2026·06·28 ·

LTENASAttachPLMN选择AKA鉴权TAUDetachService RequestEMMESMMME信令流程

LTE非接入层(NAS)流程详解

一、NAS协议概述

1.1 NAS层定位

非接入层（Non-Access Stratum, NAS）是UE和核心网(MME)之间的控制平面协议层，信令消息直接透传过eNodeB，基站不解析NAS消息内容。

协议栈分层：

graph TB
    subgraph UE侧
        UE_NAS[NAS层<br/>MM/SM/ESM/EMM]
        UE_RRC[RRC层]
        UE_PDCP[PDCP]
        UE_RLC[RLC]
        UE_MAC[MAC]
        UE_PHY[物理层]
    end
    subgraph eNodeB
        eNB_PHY[物理层]
        eNB_MAC[MAC]
        eNB_RLC[RLC]
        eNB_PDCP[PDCP]
        eNB_RRC[RRC层<br/>NAS透传]
    end
    subgraph MME侧
        MME_NAS[NAS层<br/>MM/SM/ESM/EMM]
    end

    UE_NAS <-->|NAS信令<br/>RRC透传| UE_RRC
    UE_RRC <--> UE_PDCP
    UE_PDCP <--> UE_RLC
    UE_RLC <--> UE_MAC
    UE_MAC <--> UE_PHY
    UE_PHY <-->|空口Uu| eNB_PHY
    eNB_PHY <--> eNB_MAC
    eNB_MAC <--> eNB_RLC
    eNB_RLC <--> eNB_PDCP
    eNB_PDCP <--> eNB_RRC
    eNB_RRC <-->|S1-AP| MME_NAS
    UE_NAS <-->|NAS信令<br/>端到端| MME_NAS

1.2 NAS主要子层

子层	全称	功能
EMM	EPS Mobility Management	EPS移动性管理：附着、TAU、鉴权、安全
ESM	EPS Session Management	EPS会话管理：PDN连接、承载建立/修改/释放
MM	Mobility Management (2G/3G遗留)	移动性管理
SM	Session Management (2G/3G遗留)	会话管理

1.3 NAS状态机

stateDiagram-v2
    [*] --> EMM_DEREGISTERED: 开机/无SIM
    EMM_DEREGISTERED --> EMM_REGISTERED_INITIATED: Attach Request发送
    EMM_REGISTERED_INITIATED --> EMM_REGISTERED: Attach Accept/完成
    EMM_REGISTERED_INITIATED --> EMM_DEREGISTERED: Attach失败/被拒
    EMM_REGISTERED --> EMM_DEREGISTERED: Detach/去附着
    EMM_REGISTERED --> EMM_REGISTERED: TAU/Handover
    EMM_REGISTERED --> EMM_CONNECTED: 业务请求/RRC建立
    EMM_CONNECTED --> EMM_REGISTERED: RRC释放/业务结束
    state "EMM-DEREGISTERED" as EMM_DEREGISTERED
    state "EMM-REGISTERED-INITIATED" as EMM_REGISTERED_INITIATED
    state "EMM-REGISTERED" as EMM_REGISTERED
    state "EMM-CONNECTED" as EMM_CONNECTED

状态	说明
EMM-DEREGISTERED	未注册，网络不知道UE位置，需执行Attach
EMM-REGISTERED-INITIATED	正在注册流程中，等待网络响应
EMM-REGISTERED	已注册，空闲态，网络知道TA级位置
EMM-CONNECTED	连接态，有RRC连接，网络知道小区级位置

二、搜网流程（PLMN选择）

UE开机后首先执行PLMN选择，找到可用网络。

2.1 PLMN选择优先级

graph TD
    START[UE开机] --> RPLMN[尝试RPLMN<br/>上次注册的PLMN]
    RPLMN -->|成功| CAMP[驻扎该PLMN小区]
    RPLMN -->|失败| HPLMN[尝试HPLMN<br/>归属PLMN]
    HPLMN -->|成功| CAMP
    HPLMN -->|失败| UPLMN[尝试UPLMN列表<br/>用户/运营商控制]
    UPLMN -->|成功| CAMP
    UPLMN -->|失败| OPLMN[尝试OPLMN列表<br/>运营商优选]
    OPLMN -->|成功| CAMP
    OPLMN -->|失败| FULL[全频段扫描<br/>选择信号最强的可用PLMN]
    FULL -->|找到| CAMP
    FULL -->|未找到| LIMITED[受限服务<br/>仅紧急呼叫]
    CAMP --> CELL_SEL[开始小区选择]

2.2 PLMN类型

PLMN类型	说明	选择优先级
RPLMN	Registered PLMN，上次成功注册的PLMN	最高
HPLMN	Home PLMN，归属运营商（MCC+MNC匹配SIM）	高
EHPLMN	Equivalent HPLMN，等效归属PLMN列表	高
UPLMN	User-controlled PLMN，用户控制列表	中
OPLMN	Operator-controlled PLMN，运营商控制列表	中
VPLMN	Visited PLMN，拜访地PLMN（漫游）	低
FPLMN	Forbidden PLMN，禁止PLMN列表	排除

2.3 搜网模式

自动搜网：Modem按优先级自动搜索选择最优网络
手动搜网：用户手动选择运营商，UE尝试注册指定PLMN
存储频段搜网：优先搜索上次使用过的频段（快速搜网）
全频段扫描：搜索所有支持频段（慢但全面）

三、小区选择与重选

搜网找到PLMN后，执行小区选择并驻扎。

3.1 小区选择准则（S准则）

满足Srxlev > 0且Squal > 0：

Srxlev = Qrxlevmeas - (Qrxlevmin + Qrxlevminoffset) - Pcompensation
Squal = Qqualmeas - (Qqualmin + Qqualminoffset)

其中：

Qrxlevmeas：测量的RSRP值
Qrxlevmin：小区最小接收电平（SIB1广播，通常-140dBm）
Qqualmeas：测量的RSRQ值
Qqualmin：小区最小接收质量

3.2 小区选择类型

类型	场景	特点
初始小区选择	开机/无先验信息	全频段扫描，速度慢
带存储信息小区选择	有关键信息存储	利用上次存储的频点/PCI快速搜索

3.3 小区重选流程

sequenceDiagram
    participant UE
    participant CurrentCell[当前服务小区]
    participant NeighborCell[邻区]
    
    UE->>CurrentCell: 持续测量服务小区信号
    Note over UE: 计算S准则
    alt 服务小区Srxlev > Sintrasearch
        Note over UE: 不启动同频测量(省电)
    else 服务小区Srxlev ≤ Sintrasearch
        UE->>NeighborCell: 启动同频/异频/异系统测量
        Note over UE: 启动Treselection定时器
        alt 邻区满足R准则持续Treselection时间
            Note over UE: R_n > R_s + Qoffset
            UE->>NeighborCell: 重选到新小区
            UE->>NeighborCell: 读取新小区SIB
        end
    end

3.4 R准则（重选排序）

Rs = Qmeas,s + Qhyst
Rn = Qmeas,n - Qoffset

邻区Rn大于服务小区Rs且持续Treselection时间，则触发重选。

四、Attach附着流程（核心NAS流程）

Attach是UE向网络注册的核心流程，完成后UE获得IP地址，可以使用数据业务。

4.1 完整Attach信令流程

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant eNB
    participant MME
    participant HSS
    participant SGW
    participant PGW
    participant PCRF
    
    Note over UE,PCRF: 1. 随机接入与RRC连接建立
    UE->>eNB: Random Access Preamble
    eNB->>UE: Random Access Response
    UE->>eNB: RRC Connection Request
    eNB->>UE: RRC Connection Setup
    UE->>eNB: RRC Connection Setup Complete<br/>(携带NAS: Attach Request)
    
    Note over UE,PCRF: 2. 初始UE消息发送到MME
    eNB->>MME: S1-AP Initial UE Message<br/>(Attach Request + Selected PLMN)
    
    Note over UE,PCRF: 3. 鉴权流程(可选，若MME无有效UE上下文)
    MME->>HSS: Authentication Information Request
    HSS->>MME: Authentication Information Answer<br/>(RAND, AUTN, XRES, KASME)
    MME->>UE: Authentication Request(RAND, AUTN)
    Note over UE: USIM计算RES, CK, IK<br/>验证AUTN合法性
    UE->>MME: Authentication Response(RES)
    Note over MME: 比较RES与XRES
    
    Note over UE,PCRF: 4. NAS安全模式
    MME->>UE: Security Mode Command<br/>(加密/完整性算法选择)
    Note over UE: 派生NAS密钥
    UE->>MME: Security Mode Complete
    
    Note over UE,PCRF: 5. 位置更新与签约数据获取
    MME->>HSS: Update Location Request
    HSS->>MME: Update Location Answer<br/>(签约数据QoS/APN)
    
    Note over UE,PCRF: 6. 默认承载建立
    MME->>SGW: Create Session Request
    SGW->>PGW: Create Session Request
    PGW->>PCRF: IP-CAN Session Establishment
    PCRF->>PGW: PCC规则(QoS策略)
    PGW->>PGW: 分配UE IP地址
    PGW->>SGW: Create Session Response
    SGW->>MME: Create Session Response
    
    Note over UE,PCRF: 7. Attach Accept与RRC重配
    MME->>eNB: Initial Context Setup Request<br/>(Attach Accept + 承载上下文)
    eNB->>UE: RRC Connection Reconfiguration<br/>(Attach Accept + SRB2/DRB配置)
    Note over UE: 保存GUTI、TAI List、IP地址
    UE->>eNB: RRC Connection Reconfiguration Complete
    eNB->>MME: Initial Context Setup Response
    UE->>MME: Attach Complete(Direct Transfer)
    
    Note over UE,PCRF: 8. 承载更新
    MME->>SGW: Modify Bearer Request
    SGW->>MME: Modify Bearer Response
    
    Note over UE,PCRF: Attach完成! UE获得IP，可以传输数据

4.2 Attach Request关键信息

IE信息	说明
EPS Attach Type	EPS Attach / Combined EPS/IMSI Attach
IMSI或GUTI	UE标识（优先用GUTI，无有效GUTI用IMSI）
UE Network Capability	UE支持的加密/完整性算法、频段能力
ESM Message	PDN Connectivity Request（请求建立PDN连接）
PDN Type	IPv4 / IPv6 / IPv4v6
APN	接入点名称（若请求特定APN）

4.3 Attach Accept关键信息

IE信息	说明
GUTI	新分配的临时标识（保护IMSI隐私）
TAI List	跟踪区列表（TAU时无需更新，减少信令）
EPS Bearer Context	默认承载QoS、APN、IP地址
T3412 Timer	周期性TAU定时器（通常54分钟）
T3402 Timer	Attach失败后的等待定时器

4.4 Attach类型

Attach类型	说明
EPS Attach	仅EPS附着，仅PS域数据业务
Combined EPS/IMSI Attach	联合附着，同时在CS域注册（CSFB语音需要）
EPS Emergency Attach	紧急附着，无SIM卡也可（仅紧急呼叫）

五、鉴权与密钥协商流程

5.1 EPS AKA鉴权流程

sequenceDiagram
    participant UE
    participant USIM[UE/USIM卡]
    participant MME
    participant HSS/AuC
    
    MME->>HSS/AuC: 鉴权请求(IMSI)
    HSS/AuC->>HSS/AuC: 生成RAND随机数
    HSS/AuC->>HSS/AuC: 计算XRES=f2K(RAND)
    HSS/AuC->>HSS/AuC: 计算CK=f3K(RAND), IK=f4K(RAND)
    HSS/AuC->>HSS/AuC: 计算AUTN=SQN⊕AK|AMF|MAC
    HSS/AuC->>HSS/AuC: 计算KASME=KDF(CK, IK, SQN, PLMN)
    HSS/AuC->>MME: 返回鉴权向量(RAND, AUTN, XRES, KASME)
    MME->>UE: Authentication Request(RAND, AUTN)
    
    UE->>USIM: 传递RAND, AUTN
    USIM->>USIM: 验证AUTN中的MAC<br/>(确认网络合法)
    USIM->>USIM: 检查SQN序号<br/>(防止重放攻击)
    USIM->>USIM: 计算RES=f2K(RAND)
    USIM->>USIM: 计算CK=f3K(RAND), IK=f4K(RAND)
    USIM->>USIM: 计算KASME=KDF(CK, IK...)
    USIM->>UE: 返回RES, KASME
    
    UE->>MME: Authentication Response(RES)
    Note over MME: 比较RES == XRES?<br/>一致则鉴权成功

5.2 密钥派生体系

graph TD
    K[根密钥 Ki<br/>存储在USIM和AuC] -->|AKA算法| CK[CK 加密密钥]
    K -->|AKA算法| IK[IK 完整性密钥]
    CK --> KDF1[KDF派生]
    IK --> KDF1
    KDF1 --> KASME[KASME<br/>ASME基础密钥]
    KASME -->|NAS层| KNASenc[NAS加密密钥]
    KASME -->|NAS层| KNASint[NAS完整性密钥]
    KASME --> KENB[KeNB<br/>eNB基础密钥]
    KENB -->|RRC层| KRRCenc[RRC加密密钥]
    KENB -->|RRC层| KRRCint[RRC完整性密钥]
    KENB -->|UP层| KUPenc[用户面加密密钥]
    KENB --> KENBstar[S-KeNB<br/>切换时派生]

5.3 加密与完整性算法

算法标识	加密算法(EEA)	完整性算法(EIA)	说明
EEA0/EIA0	无加密	无完整性保护	仅紧急呼叫使用
EEA1/EIA1	SNOW 3G	SNOW 3G	3GPP指定，强制支持
EEA2/EIA2	AES	AES	美国标准，广泛支持
EEA3/EIA3	ZUC(祖冲之)	ZUC	中国标准，安全性高

六、TAU跟踪区更新流程

当UE进入新的TA（不在TAI List中）或周期性TAU定时器超时，执行TAU。

6.1 TAU触发条件

UE发现新TAI不在注册的TAI List中
周期性TAU定时器T3412超时
UE从异系统(E-UTRAN)重选到LTE
RRC连接释放时携带负载均衡TAU指示
UE的CSG能力变化
UE的网络能力变更

6.2 TAU流程概览

sequenceDiagram
    UE->>eNB: RRC Connection Request
    eNB->>UE: RRC Connection Setup
    UE->>eNB: RRC Connection Setup Complete<br/>(TAU Request)
    eNB->>MME: Uplink NAS Transport(TAU Request)
    Note over MME: 若新MME，需从旧MME取上下文
    MME->>HSS: Update Location Request
    HSS->>MME: Update Location Answer
    MME->>SGW: Modify Bearer Request
    SGW->>MME: Modify Bearer Response
    MME->>UE: TAU Accept<br/>(新GUTI/TAI List/T3412)
    UE->>MME: TAU Complete(若GUTI重分配)

七、Detach去附着流程

7.1 Detach类型

类型	发起方	触发场景
UE发起关机Detach	UE	关机、飞行模式
UE发起非关机Detach	UE	手动换网、SIM移除
MME发起显式Detach	MME	签约过期、HLR删除、HSS发起
MME发起隐式Detach	MME	长时间无TAU、无线链路失败超时

7.2 UE关机Detach流程

sequenceDiagram
    participant UE
    participant eNB
    participant MME
    participant SGW
    participant PGW
    
    Note over UE: 用户关机
    UE->>UE: 执行Detach流程(无需等响应)
    UE->>eNB: RRC Connection Request(若不在连接态)
    eNB->>UE: RRC Connection Setup
    UE->>eNB: Detach Request(Switch Off=1)
    eNB->>MME: Uplink NAS Transport(Detach Request)
    MME->>SGW: Delete Session Request
    SGW->>PGW: Delete Session Request
    PGW->>SGW: Delete Session Response
    SGW->>MME: Delete Session Response
    MME->>HSS: Cancel Location
    Note over MME: Detach Accept不发送<br/>(因为UE即将关机)
    Note over UE: 立即断电，无需等待响应

八、Service Request业务请求流程

UE在EMM-REGISTERED空闲态需要发送上行数据或信令时，触发Service Request建立连接。

sequenceDiagram
    participant UE
    participant eNB
    participant MME
    participant SGW
    
    Note over UE: 有上行数据要发送<br/>(当前在RRC_IDLE态)
    UE->>eNB: Random Access
    UE->>eNB: RRC Connection Request
    eNB->>UE: RRC Connection Setup
    UE->>eNB: RRC Connection Setup Complete<br/>(Service Request)
    eNB->>MME: Initial UE Message(Service Request)
    Note over MME: 鉴权/安全(如需要)
    MME->>eNB: Initial Context Setup Request
    eNB->>UE: RRC Connection Reconfiguration<br/>(重建DRB承载)
    UE->>eNB: RRC Connection Reconfiguration Complete
    eNB->>MME: Initial Context Setup Response
    MME->>SGW: Modify Bearer Request(eNB地址更新)
    SGW->>MME: Modify Bearer Response
    Note over UE: 数据通路恢复<br/>可以发送上行数据

九、常见NAS失败原因与处理

原因值	含义	UE处理策略
#2 IMSI unknown in HLR	IMSI在HLR未注册	标记SIM无效，禁止重试，提示用户
#3 Illegal MS	非法终端	移除USIM后重试或换卡
#5 IMEI not accepted	IMEI被拒绝	无有效SIM时可能出现
#6 Illegal ME	非法设备	同上
#7 GPRS services not allowed	GPRS服务不允许	禁止该PLMN，尝试其他PLMN
#11 PLMN not allowed	PLMN被禁止	加入FPLMN列表，尝试其他PLMN
#12 Tracking Area not allowed	TA不允许	同PLMN下换TA尝试
#13 Roaming not allowed in TA	漫游不允许	换PLMN
#15 No suitable cells	无合适小区	继续重选/搜网
#17 Network failure	网络故障	T3402计时后重试（指数退避）
#19 CS domain not available	CS域不可用	尝试EPS-only Attach
#22 Congestion	网络拥塞	延迟重试，退避机制
#32 Service option not supported	服务不支持	重新尝试合适的服务类型

十、NAS流程关键参数总结

定时器	典型值	功能
T3402	12分钟	Attach/TAU失败后等待重试时间
T3410	15秒	Attach Request等待响应超时
T3411	10秒	attach/restart指示超时
T3412	54分钟	周期性TAU定时器
T3417	6秒	Service Request超时
T3421	15秒	Detach Request等待响应超时

参考标准：

3GPP TS 24.301 (NAS协议 - EMM)
3GPP TS 24.008 (NAS协议 - 会话管理)
3GPP TS 33.401 (EPS安全架构)
3GPP TS 23.401 (EPS总体描述)

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