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LTE EMM 및 ECM 상태
LTE EMM and ECM State
By Netmanias (tech@netmanias.com)
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사용자는 UE와 MME 간 NAS 시그널링을 이용하여 망과 제어 신호를 주고 받으며 망에 접속하고 어느 장소로 이동을 하든 서비스를 이용할 수 있다. NAS 주요 기능은 EMM(EPS Mobility Management) 기능과 ESM(EPS Session Management) 기능으로, 본 문서는 EMM 절차를 설명하기 위한 선행 단계로 EMM 상태와 상태 천이를 다루고 있다. EMM 연결 관리는 ECM(EPS Connection Management)에 의해 이루어지고 ECM 연결은 RRC(Radio Resource Control) 연결과 S1 시그널링 연결로 이루어지므로, EMM 상태를 다룰 때 ECM 및 RRC 상태도 같이 다룬다.

 

 

 

목차

1. 시작하는 글

2. EMM, ECM and RRC States

3. EMM State Transition

4. EMM Features

5. EMM User Information

6. 마치는 글

 

 

1. 시작하는 글

 

이제까지 LTE 기술을 이해하는데 있어 기본이 되는 LTE 네트워크 구조와 LTE 식별자를 살펴보았고 이어서 가입자가 LTE 망에 접속하여 안전하게 통신하기 위한 LTE Security 동작을 살펴보았다. 이를 기반으로 이제부터는 본격적으로 LTE 절차들에 대해 알아보도록 한다.

 

사용자는 LTE 망에(또는 EPS 시스템에) 접속하면서 가입자 인증을 받아 망에 등록되고 서비스를 이용하기 위한 EPS 세션 및 베어러를 설정하고 이동성을 지원하기 위한 관리를 받게 되는데, 망에서 사용자와 시그널링 연결(signaling connection)을 맺고 제어 메시지를 주고 받으며 이를 처리하는 엔터티는 MME(Mobility Management Entity)이다. 사용자와 망간 이동성(mobility) 및 세션(session) 제어는 UE와 MME의 제어 평면에 위치한 NAS(Non-Access Stratum) 계층에서 NAS 프로토콜에 의해 처리되며 UE와 MME는 NAS 메시지를 통해 서로 통신한다. NAS 프로토콜은 3GPP TS 24.301 문서[1]에 규격이 정의되어 있는데, NAS 기능은 크게 EMM(EPS Mobility Management)과 ESM(EPS Session Management) 기능으로 구별된다. 앞으로 LTE 기술문서는 몇 차례에 걸쳐 EMM 및 ESM 절차를 기술하려고 한다. 이번 글에서는 EMM 절차를 이해하기 위한 선행 작업으로 (i) EMM 상태(EMM state)에 대해 알아보고 (ii) EMM 절차가 진행되면 EPS(Evolved Packet System) 엔터티들(LTE 기술문서 “LTE 네트워크 구조[2]” 참조)에 어떤 사용자 정보가 유지되는지 정리하도록 한다.

 

본 문서의 구성은 다음과 같다.

 

2장에서 EMM 절차의 종류 및 EMM과 관련된 상태(EMM/ECM/RRC 상태)들을 기술하고,

3장에서 이들 상태 간 천이에 대하여 설명한다.

4장에서는 EPS 엔터티들에서의 EMM 특성을 정리하고,

5장에서는 EMM/ECM/RRC 상태 별로 EPS 엔터티들이 어떤 사용자 정보를 갖는지 정리한다.

 

 

 

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김문주 2011-08-24 13:56:12
어디서도 얻을 수 없는 고급자료.... 감사합니다.
넷매니아즈 2011-08-24 15:03:11
따뜻한 격려 감사드립니다. ^^*
김재현 2011-08-24 20:54:53
와..최고입니다!!~~~..정말 어디서도 구할수 없는 자료인데...오아시스를 발견한 느낌이네요~~;;
넷매니아즈 2011-08-25 02:32:55
감사합니다~*
김문주님, 김재현님의 글이 저희에게는 큰 힘이 되네요. ^^*
앞으로 더 노력하겠습니다.
심정훈 2011-08-25 11:02:10
안녕하세요.
올려주신 문서 잘보고 있습니다.
근데 6페이지 내용중 D->C로 이동하는 경우중 TA list없는 TA로 이동시에 의한 TAU도 명시를 해주게 맞지 않을까 싶습니다. 단순히 Timer에 의한 동작뿐만 아니라....
넷매니아즈 2011-08-25 13:51:16
네, 그림 2에서 D -> C 천이 중 "TAU Request" 는 UE가 TA 변경(TA list에 없는 TA로 이동시)이나 TAU timer 경과를 인지하면 발생합니다. 말씀해 주신 page 6 부분을 수정하였습니다.
관심 및 Comment 감사합니다.
넷매니아즈 2011-09-22 18:01:40
Page 11의 표 10과 Page 12의 표 11에 typo가 있어 수정하였습니다.
[수정부분]
- 표10: MME에 E-RAB ID 표시
- 표11: MME에 E-RAB ID 표시
최진욱 2011-10-10 14:25:09
좋은 자료 감사드립니다.^^
양성희 2011-10-12 11:39:11
소중한자료 감사합니다. 정말 유용하게 보고있습니다~
김대영 2011-10-24 17:22:15
좋은 자료 감사합니다. 정리가 잘 되어 있어서..보기가 좋습니다.~
조병진 2012-01-10 10:20:58
좋은 자료 감사드립니다.
혹시, ESM(EPS Session Management)자료는 없을까요?
제가 찾지를 못하는 것인지...!
넷매니아즈 2012-01-10 13:46:33
요즘 빡센 컨설팅 과제로 LTE 기술 문서 작성이 지연 되고 있네요.
얼릉 과제 마무리 하고 다시 연재토록 하겠습니다.
LTE 기술 연재에 ESM 부분도 계획되어 있으니 조금 더 기다려 주세요.
감사합니다~*
이수형 2012-05-25 23:18:38
요즘 열심히 LTE 망에 대해 공부중인데요. 여기 있는 자료 전부다 공부할려구요. 초보라 이해가 잘 안되는부분도 있는데, 위의 4가지 상태에 대해서 제 나름대로 이해하기를..
- 처음에 power on 하면 A나 B로 간다.
- 인터넷 브라우저를 띄우고 접속을 시도하면 C로 간다.
- 한동안 인터넷을 안쓰면 D로 간다.
- 인터넷을 종료하면 C에서 B로 간다..(요걸 모르겠네요. Detach가 실제로 user의 어떤 액션에 의해 발생되는지..)
맞는지요? 그리고 D에서는 detach가 안되나요?
궁금하고 답답해서 죽겠네요. ㅎㅎ
 2012-05-29 21:57:55
이수형 님//
일단 규격을 몸으로 이해하고 있는 통신사다니는 회사원입니다.

제가 이해하는 대로 설명을 해보겠습니다.
단말기 입장에서는 A나 B나 같은 상태입니다. 다만 망에서 인증벡터의 유무로 있으면 B 없으면 A로 보입니다.

인터넷 브라우저를 띄우고 접속을 시도하면 C로 간다는 얘기는 약간 옛날 피쳐폰이나 옴니아시절의 WindowsMobile폰 시대의 얘기입니다. 요즘 스마트폰은 파워온 하고서 위에 4G 표시가 뜨면 이미 C 상태입니다. Android나 iOS 단말기의 경우 켜고 있고 모바일 데이터를 쓰겠다고 하면, C와 D를 왔다갔다합니다.

그러다가 사용자가 단말기를 냅두고 있어서 망에서 무선 리소스를 걷어가면 D 상태로 갑니다. 물론 브라우저를 쓰고있다가 멍 때리고 있어서 망에서 리소스를 걷어가도 D 상태로 갑니다. 브라우저를 켜고 끄는 것은 하부의 네트웍 상태와 분리가 되도록 스마트폰 OS는 구성되어 있습니다.

Detach를 해서 B상태로 가게 되면 망에서의 착신이나 망에의 접속을 하지 않겠다는 상태로 일반적인 스마트폰에서는 에어플레인모드로 들어가는 상태입니다.

그리고, D에서 detach가 안되는 것은 detach하겠다는 메시지를 날리기 위한 트래픽 채널을 할당 받아서 RRC-Connected 상태로 넘어가야하기 때문에 D에서는 detach가 안됩니다.

도움이 되면 좋겠습니다.
이수형 2012-06-03 12:09:51
민님. 완전 도움이 됐어요. 감사해요. 플로상에서 보는거랑 유저입장에서 느끼는 거랑 매칭이 잘안됐는데 이제 이해됐어요. 무진장 감사합니다.
김세훈 2012-07-20 18:33:01
작성해 주신 문서로 마음 도움이 되고 있습니다.

한가지 궁금한 것은 표11 "User information in "D" state"에서 E-RAB ID가 eNB에서만 없어지고 MME에는 계속 살아 있는 것으로 나오는데요..

D상태에서는 S5 bearer(S-GW- P-GW)만 남아 있기 때문에 MME의 E-RAB도 사라져야 하는 건 아닌지요?

저의 짧은 지식으로는 의문이 나네요..^

감사합니다..
넷매니아즈 2012-07-20 19:56:03
D 상태에서는 S5 bearer 정보외에 S1 베어러 중 상향 S1 베어러 정보가 남아 있습니다 (예: S-GW가 할당한 UL S1 TEID).
E-RAB ID는 S1 인터페이스에서 EPS Bearer ID를 대신해서 사용되는 값으로,
user inactivity 동안 S1 connection이 해제되더라도 특정 UE에 대해 unique한 값으로 남아있게 됩니다.

감사합니다. 주말 잘 지내세요~
Paulos Rizos 2013-02-25 17:49:52
Many thanks for the English version. Very clear and helpful document.
김덕신 2017-08-24 10:22:57

대박 자료네요. 고맙습니다!

 2017-10-21 18:44:22

넷매니아즈님 궁금한게 있습니다.

RRC connected mode일때는 paging이 안날아오는 걸로 되어 있는데, 실제로 단말의 메세지를 보면 RRC connected 이지만 단말이 페이징을 받습니다. 이건 왜 그런건가요? 이 문서가 작성된지 한참 지나긴 했는데, 그 사이 바뀐게 있는건가요?
그리고 RRC_connected 일때는 페이징을 받을 이유가 없는데 왜받는걸까요?

pclov2 2017-10-23 20:37:52

SPGW가 외부망에서 패킷을 수신하면 해당 가입자의 Downlink 베어러 생성유무를 확인하여 베어러가 없을경우 MME로 DDN을 던집니다.

해당 SPGW에서 실제로 MME에게 DDN을 전송하는지 확인해보셔야 할 것 같습니다.

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Transcript
LTE EMM 및 ECM 상태
(EMM and ECM States)

목 차
I. 시작하는 글
II. EMM, ECM and RRC States
III. EMM State Transition
IV. EMM Features
V. EMM User Information
VI. 마치는 글

사용자는 UE와 MME 간 NAS 시그널링을 이용하여 망과 제어 신호를 주고 받으며 망에 접속하고 어느 장소로 이동을 하든 서비스를 이용할 수 있다. NAS 주요 기능은 EMM(EPS Mobility Management) 기능과 ESM(EPS Session Management) 기능으로, 본 문서는 EMM 절차를 설명하기 위한 선행 단계로 EMM 상태와 상태 천이를 다루고 있다. EMM 연결 관리는 ECM(EPS Connection Management)에 의해 이루어지고 ECM 연결은 RRC(Radio Resource Control) 연결과 S1 시그널링 연결로 이루어지므로, EMM 상태를 다룰 때 ECM 및 RRC 상태도 같이 다룬다.

2011년 8월 24일

NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)


약어표
AMBR Aggregated Maximum Bit Rate
APN Access Point Name
ARP Allocation and Retention Priority
AS Access Stratum
C-RNTI Cell Radio Network Temporary Identifier
DRB Data Radio Bearer
ECGI E-UTRAN Cell Global Identifier
ECM EPS Connection Management
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPS Evolved Packet System
E-RAB E-UTRAN Radio Access Bearer
ESM EPS Session Management
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GBR Guaranteed Bit Rate
GUTI Globally Unique Temporary Identifier
HSS Home Subscriber Server
IMSI International Mobile Subscriber Identity
LTE Long Term Evolution
MAC Medium Access Control
MBR Maximum Bit Rate
MME Mobility Management Entity
NAS Non Access Stratum
PCC Policy and Charging Control
PCRF Policy and Charging Rule Function
PDCP Packet Data Convergence Protocol
P-GW Packet Data Network Gateway
PLMN Public Land Mobile Network
QCI QoS Class Identifier
RLC Radio Link Control
RRC Radio Resource Control
S1AP S1 Application Protocol
S-GW Serving Gateway
SPR Subscriber Profile Repository
SRB Signaling Radio Bearer
TAI Tracking Area Identity
TAU Tracking Area Update
TFT Traffic Flow Template
UE User Equipment
X2AP X2 Application Protocol

?
I. 시작하는 글
이제까지 LTE 기술을 이해하는데 있어 기본이 되는 LTE 네트워크 구조와 LTE 식별자를 살펴보았고 이어서 가입자가 LTE 망에 접속하여 안전하게 통신하기 위한 LTE Security 동작을 살펴보았다. 이를 기반으로 이제부터는 본격적으로 LTE 절차들에 대해 알아보도록 한다.

사용자는 LTE 망에(또는 EPS 시스템에) 접속하면서 가입자 인증을 받아 망에 등록되고 서비스를 이용하기 위한 EPS 세션 및 베어러를 설정하고 이동성을 지원하기 위한 관리를 받게 되는데, 망에서 사용자와 시그널링 연결(signaling connection)을 맺고 제어 메시지를 주고 받으며 이를 처리하는 엔터티는 MME(Mobility Management Entity)이다. 사용자와 망간 이동성(mobility) 및 세션(session) 제어는 UE와 MME의 제어 평면에 위치한 NAS(Non-Access Stratum) 계층에서 NAS 프로토콜에 의해 처리되며 UE와 MME는 NAS 메시지를 통해 서로 통신한다. NAS 프로토콜은 3GPP TS 24.301 문서[1]에 규격이 정의되어 있는데, NAS 기능은 크게 EMM(EPS Mobility Management)과 ESM(EPS Session Management) 기능으로 구별된다. 앞으로 LTE 기술문서는 몇 차례에 걸쳐 EMM 및 ESM 절차를 기술하려고 한다. 이번 글에서는 EMM 절차를 이해하기 위한 선행 작업으로 (i) EMM 상태(EMM state)에 대해 알아보고 (ii) EMM 절차가 진행되면 EPS(Evolved Packet System) 엔터티들(LTE 기술문서 “LTE 네트워크 구조[2]” 참조)에 어떤 사용자 정보가 유지되는지 정리하도록 한다.

본 문서의 구성은 다음과 같다. II 장에서 EMM 절차의 종류 및 EMM과 관련된 상태(EMM/ECM/RRC 상태)들을 기술하고, III 장에서 이들 상태 간 천이에 대하여 설명한다. IV 장에서는 EPS 엔터티들에서의 EMM 특성을 정리하고, V 장에서는 EMM/ECM/RRC 상태 별로 EPS 엔터티들이 어떤 사용자 정보를 갖는지 정리한다.

II. EMM, ECM 및 RRC 상태 (EMM, ECM and RRC States)
2.1 ECM 절차 종류 (Type of EMM Procedures)
표 1은 NAS 프로토콜에 따른 EMM 절차의 형태 및 EMM 타입 별 절차를 나타낸다. EMM 절차에 대한 자세한 내용은 다음 기술문서들에서 다루기로 하고 여기서는 각 형태별로 어떤 절차들이 있는지에 대해서만 나타내었다.

표 1. Type of EMM procedures
Type EMM Procedures
EMM 공통 절차
(EMM Common Procedure) GUTI Allocation
Authentication
Security Mode Control
UE Identification
EMM Information
EMM 특화 절차
(EMM Specific Procedure) Attach
Detach
Tracking Area Update
EMM 연결 관리 절차
(EMM Connection Management Procedure) Service Request
Paging
Transport of NAS Message
?
EMM 절차 형태는 EMM 공통형, EMM 특화형, EMM 연결관리형으로 분류된다. (i) EMM 공통 절차는 UE와 MME 간에 NAS 시그널링 연결(NAS signaling connection)이 존재하면 망에 의해 항상 실행될 수 있는 절차로 GUTI(Globally Unique Temporary Identifier) 할당, 인증(Authentication), UE 식별, 보안 모드 제어(SMC; Security Mode Control), EMM 정보 절차가 있다. (ii) EMM 특화 절차는 사용자 이동성(사용자 등록 및 위치 파악)과 관련된 절차로 Attach, Detach, TA 갱신(TAU; Tracking Area Update) 절차가 있다. LTE 망이 기존 3GPP 망과 같이 구축되어 있는 경우 EMM 특화 절차에 Combined Attach, Combined Detach, Combined Tracking Area Update 절차가 더 포함되나 본 문서는 LTE 망만을 대상으로 하므로 표 1에 이들 절차는 생략되어 있다(이들 절차는 추후 LTE Interworking 기술문서를 참조). (iii) EMM 연결 관리 절차는 NAS 시그널링 연결 설정과 관련된 절차로 서비스 요청, 페이징(paging), NAS 메시지 전송 절차가 있다.

2.2 EMM/ ECM/ RRC State
EMM은 NAS 계층에 위치하는 부계층으로 EMM 절차가 수행됨에 따라 UE는 7개의 EMM 상태 를 갖고 MME는 4개의 EMM 상태 를 갖는다. 이 중 UE와 MME에서 공통으로 가지는 대표적인 상태는 “EMM-Registered” 상태와 “EMM-Deregistered” 상태로, 지금부터 이 글에서 EMM 상태를 기술할 때는 이 두 가지 상태를 사용하도록 한다(기타 EMM 상태에 대한 자세한 내용은 [1]을 참조).

UE와 MME가 NAS 메시지를 주고 받기 위해서는 UE와 MME 간에 NAS 메시지가 전달될 수 있는 시그널링 연결이 생성되어 있어야 하는데 이를 ECM 연결(EPS Connection Management connection)이라고 한다. ECM 연결은 논리 연결로 실제로는 그림 1과 같이 UE와 eNB 간에 설정되는 RRC 연결과 eNB와 MME 간에 설정되는 S1 시그널링 연결로 구성된다. 즉, ECM 연결이 설정/해제되었다는 것은 RRC 연결과 S1 시그널링 연결이 모두 설정/해제되었다는 것을 의미한다. ECM 연결이 설정된 경우 UE에서 보면 RRC 연결이, MME에서 보면 S1 시그널링 연결이 설정되어있게 된다.

그림 1은 UE와 MME에서의 EMM, ECM 및 RRC 상태를 나타낸다 . EMM은 UE가 망에 attach되었는가 detach되었는가에 따라 “EMM-Registered”와 “EMM-Deregistered” 상태를 갖는다. ECM은 NAS 시그널링 연결 즉, ECM 연결 설정 유무에 따라 “ECM-Connected”와 “ECM-Idle” 상태를 갖고, RRC는 RRC 연결 설정 유무에 따라 “RRC-Connected”와 “RRC-Idle” 상태를 갖는다. 표 2는 UE가 어떤 경우 해당 상태에 속하는지에 대해 간단히 보여준다.

그림 1. EMM, ECM and RRC states

표 2. Description for EMM, ECM and RRC states
Layer State Entity Description
EMM EMM-Deregistered UE, MME UE가 망에 attach되어 있지 않을 때로, MME는 UE의 현재 위치를 모르고 지난번 접속시 마지막으로 보고한 TA 정보를 가질 수 있다.
EMM-Registered UE, MME UE가 망에 attach되어 IP 주소를 갖고 있고 EPS 베어러가 설정되어 있을 때로, MME는 현재 UE가 어느 셀에 있는지 알고 있거나 적어도 어느 Tracking Area에 있는지 알고 있다.
ECM ECM-Idle UE, MME ECM 연결이 설정되어 있지 않을 때로 UE에게 물리적 자원 즉, 무선 자원(SRB/DRB) 및 망 자원(S1 베어러/S1 시그널링 연결 자원)이 할당되어 있지 않다.
ECM-Connected UE, MME NAS 시그널링 연결(ECM 연결)이 설정되어 있을 때로 UE에게 물리적 자원 즉, 무선 자원(SRB/DRB) 및 망 자원(S1 베어러/S1 시그널링 연결 자원)이 할당되어 있다.
RRC RRC-Idle UE, eNB RRC 연결이 설정되어 있지 않다.
RRC-Connected UE, eNB RRC 연결이 설정되어 있다.

III. EMM 상태 천이 (EMM State Transition)
EMM, ECM 및 RRC 상태는 EMM 절차에 따라 변화하며 이러한 변화 과정을 상태 천이(state transition)라 한다. RRC 연결은 ECM 연결을 구성하는 하나의 구간이므로 UE에서 볼 때 ECM과 RRC는 항상 같은 상태를 갖는다. 그림 2는 UE에서 EMM 및 ECM/RRC 간 상태 천이를 나타내고 어떤 이벤트들에 의해 상태 천이가 발생되는지 보여준다. 사용자의 EMM 및 ECM/RRC 상태 조합을 A, B, C 및 D로 표시하였는데, 각 경우에 사용자가 겪는 경험을 몇 가지 예를 들어 표 3에 나타내었다

그림 2. EMM State Transition

표 3. User experience in EMM, ECM and RRC states
Case State User Experience (Examples)
A EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle ? 사용자가 가입 후 처음으로 UE 전원을 켰을 때
? 사용자가 UE 전원을 끈 후 오랜 시간 후에 UE 전원을 켰을 때
? LTE 망에 UE 정보가 없음
B EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle ? UE가 전원을 껐다 일정 시간 안에 켰을 때
? 통신 중 무선품질이 나빠져 통신이 끊겼을 때
? LTE 망은 지난번 접속했던 UE 정보를 갖고 있음
C EMM-Registered
+ ECM-Connected + RRC-Connected ? 사용자가 망에 접속하여 서비스(예, 인터넷, VoD, Live TV 등)를 이용 중일 때
D EMM-Registered
+ ECM-Idle + RRC-Idle ? 사용자가 망에 접속하여 서비스를 이용하고 있지 않을 때

3.1 EMM-Deregistered State
A와 B는 EMM-Deregistered, ECM-Idle, RRC-Idle 상태로 모두 UE가 망에서 detach되어 있는 경우이나 망이 갖고 있는 UE 정보가 다르므로 구분하여 정의하였다. 망은 A 상태에서는 provisioning 정보를 제외하면 UE에 대해 아무런 정보를 갖고 있지 않으나 B 상태에서는 UE가 직전에 망에 접속되었을 때 갖고 있던 GUTI와 NAS Security Context(LTE Security 문서 참조) 정보가 유효한 경우 이를 갖고 있는다. 따라서 UE가 망에 접속할 때 A 상태에서 접속하는가 B 상태에서 접속하는가에 따라 초기 접속 절차가 달라질 수 있다(초기 접속 절차에 대한 상세 내용은 향후 EMM 절차에 대한 기술문서를 참조).
B 상태에서 망은 사용자가 다시 attach 할 것에 대비하여 가입자 인증과 security setup에 필요한 사용자 정보(GUTI, NAS Security Context[3])를 유지하다가 일정 시간이 경과하면 이들 정보를 삭제하고 A 상태로 천이한다 .

EMM-Deregistered 상태(A 또는 B)에서 UE는 PLMN(Public Land Mobile Network) 선택 및 셀 선택을 수행하면서 어느 통신망 어느 셀과 통신 가능한지를 파악한다. UE가 서비스를 이용하기 위하여 망에 접속을 요청하면 접속 요청(Attach Request) 절차가 수행되면서 UE는 C 상태(EMM-Registered, ECM-Connected, RRC-Connected)로 천이한다.

3.2 EMM-Registered State
C와 D는 EMM-Registered 상태로 모두 UE가 망에 attach되어 있는(또는 등록 되어있는) 경우이나 UE의 활성화(activity) 여부에 따라 ECM과 RRC는 ECM-Connected/RRC-Connected 상태(C)와 ECM-Idle/RRC-Idle 상태(D)를 가질 수 있다. EMM-Deregistered 상태(A 또는 B)에서 C 상태로 천이하여 성공적으로 망에 접속이 된 후, UE가 서비스를 이용 중일 때는 C 상태에 있고 이용하고 있지 않을 때는 D 상태에 있게 된다.

C 상태에서는 제어 평면의 시그널링 연결들과 사용자 평면의 EPS 베어러들에 무선 및 망 자원이 할당되어 있고, UE는 통신 중에 무선신호 품질이 더 좋은 셀로 핸드오버(Handover)를 수행할 수 있다. D 상태는 UE가 비활성화되어 ECM/RRC 연결이 해제된 상태로, 제어 평면에서는 ECM 연결에 자원이 할당되어 있지 않고 사용자 평면에서도 EPS 베어러 중 S5 베어러를 제외한 DRB와 S1 베어러에 자원이 할당되어 있지 않다. 이 상태에서는 상향/하향으로 사용자 트래픽이 발생하였을 때 UE가/망이 이를 전송할 수 없다. D 상태에서 사용자 트래픽을 전송하기 위해서는 ECM 연결을 설정하여 C 상태로 천이한 후 새로 DRB와 S1 베어러를 설정하여 EPS 베어러를 활성화시켜야 전송할 수 있게 된다. D 상태에서 UE는 serving 셀과 이웃 셀들의 무선신호 세기를 측정하여 셀 재선택(cell reselection) 판단 기준에 따라 머무를 셀을 선택한다.

D 상태에서 C 상태로의 천이는 첫째, 상향 및 하향으로 새로운 트래픽이 발생한 경우에 둘째, Idle 상태에 있던 UE가 TAU timer가 경과하여 TAU 요청을 수행하는 경우에 발생한다. C 상태에서 D 상태로의 천이는 첫째, UE 비활성화(inactivity)가 검출된 경우(일정시간 동안 UE의 상하향 트래픽이 없는 경우)에 둘째, D 상태에 있던 UE가 TAU timer가 경과하여 TAU 요청을 수행하고(C 상태) 이후 바로 자원을 해제하고 다시 D 상태로 가는 경우에 발생한다.

EMM-Registered 상태(C 또는 D)에 있을 때에는 전원이 꺼지거나 무선 링크 실패인 경우(무선 링크 상에서 패킷 에러율이 기준치를 넘은 경우)에 망에서 detach되어 EMM-Deregistered인 B 상태로 천이한다. 이 외에 EMM-Registered 상태에서 EMM-Deregistered 상태로 천이하는 경우로는 C 상태에서 LTE가 아닌 다른 망으로 핸드오버가 발생하거나, UE가 망 접속 절차를 수행 중 망으로부터 접속을 거절 당하거나(Attach Reject) 또는 TA 갱신을 요청하였는데 거절 당할 때(TAU Reject)로 UE는 B 상태로 천이한다.

IV. EMM과 관련된 특성들 (EMM Features)
이 장에서는 EMM 절차와 관련된 항목들에 대해 EPS 엔터티들이 그림 2에서 정의한 각 상태에서 어떠한 특성을 지원하는지 기술한다. (i) 상태별 및 EPS 엔터티별로 UE 위치 정보의 granularity는 어떻게 되는지, (ii) EPS 베어러 및 NAS 시그널링 연결은 어느 상태에서 설정되는지, (iii) 각 상태에서 UE의 이동성과 관련한 특성은 무엇인지, (iv) 상태별 및 EPS 엔터티별로 어떤 UE ID를 갖고 있는지를 순서대로 기술하도록 한다.

4.1 UE Location Information
표 4는 EPS 엔터티들이 UE 위치에 대하여 어느 정도의 정밀도로 파악하고 있는지를 나타낸다. EMM-Registered 상태(C, D)는 UE가 망에 attach되어 있는 상태로 망은 UE 위치 정보를 파악하고 있다. UE가 활성화되어 있는 경우(C)에는 셀 단위로, UE가 비활성화되어 있는 경우(D)에는 TA 단위로 파악하고 있다. 다른 EPS 엔터티들과는 달리 HSS는 A 상태에 있는 경우를 제외하고는 UE가 어느 MME에 등록되어 있는지 MME 단위로 파악하고 있다.

표 4. UE location information per EPS entity
Case State UE eNB S-GW P-GW MME HSS PCRF SPR
A EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle - - - - - - - -
B EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle - - - - TAI of last TAU MME - -
C EMM-Registered
+ ECM-Connected
+ RRC-Connected - Cell/eNB Cell/eNB Cell/eNB Cell/eNB MME Cell/eNB -
D EMM-Registered
+ ECM-Idle + RRC-Idle - - TAI of last TAU TAI of last TAU TAI of last TAU MME TAI of last TAU -

?
4.2 EPS Bearer 및 NAS Signaling Connection
표 5는 LTE 망에서 사용자 트래픽과 시그널링 메시지를 전달하는 전달 경로가 어느 상태에서 설정되고 유지되는지를 나타낸다. UE가 망에 성공적으로 접속하여 EMM-Registered 상태가 되면 EPS 베어러를 이용하여 서비스를 제공받는다. EPS 베어러는 구간별로 DRB(Data Radio Bearer), S1 베어러, S5 베어러로 나뉘어져 구성되는데, 그림 3과 같이 사용자 트래픽이 있는 ECM-Connected/RRC-Connected 상태(C)에서는 세 베어러가 모두 설정되어 있고(무선/망 자원이 할당되어 있고) 사용자 트래픽이 없는 ECM-Idle/RRC-Idle 상태(D)에서는 S5 베어러만 설정을 유지하고 나머지 베어러들은 해제된다(베어러에 할당된 자원이 해제된다).
NAS 시그널링 연결 즉, ECM 연결은 RRC 연결과 S1 시그널링 연결로 나뉘어져 구성되는데, 전송할 사용자 트래픽이 있는 경우에만 즉, ECM-Connected/RRC-Connected 상태(C)에서만 설정되어 있다. 사용자가 망에서 detach되어 있거나(A 또는 B) attach되어 있더라도 비활성화 상태(D)이면 ECM 연결은 해제된다.

표 5. EPS bearer and NAS signaling connection information
Case State EPS Bearer NAS Signaling Connection
Radio Bearer
(UE ? eNB) S1 Bearer
(eNB ? S-GW) S5 Bearer
(S-GW ?
P-GW) RRC Connection
(UE ? eNB) S1 Signaling Connection
(eNB ? MME) ECM Connection
(UE ? MME)
A EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle - - - - - -
B EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle - - - - - -
C EMM-Registered
+ ECM-Connected
+ RRC-Connected Established Established Established Established Established Established
D EMM-Registered
+ ECM-Idle + RRC-Idle - - Established - - -


그림 3. Transmission paths on CP and DP in EMM-Registered state
?
4.3 Mobility
표 6은 각 상태에서 UE의 이동과 관련된 특성들을 보여준다.
Mobility: EMM-Deregistered 상태(A 또는 B)에서 전원이 켜져 있는 UE는 PLMN 선택 및 셀 선택 절차를 통해 자신이 어느 통신망 어느 셀에 있는지 파악한다. EMM-Registered 상태에서 서비스를 이용중인(C에 있는) UE는 서비스를 받고 있는 셀보다 무선신호 품질이 좋은 셀이 있으면 핸드오버를 수행한다. EMM-Registered 상태에서 서비스를 이용하고 있지 않는(D에 있는) UE는 현재 머물고 있는 셀보다 더 좋은 무선신호 품질을 갖는 셀이 있는지 셀 재선택을 수행하여 가장 좋은 무선신호 품질을 갖는 셀에 머무른다.

Tracking Area Update: EMM-Registered 상태(C 또는 D)에 있는 UE는 서비스 이용 유무에 상관없이 TA가 바뀌면 TA를 갱신한다. ECM-Idle/RRC-Idle 상태(D)에 있을 때에는 TA가 바뀌지 않더라도 TAU timer가 경과할 때마다 주기적으로 TA를 갱신한다. TA 갱신은 UE가 TAU 요청(TAU Request) 메시지를 전송함으로써 시작된다.
UE가 ECM-Idle/RRC-Idle 상태(D)에 있을 때 TA를 갱신하기 위해서는 일단 ECM/RRC 연결을 설정하여 ECM-Connected/RRC-Connected 상태(C)로 천이한다. C 상태에서 TAU 요청 메시지를 전송하고 TAU 절차를 마치고 나면 ECM/RRC 연결을 해제하고 다시 ECM-Idle/RRC-Idle 상태(D)로 돌아간다.

Paging: UE가 망에 attach되어 있으나 비활성화되어 있을 때(D)에 망에서 사용자에게 전송할 트래픽이 발생하면 망은 UE를 깨우기 위해 페이징을 수행하고 그 결과 UE는 C 상태로 천이된다. 페이징은 UE가 마지막으로 TA 갱신을 수행했을 때 알린 TAI(Tracking Area Identifier) 정보를 기반으로 수행된다.

표 6. Features related to a user’s mobility
Case State Mobility Tracking Area Update Paging
A EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle PLMN/Cell Selection - -
B EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle PLMN/Cell Selection - -
C EMM-Registered
+ ECM-Connected
+ RRC-Connected Handover
- Intra eNB Handover
- X2 Handover
- S1 Handover TAU when TA change -
D EMM-Registered
+ ECM-Idle + RRC-Idle Cell-Reselection ? TAU when TA change
? Periodic TAU Paging Control

4.4 UE ID
표 7은 각 상태에서 EPS 엔터티가 어떤 UE ID를 갖는지를 나타낸다(UE ID에 대한 상세한 내용은 LTE 기술문서 “LTE Identification”을 참조). UE IP 주소는 UE가 망에 초기 접속하여 default 베어러가 생성될 때 P-GW에 의해 할당되고 default 베어러가 종료될 때 해제되는 ID이다. GUTI는 망 접속절차가 성공적으로 수행되면 MME가 UE에게 할당하는 ID로 고정 ID인 IMSI(International Mobile Subscriber Identity) 대신 사용된다. UE가 망에서 정상적으로 detach되었을 경우에는 detach된 후에도 UE와 MME는 가장 최근에 사용한 GUTI 값을 유효한 GUTI 값으로 유지하여 다음에 UE가 망에 접속할 때 UE ID로 사용한다. C-RNTI는 RRC-Connected 상태(C)에서 셀 안에서 UE를 구별하기 위하여 eNB가 UE에게 할당하는 ID로 C-RNTI를 할당한 셀 안에서만 유효하다. eNB UE S1AP ID와 MME UE S1AP ID는 S1-MME 인터페이스에서 eNB와 MME가 UE를 구별하기 위하여 사용하는 ID이고, Old eNB UE X2AP ID와 New eNB UE X2AP ID는 핸드오버 발생시에 X2 인터페이스에서 serving eNB와 target eNB가 UE를 구별하기 위하여 사용하는 ID이다.
?
표 7. UE ID per EPS entity
Case State UE eNB S-GW P-GW MME HSS PCRF SPR
A EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle IMSI - - - - IMSI - IMSI
B EMM-Deregistered
+ ECM-Idle + RRC-Idle IMSI, GUTI - - - IMSI, GUTI IMSI - IMSI
C EMM-Registered
+ ECM-Connected
+ RRC-Connected IMSI, GUTI, UE IP addr,
C-RNTI C-RNTI, eNB/MME UE S1AP ID,
Old/New eNB UE X2AP ID IMSI IMSI,
UE IP addr IMSI, GUTI,
UE IP addr,
eNB/MME
UE S1AP ID IMSI IMSI,
UE IP addr IMSI
D EMM-Registered
+ ECM-Idle + RRC-Idle IMSI, GUTI, UE IP addr - IMSI IMSI,
UE IP addr IMSI, GUTI,
UE IP addr IMSI IMSI,
UE IP addr IMSI

V. EMM과 관련된 사용자 정보 (EMM User Information)
이 장에서는 그림 2에서 정의한 EMM/ECM/RRC 상태 별로 EPS 엔터티들이 사용자와 관련된 어떤 데이터들을 갖는지 A ? B ? C ? D의 순서로 기술한다.

5.1 EMM-Deregistered + ECM-Idle + RRC-Idle
표 8은 A 상태에서 EPS 엔터티들이 갖는 사용자 정보를 나타낸다. A 상태에서 망은 사업자에 의해 설정된 provisioning 정보 외에는 사용자 정보를 갖지 않는다. 즉, 이 상태에서 UE 및 NE에 있는 정보는 모두 provisioning 값들이다. IMSI와 LTE 마스터 키인 LTE K는 사용자 인증을 위해 필요하고 Default APN, EPS QoS Subscribed Profile 및 Access Profile은 EPS 세션 및 default EPS 베어러를 생성하기 위해 필요한 정보들이다. EPS QoS Subscribed Profile 및 Access Profile은 다음과 같은 정보를 갖는다.

? EPS QoS Subscribed Profile (in HSS): QCI, ARP, APN-AMBR, UE-AMBR
? Access Profile (in SPR): SDF filter, QCI, ARP, APN-AMBR, UE-AMBR, Charging Methods (e.g. offline)

표 8. User information in “A” state
UE eNB S-GW P-GW MME HSS PCRF SPR
IMSI - - - - IMSI - IMSI
LTE K - - - - LTE K - -
APN - - - - Default APN - -
- - - - - EPS QoS Subscribed Profile - -
- - - - - - - Access Profile

?
5.2 EMM-Deregistered + ECM-Idle + RRC-Idle
표 9는 B 상태에서 EPS 엔터티들이 갖는 사용자 정보를 나타낸다. B 상태에서는 이전에 망에 접속했을 때 최종적으로 사용했던 유효한 정보들이 UE 및 망(MME와 HSS)에 저장되어 있어, UE가 다음에 망에 접속할 때 사용될 수 있다. 이러한 정보들로는 MME가 마지막으로 할당한 GUTI 정보, UE가 마지막으로 TA를 갱신한 TA 정보, UE와 MME 간에 마지막에 사용한 NAS Security Context 및 MME가 UE에게 할당했던 UE-AMBR등이 있다. A 상태에서 갖고 있던 provisioning 정보 외에 B 상태에서 추가적으로 UE 및 NE가 갖는 사용자 정보를 표 9에 파란색으로 표시하였다.

표 9. User information in “B” state
UE eNB S-GW P-GW MME HSS PCRF SPR
IMSI - - - IMSI IMSI - IMSI
LTE K - - - - LTE K - -
APN - - - Default APN Default APN - -
- - - - EPS QoS Subscribed Profile EPS QoS Subscribed Profile - -
- - - - - - - Access Profile
GUTI - - - GUTI - - -
Last Visited TAI - - - TAI of Last TAU - - -
NAS Security Context - - - NAS Security Context - - -
- - - - - MME ID - -
- - - - - - - -
- - - - - - - -
- - - - - - - -
- - - - - - - -
- - - - Used UE-AMBR (UL/DL) - - -

?
5.3 EMM-Registered + ECM-Connected + RRC-Connected
표 10은 C 상태에서 EPS 엔터티들이 갖는 모든 사용자 정보를 나타낸다. C 상태에서는 EPS 베어러 및 NAS 시그널링 연결이 모두 설정되고 핸드오버 및 TA 갱신이 수행되므로 망에서 필요한 모든 사용자 정보가 설정된다. B 상태에 비하여 C 상태에서 UE 및 NE에 새로 추가되는 정보는 파란색으로, B 상태에서와 같은 정보라도 값이 바뀌는 경우에는 초록색으로 표시하였다.

표 10. User information in “C” state
UE eNB S-GW P-GW MME HSS PCRF SPR
IMSI - IMSI IMSI IMSI IMSI IMSI IMSI
LTE K - - - - LTE K - -
APN in Use - - APN in Use APN in Use Default APN APN in Use -
- - - - EPS QoS Subscribed Profile EPS QoS Subscribed Profile - -
- - - PCC Rule - - PCC Rule Access Profile
GUTI - - - GUTI - - -
TAI TAI TAI of Last TAU TAI of Last TAU TAI of Last TAU - TAI of Last TAU -
NAS Security Context - - - NAS Security Context - - -
- - - - - MME ID - -
TAI List - - - TAI List - - -
UE IP addr - - UE IP addr UE IP addr - UE IP addr -
C-RNTI C-RNTI - - - - - -
ECGI ECGI ECGI ECGI ECGI - ECGI -
AS Security Context AS Security Context - - - - - -
- Used UE-AMBR (UL/DL) - - Used UE-AMBR (UL/DL) - - -
Used APN-AMBR (UL) - - Used APN-AMBR (UL/DL) Used APN-AMBR (UL/DL) - - -
EPS Bearer ID EPS Bearer ID EPS Bearer ID EPS Bearer ID EPS Bearer ID - - -
DRB ID DRB ID - - - - - -
- E-RAB ID - - - - - -
- S1-TEID (DL/UL) S1-TEID (DL/UL) - S1-TEID (DL/UL) - - -
- S5-TEID (DL/UL) S5-TEID (DL/UL) S5-TEID (DL/UL) - - -
TFT(UL) - - TFT(UL/DL) - - - -
QCI QCI QCI QCI QCI - - -
- ARP ARP ARP ARP - - -
- eNB UE S1AP ID - - eNB UE S1AP ID - - -
- MME UE S1AP ID - - MME UE S1AP ID - - -
- eNB UE X2AP ID - - - - - -

?
5.4 EMM-Registered + ECM-Idle + RRC-Idle
표 11은 D 상태에서 EPS 엔터티들이 갖는 사용자 정보를 나타낸다. D 상태는 A 또는 B 상태에서 일단 C 상태로 천이한 후에 갈 수 있는 상태로, C 상태에서 설정된 자원 중 S5 베어러를 제외한 EPS 베어러(DRB 및 S1 베어러) 자원 및 NAS 시그널링 연결에 할당된 자원이 해제된다. 해제되는 정보를 표 11에서 회색으로 표시하였다. S1 베어러의 경우 하향 자원(S1-TEID(DL))은 해제되나 S-GW에서 할당한 상향 자원(S1-TEID(UL))은 유지된다(표 11에서 파란색 참조). 이후 C 상태로 천이되면 S1 베어러 설정시 본 상향 자원(S1-TEID(UL))을 재사용하게 된다. D 상태처럼 UE가 비활성화되면 UE와 eNB 간에는 모든 자원이 해제됨을 볼 수 있다.

표 11. User information in “D” state
UE eNB S-GW P-GW MME HSS PCRF SPR
IMSI - IMSI IMSI IMSI IMSI IMSI IMSI
LTE K - - - - LTE K - -
APN in Use - - APN in Use APN in Use Default APN APN in Use -
- - - - EPS QoS Subscribed Profile EPS QoS Subscribed Profile - -
- - - PCC Rule - - PCC Rule Access Profile
GUTI - - - GUTI - - -
TAI TAI TAI of Last TAU TAI of Last TAU TAI of Last TAU - TAI of Last TAU -
NAS Security Context - - - NAS Security Context - - -
- - - - - MME ID - -
TAI List - - - TAI List - - -
UE IP addr - - UE IP addr UE IP addr - UE IP addr
C-RNTI C-RNTI - - - - - -
ECGI ECGI ECGI ECGI ECGI - ECGI -
AS Security Context AS Security Context - - - - - -
- Used UE-AMBR (UL/DL) - - Used UE-AMBR (UL/DL) - - -
Used APN-AMBR (UL) - - Used APN-AMBR (UL/DL) Used APN-AMBR (UL/DL) - - -
EPS Bearer ID EPS Bearer ID EPS Bearer ID EPS Bearer ID EPS Bearer ID - - -
DRB ID DRB ID - - - - - -
- E-RAB ID - - - - - -
- S1-TEID (DL/UL) S1-TEID (DL/UL) - S1-TEID (DL/UL) - - -
- - S5-TEID (DL/UL) S5-TEID (DL/UL) S5-TEID (DL/UL) - - -
TFT(UL) - - TFT(UL/DL) - - - -
QCI QCI QCI QCI QCI - - -
- ARP ARP ARP ARP - - -
- eNB UE S1AP ID - - eNB UE S1AP ID - - -
- MME UE S1AP ID - - MME UE S1AP ID - - -
- eNB UE X2AP ID - - - - - -


VI. 마치는 글
EMM 절차를 기술하기에 앞서 EMM, ECM 및 RRC 상태와 상태 천이 과정을 살펴보았다. EPS 베어러 설정과 관련된 내용은 ESM 절차에서 다루어져야 하나, EMM 절차인 망 초기 접속 절차에 default EPS 베어러를 설정하는 절차가 있어 EMM 절차를 설명하는데 필요한 부분은 본 문서에서 함께 다루었다. 본 문서에서 다룬 EMM, ECM 및 RRC 상태에 대한 이해를 기반으로 다음 문서에서는 EMM 절차에 대해 기술하도록 한다.

참고문헌
[1] 3GPP TS 24.301, “Non-Access-Stratum (NAS) Protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3”.
[2] 넷매니아즈 기술문서, “LTE 네트워크 구조”,
September 2010, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5138
[3] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Security II”,
July 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5222
[4] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
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