目次

序論
1.1. 5Gネットワークアーキテクチャの概要とgNB-5GCインターフェースの重要性
1.2. レポートの範囲と目的
5GシステムアーキテクチャとNGインターフェース
2.1. 5Gネットワークコンポーネントの概要
2.2. NGインターフェースの紹介
2.3. 制御プレーン（NG-C）とユーザープレーン（NG-U）の分離
NG-Cインターフェース：制御プレーンの詳細
3.1. プロトコルスタック
3.2. 主要な機能と手順
NG-Uインターフェース：ユーザープレーンの詳細
4.1. プロトコルスタック
4.2. 主要な機能
4.3. NG-Uを介したQoS管理
4.4. GTP-Uカプセル化とトンネリング
高度な5G機能とNGインターフェース
5.1. ネットワークスライシング
5.2. エッジコンピューティング
大規模キャリア向けの実装上の考慮事項
6.1. 展開シナリオ
6.2. パフォーマンス要件
6.3. NGインターフェースのセキュリティ
結論
7.1. gNB-5GCインターフェースの主要な側面の概要
7.2. 5Gエコシステム全体におけるNGインターフェースの重要性
主要な表
8.1. NGインターフェースプロトコルスタック
8.2. 主要なNG-C手順とその機能
8.3. NG-Uインターフェースに関連する5G QoSパラメータ
関連ドキュメント
引用文献

1. 序論

1.1. 5Gネットワークアーキテクチャの概要とgNB-5GCインターフェースの重要性

第5世代移動通信システム（5G）は、3GPPによってRelease 15から定義されたシステムであり、その機能は2018年6月に機能的に凍結され、2019年9月までに完全に仕様化されました [1]。この標準化の取り組みは、無線インターフェースだけでなく、呼制御とセッション制御、モビリティ管理、サービスプロビジョニングなど、モバイルシステム全体を可能にするすべてのプロトコルとネットワークインターフェースを網羅しています [1]。この3GPP仕様への世界的な収束は、市場の驚異的な成長と、ブロードバンドセルラー、そして現在のインターネット・オブ・エブリシングが安定した将来を見据えた標準化プラットフォームに依存できるという保証の高まりを可能にしました [1]。

5Gシステムは、より高いデータレートを提供する 高度化モバイルブロードバンド（eMBB） 、極めて高い信頼性と低遅延を必要とするアプリケーション向けの クリティカルコミュニケーション（CC） および 超高信頼・低遅延通信（URLLC） 、そして非常に高密度のデバイス接続をサポートする 大規模IoT（mIoT） を含む、4Gサービスをいくつかの軸に沿って改善しています [1]。さらに、5Gは ネットワークスライシング や ネットワーク機能公開 などの機能を通じて、柔軟なネットワーク運用を提供します [1]。

5Gシステムの全体的なアーキテクチャは、以前の世代と同様に、 ユーザー機器（UE） 、 無線アクセスネットワーク（NG-RAN） 、および コアネットワーク（5GC） で構成されています [1]。UEとNG-RAN間の無線インターフェースは「 NR-Uu 」と呼ばれます [1]。

NG-RANは主に gNB（Next Generation Node B） で構成されており、ユーザーに5G NRアクセスを提供します [2]。gNBは、 gNB-CU（中央ユニット） と1つ以上の gNB-DU（分散ユニット） で構成され、 F1論理インターフェース を介して接続される場合があります [2]。

5GCアーキテクチャは、ネットワーク要素が「従来の」ネットワークエンティティではなく、「 ネットワーク機能」（NF） の観点から定義される サービスベースアーキテクチャ（SBA） フレームワークに依存しており、モジュール性と再利用性を提供します [1]。主要な5GCエンティティには、シグナリングとモビリティ管理を行う アクセスおよびモビリティ管理機能（AMF） 、およびユーザーデータを処理する ユーザープレーン機能（UPF） が含まれます [1]。

NG-RAN（特にgNB）と5GC間のインターフェースは NGインターフェース と呼ばれ、5Gシステムの高度な機能と高性能を実現するために不可欠です [2]。

洞察: 以前の世代からの進化は、無線アクセスネットワークとコアネットワークの分離という一貫したアーキテクチャパターンを示していますが、5Gは機能と性能の点で大幅な強化を導入しており、gNB-5GCインターフェースはより複雑で重要になっています。
思考の連鎖: 3GPPは、世代を超えて無線アクセスネットワークとコアネットワークの分離を伴うモバイルシステムを一貫して定義してきました [1]。5Gはこのパターンを踏襲していますが、機能強化（eMBB、URLLC、mMTC）により、より高いデータレート、より低い遅延、および大規模な接続を管理するためにより高度なインターフェースが必要になります。5GCのモジュール式SBA [1] は、以前の世代と比較して、gNBとのより複雑な相互作用も意味します。

1.2. レポートの範囲と目的

このレポートは、高性能・高機能な5GシステムにおけるNGインターフェースの詳細な説明と推測を提供することを目的としています。

範囲には、NGインターフェースの包括的な分析が含まれており、その2つの主要なコンポーネントである NG制御プレーンインターフェース（NG-C） と NGユーザープレーンインターフェース（NG-U） に焦点を当てています。

目的は、NG-CとNG-Uの両方に関連するプロトコルスタック、主要な機能、および手順を説明すること、ならびにネットワークスライシングやエッジコンピューティングなどの高度な5G機能をサポートするNGインターフェースの役割について議論することです。

さらに、このレポートでは、高性能5Gネットワークを展開する大規模モバイルキャリア向けの潜在的な実装戦略と考慮事項についても検討します。

2. 5GシステムアーキテクチャとNGインターフェース

2.1. 5Gネットワークコンポーネントの概要

ユーザー機器（UE）: モバイルステーションとUSIMで構成されるUEは、5Gネットワークにアクセスするエンドユーザーデバイスです [1]。
NG-RAN（次世代無線アクセスネットワーク）:
- NG-RANは、5Gネットワークへの無線アクセスを提供する責任があります [2]。これは、NGインターフェースを介して5GCに接続された一連のgNBで構成されています [2]。
- gNB（Next Generation Node B） は5G基地局であり、ユーザー機器との間で無線データを送受信し、そのカバレッジエリアはセルと呼ばれます [3]。gNBは、ユーザー機器側へのNR制御およびユーザープレーンプロトコル終端を提供します [2]。
- NG-RANには、5GCに接続するためにアップグレードされた進化した4G eNodeBであるng-eNBも含まれる場合があります [4]。
- gNBは、論理的に gNB-CU（中央ユニット） と1つ以上の gNB-DU（分散ユニット） に分割される場合があります [2]。gNB-CUはRRC、PDCP、およびSDAPプロトコル（またはen-gNBの場合はRRCおよびPDCP）をホストし、gNB-DUはRLC、MAC、およびPHYレイヤーをホストします [2]。これらのユニットは、 F1論理インターフェース を介して接続されています [2]。
5GC（5Gコアネットワーク） :
- 5GCは5Gシステムのコアネットワークであり、モビリティ管理、セッション管理、認証、ポリシー制御などのさまざまな機能を担当します [2]。
- 5GC内の主要な ネットワーク機能（NF） には、UEアクセスとモビリティを管理する アクセスおよびモビリティ管理機能（AMF） 、ユーザーデータルーティングと転送を処理する ユーザープレーン機能（UPF） 、PDUセッションを管理する セッション管理機能（SMF） 、 認証サーバー機能（AUSF） などが含まれます [5]。
- 5GCアーキテクチャは、ネットワーク機能（NF）が標準化されたインターフェースを通じて他の承認されたNFにサービスを提供し、モジュール性と柔軟性を促進する サービスベースアーキテクチャ（SBA） に基づいています [1]。

洞察: gNBアーキテクチャにおけるCUとDUの分割の導入 [2] は、システム全体の複雑さを増し、NGインターフェースがNG-RAN内の異なる終端点を持つ可能性があるため、NGインターフェースに影響を与えます。
思考の連鎖: gNBのCUとDUへの機能分割は、5G RANにおける主要なアーキテクチャ上の革新です [2]。この分割により、より柔軟な展開とリソース管理が可能になり、パフォーマンスとコストの考慮事項に基づいて、機能をエッジまたはより中央に配置できます。NG-RANを5GCに接続するNGインターフェースは、主に上位レイヤーの制御およびユーザープレーン機能を処理するgNB-CUと対話します。この分離により、RANの分散部分と集中部分の独立したスケーリングと進化が可能になります。

2.2. NGインターフェースの紹介

NGインターフェースは、NG-RANノード（gNBまたはng-eNB）と5GCの間で定義される論理インターフェースです [7]。これは、5Gネットワークのこれら2つの基本的な部分間の制御プレーンとユーザープレーンの両方の通信の主要な接続点として機能します [2]。

NGインターフェースは、4G LTEネットワークでeNBをEPC（Evolved Packet Core）に接続するために使用されるS1インターフェースと概念的に類似しています [7]。ただし、NGインターフェースは、ネットワークスライシングやより柔軟なQoSフレームワークなど、5Gシステムの新しい機能と要件をサポートするために強化されています [9]。

NGインターフェースは 多対多接続 をサポートしており、つまり、5GC内の単一のAMF/UPFを複数のgNBまたはng-eNBに接続でき、逆に、単一のgNBまたはng-eNBを複数のAMF/UPFに接続できます [7]。この柔軟性により、効率的なリソース管理とネットワークトポロジ設計が可能になります。

NGインターフェースの技術的な詳細と仕様は、主に 3GPP TS 38.41xシリーズ の技術仕様内で定義されています [10]。具体的には、TS 38.410は一般的な側面と原則 [12] を提供し、TS 38.413は制御プレーンシグナリングに使用される NGアプリケーションプロトコル（NGAP） の詳細 [15] を記述し、TS 38.414はNGデータ転送メカニズム [23] を指定しています。

洞察: NGインターフェースが「オープン」インターフェースであること [10] は、多くの場合マルチベンダー展開を使用する大規模モバイルキャリアにとって重要な要件である、異なるベンダーの機器間の相互運用性にとって非常に重要です。
思考の連鎖: 3GPPは、競争的なエコシステムを育成し、イノベーションを推進するために、オープンインターフェースの原則を重視しています [1]。NGインターフェース仕様は、異なるメーカーから供給されたAMFとのNG-RANノードの相互接続を明確に促進することを目的としています [10]。これにより、モバイルキャリアはさまざまなベンダーから最高のネットワークコンポーネントを選択でき、ネットワーク展開の柔軟性が向上し、ベンダーロックインシナリオを回避できます。これは、複雑で進化するネットワークインフラストラクチャを持つ大規模オペレーターにとって特に重要です。

2.3. 制御プレーン（NG-C）とユーザープレーン（NG-U）の分離

NGインターフェースの基本的な側面は、 制御プレーン と ユーザープレーン のトラフィックの分離です [8]。この分離により、5Gネットワーク内のシグナリングとデータ転送機能の独立した管理とスケーリングが可能になります [36]。

NG-Cインターフェース（NG制御プレーンインターフェース） : NG-RANノード（分割アーキテクチャでは特にgNB-CU-CP）と5GC内の AMF（アクセスおよびモビリティ管理機能） の間で定義されます [8]。その主な目的は、RANとコアネットワーク間の制御および管理機能のための信頼性の高いシグナリング伝送サービスを提供することです [7]。NG-Cは、参照点アーキテクチャでは N2インターフェース とも呼ばれます [8]。
NG-Uインターフェース（NGユーザープレーンインターフェース） : NG-RANノード（分割アーキテクチャでは特にgNB-CU-UP）と5GC内の UPF（ユーザープレーン機能） の間で定義されます [8]。これは、RANとコアネットワーク間のアプリケーションデータ（ユーザープレーンPDU）の転送を担当し、非保証データ伝送サービスを提供します [7]。NG-Uは、参照点アーキテクチャでは N3インターフェース とも呼ばれます [8]。

洞察: 制御プレーンとユーザープレーンの分離 [10] は5Gにおける基本的なアーキテクチャ原則であり、大規模キャリアの多様なサービス要件を満たすために不可欠な、制御機能とデータ処理機能の独立したスケーリングと最適化を可能にします。
思考の連鎖: 制御プレーンをユーザープレーンから分離することで、大規模モバイルキャリアにはいくつかの利点があります [36]。シグナリングとデータトラフィックの特定の需要に基づいて、ネットワークリソースをそれぞれ独立してスケーリングできます。たとえば、ピーク時には、ユーザープレーンの容量が制御プレーンの容量よりも大幅に高くなる必要があり、この分離により、オペレーターはそれに応じてリソースを割り当てることができます。さらに、制御プレーンとユーザープレーンの機能の独立した進化とアップグレードを促進し、よりアジャイルで効率的なネットワーク管理と、システムの他の部分に影響を与えることなく新しいサービスの導入を可能にします。

3. NG-Cインターフェース：制御プレーンの詳細

3.1. プロトコルスタック

NG-Cインターフェース上の制御プレーン通信は、階層化されたプロトコルスタックに依存しています [7]。

アプリケーション層: NGアプリケーションプロトコル（NGAP） が存在します [8]。NGAPは、gNBとAMF間の通信に使用される主要なシグナリングプロトコルです [33]。これは3GPP TS 38.413 [8] で規定されており、UEコンテキスト管理、モビリティ管理、インターフェース管理など、これら2つのネットワーク要素間の手順を管理するために必要なすべてのメカニズムをサポートしています [8]。NGAPは、UEとAMF間の 非アクセス層（NAS） メッセージの透過的な転送も容易にします [8]。
トランスポート層: ストリーム制御伝送プロトコル（SCTP） を利用します [7]。SCTPは、IP上で信頼性の高いシグナリングメッセージの転送を保証するために使用されます [7]。これは、アプリケーション層メッセージの保証された順序付けられた配信などの機能を提供し、制御プレーンシグナリングにとって非常に重要です [7]。SCTPは、TCPの輻輳制御メカニズムを継承しながら、そのいくつかの弱点に対処することで、TCPの改良版と見なすことができます [7]。
ネットワーク層: インターネットプロトコル（IP） に基づいています [7]。IPは、トランスポートネットワーク層の基本的なパケットルーティング機能を提供します。通常、IP層でポイントツーポイント伝送を使用して、gNBとAMF間でシグナリングPDUを配信します [35]。
データリンク層: データの物理的な送信を担当します。このレベルでは、上位層の要件を満たす任意のデータリンクプロトコルを使用できます [35]。一般的な例としては、有線接続用のイーサネットがあります。

洞察: NG-CのトランスポートプロトコルとしてSCTPを選択したことは、特に多数のユーザーとサービスを処理する大規模キャリアにとって、5Gネットワークの安定性と正しい動作に不可欠な、制御シグナリングの信頼性の高い配信の必要性を強調しています。
思考の連鎖: 制御プレーンシグナリングには、認証、モビリティ管理、セッション設定などの重要な手順が含まれます。これらのシグナリングメッセージの損失または破損は、サービスの中断につながる可能性があります。SCTPの保証された配信や特定のネットワーク問題に対する耐性などの機能により、これはこの目的のための堅牢な選択肢となります。

3.2. 主要な機能と手順

NG-Cインターフェースは、5Gネットワークとそれに接続されたUEを管理するために不可欠な幅広い機能と手順をサポートしています [7]。これらは、次のように大まかに分類できます。

NGインターフェース管理 : これらの手順は、gNBとAMF間の論理接続を確立および維持する責任があります。
- NGセットアップ : gNBによって開始されるこの手順は、gNBのID、サポートされるPLMN、およびサポートされるネットワークスライスなどの重要な情報をAMFと交換することにより、NG-Cインターフェースを確立します [7]。AMFは、独自の構成情報で応答します [7]。
- NGリセット : この手順は、NGインターフェース操作の定義された開始を保証するために使用され、障害または構成の変更の場合に、gNBまたはAMFのいずれかが接続をリセットできるようにします [7]。
- エラー表示: この手順により、gNBまたはAMFは、NGAPプロトコルまたは基盤となるトランスポート層で検出されたエラーをピアに報告できます [7]。
- RAN構成更新 : この手順により、gNBは、追加または削除されたセルや更新されたサポート機能など、その構成の変更についてAMFに通知できます [7]。
- AMF構成更新 : 同様に、この手順により、AMFは構成の変更についてgNBを更新できます [7]。

UEコンテキスト管理 : これらの手順は、gNBとAMFの両方における個々のUEのコンテキストおよび状態情報を管理します。
- 初期コンテキスト設定 : AMFによって開始されるこの手順は、UE登録時にセキュリティキー、QoSパラメータ、PDUセッション情報などを含む、gNBに初期UEコンテキストを確立するために使用されます [7]。
- UEコンテキスト解放 : AMFまたはgNBのいずれかによって開始されるこの手順は、接続が終了した場合、またはUEがカバレッジ外に移動した場合に、UEコンテキストを解放するために使用されます [7]。
- UEコンテキスト変更 : この手順により、AMFまたはgNBは、QoSフローやセキュリティキーの更新など、既存のUEコンテキストのパラメータを変更できます [7]。
- RRC非アクティブ遷移レポート : この手順により、gNBはUEがRRC非アクティブ状態に遷移したことをAMFに通知し、AMFがUEの到達可能性を管理できるようにします [7]。

UEモビリティ管理 : これらの手順は、5Gネットワーク内および5Gと他の無線アクセス技術間のUEのモビリティをサポートします。
- ハンドオーバー準備 : この手順では、ソースgNBがターゲットgNBにUEのハンドオーバーの準備を要求し、UEコンテキスト情報の転送を含みます [7]。
- ハンドオーバーリソース割り当て : ターゲットgNBはソースgNBに応答し、ハンドオーバーに対応できるかどうかを示し、必要なリソースを提供します [7]。
- ハンドオーバーコマンド : ソースgNBはUEにターゲットセルへのハンドオーバーを実行するように指示します [33]。
- ハンドオーバー通知 : ターゲットgNBはUEがハンドオーバーを正常に完了したことをAMFに通知します [7]。
- パススイッチ要求 : ターゲットgNBはAMFにNGインターフェースを介してパススイッチ要求メッセージを送信し、5GCにダウンリンクデータパスをターゲットgNBに切り替え、ターゲットgNBへのNG-Cインターフェースインスタンスを確立するようにトリガーします [7]。
- ハンドオーバーキャンセル : この手順により、ソースgNBは以前に開始されたハンドオーバーをキャンセルできます [7]。

NASメッセージの転送 : これらの手順により、NG-RANを介してUEとコアネットワーク（AMF）間のシグナリングメッセージの透過的な転送が可能になります。
- 初期UEメッセージ : RRC接続確立後にUEから送信される最初のNASメッセージは、このNGAPメッセージにカプセル化され、gNBからAMFに転送されます [7]。
- アップリンクNAS転送 : UEからの後続のNASメッセージは、この手順を使用して転送されます [7]。
- ダウンリンクNAS転送 : AMFからUEへのNASメッセージは、この手順を使用して転送されます [7]。
ページング : この手順により、AMFはトラッキングエリア内のgNBにページング要求を送信して、アイドル状態のUEを見つけることができます [7]。

PDUセッション管理（制御プレーンの側面） : ユーザープレーンの側面はNG-Uによって処理されますが、NG-CはPDUセッションの確立、変更、および解放に関連する制御プレーンシグナリングも伝送します [8]。
構成転送 : この手順により、ベンダー固有の構成情報またはその他の構成情報をgNBとAMFの間で転送できます [35]。
警告メッセージ送信 : この機能は、AMFが警告メッセージ（たとえば、公共安全のため）をgNBに送信してUEにブロードキャストするメカニズムを提供します [7]。

洞察: NG-Cインターフェース上の広範な手順は、大規模キャリアが運用する高性能5Gネットワークに必要な包括的な制御および管理機能を示しています。これらの手順により、シームレスなモビリティ、効率的なリソース利用、および多数の加入者ベースへの信頼性の高いサービスの提供が保証されます。
思考の連鎖: 大規模モバイルキャリアは、数百万の加入者とその多様なモビリティパターンを持つ広大で動的なネットワークを管理する必要があります。NG-Cインターフェースは、初期接続設定から異なる基地局間のハンドオーバーまで、これらの側面を管理するための必要なシグナリングフレームワークを提供し、サービスの継続性と一貫したユーザーエクスペリエンスを保証します。

4. NG-Uインターフェース：ユーザープレーンの詳細

4.1. プロトコルスタック

NG-Uインターフェース上のユーザープレーン通信も、階層化されたプロトコルスタックに依存しています [7]。

アプリケーション層: GPRSトンネリングプロトコル - ユーザープレーン（GTP-U） があります [35]。GTP-Uは、NG-RANノード（特にgNB-CU-UP）と5GCのUPFの間でユーザーデータPDUを伝送する責任があるプロトコルです [35]。これは、IPv4やIPv6などのさまざまな形式のユーザーデータをカプセル化します [44]。GTP-UはUDP/IP上で動作し [7]、ユーザープレーンデータの非保証配信を提供します [7]。
トランスポート層: ユーザーデータグラムプロトコル（UDP） を使用します [7]。UDPは、TCPと比較してオーバーヘッドが低いため、ユーザープレーンで予想される高いデータレートに適しています。GTP-Uに使用されるUDPポート番号は、3GPP TS 29.281 [23] で標準化されています。
ネットワーク層: インターネットプロトコル（IP） です [7]。IPv4とIPv6の両方が、GTP-Uでカプセル化されたユーザーデータを伝送するUDPパケットの転送のためにこの層でサポートされています [23]。IP層は、gNBとUPF間のこれらのパケットのルーティングを処理します。
データリンク層: NG-Cインターフェースと同様に、データの物理的な送信を提供し、特定のプロトコルは基盤となるネットワークインフラストラクチャに依存します [35]。

洞察: NG-UインターフェースでのUDP/IP上のGTP-Uの使用は、以前のモバイル世代で使用されていたアプローチの継続であり [7]、ネットワーク全体でユーザーデータをトンネリングするメカニズムを提供します。UDPはオーバーヘッドが低く、高スループットデータに適していますが、非保証配信の側面は上位層によって管理されます。
思考の連鎖: モバイルネットワークでのユーザーデータ転送には、RANとコアネットワーク間でパケットをルーティングするための効率的なトンネリングが必要です。GTP-Uはこの機能を提供し、ユーザーIPパケットをカプセル化します。UDPを基盤となるトランスポートとして選択することで、より高速な伝送が可能になり、5Gで予想される高いデータレートにとって非常に重要です。ユーザーデータの信頼性は、通常、上位層のプロトコル（Webブラウジング用のTCPなど）によって処理されます。GTP-U自体は、ユーザーデータのトンネルを提供することに焦点を当てており、ネットワークがRANとコアネットワーク間でトラフィックを効率的にルーティングできるようにします。

4.2. 主要な機能

NG-Uインターフェースの主な機能は、NG-RANと5GC間の ユーザーデータPDU の転送です [2]。これには、UEによって生成された実際のインターネットトラフィックとアプリケーションデータの伝送が含まれます。

NG-U上の転送は、UDPを基盤となるプロトコルとして使用し、これらのユーザープレーンPDUの 非保証配信 を提供します [7]。上位層プロトコルは、アプリケーションで必要な場合に信頼性を保証する責任があります。

4.3. NG-Uを介したQoS管理

5G NRでは、QoSは QoSフロー のレベルで適用されます [49]。各QoSフローは、特定のQoS特性（たとえば、優先度、遅延、帯域幅）を持つパケットのストリームを表します。

アクセスネットワーク（UEとgNBの間）では、これらのQoSフローは データ無線ベアラ（DRB） にマッピングされます [49]。マッピングは、無線プロトコルスタックの SDAP（サービスデータ適応プロトコル） サブレイヤーによって容易になります [49]。
NG-Uインターフェースでは、ユーザーデータパケットと特定のQoSフローの関連付けは、 QoSフロー識別子（QFI） を使用して維持されます [50]。QFIは、GTP-Uプロトコルの拡張ヘッダーとして伝送されます [50]。
UPF内では、データネットワークからの着信IPパケットから特定のQoSフローへのマッピングは、 パケット検出ルール（PDR） によって決定されます [51]。これらのルールは、パケットヘッダーおよびその他の情報を調べて、トラフィックを適切なQoSフローに分類します。
gNBは、必要なQoSに基づいて無線リソースの柔軟な管理を可能にするために、個々のQoSフローを1つ以上のDRBにマッピングできます [50]。PDUセッションには複数のQoSフローが含まれる場合があり、それらはいくつかのDRBにマッピングされる可能性がありますが、通常、NG-Uインターフェース上のN3 GTP-Uトンネルは1つだけです [50]。

洞察: 5GのQoSフレームワークは、多様なサービス要件（eMBB、URLLC、mMTC）をサポートするために大幅に強化されています [1]。NG-Uインターフェースは、RANとコアネットワーク間で必要なQoS情報を伝達し、サービス要件に基づいてトラフィックの差別化された処理を保証する上で重要な役割を果たします。
思考の連鎖: 大規模キャリアは、高帯域幅ビデオストリーミングから低遅延の重要通信まで、さまざまなQoS要件を持つ幅広いアプリケーションをサポートする必要があります。5G QoSアーキテクチャは、QoSフローの概念とそのネットワークセグメント（UE、RAN、コア）全体へのマッピングにより、提供されるサービス品質をきめ細かく制御できます。NG-Uインターフェースは、RANとコアネットワークの間でこれらのQoSフローに関連付けられたユーザーデータを伝送するための主要な経路であり、UPFが必要なQoSポリシーを適用し、各サービスが適切なレベルのネットワークリソースと処理を受けることを保証します。

4.4. GTP-Uカプセル化とトンネリング

NG-Uインターフェースは、gNBとUPF間のユーザーデータパケットを転送するために GTP-Uカプセル化 を利用します [44]。gNBがユーザーデータを5GCに送信する場合、元のIPパケットをGTP-UヘッダーとUDP/IPヘッダー内にカプセル化してから、NG-Uインターフェースを介して送信します。コアネットワークのUPFは、パケットをデカプセル化して元のユーザーデータにアクセスし、さらにルーティングします。ダウンリンクのトラフィックでは、プロセスが逆になります。

トンネリングは、GTP-Uヘッダーに含まれる トンネルエンドポイント識別子（TEID） を使用して実現されます [4]。TEIDは、gNBとUPF間の特定のユーザープレーンのトンネルの一意の識別子として機能し、同じ物理インターフェース上で異なる接続の多重化を可能にします [4]。gNBとUPFの両方が、TEIDと対応するPDUセッションおよびQoSフロー間のマッピングを維持します。

NG-Uインターフェース上のトランスポートベアラは、GTP-U TEIDとgNBおよびUPFのIPアドレス（送信元と宛先の両方）の組み合わせによって一意に識別されます [23]。これにより、ユーザーデータパケットが意図された宛先に正しくルーティングされることが保証されます。

洞察: NG-Uインターフェース上のGTP-Uトンネリングは、特にユーザーモビリティと複数のPDUセッションを含むシナリオにおいて、ユーザーデータが5GC内の正しい宛先に到達することを保証するために必要な抽象化とルーティング機能を提供します。
思考の連鎖: 大規模モバイルネットワークでは、ユーザーはアクティブなデータセッションを維持しながら、異なるgNBによってサービスされる異なるセル間を移動できます。TEIDベースのトンネリングを備えたGTP-Uは、RAN内のユーザーの現在の場所に関係なく、ユーザーのトラフィックを適切なコアネットワーク機能にルーティングするための安定した一貫した方法を提供します。ユーザーが移動してハンドオーバーが発生すると、ネットワークはGTP-Uトンネルのエンドポイントを更新して、ユーザーのデータセッションのシームレスな継続性を保証し、基盤となる無線アクセスネットワークトポロジの複雑さを抽象化します。

5. 高度な5G機能とNGインターフェース

5.1. ネットワークスライシング

ネットワークスライシングは、モバイルオペレーターが同じ共有物理インフラストラクチャ上に複数の仮想化された独立した論理ネットワーク（スライス）を作成できるようにする5Gの主要なアーキテクチャ機能です [1]。各ネットワークスライスは、さまざまなアプリケーション、サービス、または顧客セグメントの特定の要件（帯域幅、遅延、セキュリティなど）を満たすように調整できます [54]。

NGインターフェースは、5Gにおけるネットワークスライシングのサポートに不可欠です [7]。これにより、NG-RANと5GCの間でネットワークスライシング関連の情報を交換できるようになり、RANが異なるスライスに属するトラフィックを正しく処理できるようになります。

ネットワークスライスの識別は、主に 単一ネットワークスライス選択支援情報（S-NSSAI） を使用して行われます [53]。S-NSSAIは、スライス/サービスタイプ（SST）とオプションのスライス識別子（SD）で構成されています [53]。
S-NSSAIは、UE登録プロセスおよびPDUセッションの確立中に、UE、NG-RAN、および5GC間で交換されます [53]。UEは要求されたネットワークスライスを示し、ネットワークはサブスクリプションとネットワーク機能に基づいて許可されたスライスを決定します [53]。
NGセットアップ手順中、gNBとAMFは、サポートするS-NSSAIのリストを交換します [53]。これにより、各ネットワーク要素は、ピアのスライシング機能について認識できます。
特定の登録エリアにおけるUEの許可されたNSSAIは、初期UEコンテキストの確立中にNGAP 初期コンテキストセットアップ要求 メッセージを使用して、AMFからgNBに通知されます [53]。これにより、gNBはUEが使用することを許可されているネットワークスライスについて知らされます。

洞察: ネットワークスライシングは5Gの主要な差別化要因であり、大規模キャリアはさまざまな顧客セグメントやアプリケーションに特定のパフォーマンス保証（QoS、遅延など）を備えたカスタマイズされたサービスを提供できます。NGインターフェースは、RANとコアネットワーク間でスライス情報を交換できるようにすることで、これを実現するために不可欠であり、ユーザーのトラフィックが適切なネットワークスライスに正しくルーティングされるようにします。
思考の連鎖: 多様な顧客ベースにサービスを提供する大規模キャリアにとって、ネットワークスライシングは、サービスを差別化し、新しい収益源を生み出すための強力なメカニズムを提供します。たとえば、キャリアは、ゲーム用の低遅延スライス、ビデオストリーミング用の高帯域幅スライス、およびエンタープライズIoTアプリケーション用の専用スライスを提供できます。NGインターフェースは、コアネットワークと交換されたS-NSSAI情報に基づいて、特定のユーザーまたはセッションがどのスライスに属するかをRANが理解できるようにするため、非常に重要です。これにより、トラフィックはそのスライスに定義された特定のQoSおよびその他のパラメータに従って処理されます。

5.2. エッジコンピューティング

エッジコンピューティングは、コンピューティングリソースとデータストレージをネットワークのエッジ、エンドユーザーとそのデバイスの近くに配置することで、遅延を削減し、パフォーマンスを向上させることを目的としたパラダイムです [1]。5Gのコンテキストでは、これは、NG-RANのエッジまたはgNBに近い5GC内にアプリケーションサーバーと処理機能を展開することを意味します [57]。

NGインターフェースは、5Gにおけるエッジコンピューティングのサポートにおいて重要な役割を果たします [1]。ネットワークエッジに配置されることが多いgNBを、UPFなどのエッジコンピューティングを可能にするコアネットワーク機能に接続します。

低遅延サービスをサポートするために、 UPF（ユーザープレーン機能） はアクセスネットワークの近くに戦略的に展開できます [1]。NG-Uインターフェースは、これらの分散UPFインスタンスとgNB間の接続を提供します。
5GCには、エッジアプリケーションがホストされているローカルデータネットワークにユーザーのトラフィックをルーティングするために、PDUセッションのUPFを（再）選択する機能があります [57]。この選択は、 アプリケーション機能（AF） が ポリシー課金機能（PCF） および ネットワーク公開機能（NEF） を通じて影響を与える可能性があります [57]。NG-Cインターフェースは、UPFの選択とPDUセッション管理に関連するシグナリングを伝送します。

洞察: エッジコンピューティングは、5Gにおける超低遅延および高帯域幅アプリケーションを可能にするために不可欠です。NGインターフェースは、地理的に分散したRAN要素を集中化されたコアネットワーク機能に接続することでこれを促進し、エッジデータセンターへのトラフィックのインテリジェントなルーティングと、特定のサービスの遅延を最小限に抑えるための最適化されたUPF選択を可能にします。
思考の連鎖: 自動運転車や産業自動化などのアプリケーションでは、非常に低い遅延が最も重要です。エッジコンピューティングは、処理をユーザーの近くに移動することでこれに対処します。NGインターフェースは、ネットワークエッジのgNBと、これらのエッジコンピューティングリソースへのトラフィックのルーティングを担当するコアネットワーク機能との間の通信パスを提供するため、この点で不可欠です。たとえば、NG-Cインターフェースは、特定の低遅延アプリケーションのトラフィックをエッジサーバーにルーティングするようにUPFに指示するシグナリングを伝送し、NG-Uインターフェースは、最小限の遅延でそのサーバーに実際のユーザーデータを伝送する可能性があります。

6. 大規模キャリア向けの実装上の考慮事項

6.1. 展開シナリオ

主要なモバイルキャリアは通常、5Gネットワークにさまざまな展開シナリオを採用しており、これらの選択肢はNGインターフェースの利用に大きな影響を与えます [6]。

スタンドアロン（SA）展開: NGインターフェースを介したgNBと5GC間の直接接続が含まれます [6]。これは、5GCの機能を最大限に活用し、ネットワークスライシングや高度なQoSを含むすべての5Gサービスをサポートするため、5G移行の究極の目標と見なされています [60]。
ノンスタンドアロン（NSA）展開: 多くの場合キャリアの初期段階であり、5G gNBは既存の4G LTE eNBと連携して動作し、4G EPC（Evolved Packet Core）に接続します [6]。一部のNSAオプションでは、gNBが主に異なるインターフェースを介してEPCと対話する可能性があるため、NGインターフェースは初期段階では直接関与しない場合があります [59]。ただし、NSAシナリオでも、ng-eNB（アップグレードされたeNB）がNGインターフェースを介して5GCに接続するオプションが存在する可能性があります [60]。

洞察: 主要なキャリアは、既存のインフラストラクチャを活用するためにNSAから開始し、その後NGインターフェースの利点を最大限に活用するためにSAに移行するという段階的なアプローチを採用することがよくあります。展開戦略の選択は、NGインターフェースの即時の関連性と利用に影響を与えます。
思考の連鎖: 既存のキャリアは、4G LTEネットワークに多大な投資を行ってきました。NSA展開により、この基盤の上に構築することで、比較的迅速に5Gサービスを導入できます。これには、制御プレーン機能にLTEネットワークを使用しながら、5G NRを高度なデータレートに活用することが含まれる場合があります。ただし、エンドツーエンドのネットワークスライシングやURLLCの可能性を最大限に引き出すなど、5Gの可能性を最大限に引き出すには、gNBがNGインターフェースを介して5GCと直接インターフェースするSA展開への移行が一般的に必要です。この移行戦略により、コストの考慮事項とサービス機能のバランスを取りながら、ネットワークのスムーズな進化が可能になります。

6.2. パフォーマンス要件

主要なキャリアが運用する高性能5Gシステムは、さまざまなサービスタイプにわたって厳格なパフォーマンス要件を満たす必要があります [1]。これらには以下が含まれます。

高度化モバイルブロードバンド（eMBB） : HDビデオストリーミング、VR/AR、および大容量ファイルダウンロードなどのアプリケーションに非常に高いデータレートが必要です [1]。
超高信頼・低遅延通信（URLLC） : 自動運転、産業オートメーション、遠隔手術などのミッションクリティカルなアプリケーションには、極めて低い遅延と高い信頼性が求められます [1]。
大規模IoT（mMTC） : IoTシナリオなど、低消費電力でデータレートが低い可能性のある多数の接続されたデバイスをサポートします [1]。

NGインターフェース、特にNG-CとNG-Uの両方のコンポーネントの設計と実装は、これらの多様で要求の厳しいパフォーマンス要件をサポートするように最適化する必要があります [52]。これには、基盤となるトランスポートプロトコル（SCTPおよびUDP）の慎重な選択と構成、シグナリングとユーザーデータの効率的な処理、およびインターフェース上の適切なQoS管理メカニズムが含まれます [39]。

洞察: 5Gサービスの多様なパフォーマンス要件を満たすには、NGインターフェースと基盤となるトランスポートネットワークの慎重なエンジニアリングが必要です。主要なキャリアは、NGインターフェースの実装が、ビデオストリーミングや自動運転車などのアプリケーションの高いスループットと低い遅延の要求を処理できることを保証する必要があります。
思考の連鎖: 5Gの約束は、非常に異なるパフォーマンスニーズを持つ幅広いアプリケーションをサポートできることにあります。NGインターフェースは、RANがコアネットワークに接続するポイントであり、その容量と効率は、これらの約束されたパフォーマンスレベルをエンドユーザーに提供する上で非常に重要です。

6.3. NGインターフェースのセキュリティ

セキュリティは主要なモバイルキャリアにとって最も重要な懸念事項であり、NGインターフェースは堅牢なセキュリティ対策を必要とする重要なポイントです [69]。3GPP仕様は、NGインターフェースを介して交換されるシグナリングとユーザーデータを保護するメカニズムを含む、5Gシステムの包括的なセキュリティアーキテクチャを定義しています [38]。

ネットワークドメインセキュリティ（NDS） メカニズムは、NGインターフェースを含むネットワークノード間の通信リンクを保護するために使用されます。これには、制御プレーンシグナリング（NG-C経由）とユーザープレーンデータ（NG-U経由）の両方を、盗聴、改ざん、およびその他のセキュリティ脅威から保護することが含まれます [70]。
5Gシステムは、以前の世代と比較してより柔軟な認証フレームワークを導入しており、従来のSIMカード以外のさまざまな種類の資格情報を使用できるようにすることで、NGインターフェースのセキュリティも強化しています [70]。
5GCの新しいサービスベースアーキテクチャを保護するための追加の上位プロトコル層セキュリティメカニズムも整備されており、これは間接的にNGインターフェースの相互作用の全体的なセキュリティに貢献しています [70]。

洞察: セキュリティは主要なモバイルキャリアにとって最も重要な懸念事項です。NGインターフェースは、RANとコアネットワーク間の相互作用の重要なポイントであるため、潜在的な脅威から保護する必要があります。3GPPセキュリティ仕様の遵守と堅牢なセキュリティメカニズムの実装は、通信の完全性と機密性を維持するために不可欠です。
思考の連鎖: モバイルネットワークが生活や産業のさまざまな側面にますます統合されるにつれて、セキュリティはますます重要になっています。NGインターフェースは制御シグナリングとユーザーデータの両方を伝送するため、攻撃の対象となる可能性があります。主要なキャリアは、ネットワークと加入者のデータを保護するために、3GPPによって定義されたセキュリティ機能を実装する必要があります。

7. 結論

7.1. gNB-5GCインターフェースの主要な側面の概要

NGインターフェースは、NG-CとNG-Uで構成され、5G RANと5GC間の重要な接続です。
NG-Cは、SCTP/IP上のNGAPを使用して制御プレーンシグナリングを処理し、モビリティ、コンテキスト、およびセッションを管理します。
NG-Uは、GTP-UをUDP/IP上で使用してユーザーデータを転送し、高スループットに焦点を当てています。
このインターフェースは、ネットワークスライシングやエッジコンピューティングなどの高度な5G機能をサポートする上で重要な役割を果たします。

7.2. 5Gエコシステム全体におけるNGインターフェースの重要性

高度化モバイルブロードバンド、超高信頼・低遅延通信、および大規模IoT通信の提供を可能にします。
5Gネットワークの柔軟性とスケーラビリティを促進します。
多様な業界やユーザー向けの革新的なサービスやアプリケーションの展開をサポートします。

8. 主要な表

以下に、レポートの内容を要約する上で特に価値のある表を示します。

8.1. NGインターフェースプロトコルスタック

参照セクション:
3. NG-Cインターフェース：制御プレーンの詳細
 4. NG-Uインターフェース：ユーザープレーンの詳細
理由: この表は、NGインターフェースの制御プレーンとユーザープレーンの両方に関与するプロトコルレイヤーの明確で簡潔な概要を提供します。読者がインターフェースのアーキテクチャコンポーネントと情報の流れを迅速に理解するのに役立ちます。レポートの複数の部分で議論されている情報を統合し、NGインターフェースの基本的な技術的側面を把握しやすくするため、これは価値があります。

インターフェース	プレーン	アプリケーション層	トランスポート層	ネットワーク層	データリンク層
NG-C	制御	NGAP	SCTP	IP	（実装依存）
NG-U	ユーザー	GTP-U	UDP	IP	（実装依存）

8.2. 主要なNG-C手順とその機能

参照セクション: 3. NG-Cインターフェース：制御プレーンの詳細
理由: この表は、NG-Cインターフェースで発生する主要な制御プレーン手順をまとめたものです。読者は、インターフェース管理、UEコンテキスト管理、モビリティ管理など、このインターフェースがサポートするさまざまな管理および制御機能を迅速に把握できます。これは、RANとコアネットワーク間の動的な相互作用を理解する上で特に役立ちます。

手順名	開始要素（複数可）	機能の簡単な説明
NGセットアップ	gNB	NG-Cインターフェースを確立し、基本的な構成情報を交換します。
NGリセット	gNB, AMF	NG-Cインターフェース接続をリセットします。
エラー表示	gNB, AMF	NGAPプロトコルまたはトランスポート層で検出されたエラーを報告します。
RAN構成更新	gNB	gNB構成の変更についてAMFに通知します。
AMF構成更新	AMF	AMF構成の変更についてgNBに通知します。
初期コンテキスト設定	AMF	登録時にgNBに初期UEコンテキストを確立します。
UEコンテキスト解放	AMF, gNB	gNBおよびAMFでUEコンテキストを解放します。
UEコンテキスト変更	AMF, gNB	既存のUEコンテキストのパラメータを変更します。
ハンドオーバー準備	ソースgNB	ターゲットgNBにUEのハンドオーバーの準備を要求します。
ハンドオーバーコマンド	ソースgNB	UEにハンドオーバーを実行するように指示します。
パススイッチ要求	ターゲットgNB	ダウンリンクデータパスをソースgNBからターゲットgNBに切り替えるようにAMFに要求します。
アップリンクNAS転送	gNB	UEからAMFへのNASメッセージを転送します。
ダウンリンクNAS転送	AMF	AMFからUEへのNASメッセージを転送します。
ページング	AMF	UEをページングするようにgNBに要求します。
警告メッセージ送信	AMF	ブロードキャストのために警告メッセージをgNBに送信します。

8.3. NG-Uインターフェースに関連する5G QoSパラメータ

参照セクション: 4. NG-Uインターフェース：ユーザープレーンの詳細
理由: この表は、NG-Uインターフェースに関連する重要な5G QoSパラメータの概要を示しています。これらのパラメータは、ネットワークがさまざまなサービスやアプリケーションに対して必要なサービス品質を提供するために不可欠です。これらのパラメータがNG-Uインターフェースにどのように関連しているかを理解することは、5GネットワークにおけるQoS管理を把握するために重要です。

パラメータ名	説明	NG-Uインターフェースとの関連性
QoSフローID（QFI）	QoSフローを一意に識別するスカラー	NG-Uインターフェース上で、ユーザーデータパケットを対応するQoSフローに関連付けるために使用されます。GTP-Uヘッダーに含められます。
5G QoS識別子（5QI）	特定のQoS特性（優先度、遅延バジェット、信頼性など）を定義する標準化された値	5QIはQoSフローの特性を決定し、UPFとgNBがユーザープレーンデータを適切に処理するために使用されます。
割り当ておよび保持の優先度（ARP）	リソース割り当てとプリエンプションの優先度を定義します	ARP値はQoSフローに関連付けられており、輻輳時にどのフローを優先するかをネットワークが決定するのに役立ちます。
許可最大ビットレート（AMBR）	特定のPDUセッションまたはすべての非保証ビットレート（GBR）PDUセッションで許可される最大ビットレート	AMBRは、NG-Uインターフェース上の特定のUEまたはサービスが使用できる帯域幅を制限するのに役立ちます。
保証ビットレート（GBR）（該当する場合）	QoSフローに保証されるビットレート	GBR QoSフローの場合、NG-Uインターフェースは、特定のビットレートが維持されるようにユーザープレーンデータを伝送する必要があります。
最大パケット遅延バジェット（PDB）	QoSフローの最大許容遅延	PDBは、特にURLLCなどの低遅延サービスの場合、NG-Uインターフェースにおけるユーザーデータ転送の遅延要件を定義します。
最大パケット損失率（PLR）	QoSフローの最大許容パケット損失率	PLRは、信頼性要件の高いサービスの場合、NG-Uインターフェースにおけるユーザーデータ転送の信頼性要件を定義します。

9. 関連ドキュメント

🔗 記事を読む

10. 引用文献

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5G NG-RAN Architecture - 5G HUB TECHNOLOGIES, INC - 2025年5月3日アクセス
5G NR - Wikipedia - 2025年5月3日アクセス
5g ran architecture - Fubeus - Innovations to realizations - 2025年5月3日アクセス
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[Introduction to 5G] 5G NG Interface Introduction-Huawei Enterprise Support Community - 2025年5月3日アクセス
NGAP - NG Application Protocol over N2 Interface - Techplayon - 2025年5月3日アクセス
5G NR Interfaces X2/Xn, S1/NG, F1 and E1 Functions - Techplayon - 2025年5月3日アクセス
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