在普通VoNR/VoLTE通话中,一次呼叫要经过"鉴权→PDU会话建立→IMS注册→INVITE→资源预留→振铃→接通"这条标准链路,整个过程对 UE 是否有有效订阅、是否有签约数据强依赖。但紧急呼叫(Emergency Call,如110/119/120、911/112)存在三个本质性约束,这决定了它必须走一套旁路正常业务逻辑的专用信令通道:
为了满足这三点,3GPP在5G体系中设计了一条贯穿5GC(AMF/SMF/UPF)+ IMS(P-CSCF/E-CSCF)+ LCS(LRF/RDF/GMLC)三大子系统的专用信令链路。本文聚焦这条链路中最具IMS域特色的两个核心机制:E-CSCF如何识别并路由紧急呼叫,以及LRF如何完成"位置→PSAP"的映射。相关规范锚点为 TS 23.502 clause 4.13、TS 23.167(IMS emergency sessions)、TS 24.501(NAS层紧急PDU会话)、TS 24.229(SIP层紧急INVITE)。
紧急呼叫完整建立可拆为五个阶段。下图给出从UE摘机拨号到PSAP接通的端到端全景:
flowchart TD
A[UE摘机拨打紧急号码<br/>受限服务/无SIM] --> B{是否已注册?}
B -- 否 --> S1[阶段1: 紧急注册<br/>Initial Emergency Registration]
S1 --> S2[阶段2: 紧急PDU会话建立<br/>Request Type=initial emergency request]
B -- 是 --> S2
S2 --> S3[阶段3: P-CSCF地址获取<br/>SMF经PCF下发紧急P-CSCF]
S3 --> S4[阶段4: 紧急INVITE路由<br/>P-CSCF → E-CSCF 而非 S-CSCF]
S4 --> S5[阶段5: LRF定位与PSAP选路<br/>LRF/RDF → ESRN → PSAP]
S5 --> M[紧急媒体会话建立<br/>抢占式QoS ARP]
style S1 fill:#fff3cd
style S2 fill:#fff3cd
style S4 fill:#f8d7da
style S5 fill:#d1ecf1
style M fill:#d4edda
理解这张图的关键是:普通呼叫与紧急呼叫在阶段4彻底分叉。普通INVITE被P-CSCF按正常注册关系路由给S-CSCF,而紧急INVITE被P-CSCF强制改道发往E-CSCF。这个"改道"动作,是整个紧急呼叫机制在IMS域的灵魂。
当一个受限服务UE(无有效USIM、或鉴权失败、或无签约)需要发起紧急呼叫时,它会在Registration Request中把 5GS Registration Type 置为 emergency registration(TS 24.501 §5.5.1.2)。AMF收到后执行一套特殊逻辑(TS 23.502 §4.13.3 / TS 23.501 §5.16.3):
这一步的设计意图是:把"UE合法性"与"紧急服务接入权"解耦。监管法规(如美国FCC、欧盟112指令)要求运营商不得因鉴权失败拒绝紧急呼叫,所以3GPP必须在协议层面预留一个"不依赖USIM的注册通道"。
紧急PDU会话(Emergency PDU Session)是整条链路的承载体。其NAS层信令与普通PDU会话高度相似,但有几个决定性差异(TS 23.502 §4.3.2.2、TS 24.501 §6.4.1.2):
sequenceDiagram
autonumber
participant UE
participant RAN as gNB
participant AMF
participant SMF
participant PCF
participant UPF
UE->>AMF: UL NAS Transport<br/>(PDU Session Est. Request)<br/>Request Type = "initial emergency request"
Note over UE,AMF: 关键IE: DNN可为空/紧急DNN<br/>SNSSAI=紧急切片; 不带5GSM cause鉴权
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext<br/>Emergency Indicator = TRUE
SMF->>SMF: 选择紧急专用SMF/UPF池<br/>跳过Secondary Auth/NSSAA
SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create<br/>(Emergency session)
PCF-->>SMF: Policy + 紧急QoS规则<br/>ARP pl(抢占)=1, pv(防被抢占)=1
SMF->>UPF: N4 Session Establishment<br/>紧急专用UPF(免计费/免合法监听特殊处理)
SMF-->>AMF: N1 SM Container<br/>(PDU Session Est. Accept)<br/>含紧急P-CSCF地址
AMF->>UE: DL NAS Transport<br/>PDU Session Est. Accept
Note over SMF,PCF: 紧急P-CSCF地址通过PCF/DNN配置下发
关键差异点详解(对照普通PDU会话):
| 维度 | 普通PDU会话 | 紧急PDU会话 |
|---|---|---|
| Request Type (TS 24.501) | initial request |
initial emergency request / existing emergency PDU session |
| DNN来源 | UE提供或UE Subscription匹配 | 运营商本地配置的紧急DNN,不依赖签约 |
| 二次认证/授权 | 可触发DN-AA / NSSAA | 强制跳过(TS 23.502 §4.3.2.2.1 注释) |
| UPF选择 | 按DNN/S-NSSAI/位置 | 紧急专用UPF池,通常与PSAP/IMS域直连 |
| QoS ARP | 按签约Profile | 抢占优先级最高(pre-emption capability=enabled) |
| 计费 | 正常在线/离线计费 | 紧急会话通常免计费或专用计费域 |
| 合法监听(LI) | 按法规支持 | 紧急会话特殊处理,部分辖区豁免 |
设计意图:紧急PDU会话用一套独立的资源域(独立DNN、独立UPF、最高ARP),把紧急业务"隔离"在普通业务之外。当网络严重拥塞时,紧急承载的ARP抢占标志位使其能强行拆掉低优先级会话的无线/N3资源,保证SOS信令通道畅通——这是普通会话绝不可能做到的。
紧急PDU会话建立成功后,UE需要一个P-CSCF来收发SIP信令。在5G中,P-CSCF地址的下发路径是:SMF → PCF → (PDU Session Establishment Accept中的PCO Protocol Configuration Options)→ UE(TS 23.501 §5.8.2.6、Cisco UCC SMF配置文档印证:SMF从DNN配置中取P-CSCF地址)。
对紧急会话,下发的P-CSCF必须是与紧急E-CSCF可达的紧急专用P-CSCF(部分运营商为紧急业务部署独立P-CSCF池,避免普通IMS信令风暴影响紧急呼叫)。
UE通过紧急PDU会话拿到P-CSCF后,构造并发送SIP INVITE。这个INVITE的Request-URI使用的是URN格式而非电话号码(TS 24.229 §5.1.2.2.1、IETF RFC 5031):
INVITE sip:urn:service:sos SIP/2.0 // 通用SOS
INVITE sip:urn:service:sos.fire SIP/2.0 // 消防
INVITE sip:urn:service:sos.police SIP/2.0 // 警察
UE也可能用本地紧急号码(如tel:110)。P-CSCF的识别逻辑是:将收到的号码与本网紧急号码列表做匹配,匹配成功即判定为紧急呼叫,随后执行改道(TS 23.167 §7.1、TS 24.229 §5.4.1.2.2)。
改道的核心规则: - 普通呼叫:P-CSCF → S-CSCF(按UE的IMS注册关系) - 紧急呼叫:P-CSCF → E-CSCF(Emergency-CSCF),绕过S-CSCF
sequenceDiagram
autonumber
participant UE
participant PCSCF as P-CSCF
participant SCSCF as S-CSCF
participant ECSCF as E-CSCF
participant LRF
participant PSAP
Note over UE: Request-URI = urn:service:sos
UE->>PCSCF: INVITE (urn:service:sos)<br/>P-Preferred-Service-ID(ecscf)
PCSCF->>PCSCF: 号码匹配紧急号码表<br/>判定为Emergency Call
Note over PCSCF: 改道: 不发S-CSCF, 强制发E-CSCF<br/>插入P-Asserted-Service-ID
PCSCF->>ECSCF: INVITE (转发, 标记紧急)
Note over ECSCF: 解析位置信息缺失 → 向LRF请求
ECSCF->>LRF: 请求UE位置 + PSAP选路<br/>(含correlation id)
LRF->>LRF: 调RDF, 查询/获取UE位置
LRF-->>ECSCF: 返回ESRN(路由号) + ESQK + PSAP地址
Note over ECSCF: 用ESRN作为Request-URI重写INVITE
ECSCF->>PSAP: INVITE (Route by ESRN)
PSAP-->>ECSCF: 183 Session Progress
ECSCF-->>PCSCF: 183 Session Progress
PCSCF-->>UE: 183 Session Progress
设计意图:为什么不让S-CSCF来转?因为紧急呼叫的UE可能根本没有IMS注册(受限服务UE走完紧急PDU会话就直接拨号,S-CSCF里没有它的注册记录,无法路由)。E-CSCF作为一个"无状态、不依赖用户注册"的入口网元,专门为紧急INVITE提供确定性的下一步路由——查LRF要PSAP。这就是E-CSCF在R7版本被引入的根本原因:把"找接警中心"这个逻辑从依赖用户签约的路由体系里彻底剥离出来。
E-CSCF本身不知道UE的物理位置,也不知道哪个PSAP该接这通电话。这件事交给LRF(Location Retrieval Function)完成(TS 23.167 §6、§7.3)。LRF内部通常包含两个子功能:
flowchart LR
ECSCF[E-CSCF] --> LRF
subgraph LRF [LRF: Location Retrieval Function]
RRF[RF<br/>Retrieval Function<br/>负责获取UE位置]
RDF[RDF<br/>Routing Determination Function<br/>负责位置→PSAP映射]
RRF --> RDF
end
RRF -.经SLg/MLPP.-> GMLC[GMLC/AMF<br/>TS 23.271 LCS]
RDF -- 查询 --> DB[紧急服务辖区<br/>路由数据库]
LRF --> R3[输出: ESRN + ESQK<br/>+ PSAP路由地址]
style RDF fill:#d1ecf1
style RRF fill:#fff3cd
RDF选定PSAP后,LRF返回两个关键标识(TS 23.167 §6.4、3gpp-explorer ESRN词条):
| 标识 | 全称 | 作用 | 生命周期 |
|---|---|---|---|
| ESRN | Emergency Service Routing Number | E-CSCF用它作Request-URI,把INVITE路由到正确的PSAP/MGCF(本质是一个可路由的E.164号码) | 一次紧急会话内有效 |
| ESQK | Emergency Service Query Key | PSAP回呼UE、或查询UE精确位置时用ESQK向LRF反查(correlation) | 会话期间有效,会话结束销毁 |
E-CSCF收到LRF返回的ESRN后,重写INVITE的Request-URI为ESRN,然后按正常SIP路由把INVITE送到PSAP。这一步之后,剩下的183/PRACK/200 OK/资源预留流程就和普通VoNR呼叫一致了,只是底层承载用的是阶段2建立的紧急QoS。
PSAP接警员经常需要回拨报警人。但紧急呼叫的UE可能是无SIM/受限服务UE,没有稳定的可回拨号码。ESQK解决了这个问题:PSAP用ESQK向LRF查询,LRF用ESQK关联到该UE的紧急会话上下文,返回一个可用于回呼的路由信息。这种"用临时密钥关联会话"的设计,与普通呼叫"用MSISDN标识用户"的思路完全不同。
| 协议层 | 报文/字段 | 抓包识别特征 |
|---|---|---|
| 5G NAS | Registration Request | Registration Type = emergency registration(值=2) |
| 5G NAS | PDU Session Est. Request | Request type = initial emergency request; SMF收到Emergency Indicator |
| NGAP | PDU Session Resource Setup | Emergency Indicator IE present; ARP pre-emption enabled |
| SIP | INVITE Request-URI | urn:service:sos.* 或被P-CSCF改写为ESRN |
| SIP | P-CSCF → E-CSCF | Via/Route头指向E-CSCF而非S-CSCF |
| Diameter/HTTP | LRF查询 | ESRN/ESQK字段出现;SLg Location Report |
# 过滤NAS层紧急注册
tshark -r emergency.pcap -Y "nas-5gs.reg_type == 2"
# 过滤SIP紧急INVITE (URN方式)
tshark -r emergency.pcap -Y 'sip.Request-URI contains "urn:service"'
# 查看ESRN路由改写后到PSAP的INVITE
tshark -r emergency.pcap -Y 'sip.Method == "INVITE"' \
-T fields -e frame.number -e sip.Request-URI -e sip.from
故障:受限服务UE拨紧急号不通
排查重点:AMF是否接受emergency registration、是否为该UE分配了紧急subscriber profile。若AMF拒绝emergency registration,检查AMF配置的 emergencyServiceAllowed 标志(TS 23.501 §5.16.3.2)。
故障:紧急PDU会话建立失败(SMF返回smcause)
排查:SMF本地是否配置了紧急DNN和紧急UPF;Request Type是否正确携带 initial emergency request。常见错误是UE用了普通Request Type,导致SMF按普通流程走二次认证失败。
故障:INVITE被路由到了S-CSCF而非E-CSCF 这是最典型的IMS侧配置错误。排查P-CSCF的紧急号码表(Emergency Number List)是否完整、是否覆盖了UE拨打的号码格式(URN vs tel号码)。P-CSCF未识别为紧急→走S-CSCF→S-CSCF发现无注册→403 Forbidden。
故障:LRF返回位置不准导致路由到错误PSAP 排查RF的位置获取:是否走了SLg向AMF/GMLC查询、cell粒度是否够、是否触发了定位增强(A-GNSS)。位置陈旧会导致RDF误判辖区。
故障:ESQK回呼失败 排查ESQK的correlation是否在会话结束前有效;部分实现ESQK有效期过短,导致接警员稍后回呼时LRF已清除关联上下文。
stateDiagram-v2
[*] --> 未注册受限: 无有效USIM/欠费
未注册受限 --> 紧急注册中: 摘机拨紧急号
紧急注册中 --> 紧急已注册: AMF接受<br/>(bypass鉴权)
紧急已注册 --> 紧急PDU会话建立: initial emergency request
紧急PDU会话建立 --> INVITE已发: P-CSCF地址下发
INVITE已发 --> E_CSCF路由中: P-CSCF改道
E_CSCF路由中 --> LRF定位中: 缺位置→查LRF
LRF定位中 --> PSAP振铃: ESRN路由+183
PSAP振铃 --> 通话中: 200 OK + 资源预留
通话中 --> 会话释放: BYE (含ESQK销毁)
会话释放 --> [*]
note right of 紧急PDU会话建立
任意阶段失败都
不影响重新发起
end note
紧急会话状态机与普通IMS会话状态机最大的区别是:每个阶段都有"尽力而为、可重试"的弹性,且整体不允许被低优先级业务抢占。这也是为什么运营商把紧急呼叫可用率列为最高级别的KPI。
回看整条信令链路,3GPP用三个解耦实现了紧急呼叫的特殊性:
理解了这三个解耦,就理解了为什么紧急呼叫在5G架构里需要一套"看似冗余、实则不可或缺"的专用机制。
Q1:紧急呼叫为什么可以绕过S-CSCF直接发E-CSCF?S-CSCF不负责所有SIP会话控制吗? A:S-CSCF的路由依赖UE的IMS注册记录(用户归属、iFC触发规则)。受限服务UE可能根本没有IMS注册,S-CSCF查不到路由上下文。E-CSCF作为无状态紧急入口,不依赖用户注册,只做"识别紧急→查LRF→路由PSAP"这一确定性动作(TS 23.167 §7.1)。
Q2:ESRN和ESQK到底有什么区别? A:ESRN(路由号)是给网络侧用的——E-CSCF用它作Request-URI把INVITE路由到正确PSAP,本质是一个可路由号码。ESQK(查询密钥)是给PSAP侧用的——接警员回呼或查询报警人位置时,用ESQK向LRF反查会话关联。一个管"路由过去",一个管"关联回来"。
Q3:紧急PDU会话为什么必须跳过二次认证(DN-AA/NSSAA)? A:二次认证需要数据网(如企业DN)和切片做身份校验,依赖UE的有效凭证与订阅。受限服务UE拿不出这些凭证,若强制二次认证会直接失败导致紧急会话建不起来。监管要求紧急业务零阻塞,故规范在TS 23.502 §4.3.2.2.1明确对紧急PDU会话豁免。
Q4:如果UE已经正常注册并签了VoNR,还需要走紧急注册和紧急PDU会话吗? A:仍建议走紧急PDU会话。原因是普通PDU会话的QoS ARP优先级不够、且承载在普通UPF上,无法保证拥塞时被抢占保护。已注册UE发起紧急呼叫时,网络会额外建立一条紧急PDU会话(或复用并升级QoS),确保SOS承载具备最高抢占优先级。这是运营商保障紧急呼叫可靠性的标准做法。
Q5:LRF怎么知道UE的精确位置?用的是GPS还是基站定位? A:两者都用。LRF的RF经GMLC→AMF→(RAN)走LCS体系(TS 23.271)。紧急场景常用"两段式":先用cell/TA级别的初始位置快速选路PSAP(满足时延要求),再通过A-GNSS等增强定位补充精确坐标更新给PSAP。法规(如美国E911 Phase II)对定位精度和时延有强制指标。
本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。
[!tip] 51学通信知识星球 星主:爱卫生(微信:gprshome201101)——公众号「51学通信」创办者,19 年通信行业运维与讲师经验,著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书(各大电商平台有售)。 星球定位:深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域,主打运维岗位与信令分析。 当前规模:5200 篇主题 / 990 个回答,198 元/年。 加入福利:加入星球后请加爱卫生微信,拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题,另有群内分享。 AI 加持:51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy,使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例,做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。
