5G — 关键信令流程解读

初始注册流程

这天一大早，九小云在睡梦中被闹钟惊醒，手机随之开机，手机在开机完成后立即执行了一个 初始注册流程，具体步骤如下图所示：

流程步骤较多，详细解释可参考 3GPP TS 23.502 第 4.2.2 节。关键步骤如上图红圈所示：

1. 第一个红圈指的是 AMF 根据 5G-GUTI 等参数获取 UE Context（包含 SUPI 等信息）的过程。

2. 第二个红圈指的是 AMF 把 AMF ID 及 UE ID（e.g. SUPI）登记到 UDM，并从 UDM 获取用户签约数据（e.g. DNN、QoS 等参数），以及向 UDM 订阅用户数据变更通知的过程。

PDU Session 建立流程

九小云匆匆洗漱和早餐后，就上班去了。上了地铁，无聊的九小云掏出手机，打开浏览器，关注一下欧美最新的疫情情况。在此过程中，手机发起了 PDU Session 建立流程，具体步骤如下图所示：

详细解释可参考 3GPP TS 23.502 第 4.3.2 节。关键步骤如上图红圈所示：

1. 第一个红圈指的是 SMF 根据 UE 的 DNN 及 S-NSSAI 等信息选择 UPF 的过程。

2. 第二个红圈指的是 SMF 通知 UPF 建立 N3 接口的 GTP-U 隧道并协调 AMF 及 (R)AN 打通 N3 隧道上行传输通道的过程。

3. 第三个红圈指的是 SMF 告诉 UPF 关于 (R)AN 侧 N3 隧道信息（F-TEID = IP+TEID）并打通 N3 隧道下行传输通道的过程。

通过 N3 隧道，基站与 UPF 之间就可以来回传输用户数据了。如下图中的红色直线：

gNB 切换流程

就在九小云浏览新闻的过程中，地铁穿越黄浦江底，从浦东来到了浦西，在此过程中，发生了基于 Xn 接口（两个 gNB 之间的接口）的切换流程。假设切换过程中，UPF 没有重新分配，切换的流程如下图所示：

详细解释可参考 3GPP TS 23.502 第 4.9.1.2 节。关键步骤如上图红圈所示：

1. 第一个红圈指的是在切换执行过程中，Src gNB 缓存的用户数据通过 Src gNB 与 Dst gNB 之间的 Xn 接口进行转发的过程。

2. 第二个红圈指的是 SMF 根据 AMF 指示更新 UPF 的 N3 隧道信息（gNB 下行 F-TEID）并打通 N3 隧道下行传输通道的过程。而上行数据传输通道早在切换准备阶段就已经打通，即通过 Src gNB 在发起切换请求中把 gNB 侧的 N3 隧道信息（F-TEID）携带给 Dst gNB 来实现的。

看下面这个示意图就容易理解了：

• 切换前，相当于 UE 在浦东，用户数据传输走的是黄色这条路。乘地铁到浦西后，用户数据传输切换到了绿色这条路。而在这个切换过程中，缓存在浦东某个基站上的数据，通过红色这条路径转发给了浦西某个基站，浦西的基站再根据数据包目的地址转发给手机或网络。

网络侧触发业务请求流程

九小云来到了办公室，开始了一天的工作。真是忙碌的一天，九小云写了 N 千行代码，修正了产品 M 个 Bug，愣是一整天都没看一眼手机。虽然没有使用，手机和网络可都没有闲着，手机也要时不时地在网络中寻找存在感，让网络知道自己还活着。具体实现上，手机根据定时器设置，定时向网络发起周期性注册更新流程，具体步骤会比初始注册流程简单一些，其实就是相当于一个心跳机制，与 5G 网络之间周期性保活。

忙了一天，终于下班了，九小云正打算收拾东西回家时，在杭州的女朋友发来了微信语音。此时手机需要从空闲态迁移到连接态，并执行由网络触发的服务请求流程，目的是建立起端到端的信令连接和用户面连接。具体流程如下图所示：

关键步骤如红圈所示：

• 如果网络下行的数据到达时，手机处于连接态，则执行 4a 步骤（“UE 触发的服务请求” 流程的一部分），用来激活用户面连接；

• 如果网络下行的数据到达时，手机处于空闲态，则执行 4b 步骤，AMF 向 TA List 内的所有 gNB 发送寻呼消息，寻呼消息携带 UE ID，这样就能找到对应的 UE，再执行 “UE触发的服务请求” 流程（上图步骤 6），用来激活用户面连接。

UE 触发的业务请求流程

3GPP TS 23.502 中给出的 “UE 触发的服务请求流程” 包括了多个场景，步骤比较多，流程比较复杂，对初学者来说很难理解。为了便于理解，这里给出了一个简化版本，如下图所示：

关键步骤如红圈所示：

1. 第一个红圈指的是 SMF 激活 UPF 用户面打通 N3 隧道上行传输通道的过程。

2. 第二个红圈指的是 SMF 告诉 UPF 关于 (R)AN 侧 N3 隧道信息（F-TEID）并打通 N3 隧道下行传输通道的过程。

N2 接口的切换流程

九小云远在杭州的女朋友发来微信语音，说自己遇到伤心事，要求九小云马上出现在她面前，不然就要跟他分手。九小云没有办法，顾不上疫情尚未结束的风险，立刻买了张高铁票并匆匆赶往虹桥火车站。沪杭高铁从上海虹桥驶出，一路上九小云通过微信安慰女朋友。当高铁穿越上海金山区进入浙江省嘉善县境内时，发生了基于 N2 接口的切换流程。

现阶段，国内运营商按行政省份为单位建设 5G 网络，由于归属于不同的省分中心，跨省的基站之间通常不存在 Xn 接口。因此在发生跨省的切换时，需要通过核心网网元之间的互操作流程来实现。

切换的流程如下图所示：

详细解释可参考 3GPP TS 23.502 第 4.9.1.3 节。关键步骤如上图红圈所示：

1. 第一个红圈指的是在切换执行过程中，Src gNB 缓存的用户数据通过 UPF 转发给 Dst gNB 的过程。

2. 第二个红圈指的是 SMF 根据 AMF 指示更新 UPF 的 N3 隧道及 N9 隧道信息并打通下行传输通道的过程，而上行数据传输通道在切换准备阶段就已经打通。

3. 第三个红圈指的是执行移动性注册更新的简化流程并把当前新的 AMF 登记到归属地 UDM 的过程。

切换前，相当于 UE 在上海，用户数据传输走的是蓝色这条路。乘高铁到浙江后，用户数据传输切换到了绿色这条路。而在这个切换过程中，缓存在上海某个基站上的数据，通过红色这条路径转发给了浙江某个基站，浙江的基站再根据数据包目的地址转发给手机或网络。

黄色这条线也很关键，因为源基站与目的基站之间没有 Xn 接口，切换准备阶段和切换执行阶段的信令交互只能通过 Src AMF、Src SMF、Dst AMF 之间复杂的互操作流程来实现，主要目的是建立起上图中绿色的 N3 与 N9 隧道，并释放蓝色的 N3 与 N9 隧道，以及建立起红色这条数据转发通道。

VoLTE 与 QoS

一路上九小云通过微信语音与女朋友通话，但在高速行驶的高铁上，微信语音断断续续，实在是不靠谱，看来关键时刻还得要看运营商的移动网络。九小云使用的是宇宙最大运营商中国 XX 的网络，该运营商现阶段主流的语音实现方案是 VoLTE。

九小云改用运营商网络的语音通话后，果然，即使在 300km/h 的高铁上，女朋友的声音依然清晰且无任何卡顿，正如其广告语所述：

VoLTE（Voice over LTE），即基于 4G 网络为移动用户提供语音业务的实现方式（需 IMS 网络配合），其本质是 Voice over IP。微信语音同样是 Voice over IP 的语音实现方式，为什么与 VoLTE 的语音通话质量差距这么大呢？

这还要从 EPC 的 QoS 说起，3GPP 根据不同的 QoS 参数（优先级、时延、丢包率等）将 QoS 划分为多个类别，并用 QCI（Quality Class Identity）来表示，3GPP 定义的部分 QCI 如下表所示：

其中 QCI 取值 1～4 是 GBR（Guaranteed Bit Rate）类型，QCI 取值 5～9 是 Non-GBR（Non-Guaranteed Bit Rate）类型。GBR 即保证比特速率，网络会保证足够的网络资源，保证承载最低速率达到设定值；相应地，也会定义 MBR 限定其最高速率。Non-GBR 即网络不会保证其最低速率，还会通过 UE-AMBR 和 APN-AMBR 参数限定用户维度和 APN 维度的所有 Non-GBR 承载的最大速率。

同时，不同 QCI 对应的优先级、时延和丢包率也不同，以适应不同的业务需求。从表中可以看到对时延要求最高的是 QCI=3（50ms），适合于实时游戏业务；对丢包率要求最低的是 QCI=1（百分之一），适合于语音业务，因为语音业务对时延相对敏感，而对丢包率相对不敏感；而 QCI=5 的丢包率是百万分之一，比 QCI=1 高很多，同时优先级最高，适合于传送信令。

终端使用互联网业务和语言通话业务时，连接的 APN 及传输承载如下图所示：

终端使用 IMS 语音业务时，传输 IMS 语音的专有承载为 QCI=1，优先级为 2 且该承载是保证带宽的（GBR）；而使用 OTT（Over The Top）业务拨打语音电话时（e.g. 微信语音、QQ 语音、Skype 等），传输互联网语音的专有承载为 QCI=7，优先级为 7 且该承载是不保证带宽的（Non GBR），需要与其它互联网业务竞争网络资源。

用通俗的话讲就是，IMS 语音业务走的特殊通道，享受 VIP 待遇；而 OTT 语音业务走的是普通道路，人多车多拥挤不堪，如下图所示：

这就是IMS语音业务与OTT语音业务在通话质量上差距巨大的主要原因。

PDU Session 释放流程

高铁很快到了杭州，九小云也见到了女朋友。安顿好女朋友后，考虑到第二天还要上班，九小云又得匆忙乘坐高铁赶回上海。一路上又经历了一次基于 N2 接口的切换与多次基于 Xn 接口的切换。待回到住处时，已是凌晨两点了。九小云疲惫不堪，关掉微信，手机关机。在这过程中，首先执行 PDU Session 释放流程，具体步骤如下图所示：

详细解释可参考 3GPP TS 23.502 第 4.3.4 节。关键步骤如上图红圈所示：

1. 第一个红圈指的是 SMF 根据不同的触发条件，通过 N4 会话请求消息通知 UPF 释放用户面资源及释放 UE IP 地址的过程。

2. 第二个红圈指的是 AMF 根据 SMF 的指示，通过 N2 会话消息通知 AN 释放资源的过程。

用户注销流程

最后，手机还需要执行用户注销流程，具体步骤如下图所示：

详细解释可参考 3GPP TS 23.502 第 4.2.2.3 节。关键步骤如上图红圈所示：

1. 第一个红圈指的是 SMF 向 UDM 取消订阅用户数据变更通知及删除 UDM 保存的本次 PDU Session 信息的过程。

2. 第二个红圈指的是 AMF 与 PCF 之间结束策略关联的过程。

累了一天，九小云倒头就睡着了。 这就是九小云忙碌而又充实的一天。