在深入流程之前，首先要了解主流的4G物联网技术：
Cat.1： 中等速率、低功耗、低成本，是当前替代2G/3G物联网的主力，广泛应用于可穿戴设备、POS机、车辆追踪等。
Cat.M： 更低的功耗和成本，支持VoLTE语音，速率低于Cat.1，适用于智能表计、智慧城市等。
NB-IoT： 超低功耗、超低成本、超强覆盖，但速率极低，延迟较高，不支持语音，适用于静止、低频次上报数据的场景，如烟感、井盖监测、远程抄表。
虽然技术指标不同，但它们的核心接入流程是基本一致的，都遵循3GPP定义的LTE标准。
整个接入过程可以类比为一个陌生人要进入一个高度安全的小区并开始通信。
1、上电与SIM卡初始化：
①设备上电后，操作系统启动，蜂窝通信模块开始工作。
②模块读取内置的eSIM或插拔式的物联网SIM卡，获取国际移动用户识别码等关键身份信息和运营商配置。
2、扫描与同步网络：
①模块开始在预先配置的4G频段上进行扫描，寻找来自附近基站的主同步信号和辅同步信号。
②通过这两个信号，设备与基站的无线信号在时间和频率上实现同步，并获取到小区的物理层ID。
3、解码系统信息：
①设备同步后，开始解码基站广播的系统信息块。
②这些信息就像小区的“公告栏”，包含了网络接入所必需的信息，如：
Ⅰ.小区带宽、随机接入信道配置。
Ⅱ.跟踪区码。
Ⅲ.网络运营商信息等。
这是整个流程最核心的部分。
4、随机接入：
①设备需要通过随机接入信道向基站发送一个前导码，相当于“举手示意”，申请建立连接。
②基站收到后，会回复一个响应，为设备分配初始的无线资源，并解决多个设备同时“举手”可能产生的冲突。这个过程建立了设备与基站之间的初步无线连接。
5、RRC连接建立：
①设备向基站发送RRC连接请求。
②基站同意后，双方建立起RRC连接。此时，设备从“空闲态”进入“连接态”，拥有了与基站进行专用通信的“通道”。
6、鉴权与加密：
①核心网收到设备的接入请求后，会启动安全流程。
②鉴权： 核心网向设备发送一个随机数挑战。设备使用SIM卡中的密钥进行计算，并将结果返回。核心网自己也进行计算并比对。如果匹配，则证明设备是合法的。这个过程确保了“你不是伪冒设备”。
③密钥协商： 鉴权成功后，双方会基于共享密钥派生出后续通信所需的加密密钥和完整性保护密钥。
7、NAS附着请求：
①设备向核心网的移动管理实体发送附着请求。
②这个请求包含了设备的永久身份标识，目的是向核心网正式“注册报到”，告诉网络“我上线了，请为我服务”。
8、默认承载建立：
①附着成功后，核心网的PGW会为设备分配一个IP地址。
②同时，核心网会在设备、基站和核心网之间建立一条名为“默认承载”的逻辑通道。这条通道始终存在，用于传输控制信令和随时可能发起的用户数据。
③承载可以理解为一条有特定服务质量保证的数据管道。
9、附着完成：
①设备向MME回复“附着完成”消息。
②至此，设备已经成功接入4G网络，获得了IP地址，并建立了数据传输通道。
10、数据传输：
①现在，设备可以通过建立的“默认承载”与物联网平台或应用服务器进行数据交换了。
②设备进入RRC连接态，可以高速传输数据。
11、RRC连接释放与空闲态：
①当数据传输完毕且一段时间内没有活动，为了节省功耗，网络会释放RRC连接。
②设备从“连接态”回到“空闲态”。此时，设备的IP地址仍然保留，默认承载逻辑上依然存在，但无线侧的专用资源已被释放。这就像你的手机待机，虽然没在打电话，但别人还能打进来。
③在空闲态下，设备只需监听基站的寻呼信道，功耗极低。
12、寻呼与连接重建：
①当物联网平台有下行数据要发送给设备 时，核心网会发起“寻呼”流程，在所有设备所在的跟踪区内广播“XXX设备，你在哪？有你的数据！”
②设备收到寻呼后，会立即重新发起从第4步（随机接入） 开始的流程，快速重建RRC连接，接收数据。
graph TD
A[设备上电 & 读取SIM卡] --> B[扫描/同步基站信号]；
B --> C[解码系统信息]；
C --> D[随机接入]；
D --> E[RRC连接建立]；
E --> F{鉴权与安全激活}；
F --> G[NAS附着请求]；
G --> H[分配IP & 建立默认承载]；
H --> I[附着完成 & 数据就绪]；
I --> J[数据传输]；
J --> K{数据发送完毕？}；
K -- 是 --> L[RRC连接释放 & 进入空闲态]；
L --> M[监听寻呼]；
M --> N{有下行数据？}；
N -- 是 --> D；
为了适应物联网需求，4G网络引入了特殊机制：
1、PSM节电模式： 设备在空闲一段时间后，可以进入一种比空闲态更深的“睡眠”状态，类似于关机，但核心网仍保留其上下文。设备只在需要发送数据时才“醒来”，极大降低功耗。NB-IoT和eMTC设备常用。
2、eDRX扩展的非连续接收： 延长设备在空闲态下监听寻呼的周期，减少唤醒次数，进一步省电。
4G物联网设备的接入是一个严谨、标准化的过程，涵盖了物理层同步、链路层建立、网络层鉴权注册和应用层IP分配等多个环节。理解这个流程对于进行物联网设备的调试、故障排查和网络优化至关重要。其核心目标是：在保证安全可靠的前提下，让设备快速联网，并尽可能延长其电池寿命。
