蜂窝移动通信(IOT)接入流程

  蜂窝物联网

  蜂窝物联网（Cellular IoT）就是使用现有的蜂窝网络连接物联网设备而形成的物联网，是一种将物理设备与互联网连接起来的方式。通过蜂窝物联网，人们将一些物理设备——如传感器——与智能手机连接在同一个蜂窝网络上。

  5G时代，蜂窝物联网已成为物联网连接领域的一个强有力的参与者。

  一、附着和建立承载

  UE上电之后就开始了无线信令协议的交互，信令流程依次为：

  1、搜网

  2、小区驻留

  3、附着和建立默认承载

  这个过程的意义是建立无线终端和基站、无线终端和核心网之间的传输链路，这个链路就叫做无线承载。其中，搜网和小区驻留属于AS层的信令过程，附着和建立默认承载属于NAS层的信令。

  二、PDN和默认承载

  在UE的第一条Initial Attach中就包含了附着请求（attach request）和PDN连接请求（PDN connectivity request），PDN连接请求的目的是会在UE和P-GW之间建立默认承载（default bearer），默认承载会保持连接直到UE分离（detach）LTE网络。

  PDN(Packet Data Network)：

  • LTE网络的数据转发是在PDN连接上完成的

  • 每个PDN连接都对应一个默认承载（Default Bearer）和一个IP address

  • PDN连接请求可带参数是：APN、UE支持的PDN类型（IPv4，IPv6，IPv4v6等）、鉴权等。如果APN为空，就采用缺省APN，缺省APN是由HSS提供的，也就说缺省APN由SIM卡决定。

  三、默认承载和专用承载

  无线承载分为默认承载（Default EPS Bearer）和专用承载（Dedicated EPS Bearer）两种。

  无线承载和默认承载的区别：

  1、Qos不同，比如：默认承载不保证比特速率(NON-GBR)，而专用承载保证比特率（GBR）。专用承载在有业务需要的时候才建立。

  2、在一个PDN链接中，只有一个默认承载，但可以有多个专用承载，每个终端可以建立多条PDN，对应多条默认承载和专用承载。

  • 在常见的应用场景中，上电之后建立默认PDN和它的默认承载

  • 如果需要支持IMS业务，会建立IMS PDN和IMS专用承载。

  四、附着和建立承载

下图是LTE承载示意图

  五、附着和默认承载的信令流程

  附着过程由终端发起emm attach request的信令开始，由终端发送emm attach complete结束，因此也叫做attach过程。attach过程伴随默认承载default eps bearer的建立流程和默认承载使用的PDN的建立流程。（UEeNBS-GWP-GW）。建立默认承载的信令过程中，会协商专用承载的相关参数。

  attach request消息如下，携带着无线终端希望和无线网络进行协商的一些NAS层IE：比如attach类型、ID类型、UE能力参数、语音相关参数等。这些IE有些是必须的，有些是可选的。

  EPS attach type：必须携带。

  • LTE制式的无线终端支持的attach type只有PS域附着和联合附着两种

  • 联合附着combined EPS/IMSI attach，表示支持PS域附着（EPS）和IMSI附着，意味着支持CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）。

  Additional update type：当UE请求sms only或者支持CIoT EPS optimizations的时候需要携带。

  • Additional update type value (AUTV)：取值为1的意思是SMS only，表示不支持CSFB，只支持PS域，SMS走NAS信令。取值为0表示支持联合注册，支持CSFB。

  • Preferred CIoT network behaviour ：取值为1是CP-CIoT，取值为2是UP-CIoT，取值为0是不采用EPS estimation。

  Voice Domain Preference and UE's Usage Setting

  • Voice domain preference for E-UTRAN,，取值IMS PS Voice only表示支持IMS

  • UE's usage setting:voice centric，附着类型是联合附着时，如果附着失败且为voice centric，则终端会回退到2G/3G进行附着。如果为data centric，则终端会用VoLTE打电话。

  pdn connectivity request消息中关注如下两个字段：pdn type和PCO(protocol configuration options)。pdn type是终端请求建立的链路类型ipv4, ipv6或者ipv4v6, PCO是终端向网络侧请求的地址，比如P-CSCF是IMS业务中的服务器地址，还有DNS地址等

  PDN连接的参数可以通过AT指令设置

  在attach accept消息中重点关注EPS network feature support，这个IE是网络支持的能力。如下图，其中CPCIOT取值表示网络支持CP-CIoT。

  物联网模组的重要指标是功耗。NB-IoT提供了一种降低模组功耗的工作模式PSM，在PSM下的最大耗流为5uA。PSM的定时器参数在附着的信令消息里携带，并和网络协商。模组退出PSM模式有两种方式：一种是UE主动发送数据，另一种是当T3412定时器(最长310H)超时后，TAU启动，模组退出PSM。模组在不同模式下的功耗示意图如下所示。

  六、IMS专用承载的信令流程

  建立IMS PDN和它的默认承载的信令流程，跟默认PDN和它的默认承载的流程是完全一样的，只有参数不同。比如IMS PDN使用的APN一般是ims, qos也会不一样。