netmanias.2012.07.05 emm procedure 6. handover without tau (part 2)

Netmanias 기술문서: EMM Procedure: 6. Handover without TAU (2편) – X2 Handover

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EMM Procedure: 6. Handover without TAU (2편)

- X2 Handover -

목 차

I. 시작하는 글

II. Concept of X2 Handover

III. Procedure of X2 Handover

IV. EPS Entity Information: Before/After X2 Handover

V. 마치는 글

EMM Case 6, 즉 intra-LTE 환경에서 발생하는 핸드오버 중 X2 핸드오버 절차를 다룬다. X2 프로토콜

에서 핸드오버와 관련된 기능을 살펴보고, X2 핸드오버 절차를 단계별로 상세히 설명한다. EPC 개입

없이 eNB 간 핸드오버를 준비하고 실행하는 과정, 끊김 없는 서비스를 제공하기 위해 핸드오버 단절

시간 동안 DL 패킷이 eNB간 direct 터널을 통하여 forwarding 되는 과정 및 핸드오버 후 EPC가 개입

하여 EPS 베어러 경로를 변경하는 과정을 기술하고, X2 핸드오버 절차 전·후로 EPS 엔터티 내에 정보

들이 어떻게 변경되는지 살펴본다.

2012년 7월 5일

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EMM Procedure: 6. Handover without TAU (2편) – X2 Handover

1

약어표

AMBR Aggregated Maximum Bit Rate

ARP Allocation and Retention Priority

AS Access Stratum

ASME Access Security Management Entity

C-RNTI Cell Radio Network Temporary Identifier

DL Downlink

DRB Data Radio Bearer

EARFCN E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number

ECGI E-UTRAN Cell Global Identifier

EMM EPS Mobility Management

eNB Evolved Node B

EPS Evolved Packet System

E-RAB E-UTRAN Radio Access Bearer

E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

GTP GPRS Tunneling Protocol

HFN Hyper Frame Number

HSS Home Subscriber Server

LTE Long Term Evolution

MME Mobility Management Entity

NAS Non Access Stratum

NCC Next hop Chaining Counter

NH Next Hop

PCI Physical Cell ID

PDCP Packet Data Convergence Protocol

P-GW Packet Data Network Gateway

QCI QoS Class identifier

RRC Radio Resource Control

S1AP S1 Application Protocol

SCTP Stream Control Transmission Protocol

S-GW Serving Gateway

SN Sequence Number

SON Self-Organizing Networks

TA Tracking Area

TAI Tracking Area Identity

TAU Tracking Area Update

TEID Tunnel Endpoint IDentifier

UE User Equipment

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

UL Uplink

X2AP X2 Application Protocol


2

I. 시작하는 글

“EMM Case 6. Handover without TAU (1편) – Overview of Handover” 기술문서[1]에서는 LTE 핸드오버 개

요로서 LTE 핸드오버와 관련된 절차들을 기술하였고, LTE 핸드오버는 단말이 핸드오버 상황임을 알리면

eNB가 핸드오버를 결정하는 “UE Assisted Network Controlled” 형태임을 살펴보았다. 이번 문서에서는

intra-LTE 환경에서 X2 인터페이스를 통해 핸드오버가 수행되는 X2 핸드오버 절차를 다룬다. Source eNB와

target eNB는 같은 MME/S-GW에 연결되어 있으며, 두 eNB 모두 사용자의 TAI(Tracking Area Identifier)

list에 있는 TA에 속해 있는 경우이다.

먼저 II 장에서 X2 핸드오버 개념을 정리하고, III 장에서 X2 핸드오버 절차를 상세히 기술한다. 이어서 IV 장

에서 핸드오버 절차 전·후로 EPS 엔터티들이 갖는 정보가 어떻게 변하는지 정리한다.

II. 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 망

이 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 정

보를 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 사용

자에게 X2AP(X2 Application Protocol) 시그널링을 제공하며, X2AP 계층에서 각 사용자는 eNB UE X2AP ID

(Old eNB UE X2AP ID, New eNB UE X2AP ID)1에 의해 구별된다. 사용자 평면을 보면 두 eNB 간 베어러는

S1/S5 베어러와 마찬가지로 GTP(GPRS Tunneling Protocol) 터널로, GTP 터널은 사용자 별로 생성되며 2

TEID(Tunnel Endpoint IDentifier)에 의해 구별된다.

1 Old eNB UE X2AP ID는 source eNB에 의해 New eNB UE X2AP ID는 target eNB에 의해 할당된다. 2 사용자에 여러 베어러가 있는 경우 베어러 단위로 생성되나, 본 문서에서는 사용자에 하나의 베어러만 있는 경우에 대해 기술한다.

L2

L1

IP

UDP

X2

GTP-U GTP-U

L2

L1

IP

UDP

eNB eNB

X2AP

L2

L1

IP

SCTP

X2AP

L2

L1

IP

SCTP

X2eNB eNB

Control Plane Data Plane


3

2.2 X2AP 기능

표 1은 X2AP 시그널링을 통해 수행되는 기능들과 각 기능에서 수행되는 기본 절차를 나타낸다[2]. X2AP 시

그널링 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 있음

을 볼 수 있다.

표 1. X2AP Functions and Elementary Procedures [2]

Function Elementary Procedure(s)

Mobility Management

Handover Preparation SN Status Transfer UE Context Release Handover Cancel

Load Management Load Indication Resource Status Reporting Initiation Resource Status Reporting

Reporting of General Error Situations Error Indication

Resetting the X2 Reset

Setting up the X2 X2 Setup

eNB Configuration Update eNB Configuration Update Cell Activation

Mobility Parameters Management Mobility Settings Change

Mobility Robustness Optimisation Radio Link Failure Indication Handover Report

Energy Saving eNB Configuration Update Cell Activation

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 제공

하여 eNB가 이웃한 eNB들과 X2 연결을 맺어 이웃 eNB들의 상태 정보를 수집하고, 이렇게 수집한 로컬 정

보를 이용하여 eNB 파라미터를 자동적으로 구성하고 최적화할 수 있는 Self-Organizing Networks(SON) 기

능을 제공한다3. 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 핸드오

버 최적화에 사용

Mobility Robustness Optimisation: 핸드오버 실패 event 정보를 제공

Energy Saving: 셀 활성화/비활성화에 대한 정보를 교환하여 eNB의 에너지 소비를 감소시킴

2.3 Mobility Management 기능 관련 X2 메시지

표 2는 표 1에 나타난 X2 기능 중 III 장에서 기술될 핸드오버와 관련된 “Mobility Management” 기능에서 사

용하는 메시지를 나타낸다[2]. 핸드오버 준비 절차(Handover Preparation)에서는 반드시 target eNB의 응답

3 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.


4

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 자

원 할당에 실패하면 target eNB가 source eNB에게 전송

SN Status Transfer 메시지: 핸드오버 실행 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 target eNB에

게 전송하며 어느 패킷부터 송·수신 해야 하는지를 알림

UE Context Release 메시지: 핸드오버 완료 단계에서 사용되는 메시지로, target eNB가 source eNB에

게 전송하며 UE Context 해제를 요청

Handover Cancel 메시지4: 핸드오버 준비 단계에서 사용되는 메시지로, source eNB가 진행 중인 핸드

오버 준비를 취소하고자 할 때 target eNB에게 전송

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

Procedure Initiating Message Response Message

Successful Unsuccessful

Handover Preparation Handover Request Handover Request Acknowledge

Handover Preparation Failure

SN Status Transfer SN Status Transfer - -

UE Context Release UE Context Release - -

Handover Cancel Handover Cancel - -

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 나

타낸 것이다. 편의상 S-GW와 P-GW를 SAE-GW로 통합하여 나타내었고, source eNB와 target eNB는

SeNB와 TeNB로 기술하였다.

4 III 장에서는 성공적인 X2 핸드오버 절차만을 설명하므로 Handover Cancel 메시지가 나타나지 않는다.


5

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 결정하고5, X2 시

그널링을 통해 target eNB와 X2 핸드오버를 준비한다. 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 자

원 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

5 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.

UEUE

MME SAE-GWSAE-GW

eNB AeNB A

Source

eNB B

UEUEUE

MMEMMEMME SAE-GWSAE-GWSAE-GW

eNB B

DRB (Data Radio Beaer) S11 (GTP-C) SignalingS1 Bearer (GTP Tunnel)

S1 Signaling

moving moving

Signaling in Radio

X2 Bearer (GTP Tunnel)

X2 Signaling

moving moving

1. Before Handover 2. Handover Preparation 3. Handover Execution 4. Handover Completion

· SeNB는 UE에게 HO를

지시하고 ( ), DL/UL 패킷

SN 정보를 TeNB로 전 하고

( ), DL 패킷을 X2 베어러를

통해 TeNB로 forwarding ( )

· UE는 SeNB와 을

끊고, TeNB로 ( )

· TeNB는 DL 패킷을

버 하여 UE가 하

UE에게 전 ( )

· SeNB는 X2 HO를 정

· SeNB는 TeNB로 HO를

하고 ( ), TeNB는 HO

준비 공을 ( )

· TeNB는 패킷을

준비(via UL S1 Bearer, ) 및

준비(via DL X2

Bearer, )를

· SeNB와 TeNB 간 DL 패킷

forwarding을 위한 Direct

Tunnel이 생 ( )

· TeNB는 MME로 Path 변경을

( )

· MME는 SAE-GW로 S1 베어러

정을 하고 ( ),

SAE-GW는 경로를 변경 ( )

· MME는 TeNB로 Path 변경을

( )

· TeNB는 SeNB로 UE Context

해제를 ( )

5. After Handover

Measurement Report

Handover Request

Handover Request Ack

3

2

14

· UE serving 기지 : eNB A

· UE는 measurement event가

발생하 eNB A로 Measurement Report 메시지를 전

Handover Comand

3

14

5

UL Traffic

DL Traffic

4

1

· UE serving 기지 : eNB B

Path Switch Request

Modify Bearer Request

SN Staus Transfer

UE Context Release

2

5

Handover Confirm

Target

eNB BeNB A eNB A

Source

eNB A

Source Target

eNB B

Target

eNB B

MME

2

3


6

( ),

▪ UE가 target eNB로 접속을 시도하는 동안 DL 패킷을 전송할 X2 transport 베어러(GTP-U 터

널)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 전송함으로

써 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 변

경할 것을 요구하고( ),

이에 S-GW는 target eNB로 하향 S1 베어러(S1 Target eNB TEID)를 설정하여, source eNB로 전

송하던 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 사용

자 상태를 나타낸다.


7

X2 핸드오버 전

사용자는 EMM-Registered 및 ECM/RRC-Connected 상태에 있고 E-UTRAN 및 EPC에서 할당 받은 자원

을 모두 유지하고 있다.

X2 핸드오버 중

핸드오버 중에도 NAS 레벨의 사용자 상태는 변하지 않고 X2 인터페이스 상에 X2 베어러와 X2 시그널

링 연결이 설정된다. 그림 3에서 2)는 핸드오버 실행 단계(Handover Execution)에서 핸드오버 단절 시

간 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 평면에서

는 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

S5 Bearer

S5 GTP-C Connection

ECM-Connected

EMM-Registered

RRC-Connected

1) Connections and States before X2 Handover

2) Connections and States during X2 Handover (Handover Interruption Time Period)

User Plane Connection (Bearer)

Control Plane Connection


States

States

S5 GTP-C ConnectionS11 GTP-C Connection

S5 BearerS1 Bearer


EMM-Registered

UE MMEeNB A

Source Target

eNB B PCRFHSSP-GW

ECM-Connected

EMM-Registered

ECM-Connected

EMM-Registered

ECM-Connected

RRC-Connected

S11 GTP-C Connection

S1 Signaling Connection

ECM Connection

S1 eNB(A) TEID (for DL)

S5 Bearer

ECM Connection

S5 GTP-C Connection

ECM-Connected

RRC-Connected

EMM-Registered

3) Connections and States after X2 Handover



States

ECM-Connected

EMM-Registered

RRC-Connected

S1 Bearer

S11 GTP-C ConnectionS1 Signaling Conn.

X2 Bearer

S1 Bearer

ECM Connection

X2 Connection

S-GW

S1 S-GW TEID (for UL)

eNB(A) S1AP UE ID

DRB

RRC Connection

MME S1AP UE ID

S1 eNB(A) TEID (for DL)

X2 eNB(B) TEID (for DL)

S1 eNB(B) TEID (for DL)

DRB

S1 S-GW TEID (for UL)

eNB(B) S1AP UE ID

RRC Connection

MME S1AP UE ID

New eNB(B) X2AP UE IDOld eNB(A) X2AP UE ID


8

III. X2 핸드오버 절차 (Procedure of X2 Handover)

이제 본격적으로 X2 핸드오버 절차를 단계별로 하나씩 살펴보도록 한다6. 그림 4는 X2 핸드오버 이전과 X2

핸드오버 준비 단계의 절차를 나타낸다.

그림 4. X2 Handover - Handover Preparation (핸드오버 준비 단계)

핸드오버 이전 단계

1) [UE eNB] Measurement 보고 (Measurement Report)

UE에서 measurement event가 triggering된다7. UE는 이웃 셀들의 신호세기를 측정하여 eNB(serving

셀)로 Measurement Report 메시지를 전송한다.

6 UE의 serving 셀과 target 셀은 서로 다른 eNB에 위치하는 경우만을 고려한다. 7 Measurement event에 대해서는 “LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (1편) – Overview of Handover” 기술문서[1]와

3GPP TS 36.331[3]을 참조

S5 Bearer (UL/DL)S1 Bearer (UL/DL)DRB (UL/DL) Internet

1) Measurement Report Triggering the UE to send a Measurement Report based on triggering event (e.g., when a neighboring cell becomes better than the serving cell in terms of radio signal strength)

2) Handover Decision by Source eNB

Han

do

ver

Pre

par

atio

n

3) Derive KeNB*

Target Cell ID, UE Context Info (UE-AMBR, UE Security Capability, KeNB*, E-RAB to be setup (E-RAB ID, QCI, ARP, S1 S-GW TEID), RRC Context), UE History Info

4) Handover Request

Receive S1 TEID (UL)

Admission control with E-RAB QoS (QCI, ARP)Target eNB reserves RRC resource and allocates a new C-RNTI (e.g., Target C-RNTI)

6) Handover Request AckE-RAB Admitted {E-RAB ID, Target eNB TEID},Handover Command (Target C-RNTI, Target DRB ID, Target eNB AS Security Algorithm)

Create Target eNB TEID (DL)

Receive Target eNB TEID (DL)

DL: From Source eNB to Target eNB

Create DRB ID (UL/DL)

X2 Transport Bearer (DL)Established

S1 Bearer Established (UL)

S1 TEID (UL) for Source eNB

eNB generates AS keys from KeNB (KeNB = KeNB*)

UE S-GWMMEeNB

Source Target

eNB PCRFHSSP-GW

S5 BearerS1 BearerDRB

ECM Connection

S5 GTP-C ConnectionS11 GTP-C ConnectionS1 Signaling ConnectionRRC Connection

ECM-Connected

RRC-Connected

EMM-Registered

RRC-Connected

ECM-Connected

EMM-Registered

5) Handover Preparation at Target eNB

7) Establish X2 Transport Bearer

Serving Cell (Radio Signal Strength), Target Cell (PCI, Radio Signal Strength)


9

핸드오버 준비 단계 (Handover Preparation)

2) [Source eNB] 핸드오버 결정 (Handover Decision)

Source eNB는 UE가 전송한 Measurement Report 메시지에 있는 정보와 자신이 관리하고 있는

Neighbor Cell List 정보에 기반하여 target eNB를 결정한다. Target eNB는 하나가 아니라 여러 eNB일

수도 있으며, UE가 측정하여 올린 neighbor 외에 다른 neighbor가 선택될 수도 있다. 이 글에서는

target eNB는 UE가 전송한 Measurement Report 메시지에 있는 셀에 속한 eNB이고 source eNB는 하

나의 target eNB를 선택하는 경우를 대상으로 설명한다.

3) [Source eNB] Target eNB가 사용할 AS Security 베이스 키 (KeNB*) 도출

핸드오버가 발생하여 UE가 서비스 받는 eNB가 바뀌더라도 RRC 시그널링 메시지와 사용자 패킷은 지

속적으로 안전하게 전송되어야 한다. 무선 구간에서 안전한 전송은 AS Security 키에 의해 제공되는데,

AS Security 키는 AS Security 베이스 키인 KeNB로부터 구해진다 8 . KeNB는 가입자 인증 후 MME가

KASME로부터 도출하여 eNB로 전송해주는 값이다 9 . 하지만 X2 핸드오버는 EPC(MME)의 개입 없이

eNB 간에 수행되므로, target eNB는 MME로부터 KeNB를 얻지 못하고 대신 source eNB에서 target

eNB가 사용할 KeNB인 KeNB*를 구하여 target eNB로 전달한다.

따라서 source eNB는 핸드오버를 결정하면 우선 KeNB*를 도출한다. 그림 5는 KeNB

* 도출 과정을 나타낸

다. 그림 5에서 보듯 KeNB*는 source eNB의 AS Security 베이스 키인 KeNB와 target 셀의 PCI(Physical

Cell ID) 그리고 주파수(EARFCN-DL; E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number-

Downlink)로부터 구해진다.

그림 5. Derivation of KeNB* (for the 1

st Handover)

4) [Source eNB Target eNB] X2 핸드오버를 요청

Source eNB는 target eNB로 Handover Request 메시지를 전송하여 핸드오버를 요청하며 본 메시지를

통해 source eNB에 설정되어 있는 UE Context 정보와 UE가 이전에 어떤 셀들을 거쳐왔는지를 나타내

는 UE History 정보를 전달한다. Handover Request 메시지는 다음과 같은 정보를 포함한다.

Handover Request (Target Cell ID, UE Context Info(UE-AMBR, UE Security Capability, KeNB*, E-RAB to be

setup (E-RAB ID, QCI, ARP, S1 S-GW TEID), RRC Context), UE History Info)

Target Cell ID: Target 셀 ECGI

UE Context Info: Source eNB에 저장되어 있는 UE Context

8 AS Security에 대해서는 “LTE Security II” 기술문서[4]를 참조 9 LTE 가입자 인증에 대해서는 “LTE Security I” 기술문서[5]를 참조

NAS UL COUNT KDF

KeNB

KASME

PCI of Target Cell

KDF

KeNB*

EARFCN-DL of Target Cell


10

- UE-AMBR: HSS에 해 제공되나 MME가 갱 있으며, eNB에 설정되어 non-GBR 베어러들

aggregated MBR 값을 제어하는데 사용

- UE Security Capability: UE가 사용 가능한 security 고리즘 (암호화 및 무 고리즘)

- KeNB*: Target eNB가 사용하도록 source eNB가 생 한 AS Security 베이스 키, 즉 target eNB에서

사용될 KeNB

- E-RAB to be setup: Source eNB에 설정되어 있는 UE E-RAB 정보

UE History Info: UE가 active 상태에서 했던 이전 셀들에 대한 정보로, 셀 별로 ECGI, Cell Type,

UE가 셀에 머문 시간을 포함

5) [Target eNB] X2 핸드오버 준비

Target eNB는 Handover Request 메시지를 수신하여 곧 핸드오버 할 UE에게 끊김없는 서비스를 제공하

기 위한 준비 작업에 착수한다.

(i) 먼저 source eNB로부터 수신한 KeNB*로부터 AS Security 키들(KRRCint, KRRCenc, KUPenc)을 구한다.

잠시 후 UE가 target eNB로 접속하면 UE와 target eNB는 이들 키 값을 이용하여 무선구간에서

안전하게 통신할 수 있다.

(ii) E-RAB to be setup 정보를 기반으로 source eNB가 제공하던 QoS가 target eNB에서도 제공가능

한지 확인한다. 제공 가능한 경우 source eNB에 설정되어 있는 상향 S1 베어러 정보(S1 S-GW

TEID)를 이용하여 S-GW로 상향 S1 베어러를 설정한다.

(iii) E-RAB QoS 정보를 기반으로 UE가 무선 구간에서 사용할 RRC 자원을 예약하고(DRB ID 할당

등) C-RNTI 값을 할당한다.

(iv) UE가 핸드오버를 실행하는 동안(즉, source eNB와 접속을 끊고 target eNB로 접속하는 동안)

source eNB로 도착하는 DL 패킷을 target eNB로 전달하기 위해 source eNB가 X2 transport 베

어러(GTP 터널)를 설정할 수 있도록 X2 Target eNB TEID(X2 GTP 터널의 하향 TEID)를 할당

한다.

6) [Source eNB Target eNB] 핸드오버 준비가 되었음을 알림

Target eNB는 X2 핸드오버를 위해 5)에서 준비한 자원들에 대한 정보를 Handover Request Ack10 메시

지를 통해 source eNB로 전달한다. Handover Request Ack 메시지는 다음과 같은 정보를 포함한다.

Handover Request Ack (E-RAB Admitted(E-RAB ID, Target eNB TEID), Handover Command (Target C-RNTI, Target DRB ID, AS Security Algorithm of Target eNB))

E-RAB Admitted11

: Target eNB에서 당한 E-RAB ID와 해당 E-RAB 패킷을 target eNB로 전 X2

transport 베어러 TEID 정보를 포함

Handover Command: Target eNB에서 source eNB로 전 되는 Transparent Container로 UE가 target

eNB로 하는데 필 한 정보를 포함

- Target C-RNTI: Target 셀에서 UE를 식별하기 위해 UE에 당한 C-RNTI

- Target DRB ID: Target eNB가 무선 구간에서 사용자 패킷을 전 하기 위해 설정한 DRB ID

- AS Security Algorithm of Target eNB: Target eNB에서 지원 가능한 AS Security 고리즘

10 표준상의 이름은 Handover Request Acknowledge 메시지로 이 글에서는 간략하게 Handover Request Ack 메시지로 표현하였다. 11 Target eNB에 여러 E-RAB이 설정되어 있는 경우 E-RAB Admitted List로 표현될 수 있으나 이 글에서는 하나의 E-RAB만 있는 경

우를 다룬다.


11

7) [Source eNB] DL 패킷을 전달하기 위한 X2 Transport 베어러 설정

Source eNB는 Handover Request Ack 메시지를 수신하여 target eNB가 UE를 서비스 해 줄 수 있음을

확인하고, X2 Target eNB TEID 값으로부터 핸드오버 실행 단계에서 DL 패킷을 target eNB로 전달할

X2 transport 베어러를 설정한다.

핸드오버 실행 단계 (Handover Execution)

그림 6은 X2 핸드오버 실행 단계의 절차를 나타낸다.

그림 6. X2 Handover - Handover Execution (핸드오버 실행 단계)

8) [UE Source eNB] UE에게 핸드오버를 명령함

Target eNB와 핸드오버 준비를 마친 source eNB는 UE에게 Handover Command 메시지를 전송함으로

써 UE에게 핸드오버를 명령한다. Handover Command 메시지는 RRC Connection Reconfiguration 메시지

를 통하여 UE에게 전달된다.

9) [UE] 핸드오버 실행 시작

UE는 source eNB로부터 Handover Command 메시지를 수신하여 target 셀에서 사용할 C-RNTI와

DRB ID를 알고 source eNB로부터 detach 한다. 이제부터 UE는 source eNB와 패킷 송/수신이 중단되

UL Traffic Flow at this time

DL Traffic Flow at this time

Han

do

ver

Exe

cuti

on

S5 Bearer (DL)S1 Bearer (DL) Internet

11) SN (Sequence Number) Status TransferDL Count (DL PDCP SN), UL Count (UL PDCP SN)

Buffering DL Packets

12) Synchronization

13) UL Allocation

14) Handover Confirm (RRC Connection Reconfiguration Complete)Target C-RNTI

DRB Established (UL/DL)

15) Start to send the Buffered DL Packets to the UE

S5 Bearer (DL)S1 Bearer (DL) Internet

DRB (DL)

S5 Bearer (UL) InternetS1 Bearer (UL)DRB (UL)

10) UE generates KeNB (KeNB = KeNB*) & AS keys

16) Ciphering and Integrity Protected for RRC Message & User Packet

RRC-Connected

RRC-Idle9) Detach from the source eNB

8) Handover Command (RRC Connection Reconfiguration)Target C-RNTI, Target DRB ID, Target eNB AS Security Algorithm)

Receive DRB ID (UL/DL)

UE S-GWMMEeNB

Source Target

eNB PCRFHSSP-GW

X2 Transport Bearer (DL)


Han

do

ver

Inte

rru

pti

on

Tim

e

Access to Target eNB

A

B


12

고, 핸드오버 단절 시간(handover interruption time)12 구간이 시작된다.

10) [UE] AS Security Setup

UE는 target eNB 무선 구간에서 사용하게 될 AS Security 키들을 구한다. 먼저 source eNB의 KeNB와

target 셀의 PCI 그리고 주파수 정보로부터 target eNB의 AS 베이스 키인 KeNB*를 구하고(키 도출 함수

는 그림 5와 같음), target eNB가 선택한 AS Security 알고리즘을 이용하여 target eNB의 AS Security

키들(KRRCint, KRRCenc, KUPenc)을 구한다.

11) [Source eNB Target eNB] UE와 송수신할 패킷 Number를 알림

Source eNB는 DL Count, UL Count를 포함하는 SN Status Transfer 메시지를 target eNB에게 전송함으

로써 target eNB가 UE와 어느 패킷부터 송/수신해야 하는지 알린다. 여기서 Count는 PDCP PDU의

Count 값으로 HFN(Hyper Frame Number)과 PDCP SN(Sequence Number)으로부터 구성되는 32 bit의

값을 나타낸다. SN Status Transfer 메시지 구성은 다음과 같다.

SN Status Transfer (DL Count, UL Count)

DL Count: UE로 보내야 첫 번째 패킷 Count

UL Count: UE로부터 첫 번째 패킷 Count

Target eNB로 SN Status Transfer 메시지를 전송하고 나면 source eNB는 S-GW로부터 수신되는 DL 패

킷을 X2 인터페이스 상에 설정된 X2 transport 베어러(GTP 터널)를 이용하여 target eNB로 전송하기

시작한다. Target eNB는 source eNB가 전달하는 패킷을 버퍼링하면서 UE가 target eNB로 접속하기를

기다린다.

12) ~ 14) [UE, Target eNB] UE가 Target eNB로 접속

12) UE는 target eNB의 동기 신호를 검출하여 target eNB로 동기를 맞추고 non-contention 기반

random access를 수행하고, 13) Target eNB는 UE에게 timing alignment 정보와 UL Grant를 전송하고,

14) UE는 target eNB로 Handover Confirm 메시지를 RRC Connection Reconfiguration Complete 메시지를

통하여 전송한다. 이제 UE는 target eNB와 패킷 송/수신을 시작할 수 있고, 핸드오버 단절 시간 구간

이 종료된다.

15) [Target eNB] UE에게 DL 패킷을 전송하기 시작

UE가 target eNB로 성공적으로 접속했으므로, target eNB는 버퍼링하고 있는 DL 패킷을 UE에게 전송

하기 시작한다. UE에게 전달되는 DL 패킷의 전달 경로는 다음과 같다(그림 6, [A] 참조).

S5 베어러 S1 베어러(@source eNB) X2 베어러 DRB(@target eNB)

또한 UE가 패킷을 송신하는 경우에 target eNB는 이를 수신하여 패킷 순서가 맞는지 확인하고, S-GW

로 전달하기 시작한다. UE가 전송한 UL 패킷의 전달 경로는 다음과 같다(그림 6, [B] 참조).

DRB(@target eNB) S1 베어러(@target eNB) S5 베어러

16) [UE - Target eNB] 무선 구간에서의 안전한 통신

UE와 target eNB 간 무선 구간에서 전송되는 RRC 시그널링 메시지 및 사용자 패킷은 AS Security 키

들을 통하여 안전하게 전송된다. RRC 시그널링 메시지는 무결성 보호되고 암호화되어 전송되고, 사용자

12 핸드오버 단절 시간에 대해서는 “LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (1편) – Overview of Handover” 기술문서[1] 참조


13

패킷은 암호화되어 전송된다.

핸드오버 완료 단계 (Handover Completion)

그림 7은 X2 핸드오버 완료 단계의 절차를 나타낸다.

그림 7. X2 Handover - Handover Completion (핸드오버 완료 단계)

17) [Target eNB MME] EPS 베어러 (S1 베어러) 경로 변경 요청

Target eNB는 EPC(MME)로 Path Switch Request 메시지를 전송하여 UE가 서비스 받는 셀이 변경되었

음을 알리고 EPS 베어러의 경로 변경을 요청한다.

18) ~ 23) EPS 베어러 수정

MME는 S-GW에게 Modify Bearer Request 메시지를 전송하여 target eNB가 할당한 S1 Target eNB

UL/DL Traffic Flow at this time

Han

do

ver

Co

mp

leti

on

17) Path Switch RequestECGI, TAI, Received UE Security Capability, E-RAB to be switched in DL (E-RAB ID, S1 Target eNB TEID)

Create S1 TEID (DL) 18) Modify Bearer RequestEPS Bearer in DL (EPS Bearer ID, S1 Target eNB TEID), ECGI, TAI

19) Modify Bearer RequestEPS Bearer ID, ECGI, TAI 20) Indication of IP-CAN Session Modification (CCR)

IMSI, UE IP, ECGI, TAI21) Acknowledge of IP-CAN Session Modification (CCA)

EPS Bearer ID23) Modify Bearer Response

22) Modify Bearer Response

EPS Bearer in DL (EPS Bearer ID)

24) Switch to DL pathFor re-ordering in the Target eNB, the S-GW sends “End-Marker” packet(s) on the old path immediately after switch the path

Send “End Marker” PacketS1 Bearer (UL/DL)


EM

S5 Bearer (UL/DL) InternetS1 Bearer (UL/DL)DRB (UL/DL)

25) Target eNB sends packets to UE from old path (X2) until receiving “End-Marker”, after then it sends packets from new path (S1)

26) Path Switch Request AckE-RAB to be switched in UL (E-RAB ID), Security Context (NCC, NH)

27) UE Conext Release

EM

Source eNB release UE context

S1 Bearer Established (DL)

Receive S1 TEID (DL)

X2 Transport Bearer (DL)Released

S1 Bearer Released (UL/DL)

UE S-GWMMEeNB

Source Target

eNB PCRFHSSP-GW

ECM Connection

ECM-Connected

RRC-Connected

EMM-Registered

RRC-Connected

ECM-Connected

EMM-Registered

Store (NCC, NH)

eNB

Source

S-GWEnd Marker

UE

EM3 4

5

3 4 5 EM

EM

Target eNB

UE

S-GW

eNB

Source

X2

S1

S5 BearerS1 Bearer DRB

S5 GTP-C ConnectionS11 GTP-C ConnectionS1 Signaling Conn.RRC Connection


14

TEID를 전달하면서 하향 S1 베어러가 변경되었음을 알리고, 베어러 경로를 변경할 것을 요청한다. S-

GW는 이를 수신하여 target eNB로 하향 S1 베어러를 설정한다. 만약 UE 초기 접속 과정에서 EPS 세

션이 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.

24) [S-GW] EPS 베어러 경로 변경 및 EM 패킷 전송

S-GW는 하향 S1 베어러 경로가 변경되었으므로 DL 패킷 전송 경로를 target eNB와 설정된 하향 S1

베어러로 변경한다. 이를 위한 절차로 먼저 source eNB와 설정되어 있는 하향 S1 베어러로 마지막 패

킷임을 나타내는 EM(End Maker)를 전송하고, 이 후 변경된 하향 S1 베어러를 통해 target eNB로 DL

패킷을 전송한다.

25) [Target eNB] 패킷 Re-ordering

이제 target eNB는 X2 transport 베어러를 통해 source eNB로부터 전달되어 오는 DL 패킷과 하향 S1

베어러를 변경한 S-GW가 전송하는 DL 패킷이 모두 수신될 수 있으므로, target eNB는 DL 패킷을 순

서대로 사용자에게 전달할 수 있어야 한다. Target eNB는 먼저 X2 transport 베어러를 통해 수신되는

DL 패킷을 사용자에게 전송하면서 EM이 수신되면 X2 transport 베어러를 통한 마지막 패킷임을 인지하

고 이 후 S1 베어러를 통해 수신되는 DL 패킷을 사용자에게 전송한다.

26) [Target eNB MME] EPC에서 베어러 경로를 변경했음을 알림

MME는 target eNB에게 Path Switch Request Ack 메시지를 전송하여 S-GW가 EPS 베어러(S1 베어러)

경로를 변경했음을 알리고, 향후 UE가 다른 셀로 핸드오버 시 사용할 수 있도록 핸드오버용 Security

Context인 {NCC(NH Chaining Count), NH(Next Hop)}를 전달한다13.

27) [Source eNB Target eNB] UE Context를 해제해도 됨을 알림

Target eNB는 {NCC, NH}를 저장하고, 이제 UE의 베어러 경로 변경이 모두 끝났으므로 source eNB

에게 UE Context Release 메시지를 전송하여 UE Context를 해제하도록 한다.

13 Security는 본 문서 범위 밖으로 핸드오버 시 Security에 대한 상세 설명은 본 문서에서 다루지 않는다.


15

IV. EPS Entity Information: Before/After X2 Handover

이 장에서는 X2 핸드오버 전·후에 EPS 엔터티에 있는 정보를 살펴본다. 각 엔터티 정보는 UE ID 관련 정보,

UE Location 관련 정보, Security 관련 정보, EPS Session/Bearer 관련 정보로 분류하여 표시한다.

4.1 Before X2 Handover

핸드오버가 시작되기 전에 사용자는 EMM-Registered, ECM/RRC-Connected 상태에 있으므로, EPS 엔터티들에

있는 정보는 EMM Case 1. Initial Attach 또는 EMM Case 4. Service Request 후에 EPS 엔터티에 유지되고

있는 정보와 같다. 즉, E-UTRAN 및 EPC에서 할당한 모든 자원과 모든 UE Context 정보들이 EPS 엔터티

들에 설정되어 있다. 그림 8은 X2 핸드오버 전 EPS 엔터티에 있는 정보를 나타낸다.

그림 8. Information in EPS entity before X2 Handover

SPRPCRFP-GWS-GWUE Source eNB

IMSIGUTIUE IP addressC-RNTI--

LTE KNAS Security InfoAS Security Info

ECGITAITAI List-

APN in UseEPS Bearer IDDRB ID---QCI--APN-AMBR (UL)TFT (UL)-

IMSIGUTIUE IP address-eNB S1AP UE IDMME S1AP UE ID

-NAS Security Info-

APN in UseEPS Bearer ID-E-RAB IDS1 TEID (UL/DL)S5 TEID (UL/DL)QCIARPUE-AMBR (UL/DL)APN-AMBR (UL/DL)-Subscribed Profile (Subscribed QCI, ARP, UE-AMBR, APN-AMBR)

ECGITAITAI List-

IMSI-----

LTE K--

---MME ID

PCRF

HSS SPR

---C-RNTIeNB S1AP UE IDMME S1AP UE ID

--AS Security Info

ECGITAI--

-EPS Bearer IDDRB IDE-RAB IDS1 TEID (UL/DL)-QCIARPUE-AMBR (UL/DL)---

Default APN----------Subscribed Profile (Subscribed QCI, ARP, UE-AMBR, APN-AMBR)

IMSI-----

---

-----------Access Profile (Subscribed QCI, ARP, APN-AMBR)

----

IMSI-UE IP address---

---

APN in Use-----QCI*ARP*-APN-AMBR (UL/DL)*SDF Filter*-

* PCC Rule

ECGITAI--


---

APN in UseEPS Bearer ID---S5 TEID (UL/DL)QCI*ARP*-APN-AMBR (UL/DL)*TFT (UL/DL)*-

* PCC Rule

ECGITAI--

IMSI-----

---

-EPS Bearer ID--S1 TEID (UL/DL)S5 TEID (UL/DL)QCIARP----

ECGITAI--

S5 BearerData Radio Bearer S1 Bearer

EPS Bearer

RRC Connection S1 Signaling Connection

ECM ConnectionControl Plane S11 GTP-C S5 GTP-C

P-GWUE

MME HSS

MME

UserPlane

Target eNB

------

---

----

------------

eNB

Target

S-GWeNB

Source


16

4.2 After X2 Handover

핸드오버를 마친 후 사용자는 계속 EMM-Registered, ECM/RRC-Connected 상태를 유지한다. EPS 엔터티들이

유지하는 정보의 종류는 같으나 UE 위치 정보가 수정되고, source eNB에 있던 E-UTRAN 자원 및 UE

Context 정보는 해제되고 target eNB에 E-UTRAN 자원 및 UE Context 정보가 설정된다. 그림 9는 X2 핸

드오버 후 EPS 엔터티에 있는 정보를 나타낸다(Target eNB는 source eNB가 지원하던 QoS를 지원하며, PCC

정책에 따라 UE가 접속한 셀이 변경시 PCRF로 보고하도록 되어 있는 경우이다). 핸드오버 전과 비교하여 값

이 변경된 정보를 파란색으로 표시하였다.

그림 9. Information in EPS entity after X2 Handover

III. 마치는 글

핸드오버 전·후로 MME와 S-GW가 변하지 않는 intra-LTE 환경에서 X2 핸드오버 절차를 살펴보았다. X2

핸드오버는 EPC의 개입 없이 source eNB와 target eNB가 협력하여 핸드오버를 수행하며, 핸드오버 단절 시

간(handover interruption time) 동안 X2 transport 베어러를 통하여 DL 패킷을 전달함으로써 패킷 손실을 방

지함을 보았다. 이어서 3편에서는 intra-LTE 핸드오버 환경에서 S1 핸드오버 절차를 상세히 기술하고, X2

핸드오버와의 차이를 살펴보도록 한다.

SPRPCRFP-GWS-GWUE Source eNB

IMSIGUTIUE IP addressC-RNTI--

LTE KNAS Security InfoAS Security Info

ECGITAITAI List-

APN in UseEPS Bearer IDDRB ID ---QCI--APN-AMBR (UL)TFT (UL)-

IMSIGUTIUE IP address-eNB S1AP UE IDMME S1AP UE ID

-NAS Security Info-

APN in UseEPS Bearer ID-E-RAB IDS1 TEID (UL/DL)S5 TEID (UL/DL)QCIARPUE-AMBR (UL/DL)APN-AMBR (UL/DL)-Subscribed Profile (Subscribed QCI, ARP, UE-AMBR, APN-AMBR)

ECGITAITAI List-

IMSI-----

LTE K--

---MME ID

------

---

----

------------

Default APN----------Subscribed Profile (Subscribed QCI, ARP, UE-AMBR, APN-AMBR)

IMSI-----

---

-----------Access Profile (Subscribed QCI, ARP, APN-AMBR)

----


---

APN in Use-----QCI*ARP*-APN-AMBR (UL/DL)*SDF Filter*-

* PCC Rule

ECGITAI--


---

APN in UseEPS Bearer ID---S5 TEID (UL/DL)QCI*ARP*-APN-AMBR (UL/DL)*TFT (UL/DL)*-

* PCC Rule

ECGITAI--

IMSI-----

---

-EPS Bearer ID--S1 TEID (UL/DL)S5 TEID (UL/DL)QCIARP----

ECGITAI--

MME HSSTarget eNB

---C-RNTIeNB S1AP UE IDMME S1AP UE ID

--AS Security Info

ECGITAI--

-EPS Bearer IDDRB IDE-RAB IDS1 TEID (UL/DL)-QCIARPUE-AMBR (UL/DL)---

PCRF

HSS SPR

S5 BearerData Radio Bearer S1 Bearer

RRC Connection S1 Signaling Connection

Control Plane S11 GTP-C S5 GTP-C

S-GW P-GW

MME

UserPlane

ECM Connection

EPS Bearer

eNB

Source

UE eNB

Target


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17

참고문헌

[1] 넷매니아즈 기술문서, “LTE EMM Procedure: 6. Handover without TAU (1편) – Overview of

Handover”, June 2012, http://www.netmanias.com/bbs/zboard.php?id=1x_TechdocsForum_4G

[2] 3GPP TS 36.423, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2

Application Protocol (X2AP)”

[3] 3GPP TS 36.331, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource

Control (RRC); Protocol Specification”

[4] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Security II”, June 2011,

http://www.netmanias.com/bbs/zboard.php?id=1x_TechdocsForum_4G

[5] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Security I”, May 2011,


[6] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.




netmanias.2012.07.05 emm procedure 6. handover without tau (part 2)

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