15. 生成AIで作成する5Gシステムのサンプルメッセージシーケンス概要 : 音声通信中相手ユーザー切断操作 編

目次

1. 5G VoNRの概要と通話終了プロセスの進化
   1. 5G SAにおけるVoNRへの音声サービスの進化
   2. VoNR通話終了の概要
2. 5G VoNRにおける主要なネットワーク機能とインターフェース
   1. ネットワーク機能（NF）
   2. インターフェース
3. メッセージシーケンスチャート: VoNR通話終了（着信側UE開始）
4. 通話終了シーケンスの詳細分析
   1. アプリケーション層（IMS）シグナリング：SIP BYEフロー
   2. セッション管理（5GC）手順：PDUセッション解放
   3. 発信側PDUセッション解放（ネットワーク開始）

• 結論
• 引用文献

1. 5G VoNRの概要と通話終了プロセスの進化

1.1. 5G SAにおけるVoNRへの音声サービスの進化

音声通信は、モバイル通信事業者にとって不可欠なサービスであり続けています。その進化は、2G/3Gの回線交換（CS）から、4GのVoLTE（Voice over LTE）によるパケット交換（PS）へと移行し、現在では5GのVoNR（Voice over New Radio）へと進んでいます。この一連の進展は、リアルタイム通信を含むすべてのサービスをオールIPネットワークで提供するという業界全体の方向性を反映しています ¹。

VoNRは、5Gスタンドアロン（SA）アーキテクチャ向けに設計された音声ソリューションです。これは、5Gコア（5GC）機能のクラウドネイティブでサービスベースのアーキテクチャを最大限に活用し、通話制御とマルチメディアセッション管理のためにIPマルチメディアサブシステム（IMS）に決定的に依存しています ¹。

3GPPによる主要なアーキテクチャ上の決定は、VoNRがVoLTEと同様に、音声通話処理に同じIMSネットワークを利用するという点です。この一貫性により、事業者は既存の音声サービス機能と相互運用性を維持しながら、5G SAへの移行を円滑に進めることができます ¹。

この設計は、既存のIMSプラットフォームの戦略的な継続性を示しています。IMSは、3Gから4Gにかけて複数のリリースで洗練されてきた、非常に成熟した標準化された機能豊富なプラットフォームです。補助サービス（キャッチホン、着信転送など）、合法傍受、堅牢なQoS（Quality of Service）メカニズムなど、幅広い機能をサポートしています。5GCにネイティブな全く新しい音声ソリューションをゼロから設計することは、膨大な作業となり、多大な時間、リソース、標準化の労力を要したでしょう。IMSを維持することで、3GPPと事業者は、音声サービスのための5G SA展開を加速し、ユーザーは基盤となる制御プレーンロジックが慣れ親しんだものであるため、シームレスな音声サービスを体験できます。また、事業者は2つの完全に分離された音声アーキテクチャ（4G/IMS用と5Gネイティブ音声用）を管理する必要がなくなり、運用上の複雑さとコストを削減できます。さらに、既存の4G VoLTEネットワークや、IMSゲートウェイを介したレガシーCSネットワークとの相互運用性が簡素化され、これは長期的な移行期間において極めて重要です。この傾向は、既存の堅牢なソリューションが存在する場合に、完全なアーキテクチャの抜本的な見直しよりも、安定性、費用対効果、迅速な展開を優先するネットワーク進化への実用的なアプローチを示唆しています。これは、将来のネットワーク世代も、実績のある重要なサービスコンポーネントを基盤とすることを示唆しています。

1.2. VoNR通話終了の概要

アクティブなVoNR通話の終了は、アプリケーション層から無線アクセスネットワークに至るまで、5Gネットワークアーキテクチャの複数の層にまたがる複雑で協調的なプロセスです。通常、発信元または着信先のユーザー機器（UE）におけるユーザー操作（例：電話を切る）によって開始され、それがIMS、5Gコアネットワーク（5GC）、および次世代無線アクセスネットワーク（NG-RAN）全体にわたるシグナリングメッセージの連鎖的な発生を引き起こします。通話終了手順の全体的な目的は、音声通話のためにプロビジョニングされたすべての専用ネットワークリソースを効率的かつ体系的に解放することです。これらのリソースには、IPアドレス、ユーザープレーンのトンネル、QoSフロー、無線ベアラ、および関連するセキュリティコンテキストが含まれます。この綿密なリソース解放は、ネットワーク効率の維持、容量の最適化、およびUEを後続のサービスまたは低電力アイドル状態に移行させるために不可欠です ⁵。

2. 5G VoNRにおける主要なネットワーク機能とインターフェース

2.1. ネットワーク機能（NF）

• ユーザー機器 (UE): 通話終了を開始するエンドユーザーデバイス（例：スマートフォン）です。アプリケーション層のシグナリング（SIP）、セッションおよびモビリティ管理のための非アクセス層（NAS）メッセージ、無線リソース制御のためのアクセス層（AS）メッセージを処理します ¹。
• gNB (次世代ノードB): NG-RANの一部を構成する5G基地局です。無線リソース（例：RRC接続、無線ベアラ）の管理、およびUEと5GC間の重要なインターフェースとしての役割を担います ¹。
• アクセスおよびモビリティ管理機能 (AMF): 5GC内の主要な制御プレーンNFです。UE登録、接続管理（CM-IDLE/CM-CONNECTEDにおけるUE状態の追跡）、モビリティ管理、およびUEからのNASシグナリングの終端を担当します。AMFは、UEとSMF間のセッション管理（SM）メッセージのリレーにおいて極めて重要な役割を果たします ¹²。
• セッション管理機能 (SMF): もう一つの重要な5GC制御プレーンNFです。SMFは、PDUセッションのライフサイクル管理（確立、変更、解放）を担当します。PDUセッションのIPアドレス割り当て、セッションに関連するQoSポリシーの管理、およびPFCPプロトコルを介したユーザープレーン機能（UPF）の制御を行います ⁵。
• ユーザープレーン機能 (UPF): 5GCの専用ユーザープレーンNFです。その主な機能は、ユーザーデータパケットのルーティングと転送です。gNBからのN3インターフェースを終端し、より複雑なシナリオではUPF間の接続のためのN9インターフェースも終端します。UPFは、課金データ収集とユーザープレーン上のQoSポリシーの強制も担当します ⁵。
• ポリシー制御機能 (PCF): ポリシー制御の決定を提供する5GC制御プレーンNFです。SMFにポリシーおよび課金制御（PCC）ルールをプロビジョニングし、トラフィックの処理方法と課金に影響を与えます ⁵。
• IPマルチメディアサブシステム (IMS): VoNRを含むIP経由でマルチメディアサービスを提供するためのアーキテクチャフレームワークです。音声通話に関与する主要なIMSエンティティには以下が含まれます。
  • P-CSCF (Proxy-CSCF): IMSドメインにおけるUEの初期接触点であり、SIPプロキシとして機能します。
  • S-CSCF (Serving-CSCF): 登録されたUEのIMS内の中心的な制御点であり、SIP登録、セッションルーティング、およびサービスロジックの実行を担当します。
  • I-CSCF (Interrogating-CSCF): 通話設定中にSIP要求を適切なS-CSCFにルーティングするために使用されます。
• 統合データ管理 (UDM): ユーザープロファイル、認証資格情報、登録情報（例：UEのサービングAMFおよびPDUセッションのSMF）を含む加入者データを管理する集中型5GC NFです ¹⁴。

これらの機能は、制御プレーンNF（AMF、SMF、PCF、IMS、UDM）とユーザープレーンNF（UPF）が明確に分離されていることで特徴付けられます。PFCPは、SMF（CP）とUPF（UP）間のセッション削除プロトコルとして明示的に識別されています ¹⁹。この制御プレーンとユーザープレーンの分離（CUPS）は、5Gの基本的な原則であり、通話終了手順においてその利点が顕著に現れます。CUPSにより、制御プレーンはユーザープレーンから独立してスケーリングできます。終了時、SMFは解放を調整しますが、UPFは軽量なデータ転送機能であるため、他のアクティブなユーザープレーンセッションに影響を与えることなく、リソースを迅速に解放できます。これにより、リソース解放中の単一の輻輳ポイントが回避されます。UPFは低遅延のためにエッジに近い場所に展開されることが多く、SMFはより集中化される可能性があります。CUPSは、リソースが最も必要とされる場所で正確な割り当てと解放を可能にします。通話が終了すると、UPFは転送ルールとバッファースペースを直ちに解放し、複雑な制御プレーンの交渉を待つことなく新しいセッションで利用できるようにします。制御プレーンの障害（例：SMFインスタンス）がユーザープレーン全体を停止させることはなく、その逆もまた然りです。終了中、1つのコンポーネントが故障しても、他方はクリーンアップの役割を続行できます（例：SMFが回復中でもUPFはリソースを解放するように指示される）。CUPSは、ネットワークスライスとQoSのより動的な管理を可能にします。専用のQoSを必要とするVoNRの場合、ユーザープレーンパスを迅速に切断する能力は、高優先度のリソースが不必要に保持されないことを保証し、全体的なネットワーク容量を向上させます。CUPSは単なるアーキテクチャの詳細ではなく、多様な5Gユースケースに必要な柔軟性、スケーラビリティ、効率性を実現する戦略的なイネーブラーです。通話終了への影響は、コアネットワークレベルでのモジュール性が、具体的な運用上の利点とリソース管理の改善に直接つながることを示しています。

2.2. インターフェース

• Uu: UEとgNBを接続する無線インターフェースで、RRCメッセージとユーザープレーンデータ（RTPパケット）が交換されます ²⁷。
• N1: UEとAMF間の論理的な制御プレーンインターフェースである非アクセス層（NAS）インターフェースです。モビリティ管理（5GMM）とセッション管理（5GSM）のためのNASメッセージを伝送します ⁵。
• N2: gNBとAMF間の制御プレーンインターフェースです。UEコンテキスト管理、PDUセッションリソースの設定/解放、モビリティのためのNGAP（NG Application Protocol）メッセージを伝送します ⁵。
• N3: gNBとUPF間のユーザープレーンインターフェースです。GTP-U（GPRS Tunnelling Protocol - User plane）を使用してカプセル化されたユーザーデータ（例：音声RTPパケット）を伝送します ⁵。
• N4: SMFとUPF間の制御プレーンインターフェースです。PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）メッセージを利用して、PFCPセッションおよび関連する転送ルールの確立、変更、削除を含むユーザープレーンを管理します ⁵。
• N5: PCFとSMF間のインターフェースで、ポリシー制御の決定とPCCルールのプロビジョニングおよび更新に使用されます ²⁰。
• N10: UDMとSMF間のインターフェースで、SMFがPDUセッション情報を登録および登録解除したり、加入者データを取得したりするために使用されます ¹⁴。
• N11: AMFとSMF間のインターフェースで、PDUセッションの確立、変更、解放を含むセッション管理手順の調整を容易にします ⁵。
• Cx/Dx/Sh/Zh: IMS固有のインターフェース（例：IMS-HSS用のCx、IMS-DRA用のDx、IMS-UDM/HSS用のSh、IMS-AAA用のZh）も、IMSセッション管理に暗黙的に関与しますが、提供された情報では終了については明示的に詳述されていません。

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3. メッセージシーケンスチャート: VoNR通話終了（発信側視点 - 相手による切断）

以下のシーケンス図は、通話相手（着信側）が電話を切った後、電話をしていた側（発信側）のネットワークで発生するリソース解放プロセスを示しています。

4. 通話終了シーケンスの詳細分析（発信側ネットワーク視点）

このセクションでは、通話相手が電話を切った後、発信側のネットワークで起こるシーケンスを詳細に解説します。

4.1. アプリケーション層（IMS）シグナリング：通話終了の通知

通話終了プロセスは、通話相手（着信側）の切断操作から始まります。その結果、発信側のUEとネットワークにセッション終了が通知されます。

• 相手側からのSIP BYE:
  通話相手（Called UE）が電話を切ると、相手側のIMSネットワークから、発信側のIMSネットワーク（IMS_A）へSIP BYEメッセージが送信されます。これは、セッションを終了するよう要求する通知です。
• SIP BYE（IMS_AからUE_Aへ）:
  IMS_Aは受信したSIP BYEを、通話中だった発信側UE（UE_A）に転送します。これにより、UEは相手によって通話が終了されたことを知ります。
• SIP 200 OK（UE_AからIMS_Aへ）:
  UE_AはSIP BYEを処理し、SIP 200 OKで応答します。これで、発信側におけるアプリケーション層（SIP）のセッション終了が完了します。

4.2. セッション管理（5GC）手順：ネットワーク開始によるPDUセッション解放

アプリケーション層での通話が終了したことを受け、今度はVoNR通話のために使用されていたネットワークリソース（PDUセッション、無線ベアラ等）が解放されます。このプロセスは、IMSからの通知をきっかけにネットワーク側が主導して行います。

• Inform Voice Session Ended（IMS_AからSMF_Aへ）:
  SIPセッションの終了を管理するIMS_Aは、音声セッションが終了したことを、そのセッションを管理するSMF_Aに通知します。この通知が、ネットワーク開始によるPDUセッション解放プロセスの引き金となります。
• Nsmf_PDUSession_ReleaseSMContext Request（SMF_AからAMF_Aへ）:
  通知を受けたSMF_Aは、UE_AのVoNR用PDUセッションを解放するため、AMF_AにNsmf_PDUSession_ReleaseSMContext RequestをN11インターフェース経由で送信します ¹⁷。
• NGAP: UE Context Release Command（AMF_AからgNB_Aへ）:
  AMF_AはSMF_Aからの要求を受け、gNB_Aに対してUE_Aのコンテキスト（接続情報）を解放するようNGAP: UE Context Release Commandを送信します。
• RRC Connection Release（gNB_AからUE_Aへ）:
  コマンドを受けたgNB_Aは、UE_AにRRC Connection Releaseメッセージを送信し、無線接続を解放します。これによりUE_Aは待受状態（RRC_IDLE）に移行します。
• リソースのクリーンアップ:
  上記のプロセスと並行して、SMF_Aは関連するすべてのリソースを解放します。
  • UPF_Aへの指示: PFCP Session Deletion Requestを送信し、ユーザーデータ（音声パケット）を転送していたトンネルなどのユーザープレーンリソースを削除させます。
  • PCF_Aへの指示: Npcf_SMPolicyControl_Delete Requestを送信し、このセッションに適用されていたポリシー（課金ルールなど）を削除させます。
  • UDMへの通知: Nudm_UECM_DeregistrationNotificationを送信し、加入者データベースからこのPDUセッションが解放されたことを登録・更新します。

以上の手順により、相手によって通話が切断された場合でも、発信側のネットワークリソースが体系的かつ効率的に解放され、UEは次の通信に備えることができます。

結論

5G VoNRシステムにおけるUEの音声通話終了は、アプリケーション層から無線アクセスネットワークに至るまで、複数のネットワーク機能とインターフェースにわたる複雑かつ協調的なプロセスです。IMSの継続的な利用は、VoLTEからVoNRへの移行における重要な戦略的決定であり、既存の音声サービス機能と相互運用性を維持しながら、5G SA展開を加速し、運用上の複雑さを軽減することを可能にしています。

制御プレーンとユーザープレーンの分離（CUPS）は、この終了プロセスの効率に大きな影響を与えます。CUPSにより、制御プレーン機能（SMFなど）とユーザープレーン機能（UPF）が独立してスケーリングできるため、リソースの迅速な解放とネットワーク容量の最適化が実現されます。これにより、通話終了中もネットワークの堅牢性と効率性が維持されます。

また、アプリケーション層（SIP）と基盤となるネットワーク層（5GC、RAN）の間に明確な分離があることも、このプロセスにおいて顕著に表れます。SIP BYEメッセージに対する即時のSIP 200 OK応答は、ユーザーに迅速なフィードバックを提供し、アプリケーションの観点から通話が終了したことを示します。しかし、基盤となるネットワークリソースの実際の解放は、IMSがSMFに通知し、SMFがUPF、PCF、UDMと連携して専用のPDUセッション、QoSフロー、無線ベアラを体系的に解放する、より複雑なバックグラウンドプロセスを通じて行われます。この階層化された設計は、ユーザーエクスペリエンスを最適化しつつ、ネットワークリソースの効率的な管理を可能にします。

要するに、VoNR通話終了手順は、IMSの成熟度、CUPSのアーキテクチャ上の利点、および各層の責任を明確に分離したプロトコル設計を組み合わせることで、5Gネットワークが提供するシームレスで効率的なリアルタイム通信サービスを支えています。

引用文献

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