蜂窩移動通信(IOT)接入流程

  蜂窩物聯網

 

  蜂窩物聯網(Cellular IoT)就是使用現有的蜂窩網絡連接物聯網設備而形成的物聯網,是一種將物理設備與互聯網連接起來的方式。通過蜂窩物聯網,人們將一些物理設備——如傳感器——與智能手機連接在同一個蜂窩網絡上。

 

  5G時代,蜂窩物聯網已成爲物聯網連接領域的一個強有力的參與者。

  一、附着和建立承載

 

  UE上電之後就開始了無線信令協議的交互,信令流程依次爲:

  1、搜網

  2、小區駐留

  3、附着和建立默認承載

 

  這個過程的意義是建立無線終端和基站、無線終端和核心網之間的傳輸鏈路,這個鏈路就叫做無線承載。其中,搜網和小區駐留屬於AS層的信令過程,附着和建立默認承載屬於NAS層的信令。

 

  二、PDN和默認承載

 

  在UE的第一條Initial Attach中就包含了附着請求(attach request)和PDN連接請求(PDN connectivity request),PDN連接請求的目的是會在UE和P-GW之間建立默認承載(default bearer),默認承載會保持連接直到UE分離(detach)LTE網絡。

 

  PDN(Packet Data Network):

  • LTE網絡的數據轉發是在PDN連接上完成的

  • 每個PDN連接都對應一個默認承載(Default Bearer)和一個IP address

  • PDN連接請求可帶參數是:APN、UE支持的PDN類型(IPv4,IPv6,IPv4v6等)、鑑權等。如果APN爲空,就採用缺省APN,缺省APN是由HSS提供的,也就說缺省APN由SIM卡決定。

 

  三、默認承載和專用承載

 

  無線承載分爲默認承載(Default EPS Bearer)和專用承載(Dedicated EPS Bearer)兩種。

 

  無線承載和默認承載的區別:

  1、Qos不同,比如:默認承載不保證比特速率(NON-GBR),而專用承載保證比特率(GBR)。專用承載在有業務需要的時候才建立。

  2、在一個PDN鏈接中,只有一個默認承載,但可以有多個專用承載,每個終端可以建立多條PDN,對應多條默認承載和專用承載。

 

  • 在常見的應用場景中,上電之後建立默認PDN和它的默認承載

  • 如果需要支持IMS業務,會建立IMS PDN和IMS專用承載。

 

  四、附着和建立承載

 

下圖是LTE承載示意圖

  五、附着和默認承載的信令流程

 

  附着過程由終端發起emm attach request的信令開始,由終端發送emm attach complete結束,因此也叫做attach過程。attach過程伴隨默認承載default eps bearer的建立流程和默認承載使用的PDN的建立流程。(UEeNBS-GWP-GW)。建立默認承載的信令過程中,會協商專用承載的相關參數。

 

  attach request消息如下,攜帶着無線終端希望和無線網絡進行協商的一些NAS層IE:比如attach類型、ID類型、UE能力參數、語音相關參數等。這些IE有些是必須的,有些是可選的。

  EPS attach type:必須攜帶。

  • LTE制式的無線終端支持的attach type只有PS域附着和聯合附着兩種

  • 聯合附着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,電路域回落)。

  Additional update type:當UE請求sms only或者支持CIoT EPS optimizations的時候需要攜帶。

  • Additional update type value (AUTV):取值爲1的意思是SMS only,表示不支持CSFB,只支持PS域,SMS走NAS信令。取值爲0表示支持聯合註冊,支持CSFB。

  • Preferred CIoT network behaviour :取值爲1是CP-CIoT,取值爲2是UP-CIoT,取值爲0是不採用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,附着類型是聯合附着時,如果附着失敗且爲voice centric,則終端會回退到2G/3G進行附着。如果爲data centric,則終端會用VoLTE打電話。

  pdn connectivity request消息中關注如下兩個字段:pdn type和PCO(protocol configuration options)。pdn type是終端請求建立的鏈路類型ipv4, ipv6或者ipv4v6, PCO是終端向網絡側請求的地址,比如P-CSCF是IMS業務中的服務器地址,還有DNS地址等

 

  PDN連接的參數可以通過AT指令設置

  在attach accept消息中重點關注EPS network feature support,這個IE是網絡支持的能力。如下圖,其中CPCIOT取值表示網絡支持CP-CIoT。

  物聯網模組的重要指標是功耗。NB-IoT提供了一種降低模組功耗的工作模式PSM,在PSM下的最大耗流爲5uA。PSM的定時器參數在附着的信令消息裏攜帶,並和網絡協商。模組退出PSM模式有兩種方式:一種是UE主動發送數據,另一種是當T3412定時器(最長310H)超時後,TAU啓動,模組退出PSM。模組在不同模式下的功耗示意圖如下所示。

  六、IMS專用承載的信令流程

 

  建立IMS PDN和它的默認承載的信令流程,跟默認PDN和它的默認承載的流程是完全一樣的,只有參數不同。比如IMS PDN使用的APN一般是ims, qos也會不一樣。

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