5G核心网特定服务深度解析：应用触发、短信与语音回落机制

尊敬的 5G 维护工程师读者们，

随着 5G 核心网（5GC）的部署日益深化，我们维护的业务类型也变得更加多样化和复杂。除了传统的数据连接，5G 还支持了许多特定服务，例如设备应用触发、NAS 承载的短信服务、紧急业务处理以及 IMS 语音的回落机制等。深入理解这些特定服务的信令流程、关键接口及参数，对于保障网络稳定运行和快速故障定位至关重要。

本文旨在对核心网中几个重要的特定服务进行深度总结，并通过实际案例辅助理解，重点分析流程中的关键技术点和运维视角下的关注要素。

1. 5G 特定服务概述

特定的服务条款（Clause 4.13）定义了对现有流程的补充或新增流程，以支持诸如 NAS 承载的 SMS 等具体服务。这些服务允许外部应用功能（AF）与网络功能（NF）进行高效交互，例如通过网络曝光功能（NEF）实现设备触发，或通过接入和移动性管理功能（AMF）和短信服务功能（SMSF）传输短信。

2. 应用触发 (Application Triggering) 机制

应用触发服务允许应用功能（AF）请求网络向终端设备（UE）发送一个应用触发消息。这在物联网（IoT）场景中尤为常见，例如唤醒休眠的设备以进行数据上传或配置更新。AF 通过调用 Nnef_Trigger 服务来实现这一目标。

2.1 流程概述与消息交互

应用触发流程主要通过 NEF 转发 AF 的请求至短信服务中心（SMS-SC），SMS-SC 随后通过移动终止（MT）短信的方式将触发消息送达 UE。

关键流程步骤:

1. AF 决定需要触发设备，并发现和选择 NEF 服务（如果 AF 没有 NEF 的联系方式）。
2. AF 调用 Nnef_Trigger_Delivery 请求服务。
3. NEF 检查 AF 的授权、配额和速率。
4. NEF 调用 Nudm_SDM_Get 服务，使用 GPSI 和 AF 标识符，将 GPSI 转换为 SUPI（在 AF 被授权触发 UE 时）。
5. UDM 确定是否允许 AF 触发该 UE，并返回 SUPI（可选 MSISDN）。如果 AF 不允许触发或无有效订阅信息，流程终止并返回失败原因。
6. NEF 调用 Nudm_UECM_Get 获取 UE 的 SMSF 身份。
7. UDM 返回 UE 的 SMSF 身份。
8. NEF 充当 MTC-IWF，选择合适的 SMS-SC，发送 Submit Trigger 消息。此消息包括 GPSI、SUPI、AF 标识符、触发载荷等信息。
9. SMS-SC 发送 Submit Trigger Confirm 确认接受提交。
10. NEF 向 AF 发送 Nnef_Trigger_Delivery response，指示触发请求是否被接受交付。
11. SMS-SC 执行 MT SMS 交付。
12. 消息交付成功或失败（或有效期过期）后，SMS-SC 向 NEF 发送 Message Delivery Report。
13. NEF 向 AF 发送 Nnef_Trigger_DeliveryNotify 消息，包含交付结果，并生成 CDR 信息。
14. UE 根据接收到的触发载荷采取特定行动，通常涉及立即或稍后与 AF 建立通信。

2.2 关键实体与参数总结

Nnef_Triggering 核心流程表 (简化)

2.3 维护场景实例分析

人物与场景： 运维工程师小李在监控智能城市系统。场景描述： 某城市部署了大量的 5G 智能井盖。由于井盖传感器电量低，AF (应用功能) 需要远程唤醒设备，指示它立即上传状态信息。

流程触发：

1. AF 决定唤醒编号为 GPSI-JingGai-001 的井盖。
2. AF 向 NEF 发送 Nnef_Trigger_Delivery request，附带目标 GPSI 和触发载荷（例如，请求立即上传数据）。
3. NEF 检查 AF 授权，并向 UDM 查询，将 GPSI 解析为 UE 的 SUPI。
4. UDM 确认授权后，NEF 获得 SUPI 和 UE 的 SMSF 地址。
5. NEF (MTC-IWF 角色) 选择 SMS-SC，并发送 Submit Trigger 消息。
6. SMS-SC 将该触发载荷封装为 MT SMS，通过 5G NAS 流程，最终传递给井盖 UE。
7. 井盖 UE 收到载荷后，根据 Trigger Payload 内容，执行启动通信模块并上传数据的动作。

运维关注点： 如果小李发现 AF 持续收到 "Failure" 的 Nnef_Trigger_DeliveryNotify，他应重点检查：

• NEF 授权检查: 步骤 3 中 AF 是否被授权触发该 GPSI。
• UDM 订阅数据: 步骤 5 中 UDM 返回的 SUPI 是否有效。
• SMS-SC 存储状态: 如果 UDM 指示“Absent subscriber”，SMS-SC 应直接存储并请求 UDM 加入 MWD 列表。

3. 基于 NAS 的短信 (SMS over NAS) 流程

在 5G 系统中，短信可以通过非接入层（NAS）传输，利用 AMF 和 SMSF 进行管理和转发。

3.1 注册流程：启用短信传输能力

UE 在注册到 5GS 期间，需要明确指示其支持 SMS over NAS 的能力。

关键流程步骤:

1. 在注册过程的 Registration Request 消息中，UE 包含一个 "SMS supported" 指示，表明其支持通过 NAS 传输 SMS。
2. AMF 获取 SMS 订阅数据和 SMSF 中的 UE 上下文数据，可能通过 Nudm_SDM_Get 服务调用 UDM。
3. 如果 UDM 存储的 SMSF 属于当前服务 PLMN，UDM 会在响应中包含 SMSF 信息。
4. 如果允许 SMS 服务，并且 UE 包含 "SMS supported" 指示，AMF 会检查收到的 SMS 订阅数据。
5. 如果 SMS 服务被允许且接收到当前 PLMN 的 SMSF，AMF 激活此 SMSF 地址。否则，AMF 发现并选择一个 SMSF。
6. AMF 调用 SMSF 的 Nsmsf_SMService_Activate 服务操作，包含 AMF 地址、SUPI 等信息。
7. SMSF 如果没有该 Access Type 的 UE 上下文，则通过 Nudm_UECM_Registration 向 UDM 注册，UDM 存储 SMSF 身份、地址和 Access Type。
8. SMSF 检索 SMS 管理订阅数据（如 Barring list）。
9. SMSF 响应 AMF。
10. AMF 在 Registration Accept 消息中包含 "SMS allowed" 指示，告知 UE 网络允许通过 NAS 传输 SMS。

SMS over NAS 注册流程表 (简化)

3.2 流程总结与关键消息

3.3 终端发起短信 (MO SMS) 流程

移动发起（MO）短信流程主要基于 TS 23.040 定义，但在 5G 中通过 NAS 封装传输。

3.3.1 CM-IDLE 状态下的 MO SMS

如果 UE 处于 CM-IDLE 状态，它首先需要执行 UE 触发的服务请求（UE Triggered Service Request）流程来建立到 AMF 的 NAS 信令连接。

MO SMS 关键步骤：

1. UE 在 CM-IDLE 状态下要发送上行 SMS，先执行服务请求建立 NAS 信令连接。
2. UE 封装 SMS 消息（包括 CP-DATA/RP-DATA/TPDU/SMS-SUBMIT 部分），并将其封装在带有 SMS 传输指示的 NAS 消息中发送给 AMF。
3. AMF 通过调用 Nsmsf_SMService_UplinkSMS 将 SMS 消息和 SUPI 转发给 SMSF。AMF 还会附带 IMEISV、当前 UE 位置信息（ULI）和本地时区（如果是 3GPP 接入）以供计费。
4. SMSF 调用 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 向 AMF 转发 SMS 确认消息。
5. AMF 通过下行单元数据消息将 SMS 确认转发给 UE。
6. SMSF 检查 SMS 管理订阅数据（例如是否允许 SMS 投递），然后按 TS 23.040 或 TS 23.540 定义的流程进行处理。
7. SMSF 将提交报告（Submit report）转发给 AMF，AMF 通过下行 NAS 传输给 UE。如果这是 UE 最后一个要发送的消息，SMSF 会包含一个 **"last message indication"**。

3.3.2 CM-CONNECTED 状态下的 MO SMS

CM-CONNECTED 状态下的 MO SMS 流程复用 CM-IDLE 流程，但跳过了 UE 触发的服务请求流程。

3.4 网络发起短信 (MT SMS) 流程

移动终止（MT）短信流程，网络需要将短信下发给 UE。

3.4.1 CM-IDLE 和 RRC_INACTIVE 状态下的 MT SMS

MT SMS 在 CM-IDLE 状态下需要涉及寻呼（Paging）流程。

MT SMS 关键步骤：

1. SC/SMS-GMSC/UDM 之间的 MT SMS 交互流程遵循 TS 23.040 或 TS 23.540。
2. UDM/UDR 中可能存储两个 SMSF 地址（3GPP 和 Non-3GPP 接入），UDM 应返回两者。
3. SMSF 检查订阅数据，如果允许，则调用 Namf_MT_EnableUEReachability 服务操作给 AMF。
4. AMF 对 UE 进行寻呼（Paging），UE 响应 Service Request 流程。
5. 如果 AMF 指示 UE 不可达（例如，由于省电增强 PS enhancement），则执行 MT SMS 投递失败流程。
6. SMSF 调用 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 将 SMS 消息（CPDATA/RPDATA/TPDU/SMSDELIVER 部分）转发给 AMF。
7. AMF 将 SMS 消息传输给 UE。
8. UE 确认收到 SMS 消息给 SMSF。AMF 仍需包含 IMEISV、ULI 和时区等信息给 SMSF 用于计费。
9. UE 返回 Delivery Report，AMF 通过 Nsmsf_SMService_UplinkSMS 转发给 SMSF。
10. SMSF 使用 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 向 AMF 发送 SMS CP 确认消息。如果 SMSF 知道这是最后一个消息，它会包含 **"last message indication"**。

3.4.2 CM-CONNECTED 状态下的 MT SMS

CM-CONNECTED 状态下复用 CM-IDLE 流程，但无需 AMF 执行寻呼，可以直接继续向 SMSF 发送消息以启动 MT SMS 转发。

3.4.3 非 3GPP 接入的 MT SMS

非 3GPP 接入的 MT SMS 流程复用 3GPP 接入 CM-CONNECTED 状态的流程。如果 UE 同时通过 3GPP 和 Non-3GPP 接入网络，AMF 将基于运营商策略决定通过哪个接入类型传输 MT-SMS。

3.5 失败重试与去注册机制

3.5.1 不成功的 MT SMS 投递重试

如果 MT SMS 投递失败，可能触发重试机制：

• 如果 UE 在同一 AMF 上注册了 3GPP 和 non-3GPP 接入，当一个接入类型失败时，AMF 可能根据本地策略尝试通过另一个接入类型重新投递。如果两者都失败，AMF 立即通知 SMSF。
• AMF 通知 SMSF 无法投递后，SMSF 会向 SMS-GMSC 发送失败报告。SMS-GMSC 也可能根据策略尝试通过其他实体重试投递。
• SMS-GMSC 通知 UDM/HSS UE 无法接收 MT-SMS 后，UDM 应设置 URRP-AMF 标志，并将 SC 地址存储在 MWD 列表中。
• 当 AMF 检测到 UE 活动时，它会通知 UDM。如果 UE 在 SMSF 注册，UDM 清除 URRP-AMF 标志和 MWD 列表，并提醒相关 SC 重试 MT-SMS 投递。

失败处理关键技术总结

3.5.2 SMS over NAS 去注册流程

当 UE 不再希望使用 NAS SMS，或 AMF 认为 UE 已去注册（特定 Access Type）时，会执行去注册：

• AMF 可能会向 UDM 取消订阅 SMS 订阅数据更改通知 (Nudm_SDM_Unsubscribe)。
• AMF 调用 Nsmsf_SMService_Deactivate 触发 SMSF 释放 UE Context。
• SMSF 如果不再为该 UE 的 SMS over NAS 服务注册其他 Access Type，则向 UDM 取消订阅 SMS 管理订阅数据更改通知。
• SMSF 调用 Nudm_UECM_Deregistration 触发 UDM 删除该 Access Type 的 SMSF 地址。

4. 紧急服务回落 (Emergency Services Fallback)

如果 5GS 支持紧急服务回落，该支持能力会在注册接受（Registration Accept）消息中向 UE 指示。当 UE 有待处理的 IMS 紧急会话请求（例如语音）时，且 AMF 已指示支持回落，UE 将发起紧急服务回落流程。

4.1 回落触发与目标选择

触发条件：

1. UE 处于 5GS (CM-IDLE 或 CM-CONNECTED)。
2. UE 上层有待处理的 IMS 紧急会话请求。
3. AMF 已在 Registration Accept 中指示支持通过回落来实现紧急服务。
4. UE 发送 Service Request 消息，指示需要紧急服务回落。

回落目标：

• 5GC 触发紧急服务回落，执行 NG-AP 流程，指示 NG-RAN 这是紧急服务回落。
• AMF 根据 EPC 或 5GC 对紧急服务的支持情况，可能指示 RAN 目标核心网（Target CN），以确定执行 Inter-RAT 回落还是 Inter-System 回落。
• NG-RAN 基于目标 CN 执行以下之一：
• 5a (NR->E-UTRAN/5GC): NG-RAN 启动切换或重定向到连接到 5GC 的 E-UTRAN 小区（如果 UE 位于 NR）。
• 5b (5GC->EPC): NG-RAN 启动切换或重定向到连接到 EPS 的 E-UTRAN。

关键技术总结

4.2 运维场景实例分析

人物与场景： 运维工程师老王正在处理一个位于 NR 覆盖边缘的紧急呼叫。场景描述： 用户小张在偏远地区发生紧急情况，他的手机（支持紧急服务回落）正在 5GC 注册。小张发起紧急语音呼叫。

流程触发：

1. UE（小张的手机）发现有待处理的 IMS 紧急会话请求，向 AMF 发送 Service Request，指示需要紧急服务回落。
2. AMF 检查，并触发 NG-AP 流程，指示 NG-RAN 进行紧急服务回落。
3. NG-RAN 收到请求后，根据配置（例如，网络配置为回落到 EPC 以确保紧急服务成功）。
4. NG-RAN 启动重定向到连接到 EPS 的 E-UTRAN。AMF 提供安全上下文。
5. 小张的手机接入 E-UTRAN/EPC，随后建立 PDU Session/PDN 连接用于 IMS 紧急服务。

运维关注点： 如果回落失败，老王需要检查：

• AMF 的能力指示：Registration Accept 中是否正确指示了紧急服务回落支持。
• 目标 CN 类型： 步骤 4 中 AMF 是否向 RAN 提供了正确的 EPC/5GC 目标指示。
• MME 侧支持： 如果回落到 EPC，MME 是否支持该 UE 的紧急服务。

5. IMS 语音支持与回落策略

当 UE 在 5GS 中服役时，如果网络支持 IMS 语音，并在注册过程中已向 UE 指示，UE 将在 IMS 中注册。如果 IMS 语音会话建立过程中，网络决定不适合在当前 RAT 下承载语音，将触发回落。

5.1 EPS 回落 (EPS Fallback) 流程

EPS 回落用于将 IMS 语音会话从 5GS 迁移到 EPS（4G）系统，通常在 NR 无 VoNR 能力或无线条件不佳时发生。

EPS 回落关键步骤：

1. UE 在 NG-RAN 上发起或接收 MO/MT IMS 语音会话建立请求。
2. 网络发起 PDU Session Modification（用于设置语音 QoS Flow）到达 NG-RAN。
3. NG-RAN 决定触发 EPS 回落。决策考虑因素包括 UE 能力、AMF 指示（如“Redirection for EPS fallback for voice is possible”）、网络配置（如 N26 可用性）和无线条件。
4. NG-RAN 拒绝步骤 2 中的 PDU Session Modification 请求，并通知 SMF+PGW-C 正在进行语音回落的移动性。SMF+PGW-C 维护 PCC 规则并向 PCF 报告 EPS Fallback 事件。
5. NG-RAN 启动切换或 Inter-System 重定向到 EPS。
6. UE 连接到 EPS 后，执行 TAU 过程（如果使用 N26）或 Attach 过程（如果未使用 N26）。
7. 移动性完成后，SMF+PGW-C 重新发起专用承载的设置，包括 IMS 语音的专用承载。

EPS Fallback 关键技术总结

5.2 核心网内部 RAT 回落 (Inter RAT Fallback)

Inter-RAT 回落发生在 5GC 内部，将语音会话从一个 RAT（如 NR）迁移到另一个 5GC 连接的 RAT（如 E-UTRA）。

Inter-RAT Fallback 关键步骤：

1. UE 在源 NG-RAN（5GS）上发起或接收 IMS 语音会话建立请求。
2. 网络发起 PDU Session Modification（设置语音 QoS Flow）到达源 NG-RAN。
3. 源 NG-RAN 决定触发 RAT 回落，考虑 UE 能力、网络配置和无线条件。
4. 源 NG-RAN 拒绝 PDU Session Modification 请求，通知 SMF 正在进行语音回落的移动性。SMF 维护 PCC 规则。
5. 源 NG-RAN 启动基于 Xn 或 N2 的 Inter NG-RAN 切换，或重定向到连接到 5GC 的 E-UTRA。
6. 移动性完成后，SMF 重新发起 PDU Session Modification，以设置 IMS 语音的 QoS Flow。

6. 无 MSISDN 的 MO SMS (MSISDN-less MO SMS)

对于没有 MSISDN 的订阅，UE 仍然可以发起 MO SMS 并将其路由到应用功能（AF）。

MSISDN-less MO SMS 关键流程：

1. UE 使用 SMS over NAS 流程将 SMS 发送到 SMS-SC。目标 SME 地址设置为 AF 的短码/长码，并设置 Application Port ID。对于无 MSISDN 订阅，使用虚拟 MSISDN 和 IMSI。
2. SMS-SC 使用目标 SME 地址（AF 的短/长码）识别对应的 NEF。SMS-SC 提取 SMS 载荷、Application Port ID 和 UE 的 IMSI，连同目标 SME 地址一起交付给 NEF。NEF 在此流程中充当 MTC-IWF。
3. NEF 调用 Nudm_SDM_Get，使用 IMSI 和 Application Port ID，将 UE 标识解析为 GPSI (External Id)。
4. UDM 返回 GPSI。
5. NEF 向 AF 发送 Nnef_MSISDN-less_MO_SMSNotify，包含 SMS 载荷、GPSI 和 Application Port ID。载荷直接交付给 AF，不被 NEF 处理。
6. NEF（MTC-IWF）向 SMS-SC 返回成功或失败指示。
7. SMS-SC 使用现有的 SMS 交付报告机制向 UE 指示成功/失败。

MSISDN-less MO SMS 关键技术总结

7. 5G 局域网型服务 (5G LAN-type service)

5G LAN 服务旨在提供类似传统局域网（LAN）的通信能力，特别是对虚拟网络（5G VN）组内通信的支持。

核心网通过 SMF 在用户平面功能（UPF）上创建组级 N4 会话（group-level N4 session），用于 5G VN 组内通信，尤其是在应用 N19 转发时。N19 转发用于在锚定于不同 UPF 的 PDU Session 之间建立隧道连接。

5G VN 组通信关键技术总结

N4 会话管理总结

• 创建 (Establishment): 如果针对同一 5G VN 组的 PDU Session 锚定在不同的 UPF 上，SMF 应在每个涉及的 UPF 上创建组级 N4 会话，以建立 N19 隧道和安装 N4 规则。
• 删除 (Release): 如果在 UPF 上释放了针对该 5G VN 组的最后一个 PDU Session，SMF 可能删除该 UPF 上的组级 N4 会话，并释放 N19 隧道。
• 修改 (Modification): 如果 5G VN 组内的 UE 地址被分配或释放，SMF 可能通过 N4 Session Modification 更新组级 N4 会话上下文中的 N4 规则（例如 PDR 和 FAR）。

8. 总结与运维 FAQ

我们详细总结了 5G 核心网中应用触发、NAS 短信（注册、MO、MT）、紧急服务回落和 IMS 语音回落等特定服务流程。这些流程的复杂性在于涉及多个功能单元（AF, NEF, UDM, SMSF, AMF, SMS-SC, NG-RAN）的协同工作，以及对用户订阅数据和移动性状态的依赖。

运维 FAQ 问答对