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LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (2편) - X2 핸드오버
LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (Part 2) - X2 Handover
By Netmanias (tech@netmanias.com)
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목차

1. 시작하는 글

2. Concept of X2 Handover

3. Procedure of X2 Handover

4. EPS Entity Information: Before/After X2 Handover

5. 마치는 글

 

 

2. 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.

# Old eNB UE X2AP ID는 source eNB에 의해 New eNB UE X2AP ID는 target eNB에 의해 할당된다.

## 사용자에 여러 베어러가 있는 경우 베어러 단위로 생성되나, 본 문서에서는 사용자에 하나의 베어러만 있는 경우에 대해 기술한다.

 

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] 

 

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

# SON 기능은 본 문서 범위 밖으로, 본 문서에서는 핸드오버 기본 절차에만 집중하고 핸드오버 파라미터를 최적화하기 위한 Mobility Parameter Management 및 Mobility Robustness Optimization 기능은 다루지 않는다.

 

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

# 3장에서는 성공적인 X2 핸드오버 절차만을 설명하므로 Handover Cancel 메시지가 나타나지 않는다.

 

표 2. X2 Messages for Mobility Management Function [2]

 

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.

# Source eNB는 단말이 보고한 target 셀 외에 다른 셀들을 target 셀로 선택할 수 있다. 이는 본 문서범위 밖으로 본 문서에서는 target eNB가 하나인 경우만을 고려한다.

 

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(),
  • Target eNB는
    • 상향 S1 베어러 정보(S1 S-GW TEID)를 얻어 상향 패킷을 송신할 상향 S1 베어러를 설정하고(),
    • 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().
  • Source eNB는 이를 수신하여 DL 패킷을 전달할 X2 transport 베어러를 설정한다().


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(),
    • Target eNB로 SN Status Transfer 메시지를 전송하여 UE와 어느 상·하향 패킷부터 송·수신해야 하는지 알리고(),
    • S-GW로부터 수신되는 DL 패킷을 target eNB와 설정된 X2 transport 베어러를 통해 target eNB로 전송한다().
  • UE는 source eNB와 접속을 끊고 target eNB로 접속한다().
  • Target eNB는 UE가 성공적으로 접속하면 즉시 패킷 송수신이 가능해진다().


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().
  • MME는 이를 수신하여 비로소 UE의 serving 셀이 바뀌었음을 알고, S-GW로 S1 베어러 경로를 변경할 것을 요구하고(),
  • 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().
  • MME는 target eNB로 하향 S1 베어러의 경로가 수정되었음을 알리고(),
  • Target eNB는 source eNB로 UE Context Release 메시지를 전송하여, source eNB가 UE Context를 해제하도록 한다().

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

 

 

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변동우 2012-07-13 14:47:38
친절한 설명 감사드립니다. 그림8,9의 P-GW 정보에서 "UP IP address" 만 고쳐주시면 더 좋을 것 같습니다. 지금도 너무나 훌륭하지만요. ^^
넷매니아즈 2012-07-13 15:43:40
전에도 똑같은 실수를 하더니만... 쩝

수정해서 다시 올려 놓았습니다.

변동우님, 감사드려요~ ^^*
하태호 2012-08-01 15:08:46
항상 도움을 많이 받고있습니다~ 감사합니다 ^^

질문이 하나 있는데요..
EPC에서 Path Switch Request를 받은 후에 Src 쪽으로 EM을 내리는데요,
EM을 내리고 Target은 Direct Tunnel을 통해서 EM을 받기 전까지,
Src 로부터 Forwarding된 DL 패킷과 S1으로 부터 내려오는 Fresh 패킷을 둘다 받게 됩니다.

패킷 re-ordering을 위해서 Forwarding 된 패킷은 UE로 바로 내려주고,
S1을 통해서 받은 Fresh 패킷은 Direct Tunnel을 통해 EM을 받기 전까지 버퍼링 해야하는데요,

이때! Target에서 Forwarding 된 패킷과 Fresh 패킷을 어떻게 구분하는지 궁금하네요..^^
각각의 경로 별로 따로 패킷 버퍼를 관리하는지,
아니면 각각 패킷에 flag 형태로 마킹을 해두는지 궁금하네요.. ^^;
넷매니아즈 2012-08-01 18:21:11
그건 구현이슈라 개발자에 따라 다를거에요.
실제 개발하셨던 분이 있으면 comment 부탁드려요.
문인혁 2012-08-02 15:28:54
이때! Target에서 Forwarding 된 패킷과 Fresh 패킷을 어떻게 구분하는지?

베어러가 다르니까 구분이 되지 않을까요?
Target eNB 입장에서 Source eNB와 설정된 X2 베어러, S-GW와 설정된 S1 베어러는 {IP주소와 TEID}가 서로 다를테니 패킷이 구분 될 것이고, 따라서 X2 베어러로 수신되는 패킷 먼저 보내다가 EM을 수신하면, S1 베어러로 수신 및 버퍼링하고 있던 패킷들을 UE로 내보내면 될 것 같은데요.
김성훈 2013-08-13 21:33:57
ㄴ Packet에 대한 Sequence Number를 제공하므로, 그걸로 조합이 가능할 것 같네요.
여영수 2016-11-21 14:05:10

항상 좋은 자료 감사합니다. ^^

 

공부를 하면서 질문이 하나 생겨서 이렇게 문의글을 남기게 되었습니다.

 

Standard 에서는 MME가 바뀌었을 경우에 MME -> S-GW로 18) Modify Bearer Request 를 보내주는 것으로 명시되어 있습니다.

 

위 그림에서는 MME가 변경되지 않았는데 18) Modify Bearer Request 과정이 명시되어 있어서요.

 

혹시 그림이 잘못된 것인지 아니면 제가 잘못이해하고 있는건지, 그렇다면 그 부분을 참조할 수 있는 사이트나 자료를 좀 알려주시면

 

감사하겠습니다. ^^

김대은 2022-12-08 18:31:13

안녕하세요.

본문에서

"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" 라고되어있는데요

UE 초기 접속 과정에서 EPS 세션이 생성될 때 UE가 접속한 셀이 변경되는 Case가 어떤 경우 일까요?

현재 핸드오버가 진행되고 있는데, UE가 접속한 셀의변경되는 경우가 있을까요?

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