Ao capturar a sinalização de registro 5G, é comum ver na mesma conexão N2 uma sequência como esta: primeiro aparece Initial UE Message, seguido por Uplink NAS Transport e Downlink NAS Transport; depois vem Initial Context Setup e, quando o UE realmente começa a estabelecer a conectividade de dados, aparece PDU Session Resource Setup. Entender cada mensagem individualmente não é especialmente difícil. O mais trabalhoso é compreender por que elas ocorrem nessa ordem e o que o NGAP realmente faz em todo o plano de controle 5G. Uma forma útil de enxergar o N2 é considerá-lo um canal de controle persistente entre o gNB e o AMF. Primeiro os nós da rede estabelecem a relação entre si, depois é criado o contexto do UE e só então os recursos da RAN são preparados para a sessão PDU. Quando o UE se movimenta, entra no estado ocioso ou seus parâmetros de serviço mudam, procedimentos NGAP adicionais são acionados.

O que a interface N2 realmente faz?

N2 é a interface do plano de controle entre o gNB e o AMF e usa NGAP, ou NG Application Protocol (protocolo de aplicação NG). Do ponto de vista funcional, ela apresenta algumas semelhanças com a interface S1-MME usada no 4G, embora funcione dentro da arquitetura do sistema 5G.

SCTP é usado como camada de transporte do N2. O NGAP opera sobre SCTP, enquanto as mensagens NAS trocadas entre o UE e o núcleo 5G podem ser transportadas entre o gNB e o AMF por meio do NGAP. Assim, uma pilha de protocolos N2 típica pode ser entendida da seguinte forma: IP fornece alcance de rede entre o gNB e o AMF, SCTP fornece a associação de transporte N2, NGAP carrega os procedimentos e parâmetros de controle N2 e, quando necessário, o 5G NAS é transportado como NAS-PDU.

O NGAP em si não transporta o tráfego normal do plano de usuário do UE. Os dados reais do usuário são normalmente transportados pelo plano de usuário N3. O N2 é responsável por funções de controle como estabelecimento de recursos, gerenciamento do contexto do UE, transporte de sinalização NAS e coordenação de mobilidade. Funcionalmente, o N2 oferece suporte ao estabelecimento, manutenção e liberação de recursos NG-RAN associados a sessões PDU, além de participar do gerenciamento do contexto do UE, gerenciamento de mobilidade, transporte da sinalização NAS e controle de recursos do plano de usuário.

Por que os procedimentos NGAP são divididos entre associados ao UE e não associados ao UE?

Ao começar a estudar NGAP, entrar diretamente em dezenas de procedimentos e nomes de mensagens pode transformar rapidamente o aprendizado em um exercício de memorização. Uma abordagem mais prática é primeiro determinar se o procedimento está relacionado a um UE específico.

Os procedimentos associados ao UE operam em torno do contexto, da sessão ou do estado de mobilidade de um usuário específico. Entre os exemplos estão gerenciamento de recursos de sessão PDU, gerenciamento de contexto do UE, handover, paginação, transporte NAS, relatório de localização e procedimentos de capacidade de rádio do UE. Já os procedimentos não associados ao UE mantêm principalmente a relação em nível de nó entre o gNB e o AMF. Exemplos típicos incluem NG Setup, RAN Configuration Update, AMF Configuration Update, NG Reset, AMF Status Indication e Overload Start/Stop.

Essa distinção é extremamente útil ao analisar capturas de pacotes. Se os usuários de um gNB inteiro forem afetados, procedimentos em nível de nó como SCTP, NG Setup, Reset, estado do AMF ou tratamento de sobrecarga devem ser verificados primeiro. Se apenas um UE for afetado, a investigação deve acompanhar os IDs NGAP desse UE, as mensagens de transporte NAS, os procedimentos de contexto e a sinalização de recursos da sessão PDU.

Os procedimentos NGAP também podem ser divididos em Class 1 e Class 2 conforme a necessidade de resposta. Os procedimentos Class 1 normalmente incluem Request e Response e também podem incluir um resultado Failure. Os procedimentos Class 2 não exigem uma resposta em nível de procedimento do par. Na solução de problemas real, costuma ser mais útil perguntar se um procedimento espera um resultado de sucesso ou de falha do que memorizar a classe de cada mensagem NGAP.

Como o N2 constrói o estado desde a inicialização do gNB até o registro do UE?

Antes de qualquer UE aparecer, a primeira questão que o gNB precisa resolver não é o registro do assinante. Primeiro ele precisa estabelecer se consegue se comunicar corretamente com o AMF.

A primeira etapa normalmente é NG Setup. Depois que a associação SCTP entre o gNB e o AMF é estabelecida, o gNB envia um NG Setup Request. Se o AMF aceitar a conexão, retorna um NG Setup Response. Em uma implantação com pool de AMF, o gNB pode precisar estabelecer relações N2 com vários AMFs e obter informações usadas posteriormente na seleção de AMF. Nesse ponto, apenas a relação em nível de nó foi estabelecida; ainda não existe um contexto específico de UE.

Quando um UE inicia o registro, a sinalização passa para o próximo nível. Depois de receber a mensagem NAS inicial do UE, o gNB pode encaminhá-la ao AMF usando Initial UE Message. A sinalização NAS subsequente entre o UE e o AMF normalmente é transportada pelo N2 usando Uplink NAS Transport e Downlink NAS Transport. Um ponto importante é que o gNB não precisa interpretar toda a lógica de serviço NAS. Em grande parte da sinalização NAS, sua principal responsabilidade é identificar o contexto correto do UE e entregar o NAS-PDU ao AMF adequado.

À medida que o registro avança, o AMF também precisa que o gNB estabeleça o contexto do UE no lado da RAN. É aqui que aparecem Initial Context Setup Request e Initial Context Setup Response. Initial Context Setup Request pode incluir informações importantes relacionadas ao UE, como Allowed NSSAI, GUAMI, UE Security Capabilities, Mobility Restriction List e NAS-PDU. Nessa etapa, o gNB já não está apenas encaminhando a sinalização NAS. Ele começa a estabelecer o estado necessário para continuar atendendo aquele UE.

Como o NGAP estabelece os recursos da sessão PDU quando o UE começa a usar dados?

O registro bem-sucedido não significa que todos os recursos do plano de usuário do UE já estejam disponíveis. Quando o UE precisa acessar uma rede de dados e estabelece uma sessão PDU, o N2 também participa da preparação dos recursos RAN correspondentes.

Um dos principais procedimentos é PDU Session Resource Setup. O AMF envia um PDU Session Resource Setup Request ao gNB. Essa mensagem leva ao NG-RAN informações associadas à sessão PDU e aos seus QoS Flows, como PDU Session ID, S-NSSAI, informações do túnel do plano de usuário e QoS Flow List. O gNB então aloca os recursos de rádio necessários de acordo com as condições locais, por exemplo configurando os DRBs necessários para os QoS Flows e preparando a conexão do plano de usuário N3.

Depois que a alocação de recursos é concluída, o gNB envia um PDU Session Resource Setup Response ao AMF, indicando quais recursos foram estabelecidos com sucesso. A resposta pode incluir informações do plano de usuário do gNB e os QoS Flows admitidos com sucesso.

É aqui que os papéis de N1, N2 e N3 costumam ser confundidos. N1 transporta para o UE informações da sessão PDU na camada NAS. N2 coordena os recursos RAN e do plano de usuário que o gNB precisa estabelecer. N3 transporta o tráfego real do plano de usuário depois que esses recursos estão prontos.

Por isso, a análise de uma falha na sessão PDU não deve parar quando a camada NAS retorna uma mensagem Accept. Se o procedimento PDU Session Resource Setup no N2 não for concluído com sucesso, o UE pode já ter recebido os parâmetros da sessão enquanto o plano de usuário ainda não está operacional.

O N2 continua funcionando depois que a sessão PDU é estabelecida

O NGAP não para quando a sessão PDU se torna ativa. Enquanto o UE permanecer na rede, mudanças de estado ou de condições de serviço podem acionar procedimentos N2 adicionais.

Quando o UE se move para outro gNB, pode ser acionado um handover baseado em N2 ou Xn. Um handover N2 pode envolver Handover Required, Handover Request, Handover Request Acknowledge, Handover Command e Handover Notify. Depois que o novo caminho é estabelecido, Path Switch Request e sua resposta podem vir em seguida, enquanto o contexto antigo do UE no gNB de origem é liberado.

Se o UE estiver ocioso e chegar tráfego de downlink, o AMF pode enviar uma mensagem Paging ao NG-RAN por meio do NGAP, após o que a RAN executa o procedimento de paginação no lado de rádio. Paging é um procedimento NGAP unidirecional típico. Se a rede precisar ajustar o QoS ou outros recursos RAN, PDU Session Resource Modify pode ser acionado. Quando a sessão não for mais necessária, usa-se PDU Session Resource Release. Portanto, o ciclo de vida N2 de uma sessão PDU inclui não apenas Setup, mas também Modify, Release, Notify e procedimentos Indication relacionados.

Além dos procedimentos de serviço relacionados ao UE, os engenheiros também podem encontrar mensagens de gerenciamento de interface como NG Reset, Error Indication, Overload Start, Overload Stop, AMF Status Indication e procedimentos de atualização de configuração. Elas são especialmente úteis para determinar se um problema afeta um único UE ou reflete uma mudança mais ampla na relação entre os nós N2.

Qual é a melhor ordem para analisar uma captura de pacotes NGAP?

O NGAP contém um grande número de mensagens, mas a solução prática de problemas não exige verificar a lista de mensagens 3GPP do início ao fim. Um método melhor é seguir a ordem em que o estado da rede é estabelecido.

A primeira etapa é verificar o SCTP. Se a Transport Network Layer Association entre o gNB e o AMF não tiver sido estabelecida corretamente, há pouco valor em analisar os procedimentos de serviço NGAP que deveriam vir depois.

A segunda etapa é verificar o NG Setup e confirmar que a relação N2 em nível de nó está íntegra. Se o NG Setup falhou, normalmente não faz sentido pular diretamente para a análise do registro do UE.

A terceira etapa é identificar o UE específico. As mensagens NGAP associadas ao UE normalmente contêm os valores UE-NGAP-ID correspondentes. A análise de pacotes deve acompanhar os mesmos identificadores de UE ao longo do tempo, em vez de filtrar apenas por tipo de mensagem.

A quarta etapa é confirmar se a sinalização NAS está sendo transportada corretamente. Verifique se Initial UE Message, Uplink NAS Transport e Downlink NAS Transport formam uma sequência contínua. Se o NAS-PDU já chegou ao AMF, mas nenhuma resposta aparece, a direção da investigação é muito diferente de um caso em que o gNB nunca entregou a mensagem NAS.

A quinta etapa é verificar o estabelecimento do contexto do UE. Se o registro avançou até Initial Context Setup, revise os parâmetros do Request e confirme se o Response é concluído com sucesso.

A sexta etapa é inspecionar os recursos da sessão PDU. Se o UE está registrado, mas não consegue acessar a rede de dados, concentre-se em PDU Session Resource Setup Request/Response e nos resultados retornados dos recursos da sessão PDU e de QoS Flow.

Se o problema ocorrer durante a mobilidade, direcione a investigação para Handover, Path Switch e a liberação do contexto antigo do UE. Se um UE ocioso não puder ser alcançado por tráfego de downlink, concentre-se em Paging.

Seguir a cadeia SCTP → NG Setup → identificação do UE → NAS → contexto do UE → sessão PDU → mobilidade costuma ser muito mais eficiente no trabalho real de engenharia do que tentar memorizar dezenas de nomes de mensagens NGAP.

Perguntas frequentes

Qual é a relação entre NGAP e 5G NAS?

NGAP é o protocolo da camada de aplicação usado na interface N2 entre o gNB e o AMF, enquanto NAS transporta a sinalização de controle entre o UE e o núcleo 5G. Muitas mensagens NAS são encapsuladas como NAS-PDUs dentro de mensagens NGAP e encaminhadas pelo gNB entre o UE e o AMF, portanto os dois protocolos operam em camadas diferentes.

A interface N2 transporta o tráfego de Internet do UE?

Não. N2 não é usado como o caminho normal do plano de usuário para dados do UE. Ele transporta sinalização do plano de controle. O tráfego do usuário normalmente é transportado entre o gNB e o UPF pelo N3, enquanto o NGAP informa à RAN quais recursos relacionados precisam ser estabelecidos, modificados ou liberados.

Um NG Setup bem-sucedido significa que o UE consegue se registrar normalmente?

Não. NG Setup estabelece apenas a relação N2 em nível de nó entre o gNB e o AMF. Quando um UE específico chega, Initial UE Message, transporte NAS, estabelecimento do contexto do UE e os procedimentos posteriores de recursos da sessão PDU ainda precisam ser concluídos com sucesso.

Por que a análise de NGAP não deve depender apenas de filtros de tipo de mensagem?

Um único gNB pode processar muitos UEs ao mesmo tempo, e os mesmos tipos de mensagens NGAP podem aparecer repetidamente para usuários diferentes. Filtrar apenas pelo nome da mensagem pode facilmente misturar procedimentos sem relação entre si. A análise específica de um UE deve combinar os valores UE-NGAP-ID, o horário das mensagens e o contexto NAS ou da sessão PDU correspondente.