3. 物联网终端与5G接入网（NG-RAN）交互基础

在5G物联网接入工程中，终端（UE）与接入网（NG-RAN）之间的交互是整条数据链路的起点。无论终端最终要访问的是公网服务器、边缘计算节点还是企业内网，它首先必须完成与gNB之间的无线连接建立，才能进一步通过NG接口接入5G核心网。本节围绕UE、gNB、NG接口协议栈以及RRC连接建立与释放流程展开，帮助读者建立从空口到核心网的完整链路认知。

一、UE与gNB的角色定位

UE（User Equipment）在物联网场景中通常表现为NB-IoT模组、5G工业网关、CPE、车载T-Box或智能表计等形态。它承担无线信号的收发、协议栈处理、身份标识（如SUPI、5G-GUTI）维护以及业务数据的封装。gNB（next generation NodeB）是5G接入网的基站节点，负责空口资源调度、无线承载管理、移动性控制，并通过NG接口与AMF/UPF对接。一个gNB可以同时服务大量物联网终端，其调度策略直接影响终端的接入时延与功耗表现。

从协议视角看，UE与gNB之间通过Uu空口连接，承载控制面与用户面数据。控制面使用RRC协议，用户面使用SDAP/PDCP/RLC/MAC/PHY协议栈。gNB与核心网之间通过NG接口连接，其中NG-C（控制面）连接AMF，NG-U（用户面）连接UPF。

二、NG接口协议栈结构

NG接口是NG-RAN与5GC之间的标准接口，分为控制面NG-C和用户面NG-U。NG-C的协议栈自下而上为：L1/L2（以太网或IP承载）、IP、SCTP、NGAP。NGAP（NG Application Protocol）承载NAS消息透传、UE上下文管理、PDU会话资源建立等信令。NG-U的协议栈为：L1/L2、IP、UDP、GTP-U，用于封装用户面PDU。

空口侧协议栈则更为复杂。控制面RRC消息经PDCP、RLC、MAC、PHY发送；用户面数据在PDCP之上还有SDAP层，负责QoS Flow到DRB的映射。对于物联网终端，很多场景下仅需建立SRB1和少量DRB即可满足业务需求。

三、RRC连接建立流程

RRC连接建立是UE从空闲态（RRC_IDLE）或非激活态（RRC_INACTIVE）进入连接态（RRC_CONNECTED）的关键过程。物联网终端通常处于省电模式，需要发起业务时才触发连接建立。以下以初始接入为例说明典型流程。

第一步：随机接入。UE在PRACH上发送前导码（Preamble），gNB检测后回复RAR（Random Access Response），其中包含TA调整量和上行授权。物联网终端常采用竞争型随机接入，前导码格式和时频资源由SIB1配置。

第二步：RRCSetupRequest。UE在SRB0上发送RRCSetupRequest消息，携带ue-Identity（5G-S-TMSI或随机值）和establishmentCause（如mo-Data、mt-Access、emergency等）。gNB根据负载和优先级决定是否接纳。

第三步：RRCSetup。gNB回复RRCSetup，包含无线资源配置参数：SRB1的PDCP/RLC/MAC配置、初始上行功率、TA定时器、DRX参数等。UE收到后应用配置，建立SRB1。

第四步：RRCSetupComplete。UE在SRB1上发送RRCSetupComplete，携带选定的PLMN、注册类型以及初始NAS消息（如Registration Request）。gNB将NAS消息通过NG-C透传给AMF，完成UE与核心网的首次信令交互。

对于物联网终端，RRC建立过程中还需关注：早传（Early Data Transmission）可在随机接入阶段携带小数据包，减少信令开销；挂起-恢复（Suspend-Resume）机制允许UE在RRC_INACTIVE态快速恢复连接，避免完整重建流程。

四、RRC连接释放流程

当业务结束或网络需要回收资源时，gNB发起RRC释放。典型流程为：gNB向UE发送RRCRelease消息，其中可包含suspendConfig（指示UE进入RRC_INACTIVE态）或直接指示进入RRC_IDLE态。UE收到后释放SRB和DRB资源，停止监听PDCCH，进入省电状态。

若RRCRelease携带suspendConfig，UE保存当前上下文（包括I-RNTI、RNA区域配置等），后续有数据发送时可通过RRCResumeRequest快速恢复，无需重新进行随机接入和完整RRC建立。对于NB-IoT终端，释放后通常进入PSM或eDRX深度休眠，仅在预设的寻呼时机唤醒监听。

释放过程中，gNB同时通过NG-C向AMF发送UE Context Release Request或由AMF发起释放，触发NG-U路径释放和UPF资源回收。整个释放流程需保证UE与网络侧状态一致，避免出现“假连接”导致寻呼失败。

五、关键参数与观察点

在实际工程中，判断RRC建立与释放是否正常，可关注以下参数与日志：

• establishmentCause：区分终端发起连接的原因，便于统计业务类型。
• ue-Identity：用于冲突解决和上下文查找，5G-S-TMSI可减少信令开销。
• TA定时器（TimeAlignmentTimer）：决定UE保持上行同步的时长，超时后需重新随机接入。
• suspendConfig中的I-RNTI：用于RRC_INACTIVE态下的UE识别和寻呼。
• NGAP UE Context Release Complete：确认核心网侧资源已释放。

理解UE、gNB与NG接口的协议栈分工，以及RRC连接建立与释放的完整流程，是后续学习PDU会话建立、QoS流映射和移动性管理的基础。物联网终端往往对功耗和信令开销敏感，因此在工程实践中需要结合具体业务模型，合理配置DRX、PSM、eDRX以及RRC_INACTIVE相关参数，在连接可用性与终端续航之间取得平衡。