特集

3GPP Release 17標準化活動

時刻同期TSN

5GS

3GPP Release 16および17における確定性通信の実現に向けた高度化技術
5GS（5G System）は，有界遅延，無衝突，高信頼性を担保し，確定性通信をサポートします．3GPP Release 16（Rel-16）で規定された5GS は，IEEE 802.1Q ブリッジネットワークと統合され，製造業および関連する産業用アプリケーション向けのイーサネットベースの確定性通信をサポートします．Rel-17で拡張された5GS は，IPベースの確定性通信もサポートします．本稿では，Rel-16およびRel-17で規定された5GSの確定性通信機能の概要について解説します．

確定性通信のユースケース
確 定 性 通 信 と は，TSC（Time-Jari Mutikainen
Riccardo Guerzoni
みのくち巳之口

あつし淳

NTT ドコモ,央制御モデル（2）（3）を使用して，外部の＊8UPF（User Plane Function）とCNC によって管理されます．

結び付きます．この 2 つが，5GS の■アーキテクチャ

ブリッジ機能のほとんどを実装しまSensitive Communication） のた

5GS 内の仮想 IEEE 802.1Q ブリッす． 1 つの5GS は複数の仮想ブリッ

めに，最大遅延，最大ジッタ＊2，無衝

ジの内部アーキテクチャを図 1 に示しジを持つことができ，それぞれの仮想突を保証するネットワーク機能のことます．

ブ リ ッ ジ は，TSN AF，UPF/＊1

です．確定性通信で想定されるユースCNC（Central Network

ケースは，製造業やリアルタイムのメController）はTSN AF（Applicationディアアプリケーションです．

Function）＊ 3 を介して5GS と通信し5GSとIEEE TSN の統合

フェースは3GPP で規定されていませんが，CNC と TSN AF は，例えば，（5G System）を IEEE TSN（Time-IEEE 802.1Q および SNMP（SimpleSensitive Networking）ネットワー

Network Management Pro­t o­クと統合することができます．5GScol）＊ 4 で規定されている管理対象オは，3G P P（3r d G e n e r a t i o n

ブジェクトを用いて通信できます．

Partnership Project）で制定された

TSN AF は，管理対象ブリッジとしドキュメント，TS23.501 で規定さて5GS を CNC に 公 開 し，CNC と，れているように，TSN 機能の一部を5GS ブ リ ッ ジ の 一 部 で あ る DS-TT

サポートする仮想 IEEE 802.1Q ブリッ＊5（Device-Side TSN Translator）

ジとしてモデル化されます．5GS ブと NW-TT（NetWork-side TSN

リッジの IEEE TSN 機能は，完全中Translator）＊ 6 との間で制御メッセー
ジを配信する役割を担います．

＊本 特集は「NTT DOCOMOテクニカル ・ ジャーナル」（Vol.30, No.3, 2022年10月）に掲載された内容を編集したものです．

＊1

ます．CNC と TSN AF の間のインタ

Release 16（Rel-16）では，5GS（1）

NW-TT，複数の DS-TT/UE で構成さ

D S - T T は U E（U s e r E q­ uip­ment）＊ 7 と 結 び 付 き，NW-TT は＊2＊3＊4＊5＊6＊7＊8T
 SC：遅延やジッタの許容値を超えずに配送されることが要求されるデータストリー
ムを扱うために3GPP で仕様化されている
通信サービス．
ジ ッタ：信号などにおける，遅延時間の揺らぎ，時間軸方向のずれのこと．
T SN AF：5Gコアネットワークの一部であり，5GSとIEEE TSNネットワークの統合のために，制御プレーントランスレータ機能を提供．5GSとCNC が協調動作をすることを可能にします．
S NMP：IP ネットワーク上のネットワーク機器を監視 ・ 制御するための情報の通信方法を定めるプロトコル．
D S-TT：デバイス側のTSNトランスレータ．
UE の背後の相互接続デバイスに向いた
TSNの入口ポートと出口ポートおよび PTPポートを提供．
N W-TT：ネットワーク側のTSNトランスレー
タ． デ ー タ ネ ッ ト ワ ー ク（DN：DataNetwork）の相互接続デバイスに向いた
TSNの入口ポートと出口ポートおよび PTPポートを提供．
U E：ユーザ端末．3GPP 仕様向け無線イン
タフェースを介したネットワークサービスへのユーザアクセスが可能．
U PF：5Gコアネットワーク内のユーザデー
タの送受信処理機能．

2022.1243

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3GPP Release 17標準化活動

CNC

5GSブリッジ
PCF

トラフィックのタイミング

TSN
AF

SMF

イーサネット
ポート

TSN
ホスト

DSTT

UE

gNB

UPF

NWTT

イーサネット
ポート

TSN
ブリッジ

TSN
ブリッジ

TSN
ホスト

PDU
Session

TSNデータ

TSNデータ図1

れます．DS-TT と NW-TT はイーサ

5GS における IEEE TSN のサポート■ブリッジ設定の流れ＊13Function）に提供します．

ネットポートを外部のネットワークにCNC は，ブリッジ遅延，伝搬遅延，公開します．DS-TT/UE は，イーサそのほかのブリッジ情報（例：リンクSMF（Session Management

ネ ッ ト タ イ プ の PDU（Protocol層トポロジ）を使用して，ネットワー

Func­t ion）＊14 は，PCF が 決 定 し たData Unit）Session ＊ 9 を 介 し てク内での，TSN ストリームに関するQoS 情報を用いて，QoS フロー＊15をUPFに接続されています．5GSブリッスケジューリングや明示的な経路を決設定します．SMF は，PCF が転送すジ内のルーティングはイーサネットフ定します．CNC は，ネットワークのる TSCAC を使用して TSCAI（TSC

レ ー ム ＊10 の 宛 先 MAC ア ド レ ス と各ブリッジからブリッジ情報を取得し＊16を導きAssistance Information）

VLAN ID に基づいて実行されます．

たところで，それらのブリッジを設定出し，QoS フロー設定要求とともに■ブリッジ遅延と伝搬遅延を読みす る 準 備 が 整 う こ と と な り ま す．

gNB（gNodeB）＊17 に提供します．

取る機能

TSN AF は，CNC から設定情報を受

gNB は，TSCAI を参考に，UL 方向

CNC の重要な機能の 1 つは，5GS

け 取 る と， 対 応 す る DS-TT お よ びの設定グラントや DL 方向のセミパー

ブリッジからブリッジ遅延および伝搬NW-TT にその情報を配信します．設システントスケジューリング＊18など，遅延を読み取る機能です．ブリッジ遅定に TSN ストリームの PSFP（Per-延とは，データフレームがブリッジ内

Stream Filtering and Policing）情＊9で入口ポートから出口ポートに通過す報が含まれている場合，TSN AF は＊10る際に費やす内部滞留時間です．これ

その情報を使用して，要求5GS 遅延，は，ポートペアごと，サポートされる最大バーストサイズ，プライオリティ

トラフィッククラスごとに CNC に示などの TSC QoS 情報を決定します．

されます．伝搬遅延は，5GS ブリッ

また TSN AF は PSFP 情報を使用しジの出口ポートから隣接するデバイスて，TSCAC（TSC Assistanceの入口ポートまでの遅延です．5GSContainer）＊ 12 を 決 定 し ま す．

＊13

ブリッジ（DS-TT または NW-TT 内）

TSCAC は，TSN ストリームのトラの 出 口 ポ ー ト は gPTP（generic

フィックパターン，つまり，UL（Up＊14PTP）＊11を使用して伝搬遅延を測定しLink）方向および DL（Down Link）＊15ます．TSN AF はこの測定値を CNC

方向の BAT（Burst Arrival Time），に報告します．

および周期性を定義します．最後に，＊16

TSN AF は TSC QoS 情報と TSCAC

44を PCF（Policy Control

2022.12＊11＊12＊17P
 DU Session：UEとデータネットワークの間の論理接続．
イ ーサネットフレーム：イーサネットLANの通信を行う際に使用するデータのフォーマット．
g PTP：IEEE 1588（PTP）のプロトコルプ
ロファイルの1つであり，IEEE 802.1ASで規格化されたもの．
T
 SCAC：TSNストリームのUL 方向およびDL 方向の BAT，および，周期性を定義する情報．TSN AF あるいは TSCTSF からSMFに通知されます．
P CF：QoS やポリシーを決定し SMF に提供する5Gコアネットワーク内の機能．
S MF：PDU Sessionを管理し，QoS やポリシーの実施などのためにUPFを制御する
5Gコアネットワーク内の機能．
Q
 oSフロー：5GSのQoS 転送処理におけるもっとも細かい粒度．
T SCAI：QoSフローのUL 方向および DL 方向のBAT，および周期性を定義する情報．
SMFからgNBに通知されます．
g NB：5Gの無線方式に対応した無線基地局．

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無線リソースを割り当てます．

5GS における時刻同期の

gPTP あるいは PTP を指します．

（2） 内部滞留時間の測定（1） GM の位置と PTP ポート状態

時間情報の誤差を引き起こす重要なインタ（g）PTP Sync メッセー
原因の 1 つは，フェースに接続する外部ネットワーク

ジ ＊24を入口ポートから出口ポートに

Rel-16では，5GS は，N6サポート＊22

Rel-16は，外部 IEEE TSN ネットにある GM（Grand Master），およ配信する際にブリッジ内で費やされるワークとの統合をサポートしており，

び NW-TT 内部の GM をサポートして内部滞留時間であると考えられます．

時刻同期に関して，PTP のプロトコいます．ブリッジ外に PTP メッセー

ここで，入口ポートおよび出口ポート

ルプロファイルの 1 つである gPTP

ジを送る PTP ポートはマスタ状態，は，DS-TT ポートあるいは NW-TTをサポートしています．5GS を外部

ブリッジ外から PTP メッセージを受ポートです．内部滞留時間を考慮する

IEEE TSN ネットワークと統合する

けて処理する PTP ポートはスレーブ

た め に， 入 口 ポ ー ト は，（g）PTPとして動状 態 で あ る こ と か ら， つ ま り，Sync メッセージを5GS ユーザプレー作します．DS-TT と NW-TT は PTP

NW-TT の PTP ポ ー ト は， 外 部 GMンを介して出口ポートに送信する前

リレーの PTP ポートを実装し，イーの場合はスレーブ状態，内部 GM の場に，メッセージに受信時刻のタイムスサネットポートを外部 IEEE TSN ネッ

合 は マ ス タ 状 態 と な り，DS-TT のタンプを追加します．出口ポートでトワークに公開します．この場合，PTP ポートは常にマスタ状態です．

は，タイムスタンプを使用して内部滞イーサネットタイプの PDU Session

Rel-17は DS-TT に接続する外部ネッ

留 時 間 を 計 算 し， そ れ を（g）PTPが DS-TT/UE と UPF/NW-TT の間でトワークにある GM もサポートしておSync メッセージに追加したうえで，使用されます．

り，したがって DS-TT の PTP ポート

5GS 外に送出します．と，5GS は PTP リレー（4）＊19Rel-17では IEEE TSN を統合しなもスレーブ状態となる場合があります．

い網構成のサポートが追加されていま

Rel-16で は，DS-TT や NW-TT のす． こ の 場 合，5GS は 境 界 ク ロ ッ

PTP ポート状態は，5GS でローカル

ク（5）＊20 か，透過クロック（5）＊21 としてに 事 前 設 定 す る 必 要 が あ り ま す．

動作し，PTP メッセージは IP タイプ

Rel-17は，そういった事前設定に加えの PDU Session を 使 用 し て 直 接て，BMCA（Best Master Clock

UDP/IP 上で伝えることができます．

Algorithm）＊23 も サ ポ ー ト し て い ま

5GS 内 の gPTP あ る い は PTP のす．BMCA は，ネットワークの最適メッセージは，NW-TT および DS-TT

な GM を選択し，PTP ポートの状態が同様に処理します．詳細を，図 2 をを適切な方法で自動的に構成する手順用いて解説します．なお，図中あるいです．

は以下の解説で（g）PTP と示す場合，＊18 セ
 ミパーシステントスケジューリング：
gNB が端末にあらかじめ周期的に DL 無線リソースを割り当てておくこと．
＊19 P
 TPリレー：PTP でプロファイルの1つであるgPTPを用いる場合の，高精度な時刻同期をするための装置．
＊20 境 界クロック：GMとなり他のクロックに時刻情報を提供する能力のあるクロック．
＊21 透
 過クロック：内部滞留時間を測定し，PTP 関連メッセージに書き込んで転送することのできる装置．
＊22 N
 6：UPFとDNの間の参照点．
＊23 B
 MCA：ネットワーク内の最適な GMを選択し，各 PTPポートの状態を自動的に構成する手順．
＊24 S
 yncメッセージ：PTPプロトコルで時刻同期を行うために交換されるメッセージ．

IEEE 802.1ASデータセット

5Gシステムは時刻を意識したブリッジ（IEEE 802.1AS），BC，TC（IEEE 1588）（g）PTP Sync

（g）PTP Sync

TSN AFNEF

CNC

3GPP時刻同期
サービスインタフェース

AF

TSCTSF
DS-TT

UE

DS-TT

UE

gNB

PTP機能を備えた
トランスポートネットワーク

UPF

NW-TT

（g）PTP Sync

GM

BC（Boundary Clock）：境界クロック
TC（Transparent Clock）：透過クロック

図2

5GS における時刻同期のサポート

2022.1245

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3GPP Release 17標準化活動

内部滞留時間を正確に測定するに依存する時計，すなわち5GS の内部Sync メッセージを生成しません．代は，DS-TT/UE，gNB，UPF の内部クロックと外部の GM との間の時間のわりに，UE が，実装依存の手法で，参照クロックが同期していることが必

進み方の比を測定し，5GS の内部ク自身を利用するアプリケーションに要です．これは，gNB と UPF の間に，ロックで測定された内部滞留時間をそ

5GS 参照時刻を配信します．

PTP のテレコムプロファイル（ITU-Tの比率により調整します．

G.8265.1など）をサポートするトラン（5） PTP インスタンスの遠隔設定

スポートネットワークを配備，あるい

Rel-17は，DS-TT お よ び NW-TT

は，ローカル GNSS（Global Navi

における PTP インスタンス＊27の遠隔­ga­tion Satellite System）を gNB設定をサポートしています．

おける確定性通信のサポート
Rel-17では，IEEE TSN によらない網構成，つまり外部ネットワークにブおよび UPF のタイムソースとして使5GS を外部 IEEE TSN ネットワー

リッジを制御する CNC がない場合で用することで実現できます．gNB は，クと統合した場合，5GS の PTP インも，5GS で確定性通信をサポートでで 定 義 さ れ て い る RRC

スタンスは TSN AF によって管理さきます．この場合，5GS は仮想 IEEE（Radio Resource Control）シグナれます．TSN AF から外部コントロー

802.1Q ブリッジとしてモデル化されを介して，gNB の内部参照ラに至る実際のインタフェースはず，IP タイプまたはイーサネットタクロックを DS-TT/UE に配信します．

3GPP で規定されていませんが，例えイプの複数の PDU Session のセッ

ここで配信される時刻は gNB が送信

ば IEEE 802.1AS および SNMP で規トとして動作します．そのような網構した時刻を示すため，UE は，正しい定されているデータモデルが使用可能

成で確定性通信をサポートする場合の時刻を得るために，gNB と UE の間です．

5GS の内部アーキテクチャを図 3 にTS38.331（6）リング＊25の伝搬遅延を加える必要があります．

IEEE TSN を統合しない網構成で

Rel-16では，UE は，自身が測定するは，T S C T S F（T S C T i m e S y n ­外部の AF は，TS29.522（7）で規定さタイミングアドバンス ＊26 を流用し，chro­n i­z ation Function）＊28が TSNれているサービスインタフェースを介

gNB から受け取る5G 参照時刻を修正

AF の役割を果たして，5GS の PTPして，PDU Session の QoS 情報をします．

インスタンスを管理します（図 2 ）．

5GS に提供できます．

（3） 伝搬遅延を考慮した修正の正この網構成の場合，Rel-17では，TSイ ー サ ネ ッ ト タ イ プ の PDU

29.522 で規定されているように，外Session の場合，UPF が UE からイー伝搬遅延を考慮した修正の正確さ

部 AF が，NEF（Network Ex­p o­

サネットフレームを受信すると，そのは，Rel-17で向上しています．Rel-17＊29sure Function） および TSCTSF

イーサネットフレームの送信元 MAC

では，gNB は，自身で送受信時間差を介して5GS の PTP インスタンスをアドレスが PDU Session に関係付を計測して UE に提供し，UE は，自制御する，3GPP 固有のサービスインけられます．IP タイプの場合，PDU身で送受信時間差を計測します．そのタフェースも定義しています．このよSession は，ネットワークが UE に割後，UE は， 2 つの送受信時間差を用うにして，外部 AF は，例えば PTPり当てた IP アドレスに関係付けられいて，伝搬遅延を計算します．

ドメイン番号，PTP インスタンス種（4） ブリッジ内外のクロックの進別（PTP リレー，境界クロック，透み方の違いを考慮した内部滞留時

過 ク ロ ッ ク ），PTP プ ロ フ ァ イ ル

間の調整（SMPTE など），トランスポートプロ

確さの向上

46

IEEE TSN によらない網構成に（7）

GM が 5GS の 外 部 に あ る 場 合，トコル，GM が5GS に存在する場合

5GS の内部クロックと外部の GM はの（g）PTP Sync メッセージ伝送間隔同期されません．これはつまり，これなどを，NW-TT および DS-TT に設ら 2 つのクロックの間で時間の進み方定することができます．また外部 AFに違いがある可能性があるため，測定は，サービスインタフェースを使用しされた5GS ブリッジの内部滞留時間て gNB を設定し，5G 内部参照クロッは調整する必要があります．DS-TT

クを一群の UE に配信することもできと NW-TT の PTP ポートが，自身がま す． こ の 場 合，5GS は（g）PTP

2022.12

示します．

＊25 R
 RCシグナリング：無線ネットワークにおける無線リソースを制御するレイヤ3プロト
コル．
＊26 タ
 イミングアドバンス：ULフレームの端末からの送信タイミングをDLフレームの端末での受信タイミングと比較して早めるための値．
＊27 P
 TPインスタンス：必要な設定がされた，PTPを処理する実体．
＊28 T
 SCTSF：時刻に敏感な通信および時刻同期のためのネットワーク機能．5GSが IEEE
TSNと統合されていない網構成において5GSの時刻同期および確定性通信サービスを管理．
＊29 N
 EF：機能やイベントをサードパーティーの AF などに向けて公開できるようにする
機能．

特集

5GS

NEF

PCF

トラフィックのタイミング

AFサービス
インタフェース

TSCTSF

SMF

UE

gNB

UPF
PDU
SessionUL／DLデータ

図3ます．

UL／DLデータ

IEEE TSN を統合しない確定性通信のサポート

似の方法で，SMF に対してディレイ

AF は，イーサネットタイプの PDU

ク リ テ ィ カ ル GBR（GuaranteedSession に関連付けられている MAC

Bit Rate）＊31QoS フローを設定する

ア ド レ ス ま た は IP タ イ プ の PDU

よ う 指 示 し ま す．AF に よ っ て ト ラ

Session の IP アドレスを NEF に示す

フィックパターンが提供された場合は，ことによって，要求メッセージを特定

SMF は TSCAI を決定して gNB に提の PDU Session 向けとすることが供 し ま す． ア プ リ ケ ー シ ョ ン ト ラ

できます．

フィックフローが周期的で，アプリケー

AF から5GS への要求メッセージは，ションが時刻同期を要求する場合は，要求する QoS パラメータ（要求5GS

AF は時刻同期サービスインタフェー

遅延，保証ビットレート，最大ビット

スを介して PDU Session に対してレート，最大バーストサイズなど），時刻同期を起動することもできます．

およびトラフィックとの照合に使用するトラフィックフィルタのフロー記述

お わりに（IPタプル＊30またはイーサネットフレー

本 稿 で は，Rel-16お よ び Rel-17でムのプライオリティの値など）を含み規定されている確定性通信および時刻ます．AF から5GS への要求メッセー

同期をサポートする5GS の手順の概ジは，トラフィックパターン（UL 方要について解説しました．Rel-16の規向および DL 方向の BAT，周期性）を定により，5GS は産業用アプリケー説明する属性を含む場合もあります．

ション向けの主要な IEEE TSN 機能

QoS 要求は NEF を介して TSCTSFをサポートすることができます．さらに 送 信 さ れ，TSCTSF は PDUに Rel-17では，5GS は，IEEE TSN

Session を管理している PCF を呼びを統合しない網構成における IP ベー出します．PCF は，前述の説明と類スの確定性通信および時刻同期をサポートしています．

＊30 IPタプル：送信元 IPアドレス，送信元ポート番号，宛先IPアドレス，宛先ポート番号，プロトコル番号．
＊31 デ ィレイクリティカル GBR：QoSフローのリソース種 別の1つ．遅 延 要 求の厳しい
QoSフローをサポートすることを目的に導入されました．GBRで指定する属性に加え，最大データバースト量（MDBV：Maximum
Data Burst Volume）も指定．

（SRP）Enhancements and PerformanceImprovements,” Oct. 2018.
（3） IEEE Std 802.1Q-2018：“IEEE Standardfor Local and metropolitan area networks-Bridges and Bridged Networks,” Sept.
2018.
（4） IEEE Std 1588-2008：“IEEE Standard fora Precision Clock Synchronization Protocolfor Networked Measurement and Control
Systems,” July 2008.
（5） IEEE Std 802.1AS-2020：“IEEE Standardfor Local and metropolitan area networksTiming and Synchronization for TimeSensitive Applications,” June 2020.
（6） 3GPP TS 38.331 V17.1.0：“NR；RadioR e s o u r c e C o n t r o l （ R R C ）； P r o t o c o lSpecification,” June 2022.
（7） 3GPP TS 29.522 V17.6.0：“5G System；
Network Exposure Function NorthboundAPIs；Stage 3,” June 2022.

■参考文献（1） 3 G P P T S 2 3 . 5 0 1 V 1 7 . 5 . 0 ： “ S y s t e marchitecture for the 5G System (5GS)；
Stage 2,” June 2022.
（2） IEEE Std 802.1Qcc-2018：“IEEE Standardfor Local and metropolitan area networks Bridges and Bridged Networks Amendment：Stream Reservation Protocol（左から）Jari Mutikainen/
Riccardo Guerzoni/
巳之口 淳
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