5G移动性管理：切换、TAU与寻呼全解

flowchart TB
    subgraph 移动性管理三大流程
        A[寻呼 Paging<br/>网络找终端] --> B[TAU 跟踪区更新<br/>终端通知网络]
        B --> C[切换 Handover<br/>连接迁移]
        C --> A
    end

    D[空闲态<br/>CM-IDLE] -->|下行数据到达| A
    D -->|跨跟踪区移动| B
    E[连接态<br/>CM-CONNECTED] -->|信号变差| C

    style A fill:#e1f5fe
    style B fill:#fff3e0
    style C fill:#e8f5e9

sequenceDiagram
    participant UE as UE(手机)
    participant RAN as gNB(基站)
    participant AMF as AMF
    participant AUSF as AUSF
    participant UDM as UDM
    participant SMF as SMF
    participant PCF as PCF

    Note over UE,RAN: 1. 空闲态UE发起注册
    UE->>RAN: RRC Connection Request
    RAN->>UE: RRC Connection Setup
    UE->>RAN: RRC Setup Complete<br/>(携带Registration Request)
    Note right of UE: 消息中包含:<br/>SUCI或5G-GUTI<br/>注册类型<br/>上次访问的TAI

    RAN->>AMF: Initial UE Message<br/>(NAS: Registration Request)
    Note right of RAN: RAN根据RRC中的<br/>5G-S-TMSI选择AMF

    Note over AMF,AUSF: 2. 鉴权与安全流程
    AMF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication<br/>Authenticate Request
    AUSF->>AMF: 鉴权向量响应
    AMF->>UE: NAS: Authentication Request
    UE->>AMF: NAS: Authentication Response
    AMF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication<br/>Authenticate Confirmation
    AUSF->>AMF: 鉴权确认成功

    AMF->>UE: NAS: Security Mode Command
    UE->>AMF: NAS: Security Mode Complete

    Note over AMF,UDM: 3. 位置更新
    AMF->>UDM: Nudm_UECM_Registration
    UDM->>AMF: 注册确认
    AMF->>UDM: Nudm_SDM_Get<br/>(获取签约数据)
    UDM->>AMF: 签约数据响应

    Note over AMF,SMF: 4. PDU会话恢复(如适用)
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_Update<br/>(激活已有PDU会话的UPF连接)

    Note over AMF,PCF: 5. 策略获取
    AMF->>PCF: Npcf_UEPolicy_Get

    Note over UE,AMF: 6. 注册接受
    AMF->>UE: NAS: Registration Accept<br/>(包含: 5G-GUTI, TAI List,<br/>Allowed NSSAI, Periodic RA Timer)

    Note over UE,AMF: 注册完成，UE进入CM-CONNECTED态

sequenceDiagram
    participant UE as UE(空闲态)
    participant RAN as gNB
    participant AMF as AMF
    participant SMF as SMF
    participant UPF as UPF

    Note over UPF: 下行数据包到达
    UPF->>SMF: N4: 下行数据通知(DDN)
    Note right of UPF: UPF没有UE的下行隧道<br/>缓存数据包并发DDN

    SMF->>AMF: Namf_Communication<br/>N1N2MessageTransfer<br/>(Paging Request)
    Note right of SMF: 消息中包含:<br/>UE的SUPI/5G-GUTI<br/>PDU Session ID<br/>DNN信息

    Note over AMF: AMF查找UE的注册区<br/>(TAI List)
    AMF->>RAN: NGAP: Paging<br/>(在TAI List内所有gNB广播)
    Note right of AMF: 消息包含:<br/>5G-S-TMSI<br/>TAI List<br/>Paging DRX周期

    Note over RAN: 每个gNB在<br/>所有属于该TA的<br/>小区发送Paging消息
    RAN->>UE: 空口: Paging消息<br/>(P-RNTI加扰的DCI → PDSCH)

    Note over UE: UE检测到自己的<br/>5G-S-TMSI被寻呼
    UE->>RAN: RRC Connection Request<br/>(发起Service Request)
    RAN->>AMF: Initial UE Message<br/>(NAS: Service Request)

    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_Update<br/>(激活用户面)
    SMF->>UPF: N4: 建立下行隧道

    Note over UPF,UE: 用户面建立完成<br/>UPF开始转发缓存的下行数据
    UPF->>UE: 下行数据包送达

flowchart TB
    subgraph 切换类型分类
        HO[5G切换] --> Xn[Xn切换<br/>基站间直接接口]
        HO --> N2[N2切换<br/>经AMF转发]
        HO --> Inter[异系统切换<br/>5G↔4G]
    end

    subgraph Xn切换条件
        X1[源gNB和目标gNB<br/>之间有Xn接口]
        X2[目标gNB属于<br/>同一个AMF]
        X3[目标gNB有UE<br/>上下文所需能力]
    end

    subgraph N2切换场景
        N1[跨AMF切换]
        N2[无Xn接口]
        N3[跨PLMN切换]
    end

    subgraph 异系统切换
        I1[5G→4G:N2 based<br/>经AMF/MME]
        I2[4G→5G:反向映射<br/>MME→AMF]
    end

    Xn --> X1 & X2 & X3
    N2 --> N1 & N2 & N3
    Inter --> I1 & I2

    style Xn fill:#c8e6c9
    style N2 fill:#bbdefb
    style Inter fill:#ffe0b2

sequenceDiagram
    participant UE as UE
    participant Src as 源gNB
    participant Tgt as 目标gNB
    participant AMF as AMF
    participant UPF as UPF

    Note over UE,Src: 阶段1: 切换准备
    UE->>Src: Measurement Report<br/>(A3事件触发)
    Note right of UE: 邻区信号质量<br/>超过服务小区+偏移量

    Src->>Src: 切换决策<br/>(选择目标小区)

    Src->>Tgt: Xn: HANDOVER REQUEST<br/>(UE Context + PDU Session Info)
    Note right of Src: 包含:<br/>UE能力、安全上下文<br/>PDU Session列表<br/>QoS Flow信息

    Tgt->>Tgt: 准入控制<br/>(检查资源是否足够)

    Tgt->>Src: Xn: HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE
    Note left of Tgt: 包含:<br/>RRC Reconfiguration<br/>(新小区配置信息)<br/>数据转发地址

    Note over Src,UE: 阶段2: 切换执行
    Src->>UE: RRC Reconfiguration<br/>(携带目标小区配置)
    Note right of Src: 指示UE切换到<br/>目标小区

    Src->>Tgt: Xn: SN STATUS TRANSFER<br/>(PDCP状态保存)
    Note right of Src: 保证数据不丢包

    Note over UE: UE与目标gNB同步<br/>接入新小区
    UE->>Tgt: RRC Reconfiguration Complete

    Note over Tgt,AMF: 阶段3: 路径切换
    Tgt->>AMF: NGAP: PATH SWITCH REQUEST<br/>(通知UE已切换过来)
    AMF->>UPF: N4: 修改下行隧道<br/>(切换到目标gNB)
    UPF->>Tgt: 下行数据开始转发到目标gNB

    AMF->>Tgt: NGAP: PATH SWITCH REQUEST ACK

    Tgt->>Src: Xn: UE CONTEXT RELEASE<br/>(释放源侧资源)

    Note over UE,UPF: 切换完成!<br/>UE通过目标gNB收发数据

stateDiagram-v2
    [*] --> CM_IDLE : 开机注册

    CM_IDLE --> CM_CONNECTED : Service Request<br/>(被叫/主叫)
    CM_CONNECTED --> CM_IDLE : 隐式去附着<br/>/ 注销

    CM_CONNECTED --> RRC_INACTIVE : RRC Release<br/>(suspend)
    RRC_INACTIVE --> CM_CONNECTED : RRC Resume<br/>(数据到达)
    RRC_INACTIVE --> CM_IDLE : RAN Notification Area<br/>Update失败/超时

    state CM_CONNECTED {
        [*] --> RRC_CONNECTED
        RRC_CONNECTED : 数据收发
        RRC_CONNECTED : 测量上报
        RRC_CONNECTED : 切换执行
    }

    state RRC_INACTIVE {
        [*] --> 小区重选
        小区重选 : RAN通知区更新
        小区重选 : 监听寻呼(RAN级)
    }

    state CM_IDLE {
        [*] --> DRX监听
        DRX监听 : 小区重选
        DRX监听 : TAU/周期注册
        DRX监听 : 监听寻呼(CN级)
    }

典型现象：通话中突然静音或掉话
排查思路：
1. 检查源基站是否发出了Handover Request → 无 → 检查测量配置
2. 检查目标基站是否回复ACK → 无 → 检查Xn连通性和资源
3. 检查UE是否发了RRC Reconfig Complete → 无 → 检查目标小区信号
4. 检查PATH SWITCH是否成功 → 无 → 检查NGAP连通性

典型现象：主叫听到"您拨打的电话暂时无法接通"
排查思路：
1. 检查AMF是否收到SMF的Paging请求 → 无 → 检查SMF→AMF接口
2. 检查AMF是否向gNB发了NGAP Paging → 无 → 检查UE状态（是否已隐式去附着）
3. 检查gNB是否在空口发了Paging → 无 → 检查gNB配置的寻呼信道资源
4. 检查UE是否响应了Service Request → 无 → 检查DRX配置、UE是否在覆盖范围内

典型现象：AMF信令量突增，CPU利用率飙升
常见原因：
1. TAI List规划不合理，边界用户频繁TAU
2. 周期性TAU定时器设置过短
3. 大量IoT设备同时触发TAU（批量开机场景）
解决方案：
- 优化TAI List分配策略（扩大边界用户的List）
- 对IoT设备使用更长的周期注册定时器
- 网络侧对TAU请求做限流/拥塞控制