LTE模块注网过程及其APN设置

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Sep 13, 2024
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2024-09-13-the-APN-setting-in-LTE-register-process
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无线通信
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LTE模块的注网过程涉及APN（接入点名称）和PLMN（公共陆地移动网）两个关键概念。APN用于配置设备如何接入网络，而PLMN用于区分不同的移动运营商。注网流程包括设备开机后扫描周围基站信号，选择最佳PLMN并设置相应的APN，以确保成功连接网络。整个过程在无信号覆盖区域时也会定期扫描信号，确保设备能够重新连接网络。
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本文对LTE注网流程相关的APN以及PLMN两个概念做了非常详细的总结，在对这两个概念理解的基础上，整理了LTE模块的典型注网流程及其注意事项。
要从大的框架流程上理解LTE模块上电以后的注网流程，设备能够顺利的通过LTE模块访问互联网，很重要的是要先理解两个概念：APN和PLMN。

APN是什么？

APN：Access Point Name，即网络接入点名称。APN是移动通信网络所使用的网络接入技术，手机和LTE模块在上网时必须要配置这个参数才能正常访问网络，APN设置决定了手机和LTE模块以何种方式接入网络以及接入哪个网络。
以下图为例来理解APN的作用：
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  • 从上图可以看出，APN的设置实际上就是限定了手机或者LTE模块连接基站以后，能够进一步访问的网络以及如何访问网络。根据注网流程中在终端上设置的APN参数的不同，核心网会把这种终端接入到不同的网络中。
  • 一般来讲，我们使用手机和LTE模块要访问的网络当然就是互联网，但是实际上在基站和核心网的交互中，也可以把手机和LTE模块的访问流量导入其他内网中（当然要通过一定的鉴权环节）。因此在LTE模块和手机连接基站注网的流程中，就需要向基站传输一个APN参数，由这个APN参数来指定注网后手机和LTE模块能够访问的网络和网络的接入方式。
大部分情况下，APN都是要由主控设置到LTE模块中，然后LTE模块在同基站尝试注网的流程中就要用到这个APN信息。设置的APN信息与基站的要求相一致的情况下，才能正常上网。因此在Android手机的文件系统中都会内置一个各大运营商的APN信息列表，手机在联网的时候根据连接的基站来查询与之对应的APN并设置进去。但是，其实有些运营商的基站也有APN纠错的功能，那么在终端进行注网的流程中，如果终端上传的APN为空或者错误的话，基站就会下发一个正确的APN，确保终端能够正常上网。但是需要注意的是，并非所有运营商的所有基站都有这个APN纠错的功能，因此比较安全的做法，仍然是终端要针对基站去设置与之对应的APN才行。

PLMN是什么？

PLMN：Public Land Mobile Network，公共陆地移动网，实际上就是移动通信网络。简单的讲，使用PLMN对不同的网络运营商来进行区分，不过需要注意的是，一个移动运营商可能对应多个PLMN。
在每一张SIM里面，都会烧写有这个SIM发行时由运营商写入的归属PLMN信息，当然这个归属PLMN信息也同时会写入运营商的PLMN数据库。此外，为了能够支持这个SIM卡的漫游服务，SIM卡中也会写入与发卡运营商签约的其他地区漫游运营商的PLMN信息。部分虚拟卡运营商所发行的SIM卡，可以连接到多个运营商的基站上使用，因此也需要在SIM卡内写入其所支持的运营商基站的PLMN列表。
PLMN可以分为不同类型，例如运营商的归属PLMN，运营商的等价归属PLMN，漫游PLMN等。以下是对几种主要的PLMN进行解释：
  • RPLMN：Registered PLMN，这个终端在上次关机或脱网前登记上的PLMN（也就是上次能够成功连接的PLMN信息），这个PLMN信息会临时保存在USIM卡上（不过新的协议已经把RPLMN信息写入终端设备的内存中，而不是SIM卡中），下次开机联网的时候优先使用。
  • HPLMN：Home PLMN，即运营商归属PLMN信息。这个用户SIM卡对应IMSI的PLMN，也就是这个SIM卡发布运营商对应的PLMN信息。
  • EHPLMN：Equivalent Home PLMN，等价PLMN信息。HPLMN对应的运营商可能会有不同的PLMN号段，例如中国移动有46000、46002、46007 三个号段。46002相对46000就是EHPLMN，运营商烧卡时会写入SIM卡中。一般来讲，用户在这个运营商等价PLMN上可以得到与归属PLMN相同的网络服务。
  • OPLMN: Operator Controlled PLMN 运营商控制PLMN。相关资料也没有清晰介绍这个含义，合理的解释运营商烧卡时将与该运营商签署了漫游协议的运营商PLMN作为OPLMN写入USIM卡，作为后面用户选网的建议。
    • 针对这个PLMN，我的理解应该就是漫游PLMN。例如中国移动为了支持用户在境外访问移动网络，会与境外的一些运营商签署漫游协议，这样中国移动的用户的SIM卡出国以后就可以直接不用换卡直接连上签约的境外运营商的基站，继续享受网络服务，至于费用问题就由中国移动和境外运营商之间进行结算。这个漫游PLMN就保存了发卡运营商所签约的漫游运营商的PLMN信息，一旦到了境外，在进行PLMN选择的时候就可以选择漫游运营商并与其基站建立连接。
  • FPLMN：(Forbidden PLMN禁用PLMN）。FPLMN为被禁止访问的PLMN，通常终端在尝试接入某个PLMN被拒绝以后，会将其加到本列表中。加入到forbidden列表后，终端就不会尝试与这个PLMN对应的基站建立连接。正常情况下比较少用这个FPLMN列表。
SIM卡中保存有其支持的各种类型的PLMN信息，而运营商所部署的每一个基站，都有一个确定的PLMN，那么在具体的注网流程中，就存在两个PLMN列表：
  • SIM卡所支持的PLMN列表，其中不同类型的PLMN有着不同的优先级。
  • 终端设备所在位置进行全频段扫描出来的所有基站的PLMN列表，包括SIM卡所不支持的运营商基站的PLMN。
在终端开机与基站建立初始连接，以及终端断网后重连基站的过程中，实际上都需要在这两个PLMN列表的基础上，根据SIM卡PLMN列表的优先级和终端周围基站信号的强度等方面的信息，选出要连接的基站PLMN，然后与这个基站建立连接。
另外值得一提的是，实际上这里所说的PLMN，与MNC、MCC术语实际上可以认为就是一回事，IMSI也包含了MNC、MCC和PLMN这些信息：
  • PLMN实际上是一个6位数的ID，包含MCC和MNC两个部分，各占三位数字。其中MCC是Mobile Country Code，移动设备国家代码，中国的国家代码是460。MNC是Mobile Network Code，移动网络代码，代表各个国家的不同运营商的网络。
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  • IMSI：国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identity），用于标识全球移动通信用户。在IMSI中包含三部分信息：MCC，MNC以及MSIN（Mobille Subscriber Identity Number，移动用户识别号码）。其中MCC和MNC的定义与前面的PLMN相同，MSIN则用于定位到在某个确定的移动运营商网络中的用户。对于注网流程来讲，主要是用到IMSI中的MCC和MNC信息就可以了。
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PLMN与APN之间的关系

如上所述，每张SIM卡中写入的PLMN可能是多个，包含上次联网所使用的PLMN、运营商归属PLMN、运营商等价归属PLMN、漫游PLMN等，每个运营商基站的PLMN是唯一的，在注网的过程中每个PLMN所对应的APN是一对一的，只有设置与注册PLMN相对应的APN才能成功注网并且连接网络。
因此，在LTE注网的流程中，实际上就是在SIM卡的PLMN列表和LTE终端进行全频段扫描出来的周围基站的PLMN列表之间，找到最佳的PLMN所对应的基站，并设置与这个PLMN一一对应的APN配置，再来完成这个注网的过程。

典型注网流程

典型的注网流程的应用场景主要发生在两种情况下：LTE终端/模块上电，终端从无信号覆盖区域进入有信号覆盖的区域。
  • 在LTE终端完成注网操作，连接到某个特定的基站后，后续在这个运营商的基站之间进行小区的切换，是不需要重新注网的。小区切换的过程由LTE模块和基站之间直接处理完成，网络连接不会断开。切换的小区也始终是相同的PLMN，只有这个LTE终端进入到这个PLMN基站无法覆盖的区域时，终端与基站之间的连接彻底断开，此后进入到有信号覆盖的区域要重连基站时才会发生注网流程。
当LTE模块或者终端上电后：
  • LTE模块首先会对周围的无线基站信号进行自己所支持的全频段扫描，得到周围自己能够扫描到的所有基站的PLMN列表及其信号强度；
    • 终端进行的这个全频段扫描的得到的PLMN列表也是有优先级的，除了信号强度以外，也与用户的设置相关，例如用户可以设置为LTE优先，或者LTE Only的模式，这样LTE模式下的PLMN在注网流程中优先级更高。
    • 这个全频段的扫描是比较耗时的，一般需要30s以上，因为为了加快这个扫描以及注网的速度，终端会把上次联网的PLMN及其频点等信息保存在模块或者SIM卡中，下次进行全频段扫描的时候优先扫描之前联网的那个PLMN，如果能够扫描到的话就可以跳过这个全频段扫描的过程，直接确定注网所使用的PLMN并且开启PLMN注册。如果之前保存的PLMN扫描不到的话，再进行全频段扫描。
  • LTE模块按照优先级顺序读取SIM卡中支持的PLMN，与周围无线基站的PLMN列表及其信号强度进行比较，找到SIM卡以及当前无线信号环境下最优先的PLMN，尝试进行注网操作。
  • 在以上注网操作的过程中，同时主控要根据LTE模块确定下来的PLMN去设置与之对应的APN，只有APN设置正确的情况下才能注网成功。这个注网流程成功后，LTE终端和模块就处于驻留状态可以正常使用网络了。
  • 如果以上的终端注网流程不成功，终端将会继续按照PLMN的优先级顺序，尝试下一个优先级的PLMN的注网操作（当然，此时主控也需要及时的设置与这个新的PLMN对应的APN配置），直到有一个PLMN注网成功完成。如果所有的PLMN都无法成功注网的话，LTE终端就会进入受限服务，此时终端只能进行紧急呼叫。
当LTE终端处于无网络信号覆盖的区域时，大体的流程与以上类似。不过因为要考虑终端进行全频段扫描所导致的功耗问题，LTE终端不可能在无信号的情况下始终在后台扫描，一般应该是定时启动进行一轮全频段的扫描。当全频段的扫描结果显示终端已经回到了信号覆盖的区域，就开始完整的执行以上的注网流程，重新进入驻留状态。

参考文档

  • 《LTE教程：机制与流程（第2版）》第一章 待机状态的处理机制

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