보내는 Attach Request 메시지의 Request Type이 Handover인 경우 MME는 HSS로 Notify Request를 보낼 필요가 없습니다.

아~ 3GPP 표준은 정말 바다처럼 넓고 깊습니다. 기본 동작 따라가는데도 어렵고 행간의 의미 파악은 더 힘들구요. -.-;;
변동우 2012-06-01 13:00:37
머리에 쏙쏙 들어오는 훌륭한 설명 감사드립니다. "P-GW ID 알려주기: LTE 망에서 Wi-Fi 망으로 핸드오버 절차" 그림에서 MMM->MME 로 바꿔주시면 더 완벽할 것 같습니다. 그리고 UE가 LTE로 handover 해올 때 Request Type 'handover' 정보가 들어가는 곳은 Attach Request 메시지라기 보다는 Attach Request 메시지 내에 포함된 PDN Connectivity Request 메시지라고 보시면 좋을 것 같습니다. 만일 UE가 Non-3GPP에서 multiple PDN Connection을 점유한 경우에는 Attach 절차를 통해 첫 번째 PDN Connection을 handover 시키고, 나머지 PDN Connection들은 PDN Connectivity 절차를 통해 handover 하게 됩니다. 이 때도 PDN Connectivity Request 메시지의 Request Type이 'handover'로 올라옵니다.
넷매니아즈 2012-06-01 13:56:09
변동우님, 에전에도 좋은 말씀 주시더니 오늘도 역쉬~ !!!

너무 감사드리구요. 앞으로도 계속 변동우님의 내공을 다른 분들께 전파 부탁드려요.

MME는 수정하였구요 (제가 실수를 잘 하지 않는 아주 아주 치밀한 성격의 소유자인데 이런 실수를... 헤헤 ^^*)
말씀주신 PDN Connectivity Request 관련 설명은 블로그 글 내에 코멘트를 달아 놓겠습니다.

언제 변동우님 계신 곳(직장)에 외근 가게되면 인사드리러 연락 한번 드려도 되죠? ^^*
정민환 2012-06-04 09:51:58
항상 좋은 자료 잘 보고 있는 1인입니다. 그리고 항상 감사하게 생각하고 있습니다. ^^
넷매니아즈 2012-06-04 09:52:43
네, 고맙습니다. 정민환님.
넷매니아즈 2012-06-12 15:17:48
LTE와 Wi-Fi 망간에 연동 즉, 핸드오버를 지원한다는 것은 (아직 이를 지원하는 통신 사업자는 없지만),

Wi-Fi 망 내에서도 Inter-AP간 핸드오버를 지원하겠다는 것이지만, 현실적으로 쉽지 않습니다.

현재 국내 통신사업자는 국내 중소기업의 저가형 AP를 이용하여 Wi-Fi Hotspot을 구축했지만,

Inter-AP 핸드오버를 위해서는 AP 상단에 AP Controller(Cisco에서는 WLAN Controller라고도 부름)가 있어야 하고(예. AP Controller 1대가 500대의 AP 관리),

이와 같은 AP/AP Controller 솔루션은 대부분 고가의 외산 장비들이고 주로 Enterprise나 Campus에 도입되어 있습니다.
김경훈 2012-07-12 15:17:32
LTE에서 Detach 과정에서 MME -> HSS로 Notify REQ 보내는 절차가 삭제된 것(R9 중간버전부터) 같고, 이는 WiFi망에 다시 붙어도 requested IP address가 없어서 ePDG는 초기접속인지 알아서 HSS -> AAA로 전달된 PGW로 접속하지 않아도 문제가 되지 않는 것 처럼...
WiFi에서 Detach에서도 AAA -> HSS로 UE De-Registration REQ가 없어도 될 듯 한데... 궁금하네요...
넷매니아즈 2012-07-12 20:18:23
아래 설명이 무조건 맞다!가 아니므로 다른 분들의 좋은 의견 부탁드릴께요.

■ 첫번째 질문
말씀하신 내용이 맞는 것 같네요. ^^*
3GPP TS 23.401에 보면 아래와 같이 기술되어 있네요. (제가 Attach 부분만 신경쓰고 Detach를 잘 안 읽어 봐서요... 쩝)

5.3.8.2.1 UE-initiated Detach procedure for E-UTRAN

13. After the MME receives the Delete Session Response from Serving GW, if the subscription data indicates that
the user is allowed to perform handover to non-3GPP access, the MME should send a Notify Request to indicate
that the HSS shall remove the APN and PDN GW identity pairs for this UE.

14. The HSS removes all APN and PDN GW identity pairs that were dynamically stored and sends a Notify
Response to the MME.

수정해서 올리겠습니다. (감사합니다.)

■ 두번째 질문
3GPP TS 23.402에 보면 다음과 같이 기술되어 있어 위 그림과 같이 표현하였습니다.

12.1.2 AAA-initiated UE De-registration Notification

The 3GPP AAA Server requests the HSS to De-Register the currently registered UE. In doing so, the 3GPP AAA
Server is notifying the HSS that the UE no longer has any context in the 3GPP AAA Server. The HSS should in turn delete the registered 3GPP AAA Server address.
변동우 2012-07-16 19:13:09
2010년 9월 규격부터 Detach시 NOR(Notify Request)을 보내는 절차가 삭제되었습니다. 이는 LTE와 non-3GPP에 모두 연결되어 있는 단말이 한쪽 네트웍에서 Detach할 때 HSS에 저장된 다른 네트웍의 PDN 정보까지 모두 지워지는 현상을 막기 위한것으로서, Release 10의 MAPCON(Multiple Access PDN Connectivity)을 염두에 두고 미리 수정이 들어갔다고 봅니다. 그러므로 기존 Release 9 기준으로 봤을 때는 Detach 과정에 NOR을 전송한다고 설명되어도 무난하다고 생각합니다.
넷매니아즈 2012-07-17 10:25:50
변동우님, 감사해요.

저 보다 LTE 내공이 몇갑절 되심이 느껴지는 코멘트이네요. ^^*
제가 요즘 다른 업무로 정신이 하나도 없는데요. 시간이 되는데로 김경훈님, 변동우님 의견을 반영하여 자료 업데이트 하겠습니다.

다시 한번 김경훈님, 변동우님 감사드립니다.
구철수 2014-09-05 14:39:46

안녕하세요 넷매니아즈 님

위의 내용을 보다가 궁금한점이 하나 있어 용기내어 문의드립니다.

[10] 이제 UE가 Wi-Fi Hotspot 지역으로 이동을 하여, UE에 올라가 있는 Handover Manager가 LTE와 Wi-Fi 망의 신호세기를 기반으로 핸드오버 결정을 합니다

라고 설명하고 계신데요. UE에 올라가 있는 HO Manager 라는 놈은 어느 부분에서 control하는 건지요? 3GPP 모듈인가요? 아님 WIFI쪽인건가요? 혹시 관련 spec이 어느부분인지...^^;;

 

이제 처음 공부하다보니, 따라가는게 쉽지 않네요..ㅜ./ㅜ

 

버너 2014-09-05 17:55:24

규격적으로는 24.007의 CM(Connection Manager)가 한다고 보시면 됩니다만  CM이 워낙 포괄적이라  

실 구현 방안을 예를 든다면  

1) ePDG가 사용되지 않는 경우, 해당 기능은 안드로이드를 기준으로 자바프레임워크내에서 기본적으로

제공합니다. 또한, 별도의 APP으로 만들수도 있고, 통신사업자가 단말에 번들해서 제공을 하기도 합니다  

 

2) ePDG가 사용되는 경우, ePDG와의 연결을 하려면 연결 제어를 위해 별도의 App이 단말에 탑재되어야 하고  

이 App 또는 ePDG용 App을 제어하는 그 상위의 통신사 번들 App에서 연결 제어를 합니다. 

 

도움이 되실런지 모르겠네요. 

곽권섭 2014-09-08 18:16:09

    관심은 가지고 있었지만, 관련된 경험이 전혀 없어서, 독학으로 공부하는 것이 쉽지가 않았었는데, 정리 해주신

    리포트를 통하여, 공부하고 난뒤에, 상세하게 정의된 관련된 규격을 읽어보니, 많은 도움이 됩니다.

    감사 드립니다!.

    몇가지 질의사항이 있어서, 질문드립니다. 이기종망(LTE <-> WLAN)간의 Handover의 결정은 UE가 하는 이유에

    대해서, 아래와 같이 설명해 주셨습니다.

  • 반면, LTE와 Wi-Fi 간에 핸드오버와 같이 LTE(3GPP 망)와 이기종 Access 망(Non 3GPP 망)간의 핸드오버의 경우, 핸드오버 결정을 UE가 하게 됩니다. 그 이유는 LTE 망과 이기종 Access 망간에 연동(인터페이스)이 없기 때문에 UE가 새로 붙을 망의 신호세기를 알 길이 없기 때문입니다. (eNB는 UE의 Wi-Fi 수신 신호세기(RSSI)를 알 수 없음)

    -> 질의사항: 제 개인적인 생각으로는 이 기종망(3GPP <-> WLAN) 간의 Access망 끼리의 연동은 불필요

    하다고 생각하고 있고,3GPP기준 서로 다른 System간의 inter-RAT Handover또한 Access network간의 직접적인interface연결은 요구되지 않습니다. 그리고, Inra-WLAN 기반하의 Roaming(Connected mode mobility)은 언급하셨 던 것처럼,   

    Controller가 필요한데, 만약 Controller기능을 AP에서 하고, HeNet기반은 주로 인빌딩 환경이기에 주파수대역

   을 un-licensed 5~6Ghz 비인가 대역을 활용하여, 보다 넓은 Channelw B/W를 확보한 뒤, EPC에서 LTE

   NETWORK의 MME 역할 일부기능을 대체 수행 할수 있는 "ANSDF"기능 등을 활용 및 기존 3GPP규격 기반하의

   기존 유사한 Handover trigger조건 및 Event-type, ue-capability정보 확인 기능 등을 추가 개발하고, 이기종망간의 단일 PLMN 설정으로 요금관련 정책,인증 보안문제 해결 및 보다 차별화된 Internetworking 전략 만 잘 세운다면, 해당 솔루션은 향후, 사업자에서 상업적 가치가 굉장히 높을 것으로 기대하고 있습니다. 그리고, Internetworking 또한, 보다 효율적으로 이 기종망 간의 Handover를 Network

   단에서, 제어 가능 할 수 있을 것 같습니다.

ex) Handover between 3GPP Access and trusted / untrusted non-3GPP IP Access with Access Network Discovery and Selection:

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