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전자통신동향분석제 25 권제 6 호 2010 년 12 월 네트워크컨버전스를위한 LTE Mobility Management 기술 LTE Mobility Management for Network Convergence 네트워크기술의미래전망특집 송평중 (P.J. Song) 신연승 (Y.S. Shin) 인터넷미래서비스연구팀책임연구원 개방형기지국연구팀팀장 목차 Ⅰ. 개요 Ⅱ. LTE 시스템구성 Ⅲ. LTE 핸드오버요소기술 Ⅳ. LTE 핸드오버시나리오 V. LTE-Advanced 의핸드오버성능개선 Ⅵ. 결론 LTE 시스템에서이동성관리란단말의아이들상태에서수행되는셀재선택기능과단말의통신중에수행되는핸드오버기능을모두포함한다. 특히, 핸드오버기술은 통신중끊김없는서비스보장 이라는단순기술형태에서 UMTS, HSPA 및 CDMA2000-1X 등서로다른네트워크간의컨버전스를통하여효과적인트래픽로드분산, 사업자의초기시설투자부담감소, 그리고가입자의자유로운네트워크선택및이에따른저렴한요금혜택등사업자와가입자모두에게새로운비즈니스모델을제공하는복합기술형태로진화되고있다. 본고에서는 LTE/LTE-Advanced 시스템에서무선링크측정, 타깃셀결정, 패킷손실관리, 타깃셀로의통신로스위칭등일련의고속제어절차를통하여 packet lossless-, timeless- 및 seamless- connectivity 가가능하도록설계된핸드오버기술전반을무선액세스네트워크관점에서다룬다. 본고에사용된정보소스는 3GPP LTE 표준문서에기반한다. 38 C 2010 한국전자통신연구원

송평중외 / 네트워크컨버전스를위한 LTE Mobility Management 기술 I. 개요 Ⅱ. LTE 시스템구성 이동통신시스템에서이동성관리 (mobility management) 란통상적으로단말의아이들상태 (idle mode) 에서수행되는시스템재선택 (cell/systemreselection) 기능과단말의통신중 (active mode) 에수행되는핸드오버기능을모두포함하나, 본고에서는기능범위가보다넓은핸드오버기술을중심으로기술한다. 핸드오버기술은 통신중끊김없는서비스보장 이라는단순기술형태에서사업자의초기시설투자부담감소및효과적인트래픽로드분산효과를비롯, 가입자와사업자모두에게새로운비즈니스모델을제공하는복합기술형태로진화되고있다. 3GPP LTE에서는이러한상황을가급적표준에반영하기위하여매크로셀과홈셀 (Home enodeb) 간의 CSG 핸드오버를비롯, 셀간핸드오버 (IntereNodeB), WCDMA/HSPA 등 3GPP 패밀리시스템간이루어지는무선액세스방식간핸드오버 (Inter- RAT), 그리고 CDMA/WiFi 계열등의 Non-3GPP 시스템간이루어지는시스템간핸드오버 (Inter-system) 등다양한형태의기술이있다. 최근엔가입자가핸드오버로인한통신두절을거의느끼지못하도록하는고속핸드오버 (seamless handover) 기술이더욱개선되고있다. 본고에서는 3GPP에서개발된 LTE 시스템 1) 의핸드오버핵심요소기술과 LTE-Advanced에서일부개선중인요소기술을요약정리한다. 1) 3GPP에서개발중인 4세대 (3.9G 포함 ) 셀룰러시스템인 EPS (Evolved Packet Service) 시스템은무선액세스네트워크중심의 LTE(Long-Term Evolution) 와코어네트워크중심의 SAE(System Architecture Evolution) 를총괄하는용어이나, 여기서는편의상 LTE를시스템레벨 (EPS) 로사용한다. LTE 시스템은 시스템아키텍처의단순화를통한시설비용절감과다양한시스템간의인터워킹을통한서비스연속성 (service continuity) 등이가능한시스템이다. 단말은 ( 그림 1) 과같이기지국 (enodeb) 과 Gateways(S-GW, PDN-GW) 등두개의노드만을거쳐일반공중네트워크 (Public Internet) 에바로연결되며, 그중간에단말의인증 / 등록등을관리하는 MME 가자리잡고있다. 특히, LTE 시스템은여러종류의액세스네트워크를상호결합시키기위해, S-GW와 P-GW를두고있는데, S-GW는 GPRS/UMTS 등의기존 3GPP 시스템과, P-GW는 CDMA2000-1X/WiFi 등의 Non-3GPP 시스템과의인터워킹을주관한다. ( 그림 1) 의구조는 3GPP 회원사간 2년간의열띤논쟁끝에 2007년 2월 St. Louis, SA2 회의에서극적으로합의된구조이며, 보다구체적인내용과용어는 3GPP TS 23.401 문서를참조바란다 [1]. 사용된주요엔티티의기본기능과주요인터페이스의기본기능은 < 표 1> 과 < 표 2> 에각각정리되어있다. LTE-Uu UE UTRAN GERAN enodeb SGSN S3 S1-MME MME S10 S11 S1-U HSS S6a S4 Serving Gateway S12 S5 S7 PDN Gateway PCRF SGi ( 그림 1) LTE/EPS 시스템의기본구조 Rx+ Operators IP Services (e.g. IMS, PSS etc.) C 2010 한국전자통신연구원 39

전자통신동향분석제 25 권제 6 호 2010 년 12 월 < 표 1> LTE 시스템의주요엔티티별기본기능 엔티티 기본기능 <Phase 1> HO Preparation <Phase 2> HO Execution <Phase 3> HO Completion MME enodeb 비무선계열기능수행 (Non-Access Stratum) 일례로, 페이징, 위치등록, 인증등 Idle 모드상태의단말을관리하는기능을담당함 3GPP Rel.6 에서의 PMM 과 SM 기능에해당 무선계열기능수행 (Access Stratum) LTE 액세스네트워크의기능을대부분담당함 (PHY (RF/Modem), MAC, RLC, RRC 및 RRM 등 ) 3GPP Rel.6 에서의 (NodeB+RNC) 에해당 <Radio-domain> Measurement(L1) & Triggering(L3) Neighbor Cell (Cell or System) Discovery Target Cell Selection Admission Ctrl, Context-transfer & Target Cell Configuration (Option) Security & QoS Re-negotiation Forwarding, Target-cell Acquisition Path Switching & Serving Cell Release <IP-domain> Update Routing Area Update Location and Subscriber Data to HSS, etc. S-GW Mobility Anchor (Inter-eNB & Inter-3GPP Mobility) Mobile Access Gateway (MAG) (PMIP based), etc. Target Cell Selected Target Cell Acquired Service Resume via Target Cell P-GW PCRF PMIP Ⅲ. LTE 핸드오버요소기술 1. LTE 핸드오버모델 Mobility Anchor (Non-3GPP Mobility) Local Mobility Anchor (LMA), (IETF) (PMIP based), etc. QoS Policy Control Charging Policy Control, etc. S-GW - P-GW 간에사용되는 L3 Mobility 프로토콜 < 표 2> LTE 시스템의주요인터페이스별기본기능 인터페이스 S1-U S1-MME S2a/b S3, S4 GTP 기본기능 User Plane Protocol between enodeb and S- GW Control Plane Protocol between enodeb and MME Client and Network based Mobility (IETF based) S5, S8, S10 GTP and IETF based Mobility Protocol S11 Interface between MME and Serving SAE GW LTE 핸드오버수행은 ( 그림 2) 와같이 준비, 실행, 완료 등 3단계모델에기반하며, 이모델은모든 ( 그림 2) LTE 시스템의핸드오버요소기술핸드오버유형에적용가능하다. 이모델은 3GPP에서네트워크가단말에비하여보안성이좋고안정적관리가용이한이유로채택한네트워크제어기반의핸드오버 (network controlled handover) 방식에기준한다. 하지만, 단말의이동으로 IP-level 접속점 (point of attachment) 이변경될경우, IP 도메인상의 L3 mobility 절차가추가로필요한데, 본고에서는무선도메인 (radio domain) 상의 L2 mobility(radio mobility) 위주로다룬다. LTE 핸드오버는기본적으로 MAHO 기법을채택하고있다. 단말이측정하고네트워크가제어하는전형적인핸드오버방법이다. 이하에서는 LTE radio mobility의요소기술중일부를핸드오버가진행되는순서에따라기술한다. 2. 무선링크측정무선링크측정 (measurement) 기술은핸드오버실행에필요한첫번째기술로써단말의측정기능에해당되는데, 주요기술은서빙중인셀의통신품질에 40 C 2010 한국전자통신연구원

송평중외 / 네트워크컨버전스를위한 LTE Mobility Management 기술 최소한의영향을주면서인접셀 (prepared cell) 의무선링크품질을빠르고효과적으로탐색, 측정하는것이다. 여기서, 인접셀이란핸드오버가 LTE 시스템에서이루어지면 LTE 셀 (enodeb) 이되고, 이종시스템간에이루어지면타시스템의셀 (BTS, NodeB, AP) 이된다. 무선링크측정의대표적방법은아래와같다. Packet Scheduling: MAC 의패킷스케줄링이결정해주는측정주기패턴 (M-G-P) 에따라단말이인접셀 ( 혹은시스템 ) 을측정하는방법 DRX/DTX Operation: 패킷전송의특징을이용, 단말이신호를수신하거나송신하지않은시간 (DRX/DTX periods: Discontinuous Reception/Transmission) 에인접셀을측정하는방법 Combined Operation: 현재주어진 DRX/DTX operation으로인접셀의측정이충분하면 DRX/ DTX 모드를사용하고, 충분치않으면기지국이 M-G-P를발생하여, 이정보를단말에알려인접셀을측정하게하는방법이외에도, 단말의속도클래스를세분화 (low, medium, high) 하여핸드오버파라미터를달리적용하고이로써핑퐁효과등을줄이는측정방법도있다. 3. 인접셀탐색기존 2G, 3G 시스템의핸드오버는주로동일시스템내부로제한되었으나, LTE 에서는 multi-rat mobility 이슈를핵심기술로부각시키면서타깃셀의탐색대상은동일시스템의인접셀은물론타시스템의인접셀도포함하게되었다. 인접셀탐색 (neighbor discovery and selection) 은이같은상황을반영하기위해여러유형의액세스네트워크가오버레이된환경에서인접셀을탐색하고, 일정기준에 Type-1 HO Execution & Completion HO Preparation Measurement Neighbor Discovery Evaluation Target System Selection Selected Tar-System? Type-n HO Execution & Completion Inter-RAT RRM Function - User Aspects - Network Aspects - Operator Aspects - etc. ( 그림 3) 인접시스템탐색및선택절차 따라탐색결과를평가한후최종적으로타깃셀 / 시스템을선택하는기술이다 (( 그림 3) 참조 ). 인접셀탐색은앞절의무선링크측정기능을이용하고, 인접셀평가는단말의인접셀측정결과에따라이루어진다. 특히, 이종시스템간핸드오버의경우, 인접셀평가는인접셀의측정결과뿐아니라아래요소가추가고려될수있다. 단말요인 : 무선환경, 서비스특성 (e.g. QoS), 가입자선호도, 단말배터리수명및능력 네트워크요인 : 부하레벨, 시스템간간섭레벨, 시스템가용도및제공능력 사업자요인 : 자원관리정책, 과금정책등 사실, 타깃셀선택방법은사업자정책에따르는구현이슈이다. 일례로, 정책기반의무선자원관리에의한선택방법 (policy based RRM), 단말이현위치에서측정한인접시스템정보를이용하여선택하는방법 (positioning-aware selection), 그리고 utility function과같은특수알고리듬을이용하는방법등이고려될수도있다. 또한, 코어네트워크 (SAE) 에서는 ( 그림 4) 와같이 ANDSF라는별도의엔티티를이용하여타깃시스템 C 2010 한국전자통신연구원 41

전자통신동향분석제 25 권제 6 호 2010 년 12 월 UE 을선택하는방안도있다. 오버레이네트워크환경에서사업자정책에따라 3GPP(UMTS) 및 Non-3GPP(CDMA2001-X) 등의인접시스템탐색범위를대상으로타깃시스템을선택할수있도록타깃시스템선택에필요한데이터관리와제어기능을지원한다. 단말과 ANDSF 엔티티간의관련정보를주고받기위한 read/write 용참조점 (Sx/Sy) 과관련메커니즘 (pull-push) 이함께정의된다 [2]. 4. 패킷손실관리 3GPP IP Access or Trusted/Untrusted Non-3GPP IP Access Trusted/Untrusted Non-3GPP Accesses UMTS 시스템은소프트핸드오버기술을채택하고있어핸드오버기간중정보손실이발생하지않으나, LTE 시스템은복잡성, 전략성등의이유로하드핸드오버기술을채택함으로써패킷손실이발생한다. 패킷손실관리 (packet loss management) 는하드핸드오버기간중발생하는패킷손실을최소화하기위한기술이며, LTE 시스템에서는 GERAN과같은서킷교환방식의핸드오버에준하는저손실의패킷관리를요구하고있다. 그해법으로아래 3가지가제안된다. Bi-casting: 코어네트워크의게이트웨이 (S-GW/ P-GW) 에서소스 / 타깃두기지국으로동시 Bicasting하는기술 (Bi-casting 시점의결정이어 Sx Sy ( 그림 4) ANDSF 에의한인접셀탐색 ANDSF 려워데이터유실가능 ) Do Nothing: 코어네트워크의게이트웨이에서통신 path 를소스셀로부터타깃셀로단순히스위칭시키는기술 (2G/3G 시스템의저속데이터전송으로데이터유실가능 ) Packet Forwarding: 소스셀에서패킷데이터를버퍼링한후타깃셀로포워딩하는기술 ( 데이터유실이작아대부분선호 ) 아울러, 서비스특성에따른 combined 방식으로, 다소복잡하고실시간 QoS가보장되지않으나데이터유실이적은 data forwarding 방식 ( 비실시간서비스 ) 과단순하고실시간 QoS 가보장은되나데이터유실이발생하는 Do Nothing ( 실시간서비스, TCP) 방식을함께사용하는방안도있다. < 표 3> 은 EPS 시스템의패킷손실최소화방안을비교한것이다. < 표 3> EPS 시스템의패킷손실감소방안비교 Attributes 5. 타깃셀접속 Bi-casting (Nortel) Forwarding (Alcatel) Do Nothing (Motorola) Complexity Medium High Very low Lossless handovers Handover interruption time Backhaul 대역요소 Not possible Possible Not possible No impact No impact No impact High Medium Low 앞서와같이타깃셀 / 시스템이결정되면타깃기지국은핸드오버호 (new call) 를받아들이기위한수락제어 (admission control), 무선자원할당및랜덤액세스절차를차례로수행한다. 수락제어는타깃셀의무선자원부족으로인한핸드오버실패확률을최소화시키는역할을한다. 수락제어가허용되면단말은타깃셀과접속하기위한랜 42 C 2010 한국전자통신연구원

송평중외 / 네트워크컨버전스를위한 LTE Mobility Management 기술 덤액세스절차를시도하며, 이때사용되는랜덤액세스프리앰블 (RACH preamble) 은 64개의단말이동시에한개기지국을액세스할수있는프리앰블시퀀스자원 (6bits) 을지원하며전체 1ms의프리앰블구조를갖는다 (( 그림 5) 참조 ). LTE 시스템의경우, 실제로랜덤액세스소요시간에비례하는핸드오버통신단절시간은동일시스템의경우수십 ms에불과해그리문제가안되나, 타시스템으로넘어가는핸드오버의경우는수백 ms에달할수있어, 앞서말한패킷손실관리와더불어통신단절시간의최소화는중요한이슈에속한다. 통신단절시간의최소화는기술적혹은시스템운용상의노하우에해당된다고볼수있다. 일례로, 단말이현위치에서각종액세스정보를네트워크 DB에실시간으로보고하여갱신하는방법 ( Terminal position-aware approach ) 과, Aloha 기반의전형적인액세스방식 (contention based) 을개선하여단말이기지국으로부터특정프리앰블 (pre-assigned HO 지시 HO 시도 2 UE S-eNB T-eNB HO Req Ack HO Command 1 (RA preamble assigned for fast handover) RACH Preamble (Non-Contention based) Adimission Control Res. Alloc. preamble) 을할당받아타깃시스템을액세스 (noncontention based) 하는방법등이있다. 물론, 이같은경우에는기지국이내려주는시스템정보에타깃시스템의캐리어주파수, 대역폭및각종오프셋등액세스파라미터가포함되어있어야한다 [3]. 6. 패킷접속로스위칭 앞 4절의패킷포워딩 (packet forwarding) 방법의경우, 패킷은두갈래의 path 를통하여내려오므로패킷의순서교란이발생될수있다. ( 그림 6) 에서, S-GW 로부터타깃셀 (T-eNB) 로직접내려오는패킷이소스셀 (S-eNB) 을거쳐돌아오는패킷보다타깃셀에먼저도달하는경우이다. 이러한현상은패킷이 X2 인터페이스라는우회 path를거치면서추가적인전송지연이발생하는데기인한다. 이같은패킷순서교란을최소화하는방법은없을까? 그해법중의하나는타깃셀에특수타이머 (e.g. reordering-timer) 를사용하여, 소스셀을거쳐들어오는패킷을모두받기까지는 S-GW 로부터직접내려오는패킷수신을보류하는것이다. 이렇게되면타깃셀은리오더링을수행하지않아도되며, 리오더링을위한시간도벌게된다. 이외에 X2 인터페이스로 Serving GW 4 RACH Response (TA, S-Grant) UL/DL Synchronized 3 S1 Path Switch CP Preamble Sequence (6bits: 64 signatures) GP S-eNB Stop! T-eNB Tcp (0.1ms) Tra (0.8ms) Tgp (0.1ms) ( 그림 5) 핸드오버에서의타깃셀접속절차와랜덤액세스프리앰블구조 X2 Radio Layer ( 그림 6) Path Switching 사례 C 2010 한국전자통신연구원 43

전자통신동향분석제 25 권제 6 호 2010 년 12 월 포워딩되는패킷이마지막임을알려주는 Last packet control 방식도있다 [4]. 앞서말한 LTE 핸드오버요소기술을배경으로 LTE 시스템에서의셀간핸드오버시나리오 (IntereNodeB) 에대한핸드오버총소요시간과순수통신단절시간을추론해본다 [2]. 7. 기타관련기술 마지막으로, 핸드오버를이용한응용사례로써셀간의부하제어기술을살펴본다. ( 그림 7) 의상단에서와같이 cell A에비해 cell C의트래픽이폭주상태인경우, 셀간의 load balancing 방법중의하나는 cell C의일부트래픽을 cell A로퍼넘기는것이다. 이는 cell A와 cell C의핸드오버파라미터를최적화시켜두셀의 coverage 와 capacity를조정함으로써성취될수있다 [4]. 이외의요소기술로는핸드오버호를위한 endto-end QoS 제어, end-to-end security 제어, serving-cell release, 핸드오버완료후의단말위치갱신등여러절차가있으나본고에서는생략하기로한다 [4]. Cell A Cell C Cell D Cell B - Periodically exchange cell traffic load information - Detect congestion Optimize HO parameters between Cell A and Cell C Cell A Cell C Cell D - Load is balanced between Cell A and Cell C Cell B ( 그림 7) Cell A 와 Cell C 간의 Load-balancing Ⅳ. LTE 핸드오버시나리오 1. 핸드오버시나리오 (Inter-eNodeB) 단말이동일 LTE 시스템에서소스셀 (S-eNB) 에서타깃셀 (T-eNB) 로핸드오버하는시나리오이다 (( 그림 8) 참조 ). S-GW S-eNB Public Internet Handover T-eNB ( 그림 8) Inter-eNB 핸드오버모델 이시나리오는 ( 그림 9) 의핸드오버절차와같이 3 단계연속동작으로수행된다. 아래의각번호는 ( 그림 9) 의핸드오버단위동작번호에매핑된다. HO Preparation phase(1-6) HO Execution phase(7-9) HO Completion phase(10-15) 첫단계로, HO Preparation(1-6) 은타깃셀을결정하고, 타깃셀의자원을설정하는단계이다. 단계 1: 단말이측정한소스기지국 (S-eNB) 의수신신호세기가일정임계치이하로떨어지고타깃셀 (T-eNB) 의측정수신세기가일정임계치이상으로증가하는경우, 단말은 Measurement Report(1) 를소스셀에보낸다. 단계 2: 소스셀은앞서말한 3절의인접셀탐색기술과무선자원관리 (RRM) 기술의지원을받아 44 C 2010 한국전자통신연구원

송평중외 / 네트워크컨버전스를위한 LTE Mobility Management 기술 Public Internet via PDN-GW S-GW & MME appserver S-eNB Start! Current Path (12) Path SW T-eNB (15) Update Location to MME, etc. (11/11a) Path Switch/Ack RRM (2) HO Decision (T-eNB) (14) Flush Buf, Release Resource (6) Stop DL Data & Buf (7 ) HO Command (1) Measurement Report (13 ) Release Resource (7) DL Packet Forwarding(GTP) (5) HO Request Ack (3) HO Request (via X2) Handover (8) UL Data Stop & Buf ( 그림 9) Inter-eNB 핸드오버절차 (4) HO Tasks (10) HO Confirm (9/9a) Random Access to Target-cell 타깃셀을결정한다 (2). 단계 3/4: 이후소스셀로부터핸드오버요청 (handover request, 3) 을수신한타깃셀은주어진태스크 (4) 를차례로수행한다. 예로, 핸드오버호에대한수락제어 (admission control), 단말컨텍스트정보저장 (store UE-context), 새로운단말식별번호할당 (new C-RNTI) 그리고타깃의무선자원형상구성 (configure T-eNB) 등이이에해당된다. 단계 5/6: 이후타깃셀은태스크수행결과에대한응답을소스셀에통보하고 (5), 소스셀은바로이어네트워크에서내려받은다운링크패킷송출을중지하고버퍼에쌓아둔다 (6). 버퍼에저장된패킷은 X2 인터페이스상에형성되는 GTP 터널을통하여소스셀에서타깃셀로포워딩된다. 이로써핸드오버 1단계가종료된다. 두번째단계로, HO Execution(7-9) 은패킷을포워딩하고타깃셀을액세스하는단계이다. 단계 7/8: 소스셀로부터 handover command 메시지 (7) 를수신한단말은업링크패킷의전송을중단하고이를버퍼에저장한다 (8). 단계 9/9a: 이와동시에단말은 handover command 메시지에실려온타깃액세스정보를이용, 타깃셀을액세스하여업링크시각동기화를이루고패킷교환에필요한무선자원을요청할당받은이후, 그응답을받는다 (9/9a). 마지막단계로, HO Completion(10-15) 은 path switching을행하고소스셀의자원을해제하는단계이다. 단계 10: 단말이타깃셀과접속완료한후이완료사실을 handover confirm 메시지 (10) 를통해코어네트워크의 S-GW 에보고하면, 단계 12: S-GW는소스셀에서타깃셀로 path switching을수행하게된다 (12). 단계 13/15: 이후소스기지국에할당된모든자원은해제되며 (13/14), 필요에따라위치갱신과라우팅갱신절차가수행된다 (15). C 2010 한국전자통신연구원 45

전자통신동향분석제 25 권제 6 호 2010 년 12 월 2. 핸드오버소요시간 ( 그림 10) 은 LTE Inter-eNodeB 핸드오버 (SeNB T-eNB) 절차를단순화한것이다 [4]. 핸드오버인터럽션시간은단말이핸드오버지시메시지 (HO command) 를수신한직후부터, 계층 1/2를이용한타깃셀 (T-eNB) 로의랜덤액세스소요시간 (a) < 표 4> One-way Delay 에대한추정치 [4] (S-eNB T-eNB) Comp. Cause [ms] Radio layer process UL RRC signaling DL RRC signaling Forwarding delay - DL synch time, incl. BB & RF switching time - UL resource request & TA acquisition - UL resource granting - RRC msg encoding at the transmitter - RRC transmission on the radio interface - RRC processing time at the receiver 12± 2.5 6.5 - Same as above 6.5 - Src enb processing - Packet transmission over the X2 interface Total HO interruption time 5 25ms 과계층 3을이용한핸드오버완료절차 (b/c) 소요시간을포함한다 [5]. < 표 4> 는 ( 그림 10) 에따라핸드오버인터럽션시간을추정한것이며, 이들추정치는핸드오버성능을예측하기위한단순참고치이다. 참고로, ( 그림 9) 와같이핸드오버 3단계 (preparation~completion) 에소요된핸드오버총소요시간은 68ms 로추산된다 [2]. Ⅴ. LTE-Advanced 의핸드오버성능개선 1. LTE 핸드오버파라미터평가 LTE 시스템이현장에깔리면겪게될어려움의하나는예기치못한전파환경의변화에따른무선링크문제혹은핸드오버파라미터세팅값의부적절함으로인한핸드오버동작실패이다. 이경우, 실패복구프로세스는단말이원래의소스셀로복귀하거나, 핸드오버가준비된인접셀로접속하거나아니면, WCDMA/HSPA 등의다른시스템을재선택하는것이다. 이러한프로세스가모두실패로끝나면단말은 UL UE Measurement Report S-eNB HO Request T-eNB MME/ UPE DL U-plane Active HO Command HO Request Confirm U-plane Active (a) Interruption due to Radio L1/L2 Layers DL Synchronisation + Timing Advance + UL Resource Request/Grant Data Forwarding (Background Process) (b) Interruption due to UL RRC Signaling (c) Interruption due to DL RRC Signaling HO Complete Ack U-plane Route Update (Path Switch) (d) Interruption due to Path Switch U-plane Active Data Forwarding May Continue even after Path Switch Forwarded Data Only U-plane Active ( 그림 10) Inter-eNB 핸드오버메커니즘형상 (S-eNB T-eNB) 46 C 2010 한국전자통신연구원

송평중외 / 네트워크컨버전스를위한 LTE Mobility Management 기술 HO Command 수신 A. RLF 발생 - HO Failure T304 T304 Time-out B. RLF Recovery T311 (1) 소스셀복귀 Time-out (2) 타깃셀재접속 (3) Another RAT 재선택 T311 ( 그림 11) RLF 대처프로세스 C. RRC Idle 복구절차를포기하고호실패로처리되어아이들상태 (RRC idle) 로빠지게된다 (( 그림 11) 참조 ). LTE Rel-9에서는핸드오버의 potential problem 을사전발굴하고평가하여그성능을개선하고자 LTE 핸드오버평가작업이이루어졌으며, 주로앞서말한무선링크실패 (RLF) 이슈에집중하였고, 쟁점이된주요파라미터로는 handover failure rate, probabilities of radio link failure, handover interruption time 이고려되었다. 한편, 고속으로이동하는단말이혼잡지역이나도심계곡 (urban canyon) 과같은상황에서 1초에 25dB 이상의경로손실을겪어핸드오버지시메시지 (HO command) 를수신하여도디코딩하기어렵게되는경우, 경로손실을극복하기위한무선링크복구 (RLF recovery) 절차는데이터전송지연 (latency) 을유발하게되고 (~200ms) 동시에타깃셀의시스템정보 (SIB1 & SIB2) 를추가로요구하여결국, 실시간서비스에대한품질저하 (QoE disruption), TCP 타임아웃, 전송효율감소, 그리고호손실 (lost call) 을유발하게될수있다고평가되었다. 또한, 이들핸드오버평가작업은맨해턴과같은대도시지역을대상으로핸드오버시뮬레이션 (72 enbs, building block size 200m 200m) 을거쳐이루어질수있는데, 일례로, 무선링크실패로 (RLF) 단말이전송한핸드오버트리거링메시지 (measurement report) 가소스기지국에전달이안되거나, 혹은소스기지국이보낸핸드오버지시메시지가단말에전달이안되는경우, 관련핸드오버의임계치나핸드오버파라미터를조정하여무선링크실패율을감소시킬수있다고조사되었다 [5]. 2. LTE-Advanced 의핸드오버이슈 4G에해당하는 LTE-Advanced에서의핸드오버는 3.9G 격인 LTE에비해무엇이개선되고있는가? 기본적핸드오버메커니즘에는차이가없으나, 핸드오버입터럽션시간등은더욱개선되고있다. 스마트폰및 3D 게임등의사용이본격화되면빠른응답시간과핸드오버로인터럽션시간이개선될필요가있다 (QoE). ( 그림 12) 는 LTE-Advanced 시스템의소스셀에서타깃셀로의핸드오버절차를재조정한것이다. 이에따르면, 핸드오버인터럽션시간은단말이핸드오버지시메시지를수신한직후부터타깃셀과접속하여다운링크데이터를다시받는시점까지의시간으로한정하고, 계층 3에의한핸드오버완료절차는이 Interruption UE Source Target HO Command Processing 1. Radio Synch 2. RACH Waiting 6. Processing HO Preparation 3. Preamble 5. Grant 7. Data Data Forwarding 4. Processing ( 그림 12) LTE-Advanced 에서의 Inter-eNB 핸드오버절차 C 2010 한국전자통신연구원 47

전자통신동향분석제 25 권제 6 호 2010 년 12 월 < 표 5> LTE-Advanced 에서의 HO Interruption Time(Inter-eNB HO) # Description [ms] 1* Radio Synchronisation to the target cell 1 2 Average delay due to RACH scheduling period (1ms periodicity) 3 RACH Preamble 1 4-5 6 Preamble detection and transmission of RA response (Time between the end RACH transmission and UE s reception of scheduling grant and timing adjustment) Decoding of scheduling grant and timing alignment 7 Transmission of DL Data 1 0.5 Total delay 10.5 5 2 CGS cell (HeNB) In-bound Out-bound Macro-cell (enb) ( 그림 13) LTE 에서매크로셀 (enb) 과홈셀 (HeNB) 간의핸드오버 대역을분할사용하는스펙트럼할당이슈, 단말이최근방문한셀들의이력을기초데이터로이용하여네트워크기반의핸드오버를제어하는 inbound mobility 이슈방식 (FootPrintInfo Based Network control) 등이있다 [4]. 시간에포함시키지않고있다 [2]. < 표 5> 는 ( 그림 12) 에대한핸드오버입터럽션시간의최소추정치 (10.5ms) 를보여준다. LTE-Advanced에서단말은타깃셀의동기관련정보를핸드오버준비단계에서미리저장활용함으로써, 타깃셀과의 radio-synch 절차나랜덤액세스절차등을서빙셀과의간단한오프셋조정만으로처리한다 [2]. 한편, LTE 싱글칩을사용하는유 / 무선통합솔루션 (FMS) 인 LTE 펨토셀 (HeNB 혹은홈셀 ) 의경우, LTE 펨토셀과매크로셀 (enb) 간의핸드오버이슈가부각되었다. 이런유형의핸드오버는가정이나사무실등의인도어환경에서저렴한과금및고품질서비스를받을수있는홈셀로자동핸드오버시키거나, 혹은스마트폰등에의한트래픽증가로사업자트래픽의일부를홈셀을통해일반인터넷으로퍼넘겨 (traffic offload) 트래픽부하를조절하는기술로도볼수있다. ( 그림 13) 은가입자가아웃도어영역의매크로셀 (enb) 에서대형쇼핑몰등의인도어영역인홈셀 (HeNB) 로핸드오버 (inbound mobility) 하는경우이다. 이분야의주요이슈로는두유형의셀간주파수 Ⅵ. 결론본고에서는 LTE 시스템의핸드오버요소기술및시나리오를살펴보았다. LTE 시스템에서는이외에도 voice call continuity 및 inter-system mobility 를포함하여, WiFi 시스템으로의트래픽핸드오버등에대한연구도이루어졌다. 이들관련기술이모두완성되면 UMTS, HSPA, CDMA2000-1X 및 WiFi 등여러액세스네트워크간의인터워킹 ( 로밍및핸드오버등 ) 이가시화될것이다. 이러한인터워킹기술을통해얻는 benefit은무엇일까? 가입자관점에선적정통신품질을유지하면서자유로운네트워크선택및이에따른저렴한요금혜택을볼수있고, 사업자관점에선초기시설투자부담의완화로시스템진화의촉진, 이종시스템간효과적인트래픽로드분산, 그리고서비스 / 네트워크 / 단말의컨버전스에따른새로운비즈니스모델창출등이가능할수있다. 또한, 서로다른여러네트워크가상호결합운용됨으로써대용량멀티미디어트래픽을동시에여러네트워크를통해보다빠르고효과 48 C 2010 한국전자통신연구원

송평중외 / 네트워크컨버전스를위한 LTE Mobility Management 기술 적으로보낼수있고, 군사작전지휘체계등의분야에서요구되는고신뢰성정보를다양한통신로로분산전송하여비상시의네트워크의파손에대비할수도있을것이다. 하지만, 사업자의시스템운용및과금정책등이이를수용할지가관건이며, 사업자가타사에비해강력한경쟁력을갖는사업모델을창출하려면새로운 inter-system mobility 체제구축을전략적으로시도해볼수있다. 향후시스템간결합을허용하는통신법령의규제완화는어떤식으로전개될것인지, 서로다른액세스네트워크의인터워킹기술이사업자에게비즈니스모델로써어떤 benefits 를줄것인지가기대된다. 약어정리 IP-BB LTE MAC MAHO M-G-P MME PCRF P-GW PMIP RACH RAT RLF RRM SAE SGSN S-GW UE UMTS WCDMA IP based BackBone Long-Term Evolution Medium Access Control Mobile Assisted HandOver Measurement Gap Pattern Mobility Management Entity Policy & Charging Rule Function PDN Gateway Proxy MIP Random Access Channel Radio Access Technology Radio Link Failure Radio Resource Management Service Architecture Evolution Serving GPRS Support Node Serving Gateway User Equipment Universal Mobile Telecommunications System Wideband Code Division Multiple Access 3GPP AF ANDSF CP CSG DRX enb EPS GPRS GW HO HSPA IMS 3rd Generation Partnership Project Application Function Access Network Discovery and Selection Function Cyclic Prefix Closed Subscriber Group Discontinuous Reception evolved NodeB Evolved Packet Service General Packet Radio Service Gateway Handover High Speed Packet Access IP based Multimedia Subsystem 참고문헌 [1] 3GPP TS 23.401, GPRS Enhancements for E- UTRAN Access, 2010. [2] 3GPP TS 36.300, EUTRA Overall Description - EPS Stage 2, 2010. [3] TS 36.331 E-UTRAN: Radio Resource Control(RRC), v8.4.0. [4] 3GPP EPS/SAE, SA2/RAN2/RAN3 Contributions, 2006-2010. [5] Evaluation of E-UTRAN Mobility, R1-090445, Slovenia, Jan. 2009. C 2010 한국전자통신연구원 49