4. 全体アーキテクチャと機能分割 (Overall Architecture and Functional Split)

この章では、5Gの無線アクセスネットワークであるNG-RANの全体的な構成（アーキテクチャ）と、各ネットワークノード（装置）がどのような役割（機能）を分担しているかについて解説します。

4.1 全体アーキテクチャ (Overall Architecture)

NG-RANは、以下のいずれかのノードで構成されます。

gNB: NR (New Radio) の無線プロトコル（ユーザープレーン/コントロールプレーン）をUEに対して終端する基地局。
ng-eNB: E-UTRA (LTE) の無線プロトコルをUEに対して終端し、5GC (5G Core Network) に接続する基地局。

これらのNG-RANノードは、以下のインターフェースで相互接続およびコアネットワークとの接続を行います。

graph LR subgraph 5GC ["5G Core Network"] AMF["AMF
(Access and Mobility
Management Function)"] UPF["UPF
(User Plane Function)"] SMF["SMF
(Session Management
Function)"] %% 関係性は矢印で示す SMF -.-> AMF SMF -.-> UPF end subgraph NG-RAN ["NG-RAN"] gNB1["gNB"] gNB2["gNB"] ng_eNB["ng-eNB"] gNB1 <--> |"Xn
(Inter-gNB)"| gNB2 gNB1 <--> |"Xn
(gNB - ng-eNB)"| ng_eNB end UE["UE"] %% SVGを除去 gNB1 -- "NG-C
(Control Plane)" --> AMF ng_eNB -- "NG-C
(Control Plane)" --> AMF gNB1 -- "NG-U
(User Plane)" --> UPF ng_eNB -- "NG-U
(User Plane)" --> UPF UE -- "Uu
(NR Air)" --> gNB1 UE -- "Uu
(NR Air)" --> gNB2 UE -- "Uu
(LTE Air)" --> ng_eNB %% スタイル調整 (classDefはMermaid v8.9.0以降) classDef default fill:#252525,stroke:#ccc,stroke-width:1px,color:#eee,font-family:sans-serif; classDef subgraphStyle fill:#1e1e1e,stroke:#555,stroke-width:1px,color:#ddd,rx:5,ry:5; class UE,AMF,UPF,SMF,gNB1,gNB2,ng_eNB default; class 5GC,NG-RAN subgraphStyle %% リンクのスタイル linkStyle default stroke:#aaa,stroke-width:1px;

図4.1-1 全体アーキテクチャ

主要なインターフェース:

Uu: UEとNG-RANノード間の無線インターフェース。
Xn: NG-RANノード間 (gNB-gNB間、gNB-ng-eNB間) のインターフェース。ハンドオーバーやデュアルコネクティビティのために使用されます。
NG: NG-RANノードと5GC間のインターフェース。コントロールプレーン用 (NG-C) とユーザープレーン用 (NG-U) に分かれます。
- NG-C: NG-RANノードとAMF (Access and Mobility Management Function) を接続し、制御信号（NASメッセージ転送、PDUセッション管理、モビリティ制御など）を伝送します。
- NG-U: NG-RANノードとUPF (User Plane Function) を接続し、ユーザーデータ（IPパケットなど）を転送します。

★補足: このアーキテクチャは、LTE (EPC) アーキテクチャと比較して、コントロールプレーン (C-Plane) とユーザープレーン (U-Plane) の分離 (CUPS: Control and User Plane Separation) がより明確になっている点が特徴です。AMFがモビリティとアクセス制御、SMF (Session Management Function) がセッション管理、UPFが実際のデータ転送を主に担当します。

★補足: gNB内部はさらにgNB-CU (Central Unit) とgNB-DU (Distributed Unit) に分割される場合があります (Functional Split)。この分割インターフェースは F1 と呼ばれます (TS 38.401 [4]参照)。

4.2 機能分割 (Functional Split)

5Gシステムでは、各ネットワークエンティティが特定の機能を担当します。以下に主要なエンティティとその主な機能を示します。

4.2.1 NG-RAN ノード (gNB / ng-eNB) の主な機能

機能カテゴリ	主な機能
RRM (Radio Resource Management) 機能	- Radio Bearer Control - Radio Admission Control - Connection Mobility Control - Dynamic resource allocation (UEへのUL/DL/SLスケジューリング)
データ処理	- IP/Ethernetヘッダ圧縮/伸長 - ULデータ伸長 - ユーザーデータの暗号化/インテグリティ保護
ルーティング / 転送	- UE Attach時のAMF選択 (ルーティング情報がない場合) - User PlaneデータのUPFへのルーティング - Control Plane情報のAMFへのルーティング
接続・セッション管理	- RRC接続のセットアップと解放 - Session Management 機能の一部 (12章参照)
システム情報・ページング	- ページングメッセージのスケジューリングと送信 - システム情報 (MIB, SIB) のスケジューリングと送信（AMFまたはOAM由来）
測定	- モビリティとスケジューリングのための測定設定と測定レポート制御
QoS	- トランスポートレベルでのULパケットマーキング - QoSフロー管理とデータ無線ベアラへのマッピング (12章参照)
その他	- Network Slicing サポート (16.3節参照) - RRC_INACTIVE状態のUEサポート (9.2.2節参照) - NASメッセージの分配機能 - RAN Sharing サポート (4.6節参照) - Dual Connectivity (MR-DC) サポート (4.5節参照) - NRとE-UTRA間のTight Interworking
CIoT (ng-eNBのみ)	- User Plane CIoT 5GS Optimisationのためのセキュリティと無線設定維持 (TS 23.501 [3]参照)

注記: BL UE / enhanced coverage UE、および NB-IoT UEはng-eNBでのみサポートされます (TS 36.300 [2]参照)。

4.2.2 AMF (Access and Mobility Management Function) の主な機能

AMFは主にアクセス制御とモビリティ管理を担当します (TS 23.501 [3]参照)。

NASシグナリングの終端
NASシグナリングのセキュリティ
AS (Access Stratum) セキュリティ制御
3GPPアクセスネットワーク間のモビリティのためのCNノード間シグナリング
アイドルモードUE Reachability（ページング再送の制御と実行を含む）
Registration Area 管理
システム内およびシステム間モビリティのサポート
アクセス認証
アクセス認可（ローミング権チェックを含む）
モビリティ管理制御（加入情報とポリシー）
Network Slicing サポート
SMF (Session Management Function) 選択
CIoT 5GS optimisations の選択

4.2.3 UPF (User Plane Function) の主な機能

UPFは主にユーザーデータの転送と処理を担当します (TS 23.501 [3]参照)。

Intra-/Inter-RATモビリティのアンカーポイント（該当する場合）
データネットワークへの外部PDUセッション接続点
パケットルーティング＆転送
パケットインスペクションとユーザープレーン部分のポリシー実行
トラフィック使用量報告
データネットワークへのトラフィックフローをルーティングするためのUL Classifier
マルチホームPDUセッションをサポートする分岐点
ユーザープレーンのQoSハンドリング（例: パケットフィルタリング、ゲーティング、UL/DLレート制御）
ULトラフィック検証 (SDFからQoSフローへのマッピング)
DLパケットバッファリングとDLデータ通知トリガー

4.2.4 SMF (Session Management Function) の主な機能

SMFは主にPDUセッションの管理を担当します (TS 23.501 [3]参照)。

セッション管理（確立、変更、解放）
UE IPアドレス割り当てと管理
UPFの選択と制御
トラフィックを適切な宛先にルーティングするためのUPFでのトラフィックステアリング設定
ポリシー制御とQoSの制御部分
DLデータ通知

4.3 ネットワークインターフェース (Network Interfaces)

NG-RANアーキテクチャにおける主要なインターフェース (NG, Xn) のプロトコルスタックについて説明します。

4.3.1 NG インターフェース

NGインターフェースはNG-RANノードと5GCを接続します。

4.3.1.1 NG User Plane (NG-U)

NG-UはNG-RANノードとUPF間を接続し、ユーザーデータを転送します。

graph TD subgraph "NG-U Protocol Stack" A["User Plane PDUs (e.g., IP Packets)"] --> B(GTP-U); B --> C(UDP); C --> D(IP); D --> E[Data Link Layer]; E --> F[Physical Layer]; end style F fill:#1a1a1a,stroke:#555; style E fill:#252525,stroke:#555; style D fill:#2c2c2c,stroke:#555; style C fill:#3a3a3a,stroke:#555; style B fill:#444,stroke:#555; style A fill:#555,stroke:#555;

図4.3.1.1-1 NG-U プロトコルスタック
- トランスポートネットワークレイヤはIP転送に基づきます。
- GTP-UがUDP/IP上で使用され、NG-RANノードとUPF間のユーザープレーンPDUを運びます。
- NG-UはユーザープレーンPDUの非保証配信を提供します。
4.3.1.2 NG Control Plane (NG-C)

NG-CはNG-RANノードとAMF間を接続し、制御シグナリングを転送します。

graph TD subgraph "NG-C Protocol Stack" A["NGAP (Application Protocol)"] --> B(SCTP); B --> C(IP); C --> D[Data Link Layer]; D --> E[Physical Layer]; end style E fill:#1a1a1a,stroke:#555; style D fill:#252525,stroke:#555; style C fill:#2c2c2c,stroke:#555; style B fill:#3a3a3a,stroke:#555; style A fill:#444,stroke:#555;

図4.3.1.2-1 NG-C プロトコルスタック
- トランスポートネットワークレイヤはIP転送に基づきます。
- シグナリングメッセージの信頼性の高い転送のためにSCTPがIP上で使用されます。
- アプリケーションレイヤのシグナリングプロトコルはNGAP (NG Application Protocol) と呼ばれます。
- NG-Cは以下の機能を提供します: NGインターフェース管理、UEコンテキスト管理、UEモビリティ管理、NASメッセージ転送、ページング、PDUセッション管理、設定転送、警告メッセージ送信。

4.3.2 Xn インターフェース

XnインターフェースはNG-RANノード間を接続します。

4.3.2.1 Xn User Plane (Xn-U)

Xn-UはNG-RANノード間でユーザーデータを転送します（例：ハンドオーバー時のデータ転送）。

プロトコルスタックはNG-Uと同様で、GTP-U/UDP/IPを使用します。
- Xn-UはユーザープレーンPDUの非保証配信を提供し、データ転送とフロー制御機能をサポートします。
4.3.2.2 Xn Control Plane (Xn-C)

Xn-CはNG-RANノード間で制御シグナリングを転送します。

プロトコルスタックはNG-Cと同様で、XnAP/SCTP/IPを使用します。
- Xn-Cは以下の機能を提供します: Xnインターフェース管理、UEモビリティ管理（コンテキスト転送、RANページングを含む）、Dual Connectivity。

4.4 無線プロトコルアーキテクチャ (Radio Protocol Architecture)

Uuインターフェース上のプロトコルスタックについて説明します。

4.4.1 ユーザープレーン (User Plane)

ユーザーデータの転送を担当します。

graph TD subgraph UE U_SDAP["SDAP"] --> U_PDCP("PDCP"); U_PDCP --> U_RLC("RLC"); U_RLC --> U_MAC("MAC"); U_MAC --> U_PHY("PHY"); end subgraph gNB["gNB"] G_SDAP["SDAP"] --> G_PDCP("PDCP"); G_PDCP --> G_RLC("RLC"); G_RLC --> G_MAC("MAC"); G_MAC --> G_PHY("PHY"); end U_PHY <--> G_PHY; classDef default fill:#252525,stroke:#ccc,stroke-width:1px,color:#eee;

図4.4.1-1 ユーザープレーンプロトコルスタック

SDAP, PDCP, RLC, MAC サブレイヤが L2 に存在し、gNB側で終端されます (詳細は6章)。

4.4.2 コントロールプレーン (Control Plane)

制御シグナリングの転送を担当します。

graph TD subgraph UE U_NAS[""] --> U_RRC("RRC"); U_RRC --> U_PDCP("PDCP"); U_PDCP --> U_RLC("RLC"); U_RLC --> U_MAC("MAC"); U_MAC --> U_PHY("PHY"); end subgraph gNB["gNB"] %% AMFとの接続はNG-C G_RRC("RRC") --> G_PDCP("PDCP"); G_PDCP --> G_RLC("RLC"); G_RLC --> G_MAC("MAC"); G_MAC --> G_PHY("PHY"); end subgraph AMF[""] A_NAS[""]; end U_PHY <--> G_PHY; G_RRC <--> || AMF --- A_NAS ; %% RRC と AMF/NAS の関係 classDef default fill:#252525,stroke:#ccc,stroke-width:1px,color:#eee;

図4.4.2-1 コントロールプレーンプロトコルスタック

PDCP, RLC, MAC サブレイヤはgNB側で終端されます (詳細は6章)。
RRCプロトコルはgNB側で終端されます (詳細は7章)。
NAS制御プロトコルはAMF側で終端されます (TS 23.501 [3]参照)。

4.5 マルチ無線デュアルコネクティビティ (MR-DC)

NG-RANはMR-DC動作をサポートします。これにより、RRC_CONNECTED状態のUEは、異なるNG-RANノードに位置する2つのスケジューラによって提供される無線リソースを同時に利用できます。これらのノードは非理想的なバックホールで接続されます。

一方のノードがNRアクセスを提供し、他方のノードがE-UTRAまたはNRアクセスを提供します。
CPA (Conditional PSCell Addition) や CPC (Conditional PSCell Change) などのMR-DCの詳細動作は TS 37.340 [21] を参照してください。
★補足: MR-DCには、E-UTRA-NR Dual Connectivity (EN-DC), NR-E-UTRA Dual Connectivity (NE-DC), NR-NR Dual Connectivity (NR-DC) などの形態があります。これにより、例えばLTEのカバレッジを利用しつつNRのスループットを活用する、といった運用が可能になります。

4.6 無線アクセスネットワーク共有 (RAN Sharing)

NG-RANは TS 23.501 [3] で定義されるRAN共有をサポートします。

共有セルで報知されるシステム情報は、共有に参加するPLMN/SNPN/PNI-NPNのサブセットごとにTACとCell Identityを含みます。
NRアクセスでは、PLMN/SNPN/PNI-NPNあたり、セルごとに1つのTACと1つのCell Identityのみを提供します。
1つのCell Identityは、PLMN, PNI-NPN, SNPNのいずれか1つのネットワークタイプにのみ属することができます。
各Cell Identityに関連付けられたPLMN/SNPN/PNI-NPNのサブセットは、それを提供するNG-RANノードを識別します。

★補足: RAN共有により、複数の通信事業者が物理的な基地局設備を共有できるため、設備投資や運用コストを削減できます。UEは、自身の契約に基づき、共有されているネットワークの中から適切な事業者を選択して接続します。

4.7 統合アクセス＆バックホール (IAB: Integrated Access and Backhaul)

IABはNG-RAN内で無線リレーを可能にします。リレーノード (IAB-node) はNR経由でアクセスとバックホールをサポートします。バックホールの終端ノード (IAB-donor) は追加機能を持つgNBです。詳細は6.11節および関連セクションを参照。

4.8 非公衆ネットワーク (NPN: Non-Public Networks)

NPNは非公衆利用のためのネットワークで、以下の形態があります (TS 23.501 [3]参照)。

SNPN (Stand-alone Non-Public Network): PLMNのネットワーク機能に依存しない独立したNPN。PLMN IDとNIDで識別されます。
PNI-NPN (Public Network Integrated NPN): PLMNのサポートに依存するNPN。通常、CAG (Closed Access Group) を使用してアクセスが制御されます。

詳細は16.6節、16.7節を参照。

4.9 ネットワーク制御リピータ (NCR: Network-Controlled Repeaters)

NCRノードは、無線信号を増幅・転送するRFリピータであり、NG-RANの一部として動作します。NCR-MTがgNBから制御情報を受信し、NCR-Fwdが実際の信号転送を行います。

NCR-MTはUE機能の一部をサポートし、制御リンク (NR Uuベース) を介してgNBと通信します。
NCR-FwdはNCR-Fwd backhaul link (gNB方向) とNCR-Fwd access link (UE方向) で信号を増幅・転送します。
CA、MR-DC、ハンドオーバーはNCR-MTではサポートされません。
RRCシグナリングとMAC CEで動作が制御されます。
OAMはNCRノードとgNB間の接続許可リストなどを設定します。