5G Paging(寻呼)是唯一一条跨越UE→RAN→Core三层、同时覆盖RRC_IDLE/RRC_INACTIVE/CM-IDLE/CM-CONNECTED四种状态的信令流程。它不像Registration或PDU Session那样由UE主动发起,而是网络侧驱动的"反向唤醒"机制——当下行数据到达、系统信息变更、或紧急告警触发时,网络必须在不确知UE精确位置的前提下,在正确的时间窗口将唤醒信号送达。
这个"正确的时间窗口"就是Paging Frame(PF)与Paging Occasion(PO)计算博弈的核心。3GPP为此设计了DRX(Discontinuous Reception)节电框架,让UE绝大部分时间深度休眠,仅在极窄的PO窗口醒来监听PDCCH。而网络侧则在AMF/SMF/gNB三个网元间展开协调,决定何时触发、发给谁、在多大范围内发送。
本文将从三个触发源出发,完整拆解5G Paging从核心网到空口的信令链路、PF/PO数学公式推导、NGAP/RRC IE结构、以及R17引入的PEI节能增强。
flowchart TB
subgraph 触发源
T1["触发源1: CN-initiated<br/>SMF/AMF → NGAP Paging<br/>UE在CM-IDLE/RRC_IDLE"]
T2["触发源2: RAN-initiated<br/>Last gNB → Xn/Uu Paging<br/>UE在RRC_INACTIVE"]
T3["触发源3: Short Message<br/>gNB → DCI 1_0 ShortMsg<br/>ETWS/CMAS/SI更新"]
end
subgraph 空口寻呼
P1["Paging Frame计算<br/>SFN mod T = T/N × UE_ID mod N"]
P2["Paging Occasion计算<br/>i_s = floor UE_ID/N mod Ns"]
P3["PDCCH监听<br/>P-RNTI加扰 DCI 1_0"]
end
subgraph UE响应
R1["Service Request<br/>RRC_IDLE→CONNECTED"]
R2["RRC Resume<br/>RRC_INACTIVE→CONNECTED"]
R3["系统信息更新<br/>重新读取SIB"]
end
T1 --> P1
T2 --> P1
T3 --> P2
P1 --> P2
P2 --> P3
P3 --> R1
P3 --> R2
P3 --> R3
适用场景:UE处于CM-IDLE状态(NAS信令连接已释放,N3/N9用户面隧道已拆除)。
信令链路(TS 23.502 Section 4.2.3.3):
sequenceDiagram
participant UPF
participant SMF
participant AMF
participant gNB1 as gNB-1
participant gNB2 as gNB-2
participant UE
UPF->>SMF: DL Data Notification<br/>(N4 Downlink Data Report)
Note over SMF: 检测UE在CM-IDLE<br/>无N3隧道活跃
SMF->>AMF: Namf_Communication<br/>_N1N2MessageTransfer<br/>(含PDU Session ID, N2 SM Info)
Note over AMF: 查询UE注册区域<br/>确定TAI List for Paging
AMF->>gNB1: NGAP Paging<br/>(5G-S-TMSI, TAI List,<br/>Paging Priority, DRX)
AMF->>gNB2: NGAP Paging<br/>(5G-S-TMSI, TAI List)
Note over gNB1,gNB2: 计算PF/PO<br/>在对应空口时机发送
gNB1->>UE: RRC Paging<br/>(P-RNTI DCI 1_0 + PDSCH)
gNB2->>UE: RRC Paging<br/>(同步发送)
UE->>gNB1: RRC Setup Request<br/>(含Service Request NAS Msg)
gNB1->>AMF: NGAP Initial UE Message<br/>(Service Request)
Note over AMF: UE转为CM-CONNECTED
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession<br/>_UpdateSMContext<br/>(N2 SM Info)
SMF->>UPF: N4 Session Modification<br/>(恢复DL隧道)
UPF->>UE: Downlink Data
关键设计意图: - SMF在检测到DL Data但N3隧道不存在时,不直接发起Paging,而是通过Namf_Communication_N1N2MessageTransfer请求AMF代为寻呼。这种设计将Paging决策权集中于AMF,因为AMF掌握UE的注册区域(Registration Area)和移动性状态(CM-IDLE/CM-CONNECTED)。 - AMF向UE注册区域内所有TAI对应的gNB发送NGAP Paging,确保UE无论在哪个小区都能被找到,代价是空口资源开销较大。
适用场景:UE处于RRC_INACTIVE状态(RRC连接挂起,AS上下文保留在last serving gNB,但NAS层仍为CM-CONNECTED)。
这是5G相对于4G LTE引入的全新Paging路径。核心思路:UE虽然RRC连接挂起,但从AMF视角仍然"在线",因此不需要通知核心网,last serving gNB可以在RNA(RAN Notification Area)范围内自行寻呼。
sequenceDiagram
participant UPF
participant gNB_A as Last gNB<br/>(Anchor)
participant gNB_B as Neighbor gNB
participant UE
UPF->>gNB_A: DL Data<br/>(N3隧道仍存在)
Note over gNB_A: 检测UE在RRC_INACTIVE<br/>AS Context保留
gNB_A->>gNB_B: Xn RAN Paging<br/>(I-RNTI, RNA范围)
gNB_A->>UE: RRC Paging<br/>(在Anchor小区)
gNB_B->>UE: RRC Paging<br/>(在RNA内邻区)
UE->>gNB_B: RRC Resume Request<br/>(含Resume ID / I-RNTI)
gNB_B->>gNB_A: Retrieve UE Context<br/>(Xn接口)
gNB_A->>gNB_B: UE Context Response<br/>(完整AS上下文)
Note over gNB_B: 恢复DRB/SRB配置
UE->>gNB_B: RRC Resume Complete
gNB_B->>UPF: Path Switch<br/>(N3路径切换)
UPF->>UE: Downlink Data
关键设计意图: - RNA(RAN Notification Area)通常远小于TA,Paging范围更精准,空口开销更低。 - UE响应使用RRC Resume而非RRC Setup,直接恢复已挂起的RRC上下文(含安全配置、DRB参数),省去完整的NAS Service Request流程,时延可降低50%-70%。 - 但若UE移出RNA范围(未及时RNAU),last gNB需通知AMF发起CN-initiated Paging兜底。
适用场景:不针对特定UE,而是小区级广播通知,通过DCI 1_0的Short Message字段承载。
| Short Message位域 | 含义 | 触发动作 |
|---|---|---|
| ETWS (bit 0) | Earthquake and Tsunami Warning System | UE立即读取SIB6 |
| CMAS (bit 1) | Commercial Mobile Alert System | UE立即读取SIB7 |
| System Info Modify (bit 2) | 系统信息变更通知 | UE在下一个SI修改周期重读SIB |
Short Message通过P-RNTI加扰的DCI 1_0承载,无需PDSCH寻呼消息——仅DCI本身即包含全部信息。这意味着所有UE(无论IDLE/INACTIVE/CONNECTED)在同一时刻都能检测到紧急告警。
NGAP Paging(TS 38.413 Section 8.6)是AMF→gNB的非UE关联信令,其IE结构直接决定gNB的寻呼行为。
graph LR
A["NGAP Paging Message"] --> B["UE Paging Identity"]
A --> C["TAI List for Paging"]
A --> D["Paging Priority<br/>(Optional)"]
A --> E["UE Radio Capability<br/>for Paging<br/>(Optional)"]
A --> F["Assistance Data<br/>for Paging<br/>(Optional)"]
A --> G["Paging DRX<br/>(Optional)"]
B --> B1["5G-S-TMSI<br/>(常规寻呼)"]
B --> B2["Full IMSI<br/>(紧急寻呼/未分配TMSI)"]
C --> C1["TAI 1"]
C --> C2["TAI 2"]
C --> C3["TAI N"]
D --> D1["Priority Level 1-8<br/>1=最高 8=最低"]
F --> F1["UE Identity Index Value<br/>(用于PF/PO计算)"]
F --> F2["Recommended Cells<br/>(建议优先寻呼小区)"]
F --> F3["Location Indication<br/>(UE大致位置)"]
G --> G1["32/64/128/256<br/>radio frames"]
| IE名称 | 类型 | 必选/可选 | 说明 |
|---|---|---|---|
| UE Paging Identity | Choice | M(必选) | 5G-S-TMSI(48位)或IMSI,标识被寻呼UE |
| TAI List for Paging | List | M | AMF确定的UE注册区域TAI列表,gNB仅在这些TA的小区发送 |
| Paging Priority | Enum | O | 8级优先级(1最高),高优先级Paging可抢占低优先级资源 |
| UE Radio Capability for Paging | OctetString | O | UE的无线能力信息,gNB用于优化寻呼发送(如NR-only或EUTRA+NR) |
| Assistance Data for Paging | Container | O | R16新增,包含UE最后已知位置,帮助gNB精准寻呼 |
| Paging DRX | Enum | O | UE特定DRX周期(32/64/128/256帧),覆盖SIB1默认值 |
设计意图:Assistance Data for Paging是R16引入的重要优化。AMF将从RAN-CN边缘(如gNB上报的UE位置信息)获得的UE最后已知位置传递给gNB,gNB可以优先在推荐小区发送Paging,减少空口广播范围。
| 参数 | 来源 | 取值范围 | 含义 |
|---|---|---|---|
| T | min(UE-specific DRX, defaultPagingCycle) | 32/64/128/256 帧 | 有效DRX周期 |
| nB | SIB1 PCCH-Config | 4T, 2T, T, T/2, T/4, T/8, T/16, T/32 | 控制PF密度 |
| N | min(T, nB) | 依赖nB | 每DRX周期的PF数量 |
| Ns | max(1, nB/T) | 1/2/4 | 每PF中的PO数量 |
| UE_ID | 5G-S-TMSI mod 1024 | 0~1023 | UE标识低10位 |
$$SFN \mod T = \left\lfloor \frac{T}{N} \right\rfloor \times (UE_ID \mod N)$$
解读:在每T帧的DRX周期内,有N个PF(由nB控制密度)。UE_ID通过取模运算均匀分布到不同PF,避免所有UE挤在同一个PF。
$$i_s = \left\lfloor \frac{UE_ID}{N} \right\rfloor \mod N_s$$
解读:每个PF内有Ns个PO,UE通过UE_ID/N的商进一步分散到不同PO。
场景参数: - defaultPagingCycle(T)= 128 帧 - nB = T/2 → N = min(T, nB) = min(128, 64) = 64 - Ns = max(1, nB/T) = max(1, 0.5) = 1 - 5G-S-TMSI = 0xA3B2C1 → UE_ID = 0xA3B2C1 mod 1024 = 961
PF计算:
SFN mod 128 = floor(128/64) × (961 mod 64)
= 2 × (961 mod 64)
= 2 × 1
= 2
→ UE在每个DRX周期的 SFN = 2, 66 两个帧监听(T=128, 间隔T/N=2个PF)
PO计算:
i_s = floor(961/64) mod 1 = 15 mod 1 = 0
→ 在每个PF中,UE监听第0个PO(因为Ns=1,每个PF只有一个PO)。
| nB取值 | N | Ns | 寻呼密度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 4T | T | 4 | 极高 | 海量IoT/ mMTC |
| 2T | T | 2 | 高 | 密集城区 |
| T | T | 1 | 默认 | 常规场景 |
| T/2 | T/2 | 1 | 中等 | 郊区 |
| T/4 | T/4 | 1 | 低 | 农村广覆盖 |
| T/8~T/32 | T/8~T/32 | 1 | 极低 | 深覆盖节能 |
博弈关系:nB越大,PF越多,UE被唤醒的频率越高,寻呼时延越低,但空口PDCCH资源开销越大、UE功耗越高。网络需在时延与功耗之间权衡。
sequenceDiagram
participant UE
participant gNB
Note over UE: DRX休眠中...
Note over UE: PF到达,唤醒RF链路
rect rgb(230, 245, 255)
Note over UE,gNB: Step 1: PDCCH监听
gNB->>UE: PDCCH DCI 1_0<br/>(P-RNTI加扰)<br/>频域: PagingSearchSpace<br/>时域: PO对应的PDCCH监听时机
Note over UE: 解码DCI → 获取PDSCH调度信息
end
rect rgb(255, 245, 230)
Note over UE,gNB: Step 2: PDSCH接收
gNB->>UE: PDSCH Paging Message<br/>含pagingRecordList<br/>或Short Message指示
Note over UE: 检查pagingRecord中<br/>是否有自己的5G-S-TMSI
end
alt 寻呼到本UE
UE->>UE: 记录accessType<br/>(1=NR, 0=EUTRA)
UE->>gNB: RRC Setup/Resume Request
else 未寻呼到
Note over UE: 回到DRX休眠
end
PagingRecord ::= SEQUENCE {
ue-Identity CHOICE {
ng-5G-S-TMSI BIT STRING (SIZE(48)),
fullI-RNTI BIT STRING (SIZE(40))
},
accessType ENUMERATED {nr, eutra},
...
}
关键设计:
- ng-5G-S-TMSI:48位,用于CN-initiated Paging,UE匹配后发起Service Request。
- fullI-RNTI:40位,用于RAN-initiated Paging,UE匹配后发起RRC Resume Request。
- accessType:指示UE在3G还是5G接入网响应,用于EPS Fallback等互操作场景。
stateDiagram-v2
[*] --> RRC_IDLE: 开机注册后
RRC_IDLE --> RRC_CONNECTED: CN Paging响应<br/>RRC Setup + Service Request
RRC_IDLE --> RRC_CONNECTED: UE主叫<br/>RRC Setup + Registration/Service Request
RRC_CONNECTED --> RRC_INACTIVE: RRC Release<br/>(suspendConfig)
RRC_CONNECTED --> RRC_IDLE: RRC Release<br/>(无suspendConfig)
RRC_INACTIVE --> RRC_CONNECTED: RAN Paging响应<br/>RRC Resume
RRC_INACTIVE --> RRC_IDLE: RNAU失败/定时器超时<br/>隐式回退
RRC_INACTIVE --> RRC_INACTIVE: RAN Paging<br/>(RNA范围内移动)
note right of RRC_IDLE
CM-IDLE状态
NAS连接已释放
AMF按TA级别跟踪
end note
note right of RRC_INACTIVE
CM-CONNECTED状态
NAS连接保持
gNB按RNA级别跟踪
end note
note right of RRC_CONNECTED
CM-CONNECTED状态
全部连接活跃
end note
3GPP Release 17引入了Paging Early Indication(PEI)机制,在PO之前增加一个极轻量的"预检"信号,让大部分UE在确认无自身寻呼后立即回睡,避免无谓的PDCCH解码。
sequenceDiagram
participant UE
participant gNB
Note over UE: DRX休眠中...
rect rgb(200, 255, 200)
Note over UE,gNB: PEI Occasion(PO之前)
gNB->>UE: DCI 2_7<br/>(PEI-RNTI加扰)<br/>含subgroup bitmap
Note over UE: 检查自己所在subgroup位<br/>0=无寻呼 1=有寻呼
end
alt PEI指示=0(无寻呼)
Note over UE: 立即回睡,跳过PO
else PEI指示=1(有寻呼)
rect rgb(230, 245, 255)
Note over UE,gNB: 正常Paging流程
gNB->>UE: PDCCH DCI 1_0 (P-RNTI)
gNB->>UE: PDSCH Paging Message
end
end
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| pei-RNTI | PEI专用RNTI,SIB1中广播 |
| pei-Offset | PEI occasion相对于PO的时间偏移 |
| subgroupCount | subgroup数量(如4/8/16组) |
| UE分组规则 | 基于UE_ID mod subgroupCount |
UE根据自身UE_ID映射到特定subgroup,PEI DCI中每个bit对应一个subgroup。仅当对应bit=1时UE才需要继续监听PO,否则直接回睡。
节能效果:假设8个subgroup,平均每个PO仅1/8的UE需要继续监听,PDCCH唤醒功耗降低约87.5%。
| 特性 | P-RNTI | PEI-RNTI |
|---|---|---|
| DCI格式 | DCI 1_0 | DCI 2_7 |
| 承载内容 | PDSCH调度信息 | Subgroup bitmap |
| 解码开销 | 需解码DCI+PDSCH | 仅解码DCI |
| 引入版本 | R15 | R17 |
| 适用范围 | 所有5G UE | 支持PEI能力的UE |
| 维度 | CN-initiated Paging | RAN-initiated Paging | Short Message |
|---|---|---|---|
| 触发网元 | AMF(经SMF请求) | Last serving gNB | gNB(本地触发) |
| UE状态 | CM-IDLE / RRC_IDLE | CM-CONNECTED / RRC_INACTIVE | 所有状态 |
| 寻呼范围 | TAI List(整个注册区域) | RNA(RAN通知区域) | 单小区广播 |
| UE标识 | 5G-S-TMSI(48位) | I-RNTI(40位) | 无(广播) |
| UE响应 | RRC Setup + Service Request | RRC Resume | 读取SIB/无响应 |
| 时延 | 较高(跨N2/NAS信令) | 较低(纯RAN内部) | 最低(仅物理层) |
| 信令开销 | 高(多gNB同步发送) | 低(RNA范围内) | 极低(单DCI) |
| 规范引用 | TS 23.502 §4.2.3.3 | TS 38.331 §5.3.10 | TS 38.331 §6.5 |
在Wireshark中过滤NGAP Paging消息:
# 过滤NGAP Paging消息
ngap.procedureCode == 17
# 过滤特定5G-S-TMSI的Paging
ngap.paging && ngap.UEPagingIdentity
# 过滤高优先级Paging
ngap.paging && ngap.PagingPriority
关键识别点: - NGAP Paging为非UE关联信令(Non-UE-associated signaling),无AMF UE NGAP ID和RAN UE NGAP ID。 - 如果看到Paging Priority IE存在,说明是高优先级业务(如VoNR、紧急呼叫)触发的寻呼。 - Assistance Data for Paging存在时,说明AMF掌握了UE的最后位置信息(R16+特性)。
# 过滤RRC Paging
rrc.pcch
# 查看pagingRecord中的UE标识
rrc.pagingRecord.*
| 故障现象 | 可能原因 | 排错思路 |
|---|---|---|
| UE收到Paging但不响应 | accessType不匹配(NR UE收到eutra指示) | 检查RRC Paging中的accessType字段 |
| gNB未收到NGAP Paging | AMF中TAI List配置与gNB的TA配置不一致 | 核对AMF的UE Registration Area与gNB Broadcast TAI |
| UE频繁被Paging唤醒 | nB配置过大或DRX周期过短 | 检查SIB1中nB和defaultPagingCycle参数 |
| RRC_INACTIVE UE无法被RAN Paging | UE已移出RNA但未触发RNAU | 检查RNA配置范围和RNAU定时器 |
| PEI功能不生效 | gNB或UE不支持R17 PEI | 确认UE能力中的pei-Config支持 |
| ## 十、 常见问题 |
Q1: CN Paging和RAN Paging可以同时触发吗? A: 不可以。UE在同一时刻只处于一种RRC状态。CM-IDLE(RRC_IDLE)时仅响应CN Paging;RRC_INACTIVE时优先响应RAN Paging。但若RAN Paging超时无响应,last gNB会请求AMF发起CN Paging兜底(TS 23.502 §4.2.3.3 Note 3)。
Q2: 5G-S-TMSI和I-RNTI在Paging消息中如何区分?
A: 在RRC Paging Message中,通过ue-Identity的CHOICE类型区分:ng-5G-S-TMSI(48位)用于CN Paging,fullI-RNTI(40位)用于RAN Paging。UE根据自身当前状态匹配对应标识。
Q3: PEI-RNTI是每个小区一个还是每个UE一个? A: 每个小区一个PEI-RNTI(SIB1中广播),但通过subgroup bitmap实现UE分组。PEI DCI 2_7中的每个bit对应一个subgroup,UE根据UE_ID映射到特定subgroup,实现"一个RNTI、精确指示"的效果。
Q4: 为什么PF/PO公式使用5G-S-TMSI mod 1024而非完整TMSI? A: 完整的5G-S-TMSI为48位,取低10位(mod 1024)足以在1024个PF时隙中均匀分布。这保证了不同UE被分散到不同PF/PO,避免碰撞。1024这个值对应10位二进制,是寻呼密度与复杂度的工程折中。
Q5: Paging Priority如何影响空口行为? A: NGAP Paging Priority(8级)由AMF传递给gNB。gNB在空口PDCCH调度时,高优先级Paging可以抢占低优先级PDSCH的PDCCH候选位置,或在拥塞时优先发送。TS 38.331定义了UE在收到高优先级Paging时的立即响应行为(无需额外backoff)。
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。
