在深入流程之前，首先要了解主流的4G物聯網技術：
Cat.1： 中等速率、低功耗、低成本，是當前替代2G/3G物聯網的主力，廣泛應用于可穿戴設備、POS機、車輛追蹤等。
Cat.M： 更低的功耗和成本，支持VoLTE語音，速率低于Cat.1，適用于智能表計、智慧城市等。
NB-IoT： 超低功耗、超低成本、超強覆蓋，但速率極低，延遲較高，不支持語音，適用于靜止、低頻次上報數據的場景，如煙感、井蓋監測、遠程抄表。
雖然技術指標不同，但它們的核心接入流程是基本一致的，都遵循3GPP定義的LTE標準。
整個接入過程可以類比為一個陌生人要進入一個高度安全的小區并開始通信。
1、上電與SIM卡初始化：
①設備上電后，操作系統啟動，蜂窩通信模塊開始工作。
②模塊讀取內置的eSIM或插拔式的物聯網SIM卡，獲取國際移動用戶識別碼等關鍵身份信息和運營商配置。
2、掃描與同步網絡：
①模塊開始在預先配置的4G頻段上進行掃描，尋找來自附近基站的主同步信號和輔同步信號。
②通過這兩個信號，設備與基站的無線信號在時間和頻率上實現同步，并獲取到小區的物理層ID。
3、解碼系統信息：
①設備同步后，開始解碼基站廣播的系統信息塊。
②這些信息就像小區的“公告欄”，包含了網絡接入所必需的信息，如：
Ⅰ.小區帶寬、隨機接入信道配置。
Ⅱ.跟蹤區碼。
Ⅲ.網絡運營商信息等。
這是整個流程最核心的部分。
4、隨機接入：
①設備需要通過隨機接入信道向基站發送一個前導碼，相當于“舉手示意”，申請建立連接。
②基站收到后，會回復一個響應，為設備分配初始的無線資源，并解決多個設備同時“舉手”可能產生的沖突。這個過程建立了設備與基站之間的初步無線連接。
5、RRC連接建立：
①設備向基站發送RRC連接請求。
②基站同意后，雙方建立起RRC連接。此時，設備從“空閑態”進入“連接態”，擁有了與基站進行專用通信的“通道”。
6、鑒權與加密：
①核心網收到設備的接入請求后，會啟動安全流程。
②鑒權： 核心網向設備發送一個隨機數挑戰。設備使用SIM卡中的密鑰進行計算，并將結果返回。核心網自己也進行計算并比對。如果匹配，則證明設備是合法的。這個過程確保了“你不是偽冒設備”。
③密鑰協商： 鑒權成功后，雙方會基于共享密鑰派生出后續通信所需的加密密鑰和完整性保護密鑰。
7、NAS附著請求：
①設備向核心網的移動管理實體發送附著請求。
②這個請求包含了設備的永久身份標識，目的是向核心網正式“注冊報到”，告訴網絡“我上線了，請為我服務”。
8、默認承載建立：
①附著成功后，核心網的PGW會為設備分配一個IP地址。
②同時，核心網會在設備、基站和核心網之間建立一條名為“默認承載”的邏輯通道。這條通道始終存在，用于傳輸控制信令和隨時可能發起的用戶數據。
③承載可以理解為一條有特定服務質量保證的數據管道。
9、附著完成：
①設備向MME回復“附著完成”消息。
②至此，設備已經成功接入4G網絡，獲得了IP地址，并建立了數據傳輸通道。
10、數據傳輸：
①現在，設備可以通過建立的“默認承載”與物聯網平臺或應用服務器進行數據交換了。
②設備進入RRC連接態，可以高速傳輸數據。
11、RRC連接釋放與空閑態：
①當數據傳輸完畢且一段時間內沒有活動，為了節省功耗，網絡會釋放RRC連接。
②設備從“連接態”回到“空閑態”。此時，設備的IP地址仍然保留，默認承載邏輯上依然存在，但無線側的專用資源已被釋放。這就像你的手機待機，雖然沒在打電話，但別人還能打進來。
③在空閑態下，設備只需監聽基站的尋呼信道，功耗極低。
12、尋呼與連接重建：
①當物聯網平臺有下行數據要發送給設備 時，核心網會發起“尋呼”流程，在所有設備所在的跟蹤區內廣播“XXX設備，你在哪？有你的數據！”
②設備收到尋呼后，會立即重新發起從第4步（隨機接入） 開始的流程，快速重建RRC連接，接收數據。
graph TD
A[設備上電 & 讀取SIM卡] --> B[掃描/同步基站信號]；
B --> C[解碼系統信息]；
C --> D[隨機接入]；
D --> E[RRC連接建立]；
E --> F{鑒權與安全激活}；
F --> G[NAS附著請求]；
G --> H[分配IP & 建立默認承載]；
H --> I[附著完成 & 數據就緒]；
I --> J[數據傳輸]；
J --> K{數據發送完畢？}；
K -- 是 --> L[RRC連接釋放 & 進入空閑態]；
L --> M[監聽尋呼]；
M --> N{有下行數據？}；
N -- 是 --> D；
為了適應物聯網需求，4G網絡引入了特殊機制：
1、PSM節電模式： 設備在空閑一段時間后，可以進入一種比空閑態更深的“睡眠”狀態，類似于關機，但核心網仍保留其上下文。設備只在需要發送數據時才“醒來”，極大降低功耗。NB-IoT和eMTC設備常用。
2、eDRX擴展的非連續接收： 延長設備在空閑態下監聽尋呼的周期，減少喚醒次數，進一步省電。
4G物聯網設備的接入是一個嚴謹、標準化的過程，涵蓋了物理層同步、鏈路層建立、網絡層鑒權注冊和應用層IP分配等多個環節。理解這個流程對于進行物聯網設備的調試、故障排查和網絡優化至關重要。其核心目標是：在保證安全可靠的前提下，讓設備快速聯網，并盡可能延長其電池壽命。
