开机入网流程

小区搜索和选择

（1） UE开机后按照3GPP TS 38.104定义的Synchronization Raster（同步频率栅格）搜索特定频点
（2） UE尝试检测PSS/SSS，取得下行时钟同步，并获取小区的PCI
（3） UE尝试读取MIB，获取SSB波束信息、系统帧号和广播SIB1的时频域信息
（4） UE读取SIB1，获取上行初始BWP信息，初始BWP中的信息配置，TDD小区的半静态配比以及其它UE接入网络的必要信息等，同时获取广播OSI（其它系统信息）的搜索空间信息
（5） UE读取OSI，获取小区的其它信息（主要是移动性相关的信息）
UE开机选网，小区搜索是UE实现与gNB取得时间和频率同步，并检测小区ID的过程。
PSS（UE解调主同步信号，实现符号同步，并获取小区组内ID）
SSS（UE解调次同步信号，获取小区组ID，结合小区组内ID，最终获取PCI（PCI有1008个））
PBCH（解调MIB消息，获取波束ID，以及半帧指示信息，完成下行帧同步）
SSB（PSS+SSS+PBCH）

系统消息广播

系统消息广播室UE获得基本网络信息的第一步，通过系统消息广播过程，UE可以获得基本的AS层和NAS层信息；
AS层信息：公共信道信息、一些UE所需的定时器、小区选择/重选信息以及邻区信息等
NAS层信息：包括运营商信息等
UE通过系统消息获得的这些信息，决定了UE在小区中进行驻留、重选以及发起呼叫的行为方式。
UE在如下场景会读取系统消息：
小区选择（如开机）、小区重选、系统内切换完成、从其它RAT系统进入5G RAT、以及从非覆盖区返回覆盖区时，UE都会主动读取系统消息。
UE在在上述场景中正确获取系统消息后，不会反复读取系统消息，只会在满足以下任一条件重新读取系统消息：
收到gNB寻呼，指示系统消息有变化；
收到gNB寻呼，指示有ETWS消息广播；
距离赏析正确接收系统消息3小时后。
系统消息内容
系统消息分为MSI（Minimum System Information）和OSI（Other System Information）：
MSI：MIB和SIB1（RMSI剩余最小SI）
OSI：SIB2-SIBn，支持ODOSI模式
类子类承载内容发送方式
MSI MIB 提供最基本的初始接入信息（系统帧号、载波间隔、SSB偏置），包含接收进一步系统信息所需的小区禁止状态信息和基本物理信息，和RMSI捕获方式周期广播
RSMI（SIB1） SIB1定义了其它系统信息块的调度，并包含初始接入所需的信息：
1、小区选择信息
2、小区接入信息（PLMN，TAC，CellID）
3、 SI调度信息（SI周期、窗长、SIB映射等）
4、小区配置信息（频带、频点、带宽、初始BWP配置等）
其他SIB信息可参考添加链接描述

小区搜索-同步信号

gNB下发系统信息可以是周期广播，也可以是按需订阅后广播，因此，UE获取系统消息过程也有如下方式：
A、搜索小区，解析MIB，检查小区状态：
1、如果CellBarred = barred，则停止系统消息获取过程；
2、否则继续后续步骤
B、使用MIB里面携带的参数，尝试解析SIB1：
1、如果SIB1解析成功，则存储相关信息，并继续后续步骤；
2、否则停止系统消息获取过程
C、根据SIB1中指示的其它SIB发送方式，进一步尝试获取其它SIB：
1、如果其它SIB是周期广播方式，则根据SIB1中指示的OSI搜索空间，尝试接收和解析SI；
2、否则，UE通过订阅请求获得其它SIB（称作ODOSI）

随机接入

UE与gNB建立上行同步，通信双方要实现相互通信，最重要的先决条件是建立通信双方的时间同步，对于NR也是如此，NR下行同步（Transmitter = gNB，Reciever = UE）通过广播同步信号实现，NR上行同步（Transmitter = UE，Reciever = gNB）则是通过随机接入过程实现的，随机接入简称RA（Random Access），是UE和网络之间建立无连接的必经之路，随机接入可以实现两个基本的功能；
随机接入分为基于竞争的随机接入（CBRA）和基于非竞争的随机接入（CFRA）
不同场景出发不同类型的随机接入

基于竞争的随机接入

基于非竞争的随机接入

RRC连接建立

RRC状态

参考3gpp 38.300，UE的RRC状态分为如下三种：
RRC空闲态、RRC连接态、RRC激活态
处于空闲态的UE需要发起业务（语音业务或数据业务）时，第一步就是发起RRC建立请求，触发空闲态到连接态迁移过程，这个过程就是RRC建立过程

RRC连接建立

RRC连接建立就是建立SRB1的过程：

1、 UE发起竞争性随机接入
2、 gNB回复MSG2(RAR)
3、 UENW：UE向gNB发送RRCSetupRequest消息，携带UE的InitalUE-Identity和EstablishmentCause，请求建立RRC连接，该消息对应于随机接入过程的MSG3
4、 NWUE：gNB为UE分配并建立SRB1承载，并向UE发送RRCSetup
5、 UE向gNB发送RRCSetupComplete消息，RRC连接建立成功

注册过程

RRC建立

UE选择一个ZC序列的随机接入码。UE随机选择前导码，此前导码与随机访问前导码ID（RAPID）一起关联引用。每个前导码都与一个RA-RNTI相关联。这个RA-RNTI的公式定义来自38.321的RA-RNTI= 1 + s_id + 14 × t_id + 14 × 80 × f_id + 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id
gNB将给UE分配一个临时RNTI并在RAR中带给UE。
UE使用RA-RNTI检测并解扰DCI 1_0的PDCCH来获取RAR的传输块信息。
UE解码RAR传输块获得msg3的UL Grant、MCS、TPC、CSI、Temp C-RNTI。
UE使用刚刚在RAR中获得的时频资源来发送msg3 RRC Setup Request，至少包含UE Identity和establishment cause。

EstablishmentCause ::= ENUMERATED {emergency, highPriorityAccess, mt-Access, mo-Signalling,
mo-Data, mo-VoiceCall, mo-VideoCall, mo-SMS, mps-PriorityAccess, mcs-PriorityAccess,
spare6, spare5, spare4, spare3, spare2, spare1}

gNB使用TC-RNTI加扰DCI 1_0的PDCCH并发送给UE，UE对应解扰获取msg4 RRC Setup。
开始准备建立SRB1的参数。
UE解码RRC Setup消息获得无线承载相关配置和master cell group信息参数，如果解码OK则竞争冲突解决也同步完成。至此，SRB0建立完成，SRB1建立的参数也配置完成。

RRCSetup ::= SEQUENCE {rrc-TransactionIdentifier RRC-TransactionIdentifier,
criticalExtensions CHOICE {rrcSetup RRCSetup-IEs,
criticalExtensionsFuture SEQUENCE {}
}
}

RRCSetup-IEs ::= SEQUENCE {radioBearerConfig RadioBearerConfig,
masterCellGroup OCTET STRING (CONTAINING CellGroupConfig),
lateNonCriticalExtension OCTET STRING OPTIONAL,
nonCriticalExtension SEQUENCE{} OPTIONAL
}

RadioBearerConfig ::= SEQUENCE {srb-ToAddModList SRB-ToAddModList OPTIONAL, -- Cond HO-Conn
srb3-ToRelease ENUMERATED{true} OPTIONAL, -- Need N
drb-ToAddModList DRB-ToAddModList OPTIONAL, -- Cond HO-toNR
drb-ToReleaseList DRB-ToReleaseList OPTIONAL, -- Need N
securityConfig SecurityConfig OPTIONAL, -- Need M
...
}

SRB-ToAddModList ::= SEQUENCE (SIZE (1..2)) OF SRB-ToAddMod
SRB-ToAddMod ::= SEQUENCE {srb-Identity SRB-Identity,
reestablishPDCP ENUMERATED{true} OPTIONAL, -- Need N
discardOnPDCP ENUMERATED{true} OPTIONAL, -- Need N
pdcp-Config PDCP-Config OPTIONAL, -- Cond PDCP
...
}

DRB-ToAddModList ::= SEQUENCE (SIZE (1..maxDRB)) OF DRB-ToAddMod
DRB-ToAddMod ::= SEQUENCE {cnAssociation CHOICE {eps-BearerIdentity INTEGER (0..15), -- EPS-DRB-Setup
sdap-Config SDAP-Config -- 5GC
} OPTIONAL, -- Cond DRBSetup
drb-Identity DRB-Identity,
reestablishPDCP ENUMERATED{true} OPTIONAL, -- Need N
recoverPDCP ENUMERATED{true} OPTIONAL, -- Need N
pdcp-Config PDCP-Config OPTIONAL, -- Cond PDCP
...
}

DRB-ToReleaseList ::= SEQUENCE (SIZE (1..maxDRB)) OF DRB-Identity
SecurityConfig ::= SEQUENCE {securityAlgorithmConfig SecurityAlgorithmConfig OPTIONAL, -- Cond RBTermChange
keyToUse ENUMERATED{master, secondary} OPTIONAL, -- Cond RBTermChange
...
}

CellGroupConfig ::= SEQUENCE {cellGroupId CellGroupId,
rlc-BearerToAddModList SEQUENCE (SIZE(1..maxLC-ID)) OF RLC-BearerConfig OPTIONAL, -- Need N
rlc-BearerToReleaseList SEQUENCE (SIZE(1..maxLC-ID)) OF LogicalChannelIdentity OPTIONAL, -- Need N
mac-CellGroupConfig MAC-CellGroupConfig OPTIONAL, -- Need M
physicalCellGroupConfig PhysicalCellGroupConfig OPTIONAL, -- Need M
spCellConfig SpCellConfig OPTIONAL, -- Need M
sCellToAddModList SEQUENCE (SIZE (1..maxNrofSCells)) OF SCellConfig OPTIONAL, -- Need N
sCellToReleaseList SEQUENCE (SIZE (1..maxNrofSCells)) OF SCellIndex OPTIONAL, -- Need N
...,
[[
reportUplinkTxDirectCurrent-v1530 ENUMERATED {true} OPTIONAL -- Cond BWP-Reconfig
]]
}

-- Serving cell specific MAC and PHY parameters for a SpCell:
SpCellConfig ::= SEQUENCE {servCellIndex ServCellIndex OPTIONAL, -- Cond SCG
reconfigurationWithSync ReconfigurationWithSync OPTIONAL, -- Cond ReconfWithSync
rlf-TimersAndConstants SetupRelease { RLF-TimersAndConstants } OPTIONAL, -- Need M
rlmInSyncOutOfSyncThreshold ENUMERATED {n1} OPTIONAL, -- Need S
spCellConfigDedicated ServingCellConfig OPTIONAL, -- Need M
...
}

ReconfigurationWithSync ::= SEQUENCE {spCellConfigCommon ServingCellConfigCommon OPTIONAL, -- Need M
newUE-Identity RNTI-Value,
t304 ENUMERATED {ms50, ms100, ms150, ms200, ms500, ms1000, ms2000, ms10000},
rach-ConfigDedicated CHOICE {uplink RACH-ConfigDedicated,
supplementaryUplink RACH-ConfigDedicated
} OPTIONAL, -- Need N
...,
[[
smtc SSB-MTC OPTIONAL -- Need S
]]
}

SCellConfig ::= SEQUENCE {sCellIndex SCellIndex,
sCellConfigCommon ServingCellConfigCommon OPTIONAL, -- Cond SCellAdd
sCellConfigDedicated ServingCellConfig OPTIONAL, -- Cond SCellAddMod
...,
[[
smtc SSB-MTC OPTIONAL -- Need S
]]
}

gNB使用C-RNTI加扰DCI 0_0的PDCCH并发送给UE，UE对应解扰获取发送msg5 RRC Setup Complete所需要的时频资源和MCS信息。

　10. UE在对应时频资源位置使用gNB配置的MCS发送RRC Setup Complete消息，主要包含dedicatedNAS_Message (Registration type, 5G-GUTI, Last TAI, Requested NSSAI, UE Capability, List of PDU Sessions等)。

RRCSetupComplete ::= SEQUENCE {rrc-TransactionIdentifier RRC-TransactionIdentifier,
criticalExtensions CHOICE {rrcSetupComplete RRCSetupComplete-IEs,
criticalExtensionsFuture SEQUENCE {}
}
}

RRCSetupComplete-IEs ::= SEQUENCE {selectedPLMN-Identity INTEGER (1..maxPLMN),
registeredAMF RegisteredAMF OPTIONAL,
guami-Type ENUMERATED {native, mapped} OPTIONAL,
s-nssai-List SEQUENCE (SIZE (1..maxNrofS-NSSAI)) OF S-NSSAI OPTIONAL,
dedicatedNAS-Message DedicatedNAS-Message,
ng-5G-S-TMSI-Value CHOICE {ng-5G-S-TMSI NG-5G-S-TMSI,
ng-5G-S-TMSI-Part2 BIT STRING (SIZE (9))
} OPTIONAL,
lateNonCriticalExtension OCTET STRING OPTIONAL,
nonCriticalExtension SEQUENCE{} OPTIONAL
}

RegisteredAMF ::= SEQUENCE {plmn-Identity PLMN-Identity OPTIONAL,
amf-Identifier AMF-Identifier
}

Initial UE Message主要包含以下IE

Registration Request主要包含以下IE

NAS过程

11. 开始AMF选择，如果gNB不支持多AMF的话略过此步骤。
12. gNB收到MSG5后开始给UE分配对应的RAN UE NGAP ID，AMF使用此ID在gNB级别来分辨UE Context。
13. gNB发送Initial UE message到选中（如果有选的过程的话）的AMF，此消息携带在msg5中收到的Registration Request还有msg3中收到的establishment cause，5G-S-TMSI和AMF Set ID也许会有，也可以没有。
14. AMF通过下行直传发送Identity Request到UE去请求SUCI等身份识别信息（不是每次必须）。
15. UE通过上行直传发送自己的SUCI等身份识别信息（不是每次必须）。
16. AMF发送鉴权请求给UE，携带Key selector, RAND 和 AUTN。
17. UE反馈结合鉴权请求中参数经过运算后的鉴权响应到AMF。
18. AMF通过NAS Security Mode Command发送加密和完整性保护算法给UE，同时还会携带ngKSI、Replayed UE Security capabilities等信息。
19. UE发送对应的Security Mode Complete来响应NAS SMC，有些UE还可能在此条消息中重新携带Registration request信息。
20. 当上述Authentication和SMC过程都完成后，AMF会发起initial Context Setup Request给gNB，其中比较典型的会携带Registration Accept的NAS消息、Allowed NSSAI、UE Aggregate Maximum Bit Rate、PDU Session Resource Setup List Cxt Req等信息，还可能会携带CoreNetworkAssistanceInformation、GUAMI、UESecurityCapabilities、SecurityKey、IndexToRFSP、RRCInactiveTransitionReportRequest和多种多样的NAS PDU。其中，对于每一条需要建立的PDU Session都会有一个对应的PDU Session ID，并且针对于每一条PDU Session都会携带回应的上行的TEID。

AS加密和后续流程

gNB发送AS层加密和完整性保护算法给UE。

SecurityModeCommand ::= SEQUENCE {rrc-TransactionIdentifier RRC-TransactionIdentifier,
criticalExtensions CHOICE {securityModeCommand SecurityModeCommand-IEs,
criticalExtensionsFuture SEQUENCE {}
}
}

SecurityModeCommand-IEs ::= SEQUENCE {securityConfigSMC SecurityConfigSMC,
lateNonCriticalExtension OCTET STRING OPTIONAL,
nonCriticalExtension SEQUENCE{} OPTIONAL
}

SecurityConfigSMC ::= SEQUENCE {securityAlgorithmConfig SecurityAlgorithmConfig,
...
}

22. UE确认对应的算法可用后发送确认给gNB，注意，此消息是有完整性保护但是没有经过加密的，但是从此时开始后续的消息都是加密的。

SecurityModeComplete ::= SEQUENCE {rrc-TransactionIdentifier RRC-TransactionIdentifier,
criticalExtensions CHOICE {securityModeComplete SecurityModeComplete-IEs,
criticalExtensionsFuture SEQUENCE {}
}
}

SecurityModeComplete-IEs ::= SEQUENCE {lateNonCriticalExtension OCTET STRING OPTIONAL,
nonCriticalExtension SEQUENCE{} OPTIONAL
}

23. gNB发送RRC Reconfiguration消息给UE，此消息典型携带信息包括Initial Context Setup Request（可能带有Registration Accept），无线承载建立的相关参数，UE测量参数，如果有CA的话还会携带辅小区的相关信息。UE在收到此消息后会开始配置主小区组、无线辅小区组（如果有的话）、配置无线承载、基于收到的测量配置开始做测量、根据收到的NAS消息进行上下文和PDU Session（如果有的话）的相应操作。（SRB2和DRB建立）

RRCReconfiguration ::= SEQUENCE {rrc-TransactionIdentifier RRC-TransactionIdentifier,
criticalExtensions CHOICE {rrcReconfiguration RRCReconfiguration-IEs,
criticalExtensionsFuture SEQUENCE {}
}
}

RRCReconfiguration-IEs ::= SEQUENCE {radioBearerConfig RadioBearerConfig OPTIONAL, -- Need M
secondaryCellGroup OCTET STRING (CONTAINING CellGroupConfig) OPTIONAL, -- Need M
measConfig MeasConfig OPTIONAL, -- Need M
lateNonCriticalExtension OCTET STRING OPTIONAL,
nonCriticalExtension RRCReconfiguration-v1530-IEs OPTIONAL
}

RRCReconfiguration-v1530-IEs ::= SEQUENCE {masterCellGroup OCTET STRING (CONTAINING CellGroupConfig) OPTIONAL, -- Need M
fullConfig ENUMERATED {true} OPTIONAL, -- Cond FullConfig
dedicatedNAS-MessageList SEQUENCE (SIZE(1..maxDRB)) OF DedicatedNAS-Message OPTIONAL, -- Cond nonHO
masterKeyUpdate MasterKeyUpdate OPTIONAL, -- Cond MasterKeyChange
dedicatedSIB1-Delivery OCTET STRING (CONTAINING SIB1) OPTIONAL, -- Need N
dedicatedSystemInformationDelivery OCTET STRING (CONTAINING SystemInformation) OPTIONAL, -- Need N
otherConfig OtherConfig OPTIONAL, -- Need M
nonCriticalExtension RRCReconfiguration-v1540-IEs OPTIONAL
}

RRCReconfiguration-v1540-IEs ::= SEQUENCE {otherConfig-v1540 OtherConfig-v1540 OPTIONAL, -- Need M
nonCriticalExtension SEQUENCE {} OPTIONAL
}
MasterKeyUpdate ::= SEQUENCE {keySetChangeIndicator BOOLEAN,
nextHopChainingCount NextHopChainingCount,
nas-Container OCTET STRING             OPTIONAL, -- Cond securityNASC
...
}

关于Initial Context Setup Request所带IE主要如下：

Registration Accept所带主要IE如下：

UE回复RRC Reconfiguration Complete来确认。

RRCReconfigurationComplete ::= SEQUENCE {rrc-TransactionIdentifier RRC-TransactionIdentifier,
criticalExtensions CHOICE {rrcReconfigurationComplete RRCReconfigurationComplete-IEs,
criticalExtensionsFuture SEQUENCE {}
}
}

RRCReconfigurationComplete-IEs ::= SEQUENCE {lateNonCriticalExtension OCTET STRING OPTIONAL,
nonCriticalExtension RRCReconfigurationComplete-v1530-IEs OPTIONAL
}

RRCReconfigurationComplete-v1530-IEs ::= SEQUENCE {uplinkTxDirectCurrentList UplinkTxDirectCurrentList OPTIONAL,
nonCriticalExtension SEQUENCE {} OPTIONAL
}

gNB分配对应TEID供UPF发送下行数据使用。
gNB发送Initial Context Setup Response给AMF，其中携带PDU Session Resource Setup List Cxt Res（也可能在后续用上下行直传消息来建立PDU Session），PDU Session建立响应消息中会指示对应每一条PDU session的下行数据使用哪个TEID。
通过上行直传消息发送Registration Complete消息到AMF，至此注册过程完成。
28&29. 可以使用对应的TEID来发送UL/DL data。

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NAS过程

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