7. 生成AIで作成する5GシステムのUEとgNBのインターフェースの概要

**目次**
1.  [導入](#1-導入)
2.  [5G NR UE-gNB無線インターフェースの全体的なアーキテクチャ](#2-5g-nr-ue-gnb無線インターフェースの全体的なアーキテクチャ)
3.  [物理層（PHY）](#3-物理層phy)
4.  [データリンク層（レイヤー2）](#4-データリンク層レイヤー2)
    4.1.  [MAC（Medium Access Control）層](#41-macmedium-access-control層)
    4.2.  [RLC（Radio Link Control）層](#42-rlcradio-link-control層)
    4.3.  [PDCP（Packet Data Convergence Protocol）層](#43-pdcppacket-data-convergence-protocol層)
    4.4.  [SDAP（Service Data Adaptation Protocol）層](#44-sdapservice-data-adaptation-protocol層)
5.  [ネットワーク層（レイヤー3）の詳細](#5-ネットワーク層レイヤー3の詳細)
    5.1.  [RRC（Radio Resource Control）層](#51-rrcradio-resource-control層)
    5.2.  [NAS（Non-Access Stratum）層](#52-nasnon-access-stratum層)
6.  [高性能・高機能な機能の影響](#6-高性能高機能な機能の影響)
    6.1.  [キャリアアグリゲーション（CA）](#61-キャリアアグリゲーションca)
    6.2.  [デュアルコネクティビティ（DC）](#62-デュアルコネクティビティdc)
    6.3.  [ネットワークスライシング](#63-ネットワークスライシング)
    6.4.  [遅延削減と高信頼性を実現するための技術（URLLC）](#64-遅延削減と高信頼性を実現するための技術urllc)
    6.5.  [大規模接続をサポートするための技術（mMTC）](#65-大規模接続をサポートするための技術mmtc)
7.  [一般的な大規模モバイルキャリアによる実装と最適化](#7-一般的な大規模モバイルキャリアによる実装と最適化)
    7.1.  [展開モード](#71-展開モード)
8.  [結論](#8-結論)
9.  [関連記事](#9-関連記事)
10.  [引用文献](#10-引用文献)

---

## 1. 導入

第5世代移動体通信システム（5G）New Radio（NR）技術は、高速データレート、低遅延、大規模接続といった主要な性能指標（KPI）を達成することを目指しています [1]。5Gは、LTEと比較して20倍高いデータレートと大幅に短い遅延を実現することを目標としています [1]。国際電気通信連合無線通信部門（ITU-R）は、高度モバイルブロードバンド（eMBB）、超高信頼性・低遅延通信（URLLC）、および大量マシンタイプ通信（mMTC）の3つの主要なアプリケーション領域を定義しています [3]。

無線アクセスネットワーク（RAN）におけるすべての通信の基盤として、ユーザー機器（UE）とgNodeB（gNB）間のインターフェース（NR-Uu）は非常に重要です [2]。この無線インターフェースは「NR-Uu」と名付けられています [2]。本レポートでは、プロトコルスタックレイヤー（PHY、MAC、RLC、PDCP、SDAP、RRC、NAS）や、キャリアアグリゲーション（CA）、デュアルコネクティビティ（DC）、ネットワークスライシング、URLLC、mMTCなどの高度な機能の影響を含め、このインターフェースの主要な側面について議論します。本稿の範囲は、5G NR技術の深い理解を求める技術専門家やエンジニアを対象としています。
```plantuml
@startuml 5G NR Architecture
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title 5G NR Technology Architecture with 3GPP TS References

!define GREEN_LIGHT CCFFCC
!define GREEN_DARK 99CC99
!define BLUE_LIGHT CCCCFF
!define BLUE_DARK 9999CC
!define ORANGE_LIGHT FFDDCC
!define ORANGE_DARK FFAA88
!define YELLOW_LIGHT FFFFCC
!define YELLOW_DARK FFFF88
!define PURPLE_LIGHT FFCCFF
!define PURPLE_DARK FF99FF

package "UE" as UE #GREEN_LIGHT {
    package "UE Protocol Stack" as UE_Stack #GREEN_DARK {
        package "L3" {
            entity "NAS\n(TS 24.501)" as UE_Stack_NAS #YELLOW_DARK
            entity "RRC\n(TS 38.331)" as UE_Stack_RRC #YELLOW_DARK
        }
        package "L2" {
            entity "SDAP\n(TS 37.324)" as UE_Stack_SDAP #YELLOW_DARK
            entity "PDCP\n(TS 38.323)" as UE_Stack_PDCP #YELLOW_DARK
            entity "RLC\n(TS 38.322)" as UE_Stack_RLC #YELLOW_DARK
            entity "MAC\n(TS 38.321)" as UE_Stack_MAC #YELLOW_DARK
        }
        package "L1" {
            entity "PHY\n(TS 38.211~215)" as UE_Stack_PHY #YELLOW_DARK
        }
    }
}

package "gNB" as gNB #BLUE_LIGHT {
    package "gNB Protocol Stack" as gNB_Stack #BLUE_DARK {
        package "L3" {
            entity "RRC\n(TS 38.331)" as gNB_Stack_RRC #YELLOW_DARK
        }
        package "L2" {
            entity "SDAP\n(TS 37.324)" as gNB_Stack_SDAP #YELLOW_DARK
            entity "PDCP\n(TS 38.323)" as gNB_Stack_PDCP #YELLOW_DARK
            entity "RLC\n(TS 38.322)" as gNB_Stack_RLC #YELLOW_DARK
            entity "MAC\n(TS 38.321)" as gNB_Stack_MAC #YELLOW_DARK
        }
        package "L1" {
            entity "PHY\n(TS 38.211~215)" as gNB_Stack_PHY #YELLOW_DARK
        }
    }
}

package "5GC" as CN #ORANGE_LIGHT {
    entity "AMF\n(TS 23.501/502/503)" as AMF
    entity "SMF\n(TS 23.501/502/503)" as SMF
    entity "UPF\n(TS 23.501/502/503)" as UPF
}

package "Advanced Features" as Features #PURPLE_LIGHT {
    entity "CA\n(TS 38.300, TS 38.331)" as CA #PURPLE_DARK
    entity "DC\n(TS 38.331, TS 37.340)" as DC #PURPLE_DARK
    entity "Network Slicing\n(TS 23.501, TS 24.501)" as NS #PURPLE_DARK
    package "ITU-R Application Areas" as AppAreas #lightblue {
        entity "URLLC\n(TS 38.300, TS 38.802)" as URLLC #PURPLE_DARK {
           Implements:
           - Significantly reduced latency
           - High reliability
        }
        entity "mMTC\n(TS 38.300, TS 23.501)" as mMTC #PURPLE_DARK {
           Implements:
           - Massive device connectivity
           - IoT support
        }
        entity "eMBB\n(TS 38.300, TS 38.306)" as eMBB #PURPLE_DARK {
           Implements:
           - 20x higher data rate than LTE
           - Enhanced user experience
        }
    }
    eMBB-[hidden]-NS
    eMBB-[hidden]-CA
    eMBB-[hidden]-DC
    NS-[hidden]r-DC
    DC-[hidden]r-CA
    URLLC-[hidden]r-mMTC
    mMTC-[hidden]r-eMBB
}

UE <--> gNB #red: <color #red>NR-Uu Interface\n<color #red>(Air Interface Communication)
gNB <-u-> CN : "NG Interface"
AMF <-r-> SMF : "N11 Interface"
SMF <-r-> UPF : "N4 Interface"
UE_Stack_NAS <-u-> AMF : "NAS Signaling"

CA --> gNB : "Enables higher bandwidth"
DC -r-> gNB : "Multi-RAT connectivity"
NS --> CN : "Customized NW services"

UE_Stack_PHY -u-> UE_Stack_MAC : "Transport channels"
UE_Stack_MAC -l-> UE_Stack_RLC : "Logical channels"
UE_Stack_RLC -u-> UE_Stack_PDCP : "Data handling"
UE_Stack_PDCP -r-> UE_Stack_SDAP : "QoS flow mapping"
UE_Stack_PDCP -up-> UE_Stack_RRC : "Control signaling"
UE_Stack_RRC -r-> UE_Stack_NAS : "Mobility & session management"

gNB_Stack_PHY -u-> gNB_Stack_MAC : "Transport channels"
gNB_Stack_MAC -r-> gNB_Stack_RLC : "Logical channels"
gNB_Stack_RLC -u-> gNB_Stack_PDCP : "Data handling"
gNB_Stack_PDCP -l-> gNB_Stack_SDAP : "QoS flow mapping"
gNB_Stack_PDCP -up-> gNB_Stack_RRC : "Control signaling"

@enduml
```
---

## 2. 5G NR UE-gNB無線インターフェースの全体的なアーキテクチャ

3GPPによって定義された最新の5G NRアーキテクチャの概要を以下に示します [1]。3GPPは、無線インターフェースだけでなく、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定義しています [2]。5G NR gNBは、柔軟なアーキテクチャを導入しています [8]。主な構成要素は、UE、NG-RAN（gNB）、および5Gコア（5GC）です [2]。gNBは、F1インターフェースで接続されたgNB中央ユニット（gNB-CU）と1つ以上のgNB分散ユニット（gNB-DU）に分割できます [2]。

5Gでは、制御プレーン（C-Plane）とユーザープレーン（U-Plane）の概念があり、無線インターフェース（NR-Uu）上でそれぞれのプロトコルスタックが動作します [6]。NR無線プロトコルスタックは、シグナリング（Cプレーン）とユーザーデータ（Uプレーン）に応じて2つの異なるスタックを持っています [6]。両プレーンに共通する下位レイヤーは、PHY、MAC、RLC、PDCPです [6]。Uプレーンでは、PDCPの上にSDAPがあります [6]。Cプレーンでは、PDCPの上にRRCとNASがあります [6]。制御プレーンとユーザープレーンを分離することで、独立したスケーリングと最適化が可能になります。各プレーンのプロトコルスタックを理解することは、UE-gNBインターフェースにおける機能と相互作用を分析する上で不可欠です。CU-DU分割によって導入された柔軟性により、さまざまな展開シナリオが可能になり、特に遅延とバックホール容量に関するインターフェース要件に影響を与えます。
```plantuml
@startuml 5G NR UE-gNB Interface Architecture
skinparam titleFontSize 20
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title 5G NR UE-gNB Radio Interface Architecture

' Color definitions
!define GREEN_LIGHT CCFFCC
!define GREEN_DARK 99CC99
!define BLUE_LIGHT CCCCFF
!define BLUE_DARK 9999CC
!define ORANGE_LIGHT FFDDCC
!define ORANGE_DARK FFAA88
!define YELLOW_LIGHT FFFFCC
!define YELLOW_DARK FFFF88
!define PURPLE_LIGHT FFCCFF
!define PURPLE_DARK FF99FF
!define RED_LIGHT FFCCCC
!define RED_DARK FF9999
!define GRAY_LIGHT EEEEEE
!define GRAY_DARK CCCCCC

' Main Components
package "UE" as UE #GREEN_LIGHT {
    package "UE C-Plane" as UE_CPlane #RED_LIGHT {
        entity "NAS\n(L3)" as UE_NAS
        entity "RRC\n(L3)" as UE_RRC
        entity "PDCP\n(L2)" as UE_C_PDCP
        entity "RLC\n(L2)" as UE_C_RLC
        entity "MAC\n(L2)" as UE_C_MAC
        entity "PHY\n(L1)" as UE_C_PHY
    }
    
    package "UE U-Plane" as UE_UPlane #BLUE_LIGHT {
        entity "SDAP\n(L2)" as UE_SDAP
        entity "PDCP\n(L2)" as UE_U_PDCP
        entity "RLC\n(L2)" as UE_U_RLC
        entity "MAC\n(L2)" as UE_U_MAC
        entity "PHY\n(L1)" as UE_U_PHY
    }
}

package "NG-RAN" as NGRAN #ORANGE_LIGHT {
    package "gNB" as gNB #ORANGE_DARK {
        package "gNB Central Unit (gNB-CU)" as gNBCU #YELLOW_LIGHT {
            package "gNB-CU C-Plane" as gNBCU_CP #RED_LIGHT {
                entity "RRC\n(L3)" as gNB_RRC
                entity "PDCP\n(L2)" as gNB_C_PDCP
            }
            
            package "gNB-CU U-Plane" as gNBCU_UP #BLUE_LIGHT {
                entity "SDAP\n(L2)" as gNB_SDAP
                entity "PDCP\n(L2)" as gNB_U_PDCP
            }
        }
        
        package "gNB Distributed Unit (gNB-DU)" as gNBDU #YELLOW_DARK {
            package "gNB-DU C-Plane" as gNBDU_CP #RED_DARK {
                entity "RLC\n(L2)" as gNB_C_RLC
                entity "MAC\n(L2)" as gNB_C_MAC
                entity "PHY\n(L1)" as gNB_C_PHY
            }
            
            package "gNB-DU U-Plane" as gNBDU_UP #BLUE_DARK {
                entity "RLC\n(L2)" as gNB_U_RLC
                entity "MAC\n(L2)" as gNB_U_MAC
                entity "PHY\n(L1)" as gNB_U_PHY
            }
        }
    }
'note "CU-DU split provides deployment\nflexibility for various scenarios" as N2

}

package "5GC" as Core #PURPLE_LIGHT {
    entity "AMF" as AMF #PURPLE_DARK
    entity "UPF" as UPF #PURPLE_DARK
}

' Interfaces
UE <--> gNB #red: <color #red>NR-Uu Interface\n<color #red>(Radio Interface)
gNBCU <--> gNBDU : "F1 Interface\n(CU-DU Split)"
gNB <-u-> Core : "NG Interface"
gNB <-u-> AMF : "NG-C\n(C-Plane)"
gNB <-u-> UPF : "NG-U\n(U-Plane)"

' Protocol Stack Relationships - Control Plane
UE_NAS .u.> AMF : "NAS \nSignaling"
UE_RRC <..> gNB_RRC : "RRC \nSignaling"
UE_C_PDCP <..> gNB_C_PDCP : "Control PDCP \nProtocol"
UE_C_RLC <..> gNB_C_RLC : "Control RLC \nProtocol"
UE_C_MAC <..> gNB_C_MAC : "Control MAC \nProtocol"
UE_C_PHY <..> gNB_C_PHY : "PHY Transmission"

' Protocol Stack Relationships - User Plane
UE_SDAP <..> gNB_SDAP : "QoS Flow Management"
UE_U_PDCP <..> gNB_U_PDCP : "User PDCP \nProtocol"
UE_U_RLC <..> gNB_U_RLC : "User RLC \nProtocol"
UE_U_MAC <..> gNB_U_MAC : "User MAC \nProtocol"
UE_U_PHY <..> gNB_U_PHY : "PHY Transmission"

' CU-DU Interface
gNB_C_PDCP --> gNB_C_RLC : "F1-C \nInterface"
gNB_U_PDCP --> gNB_U_RLC : "F1-U \nInterface"

' Vertical Protocol Stack Relationships - Control Plane
UE_NAS -down-> UE_RRC : "Control\nSignaling"
UE_RRC -down-> UE_C_PDCP : "Control\nSignaling"
UE_C_PDCP -down-> UE_C_RLC : "Control\nData"
UE_C_RLC -down-> UE_C_MAC : "Logical\nChannels"
UE_C_MAC -down-> UE_C_PHY : "Transport\nChannels"

gNB_RRC -down-> gNB_C_PDCP : "Control\nSignaling"
gNB_C_PDCP -down-> gNB_C_RLC : "Control\nData"
gNB_C_RLC -down-> gNB_C_MAC : "Logical\nChannels"
gNB_C_MAC -down-> gNB_C_PHY : "Transport\nChannels"

' Vertical Protocol Stack Relationships - User Plane
UE_SDAP -down-> UE_U_PDCP : "QoS Flow\nMapping"
UE_U_PDCP -down-> UE_U_RLC : "User\nData"
UE_U_RLC -down-> UE_U_MAC : "Logical\nChannels"
UE_U_MAC -down-> UE_U_PHY : "Transport\nChannels"

gNB_SDAP -down-> gNB_U_PDCP : "QoS Flow\nMapping"
gNB_U_PDCP -down-> gNB_U_RLC : "User\nData"
gNB_U_RLC -down-> gNB_U_MAC : "Logical\nChannels"
gNB_U_MAC -down-> gNB_U_PHY : "Transport\nChannels"

note "C-Plane and U-Plane\nseparation enables \nindependent scaling \nand optimization" as N1
note "CU-DU split provides \ndeployment flexibility \nfor various scenarios" as N2

N1 --> UE
N2 -u-> gNB

@enduml
```
---

## 3. 物理層（PHY）

5G NR物理層は、400 MHzから100 GHzまでの広範な周波数帯域で動作するように設計されています [2]。ただし、免許帯域は600 MHzから39 GHzの範囲です [2]。地上展開の場合、主に3つの周波数範囲が特定されています。1 GHz未満の低帯域は、伝搬特性が優れており、通常は農村部での展開など、広いエリアをカバーすることを目的としています。この範囲の単一キャリアの最大帯域幅は100 MHzです [2]。1〜6 GHzの中帯域は、都市部または郊外環境での5G展開を対象としています。低帯域と同様に、ここでも最大帯域幅は100 MHzです [2]。6 GHzを超える高帯域は、最大100 GHzまで拡張され、伝搬特性は劣りますが、ユーザーへのより高い帯域幅が可能になり、キャリアあたり最大400 MHzの帯域幅があります。これは、高密度都市環境での「ホットスポット」タイプのカバレッジを意図しています [1]。

変調方式に関しては、NRはダウンリンク（ネットワークからユーザー機器）にサイクリックプレフィックス（CP）付き直交周波数分割多重（OFDM）を使用します [2]。アップリンク（ユーザー機器からネットワーク）には、OFDMとDFT-s-OFDM（離散フーリエ変換拡散OFDM）の両方を使用できます [2]。DFT-s-OFDMは、アップリンクカバレッジの改善に優れていますが、ピーク対平均電力比（PAPR）が低く、単層伝送に限定されます [2]。5G NRは、QPSK（4位相偏移変調）、16QAM（16値直交振幅変調）、64QAM（64値直交振幅変調）、256QAM（256値直交振幅変調）などの変調方式をサポートしています [12]。可変サブキャリア間隔（ヌメロロジー）は、5Gの重要な機能です [11]。

多重化方式としては、時分割複信（TDD）と周波数分割複信（FDD）が5G NRで使用されます [1]。低周波数帯域はFDDを使用することが多く、高周波数帯域はTDDを使用することが多いです [15]。

多入力多出力（MIMO）技術は、送信機と受信機の両方で複数のアンテナを使用し、無線リンクの品質、スループット、および容量を向上させます [1]。MIMOは、空間ダイバーシティと空間多重化と呼ばれる技術を使用して、独立して符号化された複数のデータ信号（「ストリーム」と呼ばれる）を、同じ時間間隔と周波数リソースを再利用して送信します [17]。マルチユーザーMIMO（MU-MIMO）では、送信機は同じ時間と周波数リソースを使用して、異なるストリームを異なるユーザーに同時に送信し、ネットワーク容量を増やします [17]。5G NRでは、3GPPリリース15で32個のアンテナ（32x32 MIMO）が指定されており、将来のリリースでは64個以上に増える予定です [17]。このMIMOアンテナサイズの拡大が、**Massive MIMO**という用語につながりました [17]。Massive MIMOは、空間ダイバーシティ、空間多重化、およびビームフォーミングの3つの主要な概念に基づいています [17]。5Gデバイスは、デフォルトで4x4 MIMOをサポートする必要があります [20]。

ビームフォーミング技術は、特に高周波数帯域において、信号品質とカバレッジを向上させる上で重要です [2]。ビームフォーミングは、すべての方向に信号をブロードキャストする従来のアンテナとは異なり、特定のユーザーまたはデバイスに向けてエネルギーを集中させます [9]。これは、減衰と遮断の影響を受けやすいミリ波またはmmWave帯域（24〜100 GHz）で特に有効です [21]。ビームフォーミングは、複数のアンテナを使用して信号の方向を制御し、各アンテナからの信号の位相と振幅を調整することにより、結合された信号を狭いビームに集中させることができます [21]。ビームフォーミングは、アナログ、デジタル、またはハイブリッドのいずれかになります [21]。ビームフォーミングは、信号強度を高め、干渉を減らし、ネットワーク効率を向上させます [21]。

5G NRのPHY層は、以前の世代よりもはるかに柔軟で複雑です。広範な周波数帯域により、オペレーターはさまざまなユースケースや環境に合わせて展開を調整できます。OFDMの採用はスペクトル効率を提供し、MIMOとビームフォーミングは5Gに必要な高データレートとカバレッジを実現するために不可欠です。ヌメロロジーの柔軟性により、低遅延アプリケーションを含むさまざまなサービス向けに最適化できます。
```plantuml
@startuml 5G NR Physical Layer
left to right direction
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title 5G NR Physical Layer (PHY) Architecture with 3GPP TS Mapping

' Color definitions
!define BLUE_LIGHT CCCCFF
!define BLUE_DARK 9999CC
!define GREEN_LIGHT CCFFCC
!define GREEN_DARK 99CC99
!define YELLOW_LIGHT FFFFCC
!define YELLOW_DARK FFFF88
!define ORANGE_LIGHT FFDDCC
!define ORANGE_DARK FFAA88
!define RED_LIGHT FFCCCC
!define RED_DARK FF9999
!define PURPLE_LIGHT FFCCFF
!define PURPLE_DARK FF99FF
!define GRAY_LIGHT EEEEEE
!define GRAY_DARK CCCCCC

' Main components
package "5G NR Physical Layer" as PHY #BLUE_LIGHT {

    package "Frequency Bands" as FreqBands #GREEN_LIGHT {
        entity "Low Band (<1 GHz)\n[TS 38.101-1]" as LowBand #GREEN_DARK
        entity "Mid Band (1-6 GHz)\n[TS 38.101-1]" as MidBand #GREEN_DARK
        entity "High Band (>6 GHz)\n[TS 38.101-2]" as HighBand #GREEN_DARK
    }

    package "Modulation Schemes\n[TS 38.211]" as ModSchemes #lightcyan {
        package "DL Modulation" as DLMod #cyan {
            entity "CP-OFDM\n[TS 38.211]" as CPOFDM 
        }

        package "UL Modulation" as ULMod #cyan {
            entity "CP-OFDM\n[TS 38.211]" as ULOFDM
            entity "DFT-s-OFDM\n[TS 38.211]" as DFTSOFDM
        }

        entity "Modulation Orders\n(QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM)\n[TS 38.211]" as ModOrders #cyan

note top of DFTSOFDM
  Improves UL coverage,
  Lower PAPR,
  Limited to single-layer
end note

note right of ModOrders
  Higher modulation orders
  increase spectral efficiency
  but require better channel
  conditions
end note
    }

    package "Duplexing Methods\n[TS 38.101-1/2]" as DuplexMethods #ORANGE_LIGHT {
        entity "FDD\n[TS 38.101-1/2]" as FDD #ORANGE_DARK {
            + "Common in Low Bands"
        }

        entity "TDD\n[TS 38.101-1/2]" as TDD #ORANGE_DARK {
            + "Common in High Bands"
        }
    }

    package "MIMO Technology\n[TS 38.214]" as MIMO #RED_LIGHT {
        package "Single-User MIMO" as SUMIMO #RED_DARK {
            entity "Spatial Diversity\n[TS 38.214]" as SpatialDiv
            entity "Spatial Multiplexing\n[TS 38.214]" as SpatialMux
        }

        entity "Multi-User MIMO (MU-MIMO)\n[TS 38.214]" as MUMIMO #RED_DARK {
            + "Multiple Users Same Resources"
        }

        entity "Massive MIMO\n[TS 38.214]" as MassiveMIMO #RED_DARK {
            + "32x32 MIMO (Rel 15)"
            + "64+ Antennas (Future)"
            + "Default 4x4 MIMO Support"
        }

note top of MassiveMIMO
  Enhances:
  - Signal quality
  - Throughput
  - Capacity
end note
    }

    package "Beamforming\n[TS 38.213 / 38.214]" as Beamforming #PURPLE_LIGHT {
        entity "Analog Beamforming\n[TS 38.213]" as AnalogBF #PURPLE_DARK
        entity "Digital Beamforming\n[TS 38.214]" as DigitalBF #PURPLE_DARK
        entity "Hybrid Beamforming\n[TS 38.214]" as HybridBF #PURPLE_DARK

        entity "mmWave Band Optimization\n(24–100 GHz)\n[TS 38.104]" as mmWaveBF #PURPLE_DARK
    }

    package "Numerology\n[TS 38.211]" as Numerology #GRAY_LIGHT {
        entity "Variable Subcarrier Spacing\n[TS 38.211]" as SubCarrierSpacing #GRAY_DARK
    }

note bottom of Beamforming
  - Concentrates energy to specific users
  - Increases signal strength
  - Reduces interference
  - Improves network efficiency
end note
}

' Relationships
FreqBands -[#blue]u-> ModSchemes : "Determines available\nbandwidth and modulation"
FreqBands -[#blue]-> DuplexMethods : "Influences duplexing\nmethod selection"
FreqBands -[#blue]u-> Beamforming : "Higher bands require\nmore beamforming"

LowBand -[#green]-> FDD : "Typically uses"
MidBand -[#green]-> FDD : "Can use" 
MidBand -[#green]-> TDD : "Can use"
HighBand -[#green]-> TDD : "Typically uses"

DLMod -[#red]u-> ModOrders : "Uses modulation orders"
ULMod -[#red]down-> ModOrders : "Uses modulation orders"

CPOFDM -[#blue]u-> ULOFDM : "Same technique\nfor both links"
DFTSOFDM -[#orange]-> ULOFDM : "Alternative UL\nmodulation"

MIMO -[#red]-> Beamforming : "Enables advanced\nbeamforming"
MassiveMIMO -[#red]-> SpatialDiv : "Enhances"
MassiveMIMO -[#red]-> SpatialMux : "Enhances"

MassiveMIMO -[#purple]u-> AnalogBF : "Implements"
MassiveMIMO -[#purple]u-> DigitalBF : "Implements"
MassiveMIMO -[#purple]u-> HybridBF : "Implements"

HighBand -[#green]u-> mmWaveBF : "Requires for\neffective coverage"

FreqBands -[#blue]-> Numerology : "Different bands use\ndifferent numerologies"

@enduml
```
---

## 4. データリンク層（レイヤー2）

### 4.1. MAC（Medium Access Control）層

5G NR MAC層は、スケジューリング、HARQによるエラー訂正、およびランダムアクセス手順を含むいくつかの主要な機能を実行します [6]。

スケジューリングメカニズムは、ダウンリンク（DL）およびアップリンク（UL）リソースの両方の割り当てを管理します。ネットワークは、UL許可をダウンリンク制御情報（DCI）の形式で送信することにより、ULデータ伝送をスケジュールします [24]。ネットワークは、DCIスケジューリングを使用してDLデータ転送もスケジュールします（暗黙的に示唆されています）[24]。MAC層は、スケジューリング情報のレポート処理も行います [24]。さらに、スケジューリングオーバーヘッドを削減するために、セミパーシステントスケジューリング（SPS）をサポートしています [24]。

ハイブリッド自動再送要求（HARQ）プロセスは、エラー訂正を担当します [24]。このプロセスにより、受信側は誤って受信したデータパケットの再送信を要求できます [24]。物理層は、このMAC層機能をサポートするためにHARQフィードバックのシグナリングを提供します [24]。

ランダムアクセス手順は、ユーザー機器（UE）が最初にネットワークに接続するために不可欠です [24]。この手順により、UEは初期アップリンク許可を取得し、ネットワークと同期できます [24]。これは、UEが初めて通信する場合でも、アイドル状態から復帰する場合でも、5Gネットワークと通信しようとするときにUEが実行する最初のステップです [24]。

NR MAC層は、無線リソースの割り当て（スケジューリング）を管理し、HARQを通じて信頼性の高いデータ配信を保証し、ランダムアクセス手順を通じて初期接続プロセスを処理します。これらの機能は、5Gネットワークにおける効率的で信頼性の高い通信に不可欠です。スケジューリングの柔軟性は、5Gにおける多様なQoS要件とトラフィックパターンをサポートする上で非常に重要です。
```plantuml
@startuml 5G NR MAC Layer
left to right direction
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title 5G NR Medium Access Control (MAC) Layer Architecture (based on 3GPP TS 38.321（Release 16）)

' Color definitions
!define BLUE_LIGHT CCCCFF
!define BLUE_DARK 9999CC
!define GREEN_LIGHT CCFFCC
!define GREEN_DARK 99CC99
!define YELLOW_LIGHT FFFFCC
!define YELLOW_DARK FFFF88
!define ORANGE_LIGHT FFDDCC
!define ORANGE_DARK FFAA88
!define RED_LIGHT FFCCCC
!define RED_DARK FF9999
!define PURPLE_LIGHT FFCCFF
!define PURPLE_DARK FF99FF
!define GRAY_LIGHT EEEEEE
!define GRAY_DARK CCCCCC

' Main MAC layer package
entity "5G NR MAC Layer" as MAC #BLUE_LIGHT {
  MAC layer functions are critical for:
  - Efficient resource utilization
  - Reliable data transmission
  - Initial network access
  - Meeting diverse QoS requirements
}

package "Scheduling Mechanisms" as Scheduling #GREEN_LIGHT {
    entity "DL Scheduling\n(Section 5.3)" as DLScheduling #GREEN_DARK
    entity "UL Scheduling\n(Section 5.4)" as ULScheduling #GREEN_DARK
    entity "DL Control Information (DCI)\n(Section 5.3.3)" as DCI #GREEN_DARK
    entity "Semi-Persistent Scheduling (SPS)\n(Section 5.3.4)" as SPS #GREEN_DARK
    entity "Scheduling Information Reports\n(Section 5.3.5)" as SchedReports #GREEN_DARK
}

package "Hybrid ARQ (HARQ)" as HARQ #YELLOW_LIGHT {
    entity "HARQ Process Management\n(Section 5.5.1)" as HARQProcess #YELLOW_DARK
    entity "HARQ Feedback Signaling\n(Section 5.5.2)" as HARQFeedback #YELLOW_DARK
    entity "Retransmission Control\n(Section 5.5.3)" as Retransmission #YELLOW_DARK
    entity "Error Correction\n(Section 5.5.4)" as ErrorCorrection #YELLOW_DARK
}

package "Random Access Procedure" as RACH #ORANGE_LIGHT {
    entity "Initial NW Connection\n(Section 5.6.1)" as InitialConnection #ORANGE_DARK
    entity "UE Synchronization\n(Section 5.6.2)" as UESync #ORANGE_DARK
    entity "Initial UL Grant\n(Section 5.6.3)" as InitialGrant #ORANGE_DARK
    entity "Idle State Recovery\n(Section 5.6.4)" as IdleRecovery #ORANGE_DARK
}

package "Resource Management" as Resources #PURPLE_LIGHT {
    entity "Radio Resource Allocation\n(Section 5.7.1)" as ResourceAlloc #PURPLE_DARK
    entity "QoS Management\n(Section 5.7.2)" as QoSManagement #PURPLE_DARK
    entity "Traffic Pattern Support\n(Section 5.7.3)" as TrafficSupport #PURPLE_DARK
}

' External interfaces
package "Adjacent Layers" as AdjacentLayers #GRAY_LIGHT {
    entity "PHY\n(Section 4.3.2)" as PHY #GRAY_DARK
    entity "RLC\n(Section 4.3.1)" as RLC #GRAY_DARK
}

' Relationships
MAC -up-> PHY : "Provides transport channels to"
MAC -up-> RLC : "Provides logical channels to"

PHY -l-> HARQFeedback : "Provides signaling for\nHARQ feedback"

DLScheduling -l-> DCI : "Uses for transmissions"
ULScheduling -right-> DCI : "Sends UL grants via"
DCI -u-> PHY : "Transmits control\ninformation through"

SPS -up-> DLScheduling : "Optimizes"
SPS -up-> ULScheduling : "Optimizes"
SPS -l-> SchedReports : "Uses for efficiency"

HARQProcess -l-> HARQFeedback : "Processes"
HARQProcess -right-> Retransmission : "Controls"
Retransmission -right-> ErrorCorrection : "Enables"

InitialConnection --> UESync : "Establishes"
UESync -l-> InitialGrant : "Obtains"
IdleRecovery -r-> InitialConnection : "Uses same procedure as"

ResourceAlloc -up-> DLScheduling : "Supports"
ResourceAlloc -up-> ULScheduling : "Supports"
QoSManagement -l-> TrafficSupport : "Enables diverse"
ResourceAlloc -l-> QoSManagement : "Considers"

' Additional relationships showing MAC layer functionality
MAC -down-> Scheduling : "Manages"
MAC -u-> HARQ : "Implements"
MAC -l-> RACH : "Handles"
MAC -l-> Resources : "Controls"

' MAC relationship with UE and Network
note top of HARQ
  HARQ improves transmission 
  reliability through feedback 
  and retransmission mechanisms
end note

note left of RACH
  First step for UE to 
  communicate with 5G NW
end note

note left of Scheduling
  Flexible scheduling supports
  diverse traffic patterns and
  QoS requirements in 5G
end note

@enduml

```
```plantuml
@startuml
title 5G NR MAC Layer Key Functions - Sample Sequence

participant "UE (User Equipment)" as UE #lightblue
participant "gNB Physical Layer" as PHY #lightgreen
participant "gNB MAC Layer" as MAC #lightgreen
participant "5GC (5G Core)" as NW #pink

== 1. Random Access Procedure ==
note over UE, NW : Initial connection or return from idle state

UE -> PHY : PRACH signal transmission
PHY -> MAC : Random access detection
MAC -> UE : RAR (Random Access Response)
note right : Initial UL grant and timing adjustment
UE -> MAC : Message 3 (RRC Connection Request)
MAC -> UE : Message 4 (Contention Resolution)
note right : UE and NW synchronization completed

== 2. Scheduling ==
note over UE, NW : DL/UL resource allocation

=== DL Scheduling ===
NW -> MAC : DL data transmission request
MAC -> UE : DCI (Downlink Control Information)
note right : DL scheduling information
MAC -> UE : DL data transfer
UE -> MAC : ACK/NACK (HARQ feedback)

=== UL Scheduling ===
UE -> MAC : BSR (Buffer Status Report)
note right : Scheduling information report
MAC -> UE : UL Grant (DCI format)
note right : UL grant information
UE -> MAC : UL data transfer
MAC -> UE : ACK/NACK (HARQ feedback)

=== Semi-Persistent Scheduling (SPS) ===
MAC -> UE : SPS Configuration (DCI)
note right : Periodic resource allocation setting
loop Periodic data transfer
    UE <-> MAC : Data transfer (reduced scheduling overhead)
end

== 3. HARQ Error Correction ==
note over UE, NW : Data packet error correction processing

=== DL HARQ Process ===
MAC -> UE : DL data packet (initial transmission)
UE -> PHY : CRC check
alt Data reception successful
    UE -> MAC : ACK
    note right : Successful reception confirmation
else Data reception error
    UE -> MAC : NACK
    note right : Retransmission request
    MAC -> UE : DL data packet (retransmission)
    note right : HARQ retransmission
    UE -> MAC : ACK/NACK
end

=== UL HARQ Process ===
UE -> MAC : UL data packet (initial transmission)
MAC -> PHY : CRC check
alt Data reception successful
    MAC -> UE : ACK
    note right : Successful reception confirmation
else Data reception error
    MAC -> UE : NACK
    note right : Retransmission request
    UE -> MAC : UL data packet (retransmission)
    note right : HARQ retransmission
    MAC -> UE : ACK/NACK
end

note over UE, NW : Physical layer supports HARQ feedback signaling

@enduml
```
このシーケンス図には以下の要素が含まれています：

1.ランダムアクセス手順

* UEの初期接続またはアイドル状態からの復帰プロセス
* PRACH信号からContention Resolutionまでの4ステップ手順
* UEとNWの同期確立

2.スケジューリング

* DLスケジューリング: DCIを使用したDLデータ転送のスケジューリング
* ULスケジューリング: BSR、UL Grant、ULデータ転送の流れ
* SPS: セミパーシステントスケジューリングによるオーバーヘッド削減

3.HARQによるエラー訂正

* DL/UL両方向のHARQプロセス
* ACK/NACKフィードバックによる再送制御
* 物理層によるHARQシグナリングサポート

このシーケンス図は、実際の5G NR通信における典型的な動作フローを表現しており、MAC層の各機能がどのように連携して動作するかを示しています。

### 4.2. RLC（Radio Link Control）層

RLC層は、透過モード（TM）、非確認モード（UM）、および確認モード（AM）の3つの動作モードで動作します [6]。

* **透過モード（TM）**: RLCヘッダーがなく、送信側でのみバッファリングが行われ、セグメンテーション/リアセンブリ、フィードバック（ACK/NACK）はありません [29]。TMモードは、BCCH、PCCH、CCCHで使用されます [29]。音声伝送に適しています [30]。
* **非確認モード（UM）**: RLCヘッダーがあり、送信側と受信側の両方でバッファリングが行われ、セグメンテーション/リアセンブリは行われますが、フィードバックはありません（ACK/NACK）[29]。UMモードは、DTCHで使用されます（UMまたはAMのいずれかになります）[29]。ストリーミングに適しています [30]。
* **確認モード（AM）**: RLCヘッダーがあり、送信側と受信側の両方でバッファリングが行われ、セグメンテーション/リアセンブリが行われ、フィードバック（ACK/NACK）があります [29]。AMモードは、DCCHおよびDTCHで使用されます（UMまたはAMのいずれかになります）[29]。ARQを通じてエラー訂正を提供します [30]。

各モードに関連するデータ転送および再送信メカニズムは次のとおりです。TMモードは基本的にバイパスされ、再送信はありません [31]。UMモードは配信を保証しません [30]。AMモードは、再送信により信頼性の高いデータ転送を提供します [29]。

RLC層は、サービス要件に応じて異なるレベルの信頼性と機能を提供します。RLCモードの選択は、データ伝送のオーバーヘッドと遅延に影響を与えます。AMモードは、シグナリングや特定のユーザーデータに対して信頼性の高いデータ転送に不可欠ですが、UMモードとTMモードは、重要度の低いデータに対してオーバーヘッドを低く抑えることができます。
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title Radio Link Control (RLC) Layer Structure

'Color definition
!define TM_COLOR FFDDDD
!define UM_COLOR DDFFDD
!define AM_COLOR DDDDFF
!define CHANNEL_COLOR FFFFDD
!define COMMON_COLOR DDFFFF

'Main RLC Package
package "RLC Layer" as RLCLayer {
    package "Operation Modes" as OpModes {
        entity "Transparent Mode (TM)" as TM #TM_COLOR {
            -No RLC Header
            -Buffering only at transmitter
            -No Segmentation/Reassembly
            -No Feedback &#40;ACK/NACK&#41;
            -Suitable for voice transmission
            [TS 38.322 4.2.1.1]
        }

        entity "Unacknowledged Mode (UM)" as UM #UM_COLOR {
            -RLC Header present
            -Buffering at both transmitter and receiver
            -Segmentation/Reassembly
            -No Feedback &#40;ACK/NACK&#41;
            -Suitable for streaming
            [TS 38.322 4.2.1.2]
        }

        entity "Acknowledged Mode (AM)" as AM #AM_COLOR {
            -RLC Header present
            -Buffering at both transmitter and receiver
            -Segmentation/Reassembly
            -Feedback &#40;ACK/NACK&#41;
            -Error correction through ARQ
            [TS 38.322 4.2.1.3]
        }
    }

    package "Functionality" as Func #COMMON_COLOR {
        entity "Data Transfer" as DataTransfer {
            -PDU handling
            -Concatenation/Segmentation
            -Reassembly
            [TS 38.322 5.2]
        }

        entity "Error Management" as ErrorManagement {
            -Error detection
            -ARQ mechanism
            -Status reporting
            [TS 38.322 5.3]
        }

        entity "Flow Control" as FlowControl {
            -Buffer management
            -Rate control
            -Reordering
            [TS 38.322 5.4]
        }
    }

    package "Channels" as Channels #CHANNEL_COLOR {
        entity "BCCH" as BCCH {
            [TS 38.322 4.2.1.1.1]
        }
        entity "PCCH" as PCCH {
            [TS 38.322 4.2.1.1.1]
        }
        entity "CCCH" as CCCH {
            [TS 38.322 4.2.1.1.1]
        }
        entity "DCCH" as DCCH {
            [TS 38.322 4.2.1.3.1]
        }
        entity "DTCH" as DTCH {
            [TS 38.322 4.2.1.2.1, 4.2.1.3.1]
        }
BCCH-[hidden]r-PCCH
PCCH-[hidden]r-CCCH
CCCH-[hidden]r-DCCH
DCCH-[hidden]r-DTCH
    }
'Group relationship descriptions
note bottom of OpModes
  RLC provides different 
  reliability levels based 
  on service requirements
end note

note right of Channels
  Channel type determines
  which RLC mode is used
end note
}

'Relationships between entities
TM <-r-> DataTransfer : "Simple pass-through\ntransport"
UM <--> DataTransfer : "Unacknowledged\ndata transfer"
AM <--> DataTransfer : "Reliable\ndata transfer"
TM-[hidden]r-UM
UM-[hidden]r-AM

AM --> ErrorManagement : "Uses for\nreliable delivery"
ErrorManagement -r-> FlowControl : "Coordinates with"
DataTransfer-[hidden]r-ErrorManagement

'Channel relationships
BCCH -- TM : "Uses"
PCCH -- TM : "Uses"
CCCH -- TM : "Uses"
DCCH -l- AM : "Uses"
DTCH -l- UM : "Uses UM or AM"
DTCH -l- AM : "Uses UM or AM"

BCCH -[hidden]- TM
PCCH -[hidden]- TM
CCCH -[hidden]- TM
DCCH -[hidden]- AM
DTCH -[hidden]- AM

'Inter-mode relationships
TM -[#red]r-> UM : "Increases\nfunctionality"
UM -[#red]r-> AM : "Adds\nreliability"

@enduml
```
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title 5G NR RLC Layer Operation Modes - Sample RLC Sequence

participant "UE RLC" as UE_RLC #lightblue
participant "UE MAC/PHY" as UE_MAC #lightblue
participant "gNB MAC/PHY" as GNB_MAC #pink
participant "gNB RLC" as GNB_RLC #pink

== 1. Transparent Mode (TM) ==
note over UE_RLC, GNB_RLC : Used for BCCH, PCCH, CCCH channels\nSuitable for voice transmission

=== Downlink (gNB to UE) ===
GNB_RLC -> UE_MAC : Data packet (no RLC header)
note left of GNB_RLC : No RLC header added\nTx side buffering only
UE_MAC -> UE_RLC : Data packet (no RLC header)
note right of UE_RLC : No Rx side buffering\nNo segmentation/reassembly\nNo feedback required

=== Uplink (UE to gNB) ===
UE_RLC -> GNB_MAC : Data packet (no RLC header)
note right of UE_RLC : No RLC header added\nTx side buffering only
GNB_MAC -> GNB_RLC : Data packet (no RLC header)
note left of GNB_RLC : No Rx side buffering\nNo segmentation/reassembly\nNo feedback required

note over UE_RLC, GNB_RLC : TM Characteristics:\n• No RLC header\n• Tx side buffering only\n• No segmentation/reassembly\n• No ARQ feedback

== 2. Unacknowledged Mode (UM) ==
note over UE_RLC, GNB_RLC : Used for DTCH channel\nSuitable for streaming applications

=== Downlink (gNB to UE) ===
GNB_RLC -> GNB_RLC : Large data segmentation
GNB_RLC -> UE_MAC : UM PDU segment 1 (SN=1, with RLC header)
GNB_RLC -> UE_MAC : UM PDU segment 2 (SN=2, with RLC header)
GNB_RLC -> UE_MAC : UM PDU segment 3 (SN=3, with RLC header)

UE_MAC -> UE_RLC : UM PDU segment 1 (SN=1)
UE_MAC -> UE_RLC : UM PDU segment 2 (SN=2)
UE_MAC -> UE_RLC : UM PDU segment 3 (SN=3)

UE_RLC -> UE_RLC : Reassembly based on SN
note right of UE_RLC : No ACK/NACK feedback to gNB

=== Uplink (UE to gNB) ===
UE_RLC -> UE_RLC : Large data segmentation
UE_RLC -> GNB_MAC : UM PDU segment 1 (SN=1, with RLC header)
UE_RLC -> GNB_MAC : UM PDU segment 2 (SN=2, with RLC header)
UE_RLC -> GNB_MAC : UM PDU segment 3 (SN=3, with RLC header)

GNB_MAC -> GNB_RLC : UM PDU segment 1 (SN=1)
GNB_MAC -> GNB_RLC : UM PDU segment 2 (SN=2)
GNB_MAC -> GNB_RLC : UM PDU segment 3 (SN=3)

GNB_RLC -> GNB_RLC : Reassembly based on SN
note left of GNB_RLC : No ACK/NACK feedback to UE

note over UE_RLC, GNB_RLC : UM Characteristics:\n• RLC header with SN\n• Tx and Rx side buffering\n• Segmentation/reassembly\n• No ARQ feedback

== 3. Acknowledged Mode (AM) ==
note over UE_RLC, GNB_RLC : Used for DCCH and DTCH channels\nProvides error correction through ARQ

=== Downlink (gNB to UE) with ARQ ===
GNB_RLC -> GNB_RLC : Large data segmentation \n& SN assignment
GNB_RLC -> UE_MAC : AM PDU segment 1 (SN=10)
GNB_RLC -> UE_MAC : AM PDU segment 2 (SN=11)
GNB_RLC -> UE_MAC : AM PDU segment 3 (SN=12)

UE_MAC -> UE_RLC : AM PDU segment 1 (SN=10)
UE_MAC -> UE_RLC : AM PDU segment 3 (SN=12)
note right of UE_RLC : Segment 2 (SN=11) lost or corrupted

UE_RLC -> GNB_MAC : RLC Status Report (NACK for SN=11)
GNB_MAC -> GNB_RLC : RLC Status Report (NACK for SN=11)

note left of GNB_RLC : ARQ retransmission triggered
GNB_RLC -> UE_MAC : AM PDU segment 2 (SN=11) - Retransmission
UE_MAC -> UE_RLC : AM PDU segment 2 (SN=11)

UE_RLC -> UE_RLC : Reassembly (SN=10,11,12)
UE_RLC -> GNB_MAC : RLC Status Report (ACK for SN=10,11,12)
GNB_MAC -> GNB_RLC : RLC Status Report (ACK for SN=10,11,12)

=== Uplink (UE to gNB) with ARQ ===
UE_RLC -> UE_RLC : Large data segmentation \n& SN assignment
UE_RLC -> GNB_MAC : AM PDU segment 1 (SN=20)
UE_RLC -> GNB_MAC : AM PDU segment 2 (SN=21)
UE_RLC -> GNB_MAC : AM PDU segment 3 (SN=22)

GNB_MAC -> GNB_RLC : AM PDU segment 1 (SN=20)
GNB_MAC -> GNB_RLC : AM PDU segment 3 (SN=22)
note left of GNB_RLC : Segment 2 (SN=21) lost or corrupted

GNB_RLC -> UE_MAC : RLC Status Report (NACK for SN=21)
UE_MAC -> UE_RLC : RLC Status Report (NACK for SN=21)

note right of UE_RLC : ARQ retransmission triggered
UE_RLC -> GNB_MAC : AM PDU segment 2 (SN=21) - Retransmission
GNB_MAC -> GNB_RLC : AM PDU segment 2 (SN=21)

GNB_RLC -> GNB_RLC : Reassembly (SN=20,21,22)
GNB_RLC -> UE_MAC : RLC Status Report (ACK for SN=20,21,22)
UE_MAC -> UE_RLC : RLC Status Report (ACK for SN=20,21,22)

note over UE_RLC, GNB_RLC : AM Characteristics:\n• RLC header with SN\n• Tx and Rx side buffering\n• Segmentation/reassembly\n• ARQ feedback (ACK/NACK)\n• Error correction capability

@enduml
```

このシーケンス図には以下の要素が含まれています：

 1.Transparent Mode (TM)

* BCCH、PCCH、CCCHチャネルで使用
* RLCヘッダーなし
* 送信側のみでバッファリング
* セグメンテーション/リアセンブリなし
* フィードバック（ACK/NACK）なし
* 音声伝送に適している

 2.Unacknowledged Mode (UM)

* DTCHチャネルで使用
* RLCヘッダーあり
* 送信側・受信側両方でバッファリング
* セグメンテーション/リアセンブリあり
* フィードバック（ACK/NACK）なし
* ストリーミングアプリケーションに適している

 3.Acknowledged Mode (AM)

* DCCHおよびDTCHチャネルで使用
* RLCヘッダーあり（シーケンス番号付き）
* 送信側・受信側両方でバッファリング
* セグメンテーション/リアセンブリあり
* ARQフィードバック（ACK/NACK）あり
* エラー訂正機能を提供

各モードの特徴と動作の違いが明確に示されており、実際の5G NR通信における典型的なRLC層の動作フローを表現しています。

### 4.3. PDCP（Packet Data Convergence Protocol）層

PDCP層は、特にロバストヘッダー圧縮（ROHC）などのヘッダー圧縮技術を提供します [6]。ROHCは、特に小さなパケットの場合に、オーバーヘッドを削減するためにIPヘッダーを圧縮します [32]。これは、ユーザープレーンデータに適用されます [32]。

PDCP層は、データセキュリティのための暗号化および復号化プロセスも実行します [6]。これには、ユーザープレーンデータと制御プレーンデータの両方の暗号化と復号化が含まれます。制御プレーンデータには、整合性保護と検証も提供されます [6]。

無線ベアラの管理はPDCP層の重要な機能です [32]。PDCPは、順序どおりの配信と重複検出のためにPDCPシーケンス番号（SN）を維持します。ユーザープレーンの場合、適切なUPFへのユーザーデータルーティングも処理します [6]。さらに、タイマーベースのSDU破棄、スプリットベアラ、ルーティング、および重複がサポートされています [32]。

PDCPは、無線インターフェースを介したデータ伝送の効率とセキュリティを最適化する上で重要な役割を果たします。ヘッダー圧縮は帯域幅の使用量を削減し、暗号化と整合性保護はデータの機密性と整合性を保証します。シーケンス番号付けと重複検出メカニズムは、信頼性の高いデータ配信に貢献します。
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title 5G NR PDCP/SDAP Layer Functions - UE and gNB Sequence

participant "UE Application" as UE_APP #lightblue
participant "UE SDAP" as UE_SDAP #lightblue
participant "UE PDCP" as UE_PDCP #lightblue
participant "UE RLC" as UE_RLC #lightblue
participant "gNB RLC" as GNB_RLC #lightgreen
participant "gNB PDCP" as GNB_PDCP #lightgreen
participant "gNB SDAP" as GNB_SDAP #lightgreen
participant "5GC\n(UPF)" as UPF #pink

== 0. QoS Flow Management (SDAP) ==
note over UE_APP, UPF : SDAP maps QoS flows to radio bearers\nQoS Flow ID (QFI) management

== Uplink QoS Flow Mapping ==
UE_APP -> UE_SDAP : IP packet with QoS requirements
note right of UE_SDAP : Map QoS flow to radio bearer\nAdd QoS Flow ID (QFI) if required
UE_SDAP -> UE_SDAP : QoS flow to DRB mapping
UE_SDAP -> UE_PDCP : SDAP PDU with QFI
UE_PDCP -> UE_PDCP : ROHC compression & encryption
UE_PDCP -> UE_RLC : PDCP PDU

UE_RLC -> GNB_RLC : Data transmission
GNB_RLC -> GNB_PDCP : PDCP PDU
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : Decryption & ROHC decompression
GNB_PDCP -> GNB_SDAP : SDAP PDU with QFI
note right of GNB_SDAP : Extract QFI and map to UPF\nRoute based on QoS requirements
GNB_SDAP -> UPF : IP packet with QoS flow information

== Downlink QoS Flow Mapping ==
UPF -> GNB_SDAP : IP packet with QoS flow information
note right of GNB_SDAP : Map QoS flow to radio bearer\nAdd QoS Flow ID (QFI) if required
GNB_SDAP -> GNB_SDAP : QoS flow to DRB mapping
GNB_SDAP -> GNB_PDCP : SDAP PDU with QFI
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : ROHC compression & encryption
GNB_PDCP -> GNB_RLC : PDCP PDU

GNB_RLC -> UE_RLC : Data transmission
UE_RLC -> UE_PDCP : PDCP PDU
UE_PDCP -> UE_PDCP : Decryption & ROHC decompression
UE_PDCP -> UE_SDAP : SDAP PDU with QFI
note right of UE_SDAP : Extract QFI and deliver to application\nMaintain QoS flow mapping
UE_SDAP -> UE_APP : IP packet with QoS information

== 1. Header Compression (ROHC) - U-Plane Data ==
note over UE_APP, UPF : Robust Header Compression for IP packets\nReduces overhead especially for small packets

== Uplink (UE to gNB) ==
UE_APP -> UE_SDAP : IP packet with QoS
UE_SDAP -> UE_PDCP : SDAP PDU
note right of UE_PDCP : ROHC compression applied\nSequence Number (SN) assignment
UE_PDCP -> UE_PDCP : IP header compression (ROHC)
UE_PDCP -> UE_PDCP : Add PDCP SN
UE_PDCP -> UE_RLC : Compressed PDCP PDU (with SN)

UE_RLC -> GNB_RLC : PDCP PDU transmission
GNB_RLC -> GNB_PDCP : Compressed PDCP PDU (with SN)
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : ROHC decompression
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : In-order delivery check (SN)
GNB_PDCP -> GNB_SDAP : SDAP PDU
GNB_SDAP -> UPF : Decompressed IP packet

== Downlink (gNB to UE) ==
UPF -> GNB_SDAP : IP packet with QoS
GNB_SDAP -> GNB_PDCP : SDAP PDU
note right of GNB_PDCP : ROHC compression applied\nSequence Number (SN) assignment
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : IP header compression (ROHC)
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : Add PDCP SN
GNB_PDCP -> GNB_RLC : Compressed PDCP PDU (with SN)

GNB_RLC -> UE_RLC : PDCP PDU transmission
UE_RLC -> UE_PDCP : Compressed PDCP PDU (with SN)
UE_PDCP -> UE_PDCP : ROHC decompression
UE_PDCP -> UE_PDCP : In-order delivery check (SN)
UE_PDCP -> UE_SDAP : SDAP PDU
UE_SDAP -> UE_APP : Decompressed IP packet

== 2. Security Functions ==
note over UE_APP, UPF : Encryption/Decryption for both U-Plane and C-Plane\nIntegrity protection for C-Plane data

== C-Plane Data (Control Plane) - Uplink ==
UE_APP -> UE_PDCP : C-Plane control message
note right of UE_PDCP : C-Plane bypasses SDAP\nIntegrity protection applied\nEncryption applied\nPDCP SN assignment
UE_PDCP -> UE_PDCP : Add integrity protection
UE_PDCP -> UE_PDCP : Encrypt data
UE_PDCP -> UE_PDCP : Add PDCP SN
UE_PDCP -> UE_RLC : Encrypted PDCP PDU (C-Plane)

UE_RLC -> GNB_RLC : Encrypted PDCP PDU
GNB_RLC -> GNB_PDCP : Encrypted PDCP PDU (C-Plane)
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : Decrypt data
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : Verify integrity
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : In-order delivery check (SN)
GNB_PDCP -> UPF : Decrypted control message

== U-Plane Data (User Plane) - Downlink ==
UPF -> GNB_SDAP : U-Plane user data
GNB_SDAP -> GNB_PDCP : SDAP PDU
note right of GNB_PDCP : Encryption applied (no integrity)\nPDCP SN assignment
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : Encrypt data
GNB_PDCP -> GNB_PDCP : Add PDCP SN
GNB_PDCP -> GNB_RLC : Encrypted PDCP PDU (U-Plane)

GNB_RLC -> UE_RLC : Encrypted PDCP PDU
UE_RLC -> UE_PDCP : Encrypted PDCP PDU (U-Plane)
UE_PDCP -> UE_PDCP : Decrypt data
UE_PDCP -> UE_PDCP : In-order delivery check (SN)
UE_PDCP -> UE_SDAP : SDAP PDU
UE_SDAP -> UE_APP : Decrypted user data
@enduml

```
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title 5G NR PDCP/SDAP Layer Functions - UE and gNB Sequence

participant "UE Application" as UE_APP #lightblue
participant "UE SDAP" as UE_SDAP #lightblue
participant "UE PDCP" as UE_PDCP #lightblue
participant "UE RLC" as UE_RLC #lightblue
participant "gNB RLC" as GNB_RLC #lightgreen
participant "gNB PDCP" as GNB_PDCP #lightgreen
participant "gNB SDAP" as GNB_SDAP #lightgreen
participant "5GC\n(UPF)" as UPF #pink

== 3. Radio Bearer Management ==
note over UE_APP, UPF : In-order delivery, duplicate detection, timer-based SDU discard

== Duplicate Detection and In-order Delivery ==
UPF -> GNB_SDAP : Data packet 1, 2, 3
GNB_SDAP -> GNB_PDCP : SDAP PDU 1, 2, 3

GNB_PDCP -> GNB_PDCP : Assign PDCP SN=100, 101, 102
GNB_PDCP -> GNB_RLC : PDCP PDU (SN=100)
GNB_PDCP -> GNB_RLC : PDCP PDU (SN=101)
GNB_PDCP -> GNB_RLC : PDCP PDU (SN=102)

GNB_RLC -> UE_RLC : PDCP PDU (SN=100)
GNB_RLC -> UE_RLC : PDCP PDU (SN=102)
note right of UE_RLC : SN=101 lost during transmission
GNB_RLC -> UE_RLC : PDCP PDU (SN=101) - Retransmission
GNB_RLC -> UE_RLC : PDCP PDU (SN=101) - Duplicate

UE_RLC -> UE_PDCP : PDCP PDU (SN=100)
UE_RLC -> UE_PDCP : PDCP PDU (SN=102)
UE_RLC -> UE_PDCP : PDCP PDU (SN=101)
UE_RLC -> UE_PDCP : PDCP PDU (SN=101) - Duplicate

note right of UE_PDCP : In-order delivery processing\nDuplicate detection and removal
UE_PDCP -> UE_PDCP : Reorder based on SN (100, 101, 102)
UE_PDCP -> UE_PDCP : Detect and discard duplicate (SN=101)
UE_PDCP -> UE_SDAP : SDAP PDU 1 (ordered)
UE_PDCP -> UE_SDAP : SDAP PDU 2 (ordered)
UE_PDCP -> UE_SDAP : SDAP PDU 3 (ordered)
UE_SDAP -> UE_APP : Data packet 1, 2, 3 (QoS maintained)

== Timer-based SDU Discard ==
UE_APP -> UE_SDAP : Data packet with QoS requirements
UE_SDAP -> UE_PDCP : SDAP PDU
UE_PDCP -> UE_PDCP : Start discard timer for PDCP SDU
UE_PDCP -> UE_PDCP : Add PDCP SN=200
UE_PDCP -> UE_RLC : PDCP PDU (SN=200)

note right of UE_PDCP : Network congestion causes delay
UE_PDCP -> UE_PDCP : Discard timer expires
UE_PDCP -> UE_RLC : Discard indication (SN=200)
note right of UE_PDCP : SDU discarded due to timer expiry

== 4. Split Bearer and Routing ==
note over UE_APP, UPF : Support for split bearers and routing to appropriate UPF\nSDAP manages QoS flow mapping across multiple paths

UPF -> GNB_SDAP : User data for split bearer with QoS flow
note right of GNB_SDAP : SDAP maps QoS flows to multiple DRBs\nRoute to primary and secondary paths
GNB_SDAP -> GNB_SDAP : QoS flow to multiple DRB mapping
GNB_SDAP -> GNB_PDCP : SDAP PDU (Primary path)
GNB_SDAP -> GNB_PDCP : SDAP PDU (Secondary path)
GNB_PDCP -> GNB_RLC : PDCP PDU (Primary path)
GNB_PDCP -> GNB_RLC : PDCP PDU (Secondary path)

note over UE_APP, UPF : SDAP and PDCP manage QoS flow routing\nand duplication for improved reliability and throughput

@enduml
```
1.ヘッダー圧縮（ROHC: Robust Header Compression）

目的: 特に小さなパケットでIPヘッダーのオーバーヘッドを削減
適用対象: U-Plane（ユーザプレーン）データ
処理フロー:

アップリンク: UE PDCPでIPヘッダーを圧縮 → gNB PDCPで展開
ダウンリンク: gNB PDCPでIPヘッダーを圧縮 → UE PDCPで展開


PDCP SN（シーケンス番号）も同時に付与される

2.セキュリティ機能

U-Planeデータ: 暗号化・復号化のみ
C-Planeデータ: 暗号化・復号化 + 整合性保護・検証
処理順序: 整合性保護 → 暗号化 → PDCP SN付与（送信側）
検証順序: 復号化 → 整合性検証 → 順序確認（受信側）

3.無線ベアラ管理

シーケンス番号（SN）管理

順序配信: PDCP SNに基づいてパケットを正しい順序で配信
重複検出: 同じSNのパケットを検出して破棄
例: SN=100,102,101,101の受信 → 100,101,102の順序で配信、重複分を破棄

タイマーベースSDU破棄

PDCP SDUに対して破棄タイマーを設定
ネットワーク輻輳などでタイマーが満了した場合、SDUを破棄
遅延に敏感なアプリケーションのQoS要件を満たすため

4.スプリットベアラとルーティング

スプリットベアラサポート: 1つのデータフローを複数の経路に分割
QoSフロー管理: SDAP層と連携してQoSフローを適切なDRB（Data Radio Bearer）にマッピング
ルーティング: プライマリパスとセカンダリパスへの適切なルーティング
信頼性向上: 複数経路による冗長性でスループットと信頼性を向上

5.SDAP層との連携

QoSフロー管理: QFI（QoS Flow Identifier）を用いたQoSフローの識別
マッピング: QoSフローから無線ベアラへのマッピング
UPFルーティング: gNB側でUPF（User Plane Function）への適切なルーティング

### 4.4. SDAP（Service Data Adaptation Protocol）層

SDAP層は、ユーザープレーンにおいて、QoSフローから無線ベアラへのマッピングを主に担当します [6]。これにより、さまざまな種類のトラフィックが要求されるQoSを受け取ることが保証されます [6]。SDAPは、QoSフローを管理するために5Gで導入されました [25]。

SDAPは、ダウンリンクQoSマッピングをUEが観察し、同じルールをアップリンクに適用するリフレクティブQoSをサポートしています [25]。SDAPヘッダーには、QoSフローID（QFI）が含まれています [25]。SDAP層は、スタンドアロン（SA）5Gネットワークにのみ存在します [25]。

SDAPは、エンドツーエンドのQoS管理を可能にする5Gの重要な革新です。QoSフローを無線ベアラにマッピングすることにより、ネットワークはサービス要件に基づいてトラフィックを優先順位付けおよび差別化できます。これは、さまざまなQoSニーズを持つ多様な5Gユースケースをサポートするために不可欠です。
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title Service Data Adaptation Protocol (SDAP) Layer Structure

' Color definitions
!define MAPPING_COLOR FFDDDD
!define HEADER_COLOR DDFFDD
!define NETWORK_COLOR DDDDFF
!define FLOW_COLOR FFFFDD
!define COMMON_COLOR DDFFFF

package "SDAP Layer" as SDAPLayer {
    package "QoS Mapping" as QoSMapping #MAPPING_COLOR {
        entity "QoS Flow to Radio Bearer Mapping\n(3GPP TS 37.324 §5.3)" as QoSFlowMapping {
            - Maps QoS flows to radio bearers
            - Ensures proper traffic prioritization
            - Supports differentiated services
        }

        entity "Reflective QoS\n(3GPP TS 37.324 §5.3.2)" as ReflectiveQoS {
            - UE observes DL QoS mapping
            - Applies same rules to UL
            - Reduces signaling overhead
        }
    }

    package "Header Management" as HeaderManagement #HEADER_COLOR {
        entity "SDAP Header\n(3GPP TS 37.324 §6.2.2)" as SDAPHeader {
            - Contains QoS Flow ID &#40;QFI&#41;
            - Protocol identification
            - Enables flow classification
        }

        entity "QoS Flow ID (QFI)\n(3GPP TS 37.324 §6.2.2)" as QFI {
            - Identifies specific QoS flows
            - Ensures proper handling
            - Required for mapping functionality
        }
    }

    package "Network Integration" as NetworkIntegration #NETWORK_COLOR {
        entity "5G Standalone (SA) Support\n(3GPP TS 37.324 §4.1)" as SASupport {
            - Only exists in SA 5G networks
            - Not present in NSA
            - Key 5G innovation component
        }

        entity "Core Network Interface\n(3GPP TS 37.324 §4.1)" as CoreNetworkInterface {
            - Interfaces with 5GC
            - Receives QoS parameters
            - Handles service requirements
        }
    }

    package "Flow Management" as FlowManagement #FLOW_COLOR {
        entity "Uplink Processing\n(3GPP TS 37.324 §5.2.1)" as UplinkProcessing {
            - UL traffic handling
            - QoS enforcement on mobile transmissions
            - Applies appropriate mapping rules
        }

        entity "Downlink Processing\n(3GPP TS 37.324 §5.2.2)" as DownlinkProcessing {
            - DL traffic handling
            - Informs reflective QoS operation
            - Ensures QoS delivery to application
        }
    }

    package "Service Support" as ServiceSupport #COMMON_COLOR {
        entity "End-to-End QoS\n(3GPP TS 37.324 §4.3)" as EndToEndQoS {
            - Enables consistent QoS across network
            - Supports diverse application requirements
            - Essential for 5G use cases
        }

        entity "Service Differentiation\n(3GPP TS 37.324 §4.3)" as ServiceDifferentiation {
            - Prioritizes traffic based on requirements
            - Supports diverse 5G applications
            - Enables multiple service types
        }
    }
}

' Relationships with descriptions
QoSFlowMapping --> ReflectiveQoS : "Provides mapping\nrules for"
SDAPHeader --> QFI : "Contains"
QFI --> QoSFlowMapping : "Essential for"

SASupport <--> CoreNetworkInterface : "Works with"
CoreNetworkInterface --> QoSFlowMapping : "Supplies QoS\nparameters to"

UplinkProcessing <-- ReflectiveQoS : "Informs"
DownlinkProcessing --> ReflectiveQoS : "Provides patterns for"

UplinkProcessing -u-> QoSFlowMapping : "Uses"
DownlinkProcessing -u-> QoSFlowMapping : "Uses"
UplinkProcessing-[hidden]-DownlinkProcessing

QoSFlowMapping --> EndToEndQoS : "Enables"
ServiceDifferentiation <-- EndToEndQoS : "Supports"

HeaderManagement --> FlowManagement : "Provides identification for"
NetworkIntegration --> ServiceSupport : "Facilitates"
@enduml

```
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
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skinparam roundcorner 10

title SDAP Layer Sample Sequence Diagram

participant "UE SDAP" as UE_SDAP #lightblue
participant "UE PDCP" as UE_PDCP #lightblue
participant "gNB PDCP" as gNB_PDCP #lightgreen
participant "gNB SDAP" as gNB_SDAP #lightgreen

== Downlink QoS Flow to Radio Bearer Mapping ==

note over gNB_SDAP : Receive IP packet from UPF\nwith specific QoS requirements
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Identify QoS Flow based on packet marking
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Map QoS Flow to appropriate DRB
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Add SDAP header with QFI (QoS Flow Identifier)
note right of gNB_SDAP : QFI identifies the QoS Flow\nfor proper traffic handling
gNB_SDAP -> gNB_PDCP : Transfer SDAP PDU with QFI

gNB_PDCP -> UE_PDCP : Transmit PDCP PDU (via RLC)

UE_PDCP -> UE_SDAP : Deliver SDAP PDU with QFI
UE_SDAP -> UE_SDAP : Extract QFI from SDAP header
UE_SDAP -> UE_SDAP : Observe DL QoS mapping rule
note right of UE_SDAP : UE learns QoS Flow to DRB mapping\nfor Reflective QoS
UE_SDAP -> UE_SDAP : Store QoS mapping for UL use
note over UE_SDAP : Deliver IP packet to application\nwith QoS requirements satisfied

== Uplink Reflective QoS Application ==

note over UE_SDAP : Receive IP packet from application\nwith QoS requirements
UE_SDAP -> UE_SDAP : Apply Reflective QoS mapping
note right of UE_SDAP : Use previously observed DL mapping\nfor same QoS Flow
UE_SDAP -> UE_SDAP : Map QoS Flow to same DRB as DL
UE_SDAP -> UE_SDAP : Add SDAP header with QFI
UE_SDAP -> UE_PDCP : Transfer SDAP PDU with QFI

UE_PDCP -> gNB_PDCP : Transmit PDCP PDU (via RLC)

gNB_PDCP -> gNB_SDAP : Deliver SDAP PDU with QFI
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Extract QFI from SDAP header
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Verify QoS Flow mapping
note over gNB_SDAP : Route IP packet to appropriate UPF\nbased on QoS requirements

== Multiple QoS Flows Management ==

note over gNB_SDAP : Handle multiple QoS Flows simultaneously\nwith different requirements

== High Priority QoS Flow (e.g., URLLC) ==
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Identify High Priority QoS Flow (QFI=1)
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Map to Low Latency DRB
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Add SDAP header (QFI=1)
gNB_SDAP -> gNB_PDCP : High Priority SDAP PDU

== Medium Priority QoS Flow (e.g., eMBB) ==
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Identify Medium Priority QoS Flow (QFI=2)
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Map to High Throughput DRB
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Add SDAP header (QFI=2)
gNB_SDAP -> gNB_PDCP : Medium Priority SDAP PDU

== Low Priority QoS Flow (e.g., Best Effort) ==
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Identify Low Priority QoS Flow (QFI=3)
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Map to Best Effort DRB
gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Add SDAP header (QFI=3)
gNB_SDAP -> gNB_PDCP : Low Priority SDAP PDU

note over gNB_PDCP, UE_PDCP : Transmission prioritized based on DRB configuration

gNB_PDCP -> UE_PDCP : High Priority PDCP PDU (QFI=1)
gNB_PDCP -> UE_PDCP : Medium Priority PDCP PDU (QFI=2)
gNB_PDCP -> UE_PDCP : Low Priority PDCP PDU (QFI=3)

UE_PDCP -> UE_SDAP : High Priority SDAP PDU (QFI=1)
UE_PDCP -> UE_SDAP : Medium Priority SDAP PDU (QFI=2)
UE_PDCP -> UE_SDAP : Low Priority SDAP PDU (QFI=3)

UE_SDAP -> UE_SDAP : Process each QoS Flow according to QFI
UE_SDAP -> UE_SDAP : Update Reflective QoS mapping rules

== End-to-End QoS Management ==

note over UE_SDAP, gNB_SDAP : SDAP enables E2E QoS management\nby mapping QoS Flows to Radio Bearers

UE_SDAP -> UE_SDAP : Maintain QoS Flow to DRB mapping table
note right of UE_SDAP : Support diverse 5G use cases:\n- URLLC (Ultra-Reliable Low Latency)\n- eMBB (Enhanced Mobile Broadband)\n- mMTC (Massive Machine Type Communications)

gNB_SDAP -> gNB_SDAP : Prioritize and differentiate traffic
note right of gNB_SDAP : Based on service requirements:\n- Latency requirements\n- Throughput requirements\n- Reliability requirements

note over UE_SDAP, gNB_SDAP : SDAP layer exists only in SA 5G Networks\nCritical innovation for 5G QoS management

@enduml
```
このシーケンス図は、SDAP層の主要な機能を示しています：

1.QoSフローから無線ベアラへのマッピング: 異なるQoS要件を持つトラフィックを適切なDRBにマッピング

2.QFI（QoS Flow Identifier）管理: SDAPヘッダーにQFIを含めてQoSフローを識別

3.リフレクティブQoS: UEがダウンリンクでQoSマッピングを観察し、同じルールをアップリンクに適用

4.複数QoSフローの管理:
* 高優先度（URLLC用）
* 中優先度（eMBB用）
* 低優先度（ベストエフォート用）

5.E2E QoS管理: サービス要件に基づいたトラフィックの優先順位付けと差別化

この図は、SDAP層がSA 5Gネットワークにおいて多様な5Gユースケースをサポートするための重要な革新であることを表現しています。

---

## 5. ネットワーク層（レイヤー3）の詳細

### 5.1. RRC（Radio Resource Control）層

RRC層は、接続の確立と解放の手順を詳細に規定しています [6]。UEはRRCSetupRequestで接続を開始し、gNBはRRCSetupで応答します [35]。RRC層は、初期設定、認証、承認、および切断を処理します [28]。障害発生後に再接続するためのRRC接続再確立手順も含まれています [36]。

無線リソース管理メカニズムには、割り当てと割り当て解除が含まれます。RRC層は、無線ベアラ制御、無線アドミッション制御、およびリソースの動的割り当て（スケジューリング）を担当します [7]。下位レイヤーの構成も行います [6]。

モビリティ管理手順には、ハンドオーバーやセル再選択などがあります。RRC層は、セルハンドオーバーを管理します [28]。RRC_IDLEおよびRRC_INACTIVE状態では、UEはセル選択および再選択のために信号品質（RSRP、RSRQ）を監視します [37]。モビリティロバストネス最適化（MRO）は、ハンドオーバー性能を向上させます [38]。

測定制御および報告メカニズムもRRC層によって管理されます。RRCは測定構成を管理します [39]。UEはダウンリンク信号を測定し、ネットワークはアップリンク信号を測定します [39]。周波数内、周波数間、およびRAT間の測定が構成されます [39]。報告は、定期的またはイベントトリガーのいずれかになります [39]。

RRC層は、UEとネットワーク間の接続を管理する無線インターフェースのシグナリングの要です。初期接続設定からモビリティ管理、リソース割り当てまで、シームレスで効率的なユーザーエクスペリエンスを保証します。測定制御の複雑さは、ネットワークが変化する無線条件やユーザーのモビリティに動的に適応する必要性を反映しています。
```plantuml
@startuml
left to right direction
skinparam titleFontSize 20
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skinparam roundcorner 10
title RRC Layer: Functions and Layer Configuration in 5G NR

package "RRC Layer" #LightBlue {
    entity "RRC_Connection_Setup\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.3]" as RRC_Connection_Setup <<function>> {
        - RRCSetupRequest
        - RRCSetup
        - RRCSetupComplete
    }

    entity "RRC_Connection_Reestablishment\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.7]" as RRC_Connection_Reestablishment <<function>> {
        - RRCReestablishmentRequest
        - RRCReestablishment
    }

    entity "RRC_Connection_Release\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.9]" as RRC_Connection_Release <<function>> {
        - RRCRelease
    }

    entity "Bearer_Management\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.5]" as Bearer_Management <<function>> {
        - Setup/Modify/Release DRBs
        - SRB Management
    }

    entity "Mobility_Management\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.5]" as Mobility_Management <<function>> {
        - Handover
        - Cell Reselection
        - MRO
    }

    entity "Measurement_Control\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.5]" as Measurement_Control <<function>> {
        - Measurement Configuration
        - Measurement Reporting
    }

    entity "Resource_Allocation\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.5]" as Resource_Allocation<<function>> {
        - Dynamic Scheduling
        - Admission Control
    }

    entity "Layer_Config\n[3GPP TS 38.331 - Section 5.3.5]" as Layer_Config <<function>> {
        - Configure PHY
        - Configure MAC/RLC/PDCP/SDAP
    }
}

package "UE State Management" #LightGreen {
    entity RRC_IDLE
    entity RRC_INACTIVE
    entity RRC_CONNECTED
}

package "Measurement Parameters" #LightYellow {
    entity RSRP
    entity RSRQ
    entity SINR
}

package "Lower Layers" #MistyRose {
    entity PHY <<layer>> {
        - Beam Management
        - SSB, PDSCH/PUSCH Config
    }

    entity MAC <<layer>> {
        - Logical Channel Priorities
        - BSR, Scheduling Config
    }

    entity RLC <<layer>> {
        - AM/UM/TM Mode
        - Timers and Reordering
    }

    entity PDCP <<layer>> {
        - Header Compression &#40;ROHC&#41;
        - Integrity Protection
    }

    entity SDAP <<layer>> {
        - QoS Flow Mapping
        - Reflective QoS
    }
}

' State Transitions
RRC_Connection_Setup -u-> RRC_CONNECTED #red: <color #red>Transition after setup
RRC_Connection_Release -u-> RRC_IDLE#red: <color #red>Transition after release
RRC_Connection_Reestablishment -u-> RRC_CONNECTED #red: <color #red>Reestablish after failure

' Measurements
Measurement_Control --> RSRP #blue: <color #blue>Used for signal strength
Measurement_Control --> RSRQ #blue: <color #blue>Used for signal quality
Measurement_Control --> SINR #blue: <color #blue>Used for interference assessment

' Mobility and State
Mobility_Management --> Measurement_Control : "Uses measurement reports"
Mobility_Management -u-> RRC_IDLE #red: <color #red>Cell reselection in idle
Mobility_Management -u-> RRC_INACTIVE #red: <color #red>Cell reselection in inactive
Mobility_Management --u> RRC_CONNECTED #red: <color #red>Handles handover

' Bearer and Resource Management
Bearer_Management -u-> RRC_CONNECTED #red: <color #red>Manages DRBs in connected state
Resource_Allocation -u-> Bearer_Management : "Allocates resources to bearers"

' Layer Configuration
Layer_Config -u-> PHY #green: <color #green>Configure physical layer parameters
Layer_Config -u-> MAC #green: <color #green>Configure logical channels, BSR
Layer_Config -u-> RLC #green: <color #green>Configure mode, timers
Layer_Config -u-> PDCP #green: <color #green>Configure security, compression
Layer_Config -u-> SDAP #green: <color #green>Configure QoS flow mapping

@enduml

```
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title RRC Layer Sample Sequence Diagram

participant "UE RRC" as UE_RRC #lightblue
participant "UE PDCP" as UE_PDCP #lightblue
participant "gNB PDCP" as gNB_PDCP #lightgreen
participant "gNB RRC" as gNB_RRC #lightgreen

== 1. RRC Connection Establishment ==

note over UE_RRC : UE initiates connection establishment
UE_RRC -> UE_PDCP : RRCSetupRequest message
UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP #red: <color #red>Transmit RRCSetupRequest \n<color #red>(via RLC/MAC/PHY)

gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver RRCSetupRequest
note right of gNB_RRC : Process connection request\nPerform initial configuration\nRadio admission control
gNB_RRC -> gNB_RRC : Allocate resources for UE
gNB_RRC -> gNB_RRC : Configure lower layers
gNB_RRC -> gNB_PDCP : RRCSetup message

gNB_PDCP -[#red]> UE_PDCP : <color #red>Transmit RRCSetup \n<color #red>(via RLC/MAC/PHY)
UE_PDCP -> UE_RRC : Deliver RRCSetup

UE_RRC -> UE_RRC : Process RRCSetup configuration
UE_RRC -> UE_RRC : Configure lower layers
UE_RRC -> UE_PDCP : RRCSetupComplete message
UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit RRCSetupComplete

gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver RRCSetupComplete
note over gNB_RRC : RRC connection established\nProceed to authentication and authorization

== 2. Authentication and Authorization ==

gNB_RRC -> gNB_PDCP : SecurityModeCommand
gNB_PDCP -[#red]> UE_PDCP : <color #red>Transmit SecurityModeCommand
UE_PDCP -> UE_RRC : Deliver SecurityModeCommand

UE_RRC -> UE_RRC : Configure security parameters
UE_RRC -> UE_RRC : Enable encryption and integrity protection
UE_RRC -> UE_PDCP : SecurityModeComplete
UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit SecurityModeComplete

gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver SecurityModeComplete
note over gNB_RRC : Security context established

== 3. Radio Bearer Control ==

gNB_RRC -> gNB_RRC : Determine radio bearer requirements
gNB_RRC -> gNB_PDCP : RRCReconfiguration (Bearer Setup)
gNB_PDCP -[#red]> UE_PDCP : <color #red>Transmit RRCReconfiguration

UE_PDCP -> UE_RRC : Deliver RRCReconfiguration
UE_RRC -> UE_RRC : Configure data radio bearers (DRB)
UE_RRC -> UE_RRC : Configure PDCP/RLC/MAC parameters
UE_RRC -> UE_PDCP : Configure PDCP entity
note right of UE_RRC : Lower layer configuration completed

UE_RRC -> UE_PDCP : RRCReconfigurationComplete
UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit RRCReconfigurationComplete
gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver RRCReconfigurationComplete

note over gNB_RRC : Radio bearers established\nDynamic resource allocation active

== 4. Measurement Configuration and Control ==

gNB_RRC -> gNB_RRC : Configure measurement parameters
gNB_RRC -> gNB_PDCP : RRCReconfiguration (Measurement Config)
note right of gNB_RRC : Configure intra-frequency, inter-frequency,\nand inter-RAT measurements

gNB_PDCP -[#red]> UE_PDCP : <color #red>Transmit RRCReconfiguration
UE_PDCP -> UE_RRC : Deliver RRCReconfiguration

UE_RRC -> UE_RRC : Configure measurement objects
UE_RRC -> UE_RRC : Configure reporting criteria (periodic/event-triggered)
UE_RRC -> UE_RRC : Start DL signal measurements (RSRP, RSRQ)
UE_RRC -> UE_PDCP : RRCReconfigurationComplete

UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit RRCReconfigurationComplete
gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver RRCReconfigurationComplete

== 5. Measurement Reporting ==

loop Measurement Reporting
    UE_RRC -> UE_RRC : Perform signal quality measurements
    UE_RRC -> UE_RRC : Evaluate reporting criteria
    
    alt Event-triggered reporting
        UE_RRC -> UE_RRC : Measurement event detected
        UE_RRC -> UE_PDCP : MeasurementReport (Event-triggered)
        UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit MeasurementReport
        gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver MeasurementReport
        note right of gNB_RRC : Process measurement results\nEvaluate handover necessity
    else Periodic reporting
        UE_RRC -> UE_PDCP : MeasurementReport (Periodic)
        UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit MeasurementReport
        gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver MeasurementReport
        note right of gNB_RRC : Monitor radio conditions\nUpdate network optimization
    end
end

== 6. Handover Management ==

note over gNB_RRC : Handover decision based on\nmeasurement reports and MRO
gNB_RRC -> gNB_RRC : Initiate handover preparation
gNB_RRC -> gNB_PDCP : RRCReconfiguration (Handover Command)
note right of gNB_RRC : Include target cell configuration\nSecurity key update

gNB_PDCP -[#red]> UE_PDCP : <color #red>Transmit RRCReconfiguration
UE_PDCP -> UE_RRC : Deliver RRCReconfiguration

UE_RRC -> UE_RRC : Process handover command
UE_RRC -> UE_RRC : Configure target cell parameters
UE_RRC -> UE_RRC : Synchronize to target cell
note right of UE_RRC : Handover execution\nConnect to target gNB

UE_RRC -> UE_PDCP : RRCReconfigurationComplete (to target gNB)
note over UE_RRC, gNB_RRC : Handover completed\nMobility Robustness Optimization (MRO) applied

== 7. RRC Connection Re-establishment ==

note over UE_RRC : Connection failure detected\nRadio link failure recovery

UE_RRC -> UE_RRC : Cell selection for re-establishment
UE_RRC -> UE_PDCP : RRCReestablishmentRequest
UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit RRCReestablishmentRequest

gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver RRCReestablishmentRequest
gNB_RRC -> gNB_RRC : Verify UE context and security
gNB_RRC -> gNB_RRC : Restore UE configuration
gNB_RRC -> gNB_PDCP : RRCReestablishment

gNB_PDCP -[#red]> UE_PDCP : <color #red>Transmit RRCReestablishment
UE_PDCP -> UE_RRC : Deliver RRCReestablishment

UE_RRC -> UE_RRC : Resume suspended configuration
UE_RRC -> UE_PDCP : RRCReestablishmentComplete
UE_PDCP -[#red]> gNB_PDCP : <color #red>Transmit RRCReestablishmentComplete

gNB_PDCP -> gNB_RRC : Deliver RRCReestablishmentComplete
note over gNB_RRC : Connection re-established\nData transmission resumed

== 8. RRC Connection Release ==

gNB_RRC -> gNB_RRC : Determine connection release necessity
gNB_RRC -> gNB_PDCP : RRCRelease message
gNB_PDCP -[#red]> UE_PDCP : <color #red>Transmit RRCRelease

UE_PDCP -> UE_RRC : Deliver RRCRelease
UE_RRC -> UE_RRC : Release radio bearers
UE_RRC -> UE_RRC : Reset lower layer configurations
UE_RRC -> UE_RRC : Enter RRC_IDLE state
note right of UE_RRC : Begin cell selection and reselection\nMonitor RSRP/RSRQ for cell reselection

note over UE_RRC, gNB_RRC : RRC connection released\nUE ready for cell reselection in IDLE state

@enduml
```
このシーケンス図は、RRC層の主要な機能を包括的に示しています：

1. RRC接続確立: RRCSetupRequest/RRCSetupによる初期接続手順
2. 認証・承認: SecurityModeCommandによるセキュリティコンテキスト確立
3. 無線ベアラ制御: DRBの設定とPDCP/RLC/MACパラメータの構成
4. 測定制御: 周波数内・周波数間・RAT間測定の設定
5. 測定報告: 定期的およびイベントトリガー報告メカニズム
6. ハンドオーバー管理: 測定結果に基づくハンドオーバー実行とMRO
7. RRC接続再確立: 障害後の接続回復手順
8. RRC接続解放: リソース解放とRRC_IDLE状態への移行

この図は、RRC層が無線インターフェースのシグナリング要として、初期接続からモビリティ管理、リソース割り当てまでシームレスなユーザーエクスペリエンスを保証する様子を詳細に表現しています。
### 5.2. NAS（Non-Access Stratum）層

NAS層は、登録や位置更新などのモビリティ管理手順を処理します [6]。ネットワーク登録、認証、セキュリティ、およびモビリティ管理を扱います [9]。登録プロセスはLTEアタッチに似ています [42]。これには、登録要求、認証、セキュリティ設定、登録受け入れが含まれます [35]。CM-IDLE状態での接続確立には、サービス要求手順が使用されます [44]。位置更新手順は、モビリティ管理に含まれます（暗黙的に）。

セッション管理手順は、PDUセッションの確立と管理に焦点を当てています。NAS層は、UEとデータネットワーク間の論理接続であるPDUセッションを管理します [47]。これはLTEのPDNセットアップと同等です [48]。PDUセッション確立要求と受け入れが含まれます [35]。さまざまなPDUセッションタイプ（IPv4、IPv6、イーサネット、非構造化）がサポートされています [47]。5GSM（5Gセッション管理）は、すべてのPDUセッション手順を処理します [49]。

NAS層はRANの上に位置し、UEとコアネットワーク間のシグナリングを処理します。ユーザー認証、異なるトラッキングエリア間のモビリティ、およびデータ接続のためのPDUセッションの確立と維持などの重要な側面を管理します。NASをRRCから分離することで、アクセスネットワークとコアネットワーク間の柔軟性と独立性が向上します。
```plantuml
@startuml NAS Layer Architecture
left to right direction
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title NAS (Non-Access Stratum) Layer Architecture

' Color definitions
skinparam package {
  BackgroundColor<<MobilityManagement>> LightBlue
  BorderColor<<MobilityManagement>> Blue
  BackgroundColor<<SessionManagement>> LightGreen
  BorderColor<<SessionManagement>> Green
  BackgroundColor<<SecurityManagement>> LightYellow
  BorderColor<<SecurityManagement>> Yellow
  BackgroundColor<<NetworkEntities>> LightGray
  BorderColor<<NetworkEntities>> Gray
}

' Network Entities Package
package "Network Entities" <<NetworkEntities>> {
  entity "UE" as ue
  entity "Core Network" as core
  entity "RAN" as ran
  
  ue <--> ran : "communicates via access stratum"
  ran <--> core : "forwards NAS messages"
  ue <--> core : "communicates via NAS"
}

' Mobility Management Package
package "Mobility Management (5GMM)" <<MobilityManagement>> {
  entity "Registration" as registration {
    - [TS 24.501 - Section 4.2.2, 4.11]
  }
  entity "Authentication" as auth {
    - [TS 24.501 - Section 4.4]
  }
  entity "Security Setup" as security {
    - [TS 24.501 - Section 4.4.4]
  }
  entity "Registration Accept" as regAccept {
    - [TS 24.501 - Section 4.2.2.2]
  }
  entity "Service Request" as serviceReq {
    - [TS 24.501 - Section 4.3.2]
  }
  entity "Location Update" as locationUpdate {
    - [TS 24.501 - Section 4.11]
  }
  entity "CM-IDLE State" as cmIdle {
    - [TS 24.501 - Section 5.1.3.1]
  }
  entity "CM-CONNECTED State" as cmConnected {
    - [TS 24.501 - Section 5.1.3.2]
  }
  
  registration --> auth : "triggers"
  auth -r-> security : "establishes"
  security -r-> regAccept : "enables"
  cmIdle -r-> serviceReq : "initiates when service needed"
  serviceReq --> cmConnected : "transitions to"
  cmConnected -l-> cmIdle : "transitions to when inactive"
  cmConnected -r-> locationUpdate : "performs implicitly"

note bottom of registration : "Similar to LTE Attach"

}

' Session Management Package
package "Session Management (5GSM)" <<SessionManagement>> {
  entity "PDU Session Establishment" as pduEstablish {
    - [TS 24.501 - Section 4.3.2]
  }
  entity "PDU Session Request" as pduReq {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.1]
  }
  entity "PDU Session Accept" as pduAccept {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.2]
  }
  entity "IPv4 Session" as ipv4 {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.1.2]
  }
  entity "IPv6 Session" as ipv6 {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.1.2]
  }
  entity "Ethernet Session" as ethernet {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.1.2]
  }
  entity "Unstructured Session" as unstructured {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.1.2]
  }
  entity "Session Modification" as sessionMod {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.3]
  }
  entity "Session Release" as sessionRelease {
    - [TS 24.501 - Section 6.2.4]
  }
  
  pduEstablish --> pduReq : "starts with"
  pduReq --> pduAccept : "completed by"
  pduEstablish -l-> ipv4 : "creates"
  pduEstablish -r-> ipv6 : "creates"
  pduEstablish --> ethernet : "creates"
  pduEstablish --> unstructured : "creates"
  pduEstablish <--> sessionMod : "may undergo"
  pduEstablish <--> sessionRelease : "terminates with"
note bottom of pduEstablish : "Equivalent to LTE PDN Setup"

}

' Security Management Package
package "Security Management" <<SecurityManagement>> {
  entity "NAS Encryption" as nasEncryption {
    - [TS 33.501 - Section 6.3.2]
  }
  entity "NAS Integrity Protection" as nasIntegrity {
    - [TS 33.501 - Section 6.3.1]
  }
  entity "Security Mode Command" as securityModeCmd {
    - [TS 24.501 - Section 4.4.4]
  }
  entity "Security Mode Complete" as securityModeComplete {
    - [TS 24.501 - Section 4.4.4]
  }
  
  nasEncryption <-l-> nasIntegrity : "works with"
  securityModeCmd -r-> securityModeComplete : "acknowledged by"
  security --> securityModeCmd : "implemented via"
}

' Relationships between packages
ue -r-> registration : "initiates"
core -l-> regAccept : "sends"
registration -r-> pduEstablish : "enables"
auth --> nasEncryption : "establishes keys for"
auth --> nasIntegrity : "establishes keys for"

' Relationship between NAS and other layers
entity "RRC Layer" as rrc
entity "Data Networks" as dataNetworks

ran --> rrc : "includes"
rrc --> ue : "transports NAS messages to"
rrc --> core : "transports NAS messages to"
pduEstablish --> dataNetworks : "connects UE to"

@enduml

```
```plantuml
@startuml NAS Layer Sequence Diagram

skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title 5G NAS Layer Interactions Between UE, RAN, CN, and DN

participant "UE" as UE #lightblue
participant "RAN" as RAN #pink
participant "Core Network (CN)" as CN #lightgreen
participant "Data Network (DN)" as DN #orange

note over UE, CN: Mobility Management (5GMM) Procedures

== Initial Registration Procedure ==

UE -> RAN: RRC Connection Request
RAN -> UE: RRC Connection Setup
UE -> RAN: RRC Connection Setup Complete\n(with NAS Registration Request)
RAN -> CN: NAS Registration Request
CN -> CN: Authentication procedure initiated
CN -> RAN: Authentication Request
RAN -> UE: Authentication Request
UE -> RAN: Authentication Response
RAN -> CN: Authentication Response
CN -> CN: Authentication verification

CN -> RAN: Security Mode Command
RAN -> UE: Security Mode Command
UE -> UE: Apply NAS security
UE -> RAN: Security Mode Complete
RAN -> CN: Security Mode Complete

CN -> CN: Registration processing
CN -> RAN: Registration Accept
RAN -> UE: Registration Accept
UE -> RAN: Registration Complete
RAN -> CN: Registration Complete

== Transition to CM-CONNECTED ==

UE -> UE: Enters CM-CONNECTED state

== PDU Session Establishment (5GSM) ==

note over UE, DN: Session Management (5GSM) Procedures

UE -> RAN: PDU Session Establishment Request
RAN -> CN: PDU Session Establishment Request
CN -> CN: Policy checking,\nIP address allocation
CN -> DN: Session establishment with DN
DN -> CN: Session established
CN -> RAN: PDU Session Establishment Accept
RAN -> UE: PDU Session Establishment Accept

== Data Transfer ==

UE <--> RAN: User data transfer
RAN <--> CN: User data transfer
CN <--> DN: User data transfer

== Service Request (From CM-IDLE) ==

note over UE, CN: When UE is in CM-IDLE state and needs to send/receive data

UE -> UE: CM-IDLE state
UE -> RAN: RRC Connection Request
RAN -> UE: RRC Connection Setup
UE -> RAN: Service Request
RAN -> CN: Service Request
CN -> CN: Context retrieval
CN -> RAN: Service Accept
RAN -> UE: Service Accept
UE -> UE: Transitions to CM-CONNECTED

== Mobility Registration Update ==

UE -> UE: Detects tracking area change
UE -> RAN: RRC Connection Request
RAN -> UE: RRC Connection Setup
UE -> RAN: RRC Connection Setup Complete\n(with Registration Request [Update])
RAN -> CN: Registration Request [Mobility Update]
CN -> CN: Update location information
CN -> RAN: Registration Accept
RAN -> UE: Registration Accept
UE -> RAN: Registration Complete
RAN -> CN: Registration Complete

== PDU Session Release ==

UE -> RAN: PDU Session Release Request
RAN -> CN: PDU Session Release Request
CN -> DN: Release data connection
DN -> CN: Connection released
CN -> RAN: PDU Session Release Accept
RAN -> UE: PDU Session Release Accept

== Transition to CM-IDLE ==

note right of UE: After inactivity timer expires
CN -> RAN: Release Connection
RAN -> UE: RRC Release
UE -> UE: Enters CM-IDLE state

@enduml
```
---

## 6. 高性能・高機能な機能の影響

### 6.1. キャリアアグリゲーション（CA）

異なる周波数帯域の複数のキャリア（コンポーネントキャリア）をアグリゲートする方法は、UE-gNBインターフェースに影響を与えます [7]。キャリアアグリゲーションは、より高いピークデータレートと増加したセルカバレッジのために複数の周波数帯域を結合します [14]。これは、5Gでマルチギガビット速度を達成するための主要な技術です [15]。高データレートの地理的な可用性を向上させることができます [15]。1つのキャリアがプライマリコンポーネントキャリア（PCC）として機能し、他はセカンダリコンポーネントキャリア（SCC）として機能します [14]。すべてのアップリンクデータと制御/ユーザーデータはPCC上にあります [14]。アグリゲートされたキャリアを構成および管理するために、UEとgNB間の調整が必要です。キャリアアグリゲーションは、5Gの高性能機能の基礎です。UEとgNBが複数の周波数帯域を同時に利用できるようにすることで、利用可能な帯域幅が大幅に増加し、特に帯域幅を大量に消費するアプリケーションで、より高いデータレートと向上したユーザーエクスペリエンスにつながります。
```plantuml
@startuml
'!theme plain
'left to right direction
skinparam titleFontSize 20
skinparam defaultFontSize 15
skinparam shadowing true
skinparam roundcorner 10

title 5G Carrier Aggregation (CA) Architecture

skinparam package {
    BackgroundColor LightBlue
    BorderColor Blue
    FontColor DarkBlue
}

skinparam entity {
    BackgroundColor LightYellow
    BorderColor Orange
    FontColor DarkRed
}

package "UE (User Equipment)" as UE_PACKAGE #LightBlue {
    entity "UE RF Frontend" as UE_RF {
        * Multiple Frequency Band Support
        * Simultaneous Reception/Transmission
        * Antenna Diversity
    }
    
    entity "UE Baseband Processing" as UE_BB {
        * Multi-Carrier Processing
        * Component Carrier Management
        * CA Configuration Management
    }
    
    entity "UE MAC Layer" as UE_MAC {
        * Multi-Carrier Scheduling
        * HARQ Management per CC
        * Buffer Status Reporting
    }
    
    entity "UE RRC Layer" as UE_RRC {
        * CA Configuration
        * CC Addition/Removal
        * Measurement Reporting
    }
}

package "gNB (Base Station)" as GNB_PACKAGE #LightGreen {
    entity "gNB RF Frontend" as GNB_RF {
        * Multi-Band Transmission
        * Power Management per CC
        * Interference Coordination
    }
    
    entity "gNB Baseband Processing" as GNB_BB {
        * Multi-Carrier Generation
        * Component Carrier Control
        * CA Resource Management
    }
    
    entity "gNB MAC Scheduler" as GNB_MAC {
        * Cross-Carrier Scheduling
        * Load Balancing across CCs
        * QoS Management per CC
    }
    
    entity "gNB RRC Controller" as GNB_RRC {
        * CA Configuration Management
        * CC Activation/Deactivation
        * Mobility with CA
    }
}

package "Component Carriers" as CC_PACKAGE #LightCoral {
    entity "Primary Component Carrier \n(PCC)" as PCC #Red {
        * Primary Cell &#40;PCell&#41;
        * All Uplink Control Signaling
        * All User/Control Data
        * Always Active
        * PUCCH Transmission
    }
    
    entity "Secondary Component Carrier 1 \n(SCC1)" as SCC1 #Orange {
        * Secondary Cell 1 &#40;SCell1&#41;
        * Additional Data Capacity
        * Downlink Focused
        * Activation/Deactivation Control
    }
    
    entity "Secondary Component Carrier 2 \n(SCC2)" as SCC2 #Pink {
        * Secondary Cell 2 (SCell2)
        * Additional Data Capacity
        * Downlink/Uplink Support
        * Dynamic Management
    }
    
    entity "Additional SCCs" as MORE_SCC #LightPink {
        * Up to 32 Component Carriers
        * Flexible Configuration
        * Band Combination Support
    }
PCC-[hidden]-SCC1
SCC1-[hidden]-SCC2
SCC2-[hidden]-MORE_SCC
}

package "CA Benefits & Features" as BENEFITS_PACKAGE #LightGray {
    entity "Performance Enhancement" as PERFORMANCE {
        * Higher Peak Data Rates
        * Multi-Gigabit 5G Speeds
        * Increased Cell Coverage
        * Improved Geographic Availability
    }
    
    entity "Resource Management" as RESOURCE_MGT {
        * Bandwidth Aggregation
        * Load Distribution
        * Interference Management
        * Spectrum Efficiency
    }
    
    entity "Application Support" as APP_SUPPORT {
        * Bandwidth-Intensive Applications
        * Enhanced User Experience
        * High-Performance 5G Services
        * Mission-Critical Communications
    }
RESOURCE_MGT-[hidden]r-PERFORMANCE
PERFORMANCE-[hidden]r-APP_SUPPORT
}

' UE Internal Connections
UE_RF <--> UE_BB : "Multi-band RF Processing"
UE_BB <--> UE_MAC : "Multi-carrier Data Flow"
UE_MAC <--> UE_RRC : "CA Control Signaling"

' gNB Internal Connections
GNB_RF <--> GNB_BB : "Multi-band RF Control"
GNB_BB <--> GNB_MAC : "Multi-carrier Resource Allocation"
GNB_MAC <--> GNB_RRC : "CA Management Coordination"

' UE-gNB Air Interface Connections
UE_RF <-r-> GNB_RF : "Multi-Carrier Radio Interface\n(Simultaneous Transmission)"
UE_MAC <-r-> GNB_MAC : "Cross-Carrier Scheduling\nand HARQ Management"
UE_RRC <-r-> GNB_RRC : "CA Configuration\nand Control Signaling"

' Component Carrier Connections
PCC <-l-> UE_MAC : "Primary Control Channel\n(PUCCH/PDCCH)"
PCC <-r-> GNB_MAC : "All Uplink Control\nand Data Transmission"

SCC1 <-l-> UE_MAC : "Additional Data Channel\n(Activation Controlled)"
SCC1 <-r-> GNB_MAC : "Secondary Data Path\n(Downlink Focused)"

SCC2 <-l-> UE_MAC : "Bidirectional Data Channel\n(Dynamic Management)"
SCC2 <-r-> GNB_MAC : "Flexible Resource\nAllocation"

MORE_SCC <-l-> UE_MAC : "Extended Carrier Support\n(Up to 32 CCs)"
MORE_SCC <-r-> GNB_MAC : "Massive Bandwidth\nAggregation"

' CA Coordination between UE and gNB
UE_PACKAGE <-r-> GNB_PACKAGE : "CA Coordination\nand Management"

' Benefits Connections
CC_PACKAGE -u-> PERFORMANCE : "Enables High Data Rates\nand Extended Coverage"
UE_PACKAGE -u-> RESOURCE_MGT : "Efficient Multi-Band\nUtilization"
GNB_PACKAGE -u-> RESOURCE_MGT : "Intelligent Resource\nAllocation"
PERFORMANCE --> APP_SUPPORT : "Supports Bandwidth-Intensive\n5G Applications"

note top of PCC : Primary Component Carrier\n- Always Active\n- Carries All Control Signaling\n- Main Communication Path
note bottom of SCC1 : Secondary Component Carriers\n- Can be Activated/Deactivated\n- Provide Additional Capacity\n- Enhance Overall Performance

note top of CC_PACKAGE : Component Carriers aggregate different\nfrequency bands to achieve\nmulti-gigabit 5G speeds

note top of BENEFITS_PACKAGE : CA is fundamental technology for\nhigh-performance 5G capabilities\nand enhanced user experience

@enduml
```
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
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title Carrier Aggregation (CA) Sequence Diagram

participant UE_RRC     #lightblue
participant UE_MAC     #lightblue
participant UE_PHY     #lightblue
participant gNB_PHY    #lightgreen
participant gNB_MAC    #lightgreen
participant gNB_RRC    #lightgreen

== 1. RRC Connection Setup (PCell) ==
UE_RRC -> gNB_RRC : RRCSetupRequest
gNB_RRC -> gNB_RRC : generate RRCSetup message \n(includes PCell config)
gNB_RRC -> UE_RRC : RRCSetup\n(note: PCell = Primary CC)
UE_RRC -> gNB_RRC : RRCSetupComplete

== 2. CA Capability Exchange ==
UE_RRC -> gNB_RRC : UE CA Capability IE  
note right of UE_RRC : lists supported bands & max CC
gNB_RRC -> gNB_RRC : evaluate CA options
gNB_RRC -> UE_RRC : RRCReconfiguration\n(includes CA configuration decision)

== 3. Secondary Cell (SCell) Addition ==
gNB_RRC -> UE_RRC : RRCReconfiguration\n(SCellToAddModList IE)
note left of gNB_RRC: contains SCell frequency & parameters
UE_RRC -> UE_MAC : apply RRC config
UE_MAC -> gNB_MAC : MAC CE: Activate SCell\n(note: activation on SCell frequency)
gNB_MAC -> gNB_PHY : configure SCell PHY parameters
note right of gNB_PHY : SCell transmission activated

== 4. Downlink Data Transmission with CA ==
gNB_MAC -> gNB_PHY : schedule DCI on PCell\n(for PCell & SCell scheduling)
gNB_PHY -> UE_PHY : transmit PDCCH/DCI on PCell
note right of UE_PHY : PCell carries control for all CCs
UE_PHY -> UE_MAC : decode DCI → schedule PDSCH on PCell & SCell
gNB_PHY -> UE_PHY : transmit PDSCH on PCell
gNB_PHY -> UE_PHY : transmit PDSCH on SCell
UE_PHY -> UE_MAC : deliver DL data from all CCs

== 5. Uplink Data Transmission with CA ==
gNB_MAC -> gNB_PHY : schedule UL grant in DCI on PCell
gNB_PHY -> UE_PHY : transmit PDCCH (UL grant) on PCell
UE_PHY -> UE_MAC : decode UL grant → schedule PUSCH on PCell & SCell
UE_MAC -> UE_PHY : transmit PUSCH on PCell
UE_MAC -> UE_PHY : transmit PUSCH on SCell
UE_PHY -> gNB_PHY : receive UL data on both carriers
gNB_PHY -> gNB_MAC : deliver UL data to MAC

== 6. Dynamic CA Management (Optional) ==
loop monitor & adjust CA
    gNB_MAC -> gNB_RRC : report carrier load & performance
    gNB_RRC -> UE_RRC : RRCReconfiguration\n(add/remove SCell)
    UE_RRC -> UE_MAC : apply new RRC config
    UE_MAC -> gNB_MAC : MAC CE: Activate/Deactivate SCell
end

@enduml
```
### 6.2. デュアルコネクティビティ（DC）

2つの異なるgNB（またはEN-DCではeNBとgNB）への同時接続がインターフェースにどのように影響するかを説明します [1]。デュアルコネクティビティにより、UEは2つの異なるNRセル（gNB）に同時に接続できます（NR-DC）[52]。gNB（5G）とeNB（LTE）（EN-DC、MR-DC）の両方への接続も可能です [1]。マスターノード（MN）とセカンダリノード（SN）があります [1]。複数のセルからのリソースを利用することにより、スループット、遅延、および信頼性が向上します。MNが全体的なRRC状態を維持するスプリットコントロールプレーンがあります [52]。UEとセカンダリノード間のシグナリングはSRB3を介して行われます [53]。デュアルコネクティビティは、複数の基地局のリソースをUEが活用できるようにすることで、ネットワークのパフォーマンスと堅牢性を向上させます。これは、高い信頼性または異なるネットワークレイヤーや周波数間のシームレスなモビリティを必要とするシナリオで特に有益です。
```plantuml
@startuml
'!theme plain
'left to right direction
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title Dual Connectivity (DC) Architecture

package "Core Network" #lightblue {
    entity "5G Core \n(5GC)" as Core5G #lightcyan
    entity "EPC \n(4G Core)" as CoreEPC #lightcyan
}

package "Radio Access Network" #lightgreen {
    package "Master Node (MN)" #orange {
        entity "gNB \n(5G Base Station)" as MN_gNB #lightyellow
        entity "eNB \n(LTE Base Station)" as MN_eNB #lightyellow
    }
    
    package "Secondary Node (SN)" #pink {
        entity "gNB \n(5G Base Station)" as SN_gNB #lightpink
        entity "eNB \n(LTE Base Station)" as SN_eNB #lightpink
    }
note left of "Master Node (MN)" : "MN maintains overall\nRRC state and control"
note right of "Secondary Node (SN)" : "SN provides additional\nresources and capacity"
}

package "User Equipment" #lightgray {
    entity "UE \n(Mobile Device)" as UE #white
}

package "Control Plane Interfaces" #lavender {
    entity "RRC Connection" as RRC #cyan
    entity "SRB3 Signaling" as SRB3 #cyan
}

package "Data Plane Resources" #lightsteelblue {
    entity "NR Cell Resources" as NR_Resources #lightsteelblue
    entity "LTE Cell Resources" as LTE_Resources #lightsteelblue
    entity "Multiple Frequency Bands" as FreqBands #lightsteelblue
}

' Master Node connections
UE <--> MN_gNB : "Primary RRC Connection\n(NR-DC, EN-DC)"
UE <--> MN_eNB : "Primary RRC Connection\n(MR-DC)"
MN_gNB --> Core5G : "Control Plane\n(RRC State Management)"
MN_eNB --> CoreEPC : "Control Plane\n(RRC State Management)"

' Secondary Node connections
UE <--> SN_gNB : "Secondary Connection\n(Additional Resources)"
UE <--> SN_eNB : "Secondary Connection\n(Additional Resources)"
SN_gNB --> Core5G : "User Plane\n(Data Resources)"
SN_eNB --> CoreEPC : "User Plane\n(Data Resources)"

' Inter-node connections
MN_gNB <--> SN_gNB : "X2/Xn Interface\n(Coordination & Handover)"
MN_eNB <--> SN_eNB : "X2 Interface\n(Coordination & Handover)"
MN_gNB <--> SN_eNB : "X2 Interface\n(EN-DC Coordination)"
MN_eNB <--> SN_gNB : "X2 Interface\n(MR-DC Coordination)"

' Control Plane Management
RRC --> MN_gNB : "Overall RRC State\n(Split C-Plane)"
RRC --> MN_eNB : "Overall RRC State\n(Split C-Plane)"
UE <--> SRB3 : "Direct Signaling\n(UE to SN Communication)"
SRB3 <--> SN_gNB : "Secondary Node\nSignaling"
SRB3 <--> SN_eNB : "Secondary Node\nSignaling"

' Resource Utilization
UE <-u-> NR_Resources : "Simultaneous Access\n(Improved Throughput)"
UE <-u-> LTE_Resources : "Simultaneous Access\n(Enhanced Reliability)"
UE <-u-> FreqBands : "Multi-Band Connectivity\n(Seamless Mobility)"

' Performance Benefits
NR_Resources --> UE : "High Speed Data\n(Low Latency)"
LTE_Resources --> UE : "Coverage & Reliability\n(Mobility Support)"
FreqBands --> UE : "Network Robustness\n(Layer Diversity)"

note top of UE : "Dual Connectivity enables:\n• Improved Throughput\n• Reduced Latency\n• Enhanced Reliability\n• Seamless Mobility"
@enduml
```
```plantuml
@startuml
'!theme plain
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title Dual Connectivity (DC) Establishment and Operation Sequence

participant "UE" as UE #lightblue
participant "Master Node (MN)\ngNB/eNB" as MN #orange
participant "Secondary Node (SN)\ngNB/eNB" as SN #pink
participant "5G Core/EPC" as Core #LightGreen

== Initial Connection ==
UE -> MN : RRC Connection Request
MN -> Core : Initial UE Context
Core -> MN : UE Context Response
MN -> UE : RRC Connection Setup
note right of MN : MN maintains overall\nRRC state (Split C-Plane)

== DC Configuration Decision ==
MN -> MN : Evaluate DC need\n(Throughput, Reliability)
MN -> SN : SN Addition Request\n(X2/Xn Interface)
SN -> MN : SN Addition Response\n(Available resources)

== Secondary Node Setup ==
MN -> UE : RRC Reconfiguration\n(Add SN configuration)
UE -> UE : Configure SN parameters
UE -> MN : RRC Reconfiguration Complete

== SRB3 Establishment ==
MN -> UE : SRB3 Configuration
UE -> SN : SRB3 Setup Request
SN -> UE : SRB3 Setup Response
note right of UE : Direct signaling between\nUE and SN via SRB3

== Dual Connectivity Operation ==
group NR-DC (Two gNBs)
    UE <-> MN : Primary NR Cell Connection\n(Control + Data)
    UE <-> SN : Secondary NR Cell Connection\n(Additional Data)
end

group EN-DC (eNB + gNB)
    UE <-> MN : LTE Connection (Control)
    UE <-> SN : 5G NR Connection (High-speed Data)
end

group MR-DC (gNB + eNB)
    UE <-> MN : 5G NR Connection (Control)
    UE <-> SN : LTE Connection (Coverage)
end

== Resource Coordination ==
MN <-> SN : Resource Coordination\n(X2/Xn Interface)
MN -> Core : Aggregated Resource Reports
SN -> Core : Secondary Path Data

== Enhanced Performance ==
UE <-> MN : Simultaneous Data Transfer\n(Improved Throughput)
UE <-> SN : Simultaneous Data Transfer\n(Reduced Latency)
note over UE, SN : Multiple cell resources\nprovide enhanced reliability

== Mobility Management ==
group Seamless Handover
    MN -> SN : Handover Preparation
    SN -> MN : Handover Response
    MN -> UE : Mobility Command
    UE -> SN : Handover Complete
    SN -> MN : Handover Success
end

== SN Signaling via SRB3 ==
UE -> SN : Direct RRC Messages\n(via SRB3)
SN -> UE : SN-specific Configuration\n(via SRB3)
note right of SN : SN can directly signal\nUE without MN involvement

== Performance Benefits ==
note over UE, Core : DC Benefits:\n• Higher Throughput\n• Lower Latency\n• Improved Reliability\n• Seamless Mobility\n• Network Robustness

== Connection Release ==
MN -> SN : SN Release Request
SN -> MN : SN Release Response
MN -> UE : RRC Reconfiguration\n(Remove SN)
UE -> MN : RRC Reconfiguration Complete

@enduml
```

### 6.3. ネットワークスライシング

ネットワークスライシングが、多様なサービス要件をサポートするためにUE-gNBインターフェースでどのように実装されるかについて説明します [7]。ネットワークスライシングにより、複数の論理ネットワーク（スライス）が同じ物理インフラストラクチャ上で同時に動作できます [57]。各スライスは、特定のサービス要件（eMBB、URLLC、mMTC）に合わせて調整できます [3]。UEは、登録中に特定のスライス（NSSAI）を要求します [42]。AMFとNSSFは、UEを適切なスライスに割り当てるために連携します [57]。PDUセッションは特定のスライスにマッピングされます [57]。PDUセッション内のQoSフローは、スライスに関連付けることができます [57]。ネットワークスライシングは、特定のサービス要件に合わせて仮想化されたエンドツーエンドネットワークを作成できる5Gの主要なアーキテクチャ機能です。UE-gNBインターフェースでは、これはUEが異なるスライスを要求および割り当てられる機能として現れ、使用されているサービスに基づいてトラフィックの差別化された処理が可能になります。
```plantuml
@startuml
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title 5G Network Slicing in UE-gNB Interface
package "User Equipment Side" #LightBlue {
    entity UE {
        +Supports NSSAI request
    }
}
package "Access Network (RAN)" #LightGreen {
    entity gNB {
        +Handles multiple Slices
        +Processes QoS flows
    }
}
package "Core Network" #MistyRose {
    entity AMF {
        +Authentication
        +Slice selection
    }

    entity NSSF {
        +Selects available slices
        +Advises AMF
    }

    entity SMF {
        +Session management
        +QoS flow mapping
    }

    entity UPF {
        +User data forwarding
        +QoS enforcement
    }
}
package "Slice Context" #Wheat {
    entity NSSAI {
        +List of desired slices
    }
    entity NetworkSlice {
        +Customized for: eMBB, URLLC, mMTC
    }
    entity PDU_Session {
        +Bound to one slice
    }
    entity QoS_Flow {
        +Mapped to slice characteristics
    }
}
' Relationships
UE --> NSSAI : "Requests NSSAI during registration"
NSSAI --> AMF : "AMF uses NSSAI to identify slice"
AMF --> NSSF : "Requests slice selection advice"
NSSF --> AMF : "Returns appropriate slice info"
AMF -l-> SMF : "Provides selected slice info"
SMF --> PDU_Session : "Establishes session per slice"
PDU_Session -l-> QoS_Flow : "Contains QoS flows"
QoS_Flow --> UPF : "Enforced and routed by UPF"
gNB -l-> UE : "Supports differentiated traffic per slice"
gNB --> PDU_Session : "Handles slice-specific sessions"
QoS_Flow -u-> gNB : "Scheduled per slice requirement"
@enduml

```
```plantuml
@startuml
skinparam titleFontSize 20
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title Network Slicing Implementation in 5G System

participant "UE" as UE #lightblue
participant "gNB (RAN)" as gNB #pink
participant "AMF" as AMF #lightgreen
participant "NSSF" as NSSF #lightgreen
participant "SMF" as SMF #lightgreen
participant "UPF" as UPF #lightgreen
participant "Data Network\n(Application)" as DN #orange

== 1. UE Registration with Slice Request ==
UE -> gNB : RRCSetupRequest
gNB -> UE : RRCSetup (includes RRC Signaling Radio Bearers)

UE -> gNB : RRC(RegistrationRequest[NAS N1]\nRequested NSSAI)
note right of UE : UE requests specific slice(s)\nS-NSSAI for eMBB/URLLC/mMTC
gNB -> AMF : NGAP:N2 RegistrationRequest\n(NAS-in-N2)  

== 2. Network Slice Selection ==
AMF -> NSSF : N11 SliceSelectionRequest\n(UE subscription + NSSAI)
NSSF -> NSSF : Evaluate candidate slices
NSSF -> AMF : N11 SliceSelectionResponse\n(Allowed NSSAI)

AMF -> gNB : NGAP:N2 RegistrationAccept\n(NAS-in-N2 Allowed NSSAI)
gNB -> UE : RRC(RegistrationAccept[NAS N1]\nAllowed NSSAI)
note right of AMF : AMF+NSSF collaborate to\nassign appropriate slice(s)

== 3. PDU Session Establishment ==
group eMBB Slice
    UE -> gNB : RRC(PDUSessionRequest[NAS N1]\neMBB S-NSSAI, high throughput)
    gNB -> AMF : NGAP:N2 PDUSessionRequest\n(NAS-in-N2)
    AMF -> SMF : N11 CreateSMContextRequest\n(eMBB slice params)
    SMF -> UPF : N4 PFCP Session Establishment
    UPF -> DN : User plane path setup
    DN -> UPF : Service response (Video/Data)
    UPF -> SMF : N4 PFCP Session Response
    SMF -> AMF : N11 CreateSMContextResponse
    AMF -> gNB : NGAP:N2 PDUSessionAccept\n(NAS-in-N2)
    gNB -> UE : RRC(PDUSessionAccept[NAS N1])
end

group URLLC Slice
    UE -> gNB : RRC(PDUSessionRequest[NAS N1]\nURLLC S-NSSAI, low latency)
    gNB -> AMF : NGAP:N2 PDUSessionRequest\n(NAS-in-N2)
    AMF -> SMF : N11 CreateSMContextRequest\n(URLLLC slice params)
    SMF -> UPF : N4 PFCP Session Establishment
    UPF -> DN : User plane path setup
    DN -> UPF : Service response (Critical IoT)
    UPF -> SMF : N4 PFCP Session Response
    SMF -> AMF : N11 CreateSMContextResponse
    AMF -> gNB : NGAP:N2 PDUSessionAccept\n(NAS-in-N2)
    gNB -> UE : RRC(PDUSessionAccept[NAS N1])
end

group mMTC Slice
    UE -> gNB : RRC(PDUSessionRequest[NAS N1]\nmMTC S-NSSAI, massive connectivity)
    gNB -> AMF : NGAP:N2 PDUSessionRequest\n(NAS-in-N2)
    AMF -> SMF : N11 CreateSMContextRequest\n(mMTC slice params)
    SMF -> UPF : N4 PFCP Session Establishment
    UPF -> DN : User plane path setup
    DN -> UPF : Service response (IoT sensors)
    UPF -> SMF : N4 PFCP Session Response
    SMF -> AMF : N11 CreateSMContextResponse
    AMF -> gNB : NGAP:N2 PDUSessionAccept\n(NAS-in-N2)
    gNB -> UE : RRC(PDUSessionAccept[NAS N1])
end

== 4. QoS Flow Management within Slices ==
UE -> gNB : UL data (SDAP→PDCP→RLC→MAC→PHY)
note right of gNB : SDAP maps QFI→DRB per slice
gNB -> UPF : N3 UL Forwarding (GTP-U)

UPF -> gNB : N3 DL Forwarding (GTP-U)
gNB -> UE : DL data (PDSCH on PCell/SCell)

== 5. Slice‐based Service Delivery ==
UPF -> DN : eMBB data (video, file)
UPF -> DN : URLLC data (automation, V2X)
UPF -> DN : mMTC data (sensor telemetry)
DN -> UPF : Service responses (slice-specific)
UPF -> gNB : N3 DL Forwarding
gNB -> UE : PDSCH DL delivery (per slice QoS)

note over gNB, UPF : Same infrastructure supports\nmultiple logical slices simultaneously

== 6. Slice Modification / Release ==
UE -> gNB : RRC(SessionModificationRequest[NAS N1])
gNB -> AMF : NGAP:N2 SessionModificationRequest
AMF -> NSSF : N11 SliceSelectionRequest (re-eval)
NSSF -> AMF : N11 SliceSelectionResponse (updated NSSAI)
AMF -> SMF : N11 UpdateSMContextRequest
SMF -> UPF : N4 Update session parameters
UPF -> SMF : N4 PFCP Update Response
SMF -> AMF : N11 UpdateSMContextResponse
AMF -> gNB : NGAP:N2 SessionModificationAccept
gNB -> UE : RRC(SessionModificationAccept[NAS N1])

note over UE, DN :\n• End-to-End virtualized networks\n• Service-specific optimization\n• Efficient resource utilization\n• Differentiated service delivery\n• Multiple services on shared infrastructure

@enduml
```
### 6.4. 遅延削減と高信頼性を実現するための技術（URLLC）

超高信頼性・低遅延通信（URLLC）を達成するために重要なUE-gNBインターフェースの特定の側面を特定します [2]。目標の信頼性は最大 $10^{-6}$、遅延は0.5〜1 msです [63]。パケットおよびフレーム構造、スケジューリングスキーム、および信頼性技術を含む、無線インターフェースの変更が必要です [62]。主な課題には、処理遅延、プロトコル遅延、および無線遅延が含まれます [63]。

短い伝送時間間隔（TTI）、グラントフリートランスミッション、および冗長化メカニズムなどの技術について説明します。プロトコル遅延を削減するための短いTTI（スロット期間）[63]。低遅延構成では、FR1（6 GHz未満）で最小0.25 msのスロット期間が必要です [63]。スケジューリングオーバーヘッドを削減するためのグラントフリートランスミッション（暗黙的に示唆されています）。信頼性を高めるためのマルチスロット繰り返しとPDCP重複 [63]。スペクトル効率の低いMCS/CQIテーブル [63]。URLLCの達成には、UE-gNBインターフェースを含む、通信パス全体の慎重な最適化が必要です。短いTTI、効率的なスケジューリング、およびPHY層と上位層での冗長化メカニズムは、ミッションクリティカルなアプリケーションの厳格な遅延と信頼性の要件を満たすために不可欠です。
```plantuml
@startuml
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title URLLC Architecture: Component View

package "Low Latency Mechanisms" #LightBlue {
  entity "Short TTI\n(slot duration ~0.25ms)" as TTI
  entity "Grant-Free\nTransmission" as GFT
  entity "Efficient Scheduling" as SCH
}

package "High Reliability Mechanisms" #LightGreen {
  entity "Multi-slot\nRepetition" as MSR
  entity "PDCP Duplication" as PDCPD
  entity "Low MCS/CQI\nfor robustness" as MCS
}

package "Protocol Stack Elements" #MistyRose {
  entity "UE MAC Layer" as UE_MAC
  entity "gNB MAC Layer" as GNB_MAC
  entity "PHY Layer\n(RAN)" as PHY
  entity "PDCP Layer" as PDCP
}

TTI --> SCH : "Minimize protocol delay"
GFT --> SCH : "Reduce scheduling overhead"
SCH --> UE_MAC : "Scheduling commands"

MSR --> PHY : "Enhance transmission reliability"
PDCPD --> PDCP : "Duplicate packets across paths"
MCS --> PHY : "Use robust MCS for URLLC"

UE_MAC --> PHY : "Low latency TTI processing"
PDCP --> UE_MAC : "Provide duplicated PDUs"

@enduml

```
```plantuml
@startuml
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skinparam roundcorner 10
title URLLC Uplink Transmission (Grant-Free + Redundancy)

participant UE #LightBlue
participant RAN #LightGreen

== Packet Generation ==
UE -> UE : // Generate URLLC packet with strict latency bound //
UE -> UE : // Apply PDCP Duplication //

== Transmission ==
UE -> RAN : Transmit Packet (Grant-Free, Short TTI)
note right of UE : // Bypass grant request to reduce delay //
note left of RAN : // Receive on predefined resources //

== Redundancy ==
UE -> RAN : Transmit Repeated Packet (Multi-slot Repetition)
note right of UE : // Increase reliability by repetition //
note left of RAN : // Combine repetitions at PHY //

== Acknowledgment ==
RAN -> UE : ACK/NACK
note left of RAN : // Indicate successful reception //

@enduml
```

### 6.5. 大規模接続をサポートするための技術（mMTC）

大量マシンタイプ通信（mMTC）で多数のデバイスのサポートを可能にするインターフェースの側面について説明します [2]。mMTCは、多数の低複雑性IoTデバイス間の通信をサポートすることに重点を置いています [64]。低レートでアップリンク中心の伝送と小さなパケットデータが優先されます [3]。目標の接続密度は1 km$^2$あたり$10^6$デバイスです [7]。

電力効率の高い伝送やランダムアクセス最適化などの技術について説明します。IoTデバイスのバッテリー寿命を延ばすには、電力効率の高い伝送が不可欠です [7]。多数のデバイスが同時に接続を試みるのを処理するためのランダムアクセス最適化 [3]。低複雑性と低消費電力のためのRedCap（Reduced Capability）デバイス [60]。mMTCで多数のIoTデバイスをサポートするには、eMBBやURLLCとは異なる最適化が必要です。焦点は、エネルギー効率、高密度の接続の処理、およびアップリンクヘビートラフィックパターンの管理です。省電力モードや最適化されたランダムアクセス手順などの技術が不可欠です。

---

## 7. 一般的な大規模モバイルキャリアによる実装と最適化

主要なモバイルキャリア（例えば、ベライゾン、T-Mobile、AT&T、ボーダフォン、チャイナモバイル、NTTドコモ）の5G NR展開と最適化に関する具体的な事例と技術文書を探ります [56]。

* **ベライゾン**: 5G展開の初期段階をリードし、5Gウルトラワイドバンドの要としてミリ波（FR2）を使用しています [68]。低帯域および中帯域スペクトルでダイナミックスペクトル共有（DSS）を使用しています [61]。ネットワーク設計の中心要素としてセキュリティに重点を置いています [59]。ネットワーク仮想化（ネットワークスライシング）を活用しています [59]。当初はノンスタンドアロン（NSA）5Gを展開し、スタンドアロン（SA）に移行しています [59]。
* **T-Mobile**: スタンドアロン（SA）アーキテクチャに基づく全国的な5G Advancedネットワークを構築しました [60]。より高速な速度のためにキャリアアグリゲーションを利用しています [50]。特定のイベントでネットワークスライシングを成功裏に使用しました [60]。ネットワーク最適化のために省電力機能とAI/MLに重点を置いています [60]。2.5 GHzおよびミリ波スペクトルを使用したウルトラキャパシティ5G、および600 MHzを使用した拡張レンジ5Gを展開しています [16]。
* **AT&T**: SAエコシステムの準備を進めることに重点を置いています [51]。米国で最初の5G SAアップリンク2キャリアアグリゲーションデータコールを完了しました [51]。低帯域（n5）と中帯域（n77）スペクトルをアグリゲートしています [51]。低帯域、中帯域、および高帯域スペクトルで5G New Radio Dual Connectivity（NR-DC）を有効にしています [51]。初期の5G実装ではミリ波を使用していました [72]。
* **ボーダフォン**: オーストラリアの選択された地域で5Gネットワークを展開し、カバレッジを拡大しています [73]。より高速な速度、増加した容量、およびより低い遅延に重点を置いています [73]。インドでの5G機器の納入のためにノキアと協力しています [74]。5Gネットワークのエネルギー消費を削減するためにAIを使用しています [75]。初期の5G NR標準化に参加しました [76]。
* **チャイナモバイル**: 多数の5G基地局を追加し、すべての地級市と県級都市部をカバーしています [67]。デュアルギガビットネットワーク（5Gとギガビット光）に重点を置いています [67]。5G軽量（RedCap）イノベーションデモンストレーション都市を立ち上げました [67]。ZTEおよびクアルコムとの5G相互運用性テストを完了しました [77]。ファーウェイおよびインテルと5G IODTで協力しています [78]。
* **NTTドコモ**: 2020年3月に5G商用サービスを開始しました [23]。サブ6 GHz（3.7 GHz、4.5 GHz）およびミリ波（28 GHz）帯域を利用しています [23]。当初はノンスタンドアロン（NSA）を使用していましたが、2022年8月にスタンドアロン（SA）を開始しました [23]。5G NR用のセントラルユニット（CU）とラジオユニット（RU）を開発しました [23]。SA展開における4Gエリアと5Gエリア間のモビリティのために、EPCとの相互接続に重点を置いています [54]。

これらのキャリアが直面する独自の展開戦略や課題を強調します。ベライゾンの高密度都市部における高容量のためのミリ波への早期の注力、T-Mobileの迅速な全国SA展開、AT&Tのアップリンクとダウンリンクの速度向上のためのキャリアアグリゲーションとデュアルコネクティビティへの注力、異なる地域におけるスペクトルの利用可能性と展開に関連する課題、NSAからSAへの移行戦略などです。主要キャリアの展開戦略を検討することで、5G NR UE-gNBインターフェースの理論的な側面に貴重な現実世界のコンテキストが提供されます。スペクトルの保有状況、ネットワークインフラストラクチャ、およびターゲットユースケースに基づいて、さまざまなオペレーターが採用した多様なアプローチが浮き彫りになります。スペクトルの制限やSAへの移行など、これらのキャリアが直面する課題は、高性能5Gネットワークの展開と最適化の複雑さを浮き彫りにしています。

### 7.1. 展開モード

| 説明                      | 主な利点                     | このモードを使用しているキャリアの例                               |
| :------------------------ | :--------------------------- | :------------------------------------------------------------- |
| **ノンスタンドアロン（NSA）** | LTE制御プレーンに依存          | より迅速な初期展開               | ベライゾン（当初）、AT&T（当初）、NTTドコモ（当初）            |
| **スタンドアロン（SA）** | 5Gコアを備えた独立した5Gネットワーク | 低遅延、完全な5G機能             | T-Mobile、AT&T（将来）、NTTドコモ（現在）                  |
| **ダイナミックスペクトル共有（DSS）** | LTEと5G間でスペクトルを共有      | 既存のスペクトルの効率的な使用     | ベライゾン、T-Mobile、AT&T                                 |

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## 8. 結論

本レポートでは、5G NR UE-gNBインターフェースの主要な詳細を概説し、各レイヤーの重要性と高度な機能の影響を再確認しました。この重要なインターフェースの進化と将来のトレンドに関する結論として、5G-Advancedの継続的な開発や6G技術の探求などが挙げられます [7]。5G Advanced（リリース18）は、組み込みのAIと自動化によってネットワークを強化する予定です [11]。2030年以降の6Gプロトコルスタックのビューと考察に関する研究が進行中です [81]。結論として、UE-gNBインターフェースは、5Gエコシステム全体において中心的な役割を果たしており、新興技術やアプリケーションの要求を満たすために継続的に進化していくことが予想されます。

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## 9. 関連記事
[🔗 記事を読む](https://qiita.com/InvisibleSmartphone/items/299e703c949980d660cf)

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## 10. 引用文献

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3.  5G eMBB, URLLC, mMTC: Service Categories for a Smarter Tomorrow, 4月 30, 2025にアクセス, [https://resources.pcb.cadence.com/blog/2023-5g-embb-urllc-and-mmtc-service-categories-for-a-smarter-tomorrow](https://resources.pcb.cadence.com/blog/2023-5g-embb-urllc-and-mmtc-service-categories-for-a-smarter-tomorrow)
4.  What is 5G? | Everything You Need to Know | 5G FAQ | Qualcomm, 4月 30, 2025にアクセス, [https://www.qualcomm.com/5g/what-is-5g](https://www.qualcomm.com/5g/what-is-5g)
5.  5G - Wikipedia, 4月 30, 2025にアクセス, [https://en.wikipedia.org/wiki/5G](https://en.wikipedia.org/wiki/5G)
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10. The Role of the 5G NR Protocol Stack – Part 1 - 5G Descomplicado, 4月 30, 2025にアクセス, [https://5gdescomplicado.com/2023/10/31/the-role-of-the-5g-nr-protocol-stack-part-1/](https://5gdescomplicado.com/2023/10/31/the-role-of-the-5g-nr-protocol-stack-part-1/)
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75. Vodafone UK uses AI to reduce 5G network energy consumption - RCR Wireless News, 4月 30, 2025にアクセス, [https://www.rcrwireless.com/20250312/featured/vodafone-ai-5g-network](https://www.rcrwireless.com/20250312/featured/vodafone-ai-5g-network)
76. Global Mobile Industry Ready to Start Full-Scale Development of 5G NR - Vodafone.com, 4月 30, 2025にアクセス, [https://www.vodafone.com/news/technology/full-scale-development-of-5g-nr](https://www.vodafone.com/news/technology/full-scale-development-of-5g-nr)
77. Qualcomm, ZTE and China Mobile Showcase 5G Leadership with Completion of the World's First End-to-End 5G NR Interoperable System Based on 3GPP Standard, 4月 30, 2025にアクセス, [https://investor.qualcomm.com/news-events/press-releases/news-details/2017/Qualcomm-ZTE-and-China-Mobile-Showcase-5G-Leadership-with-Completion-of-the-Worlds-First-End-to-End-5G-NR-Interoperable-System-Based-on-3GPP-Standard-11-16-2017/default.aspx](https://investor.qualcomm.com/news-events/press-releases/news-details/2017/Qualcomm-ZTE-and-China-Mobile-Showcase-5G-Leadership-with-Completion-of-the-Worlds-First-End-to-End-5G-NR-Interoperable-System-Based-on-3GPP-Standard-11-16-2017/default.aspx)
78. China Mobile, Intel and Huawei Complete 5G NR IODT, 4月 30, 2025にアクセス, [https://www.huawei.com/en/news/2018/7/chinamobile-intel-huawei-5g-nr-iodt](https://www.huawei.com/en/news/2018/7/chinamobile-intel-huawei-5g-nr-iodt)
79. Huawei, Intel, China Mobile complete 5G interoperability testing - ZDNet, 4月 30, 2025にアクセス, [https://www.zdnet.com/article/huawei-intel-china-mobile-complete-5g-interoperability-testing/](https://www.zdnet.com/article/huawei-intel-china-mobile-complete-5g-interoperability-testing/)
80. Overview of 5G Core Network Technologies for 5G SA | About DOCOMO, 4月 30, 2025にアクセス, [https://www.docomo.ne.jp/english/corporate/technology/rd/technical_journal/bn/vol24_4/001.html](https://www.docomo.ne.jp/english/corporate/technology/rd/technical_journal/bn/vol24_4/001.html)
81. RAN Architecture, Protocol Stack and Function, 4月 30, 2025にアクセス, [https://13115299.s21i.faiusr.com/61/1/ABUIABA9GAAglJbwkQYotoi8rAc.pdf](https://13115299.s21i.faiusr.com/61/1/ABUIABA9GAAglJbwkQYotoi8rAc.pdf)