特 集2

5G SA方式におけるコアネットワーク技術概要と無線基地局装置の開発
URL

https://journal.ntt.co.jp/article/24202

DOI

https://doi.org/10.60249/23125102

5G SA 方式での音声通話を実現する
コアネットワーク技術概要
る5G SA（Standalone）の一般消費者向け商用サービスを開始しました．これを提供するにあたり，5G SA での音声通話サービスや5G エリア外にて4G（第 4世代移動通信システム）/LTE（Long Term Evolution）への通信の引継ぎサービスを可能とする機能を開発・導入しました．本稿では，これらの技術についてし み ず

か ず とみやざき

ゆ う や清水宮﨑和人祐哉

あべもとひろ/ 阿部元洋

お は ら

ひ ろ き/ 小原啓希

特 集

NTT ドコモは2022年 8 月に，5G（第 5 世代移動通信システム）単独で動作す

NTT ドコモ

解説します．
キーワード：#5GC，#EPSFB，# 優先制御

はじめにternet protocol Multimedia Subsystem） との連携を含め解説します．
＊5

NTT ドコモは2022年 8 月に，5G（第 5世代移動通信システム）単独で動作する5G SA（Standalone）方式＊ 1 の一般消費者向け商用サービスを開始しました．
5G SA を一般消費者向けに提供するうえ

EPC の黎明期における音声の提供では，CSFB（Circuit Switched FallBack）＊ 6 という技術を使用していました（1）．CSFB では，着信の場合はコアネットワークが端末一般消費者への5G SA サービス提供に向けた LTE エリアとの連携に 指 示 す る こ と で 4G か ら CS（Circuit

4G でのパケット通信においては，4G 端へ端末を遷移させ，発信の際には端末が自Switched）ドメイン＊ 7 の3G ネットワーク

では，スマートフォンなどハンドセットで末が異世代間をスムーズに移動するための律的に4G から CSドメインの3G ネットワーの利用が前提となります．その場合，以下インタフェースが標準規定され，3G（第クへ遷移します．5GC では CSFB とは異な3 世代移動通信システム）に在圏しながらり端末が自律的に動作するということはなの 2 つの計画の実現が必要です．
・5G SA のエリア拡充までの4G（第 4も EPC 側にアンカーポイントを維持するこ世 代 移 動 通 信 シ ス テ ム ）LTE（Longとが可能となっていました．5GC においてTerm Evolution）/5G NSA（Non-も同様に異世代間をスムーズに移動するたSA） エリアの提供

めのインタフェースが規定されており，黎＊2・緊急通報を含めた音声通話サービスの提供
これらを実現すべく，NTT ドコモでは5GC（5G Core network）＊ 3 に お い て 下
記 3 機能を開発・導入しました．

明期における5G SA 無線エリアの狭さを補完するために4G と5GC/5G SA 間をスムーズに移動できる仕様となっています（図 1 ）．
各世代黎明期の無線エリアの狭さは，前世代のエリアとの切替えが頻発することに・5G SA エリア外での通信を実現する

よりユーザ体験の向上という観点においてEPC（Evolved Packet Core）＊ 4 と の大きな障害となります．特に音声通話に関連携しては，コアネットワーク間でユーザが移・音 声通話を実現する EPSFB（Evolved

動する処理の際に一瞬の通信の停止が発生

Packet System Fallback）およびし，ユーザとしては通話が一瞬途切れて聞5GC での音声通話の QoS（Quality ofこえてしまいます．そのため黎明期の4GService）制御において音声通話の際には，音声品質を優・5GC での重要通信の優先制御と緊急通報
本稿では，上記技術について4G/LTE の先させ3G を活用しました．5G の導入期では，この3G と4G との関係性と同様に前世代となる4G が隙間のないカバレッジと成コ ア ネ ッ ト ワ ー ク 装 置 で あ る EPC や熟した VoLTE（Voice over LTE）の技術

4G/5G での音声提供装置群である IMS（In-を活かした高品質音声通話を，5G と連携＊ 本特集は「NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル」（Vol.30 No.4, 2023年1月）に掲載された内容を編集したものです．

して5G SA ユーザへ提供します．しかし，
3G と EPC，EPC と5GC では連携の方法が大きく異なります．

＊ 1 5 G SA 方式：5G の無線技術 NR にて制御信号およびユーザデータの送受信を行う方式．
本稿では3GPP の5G Deployment Optionのうち，NTTドコモが採用しているOption
2を指します．
＊ 2 5 G NSA 方式：5G の無線技術 NR を利用す
る際に，LTE 側で制御信号をやり取りし，ユーザデータのやり取りにのみ NR とLTE を協調動作させて使う方式．本稿では3GPP の5GDeployment Optionのうち，NTTドコモが採用しているOption 3x を指します．
＊ 3 5 GC：5G 専 用 の コ ア ネ ッ ト ワ ー ク．5G
NSA でも実現されていた高速・大容量に加え，5G の特長である高信頼・低遅延，多数端末同時接続に対応する際に必要．
＊4 E
 PC：LTE/4Gのコアネットワークを指します．
MME，S-GW（Serving Gateway），P-GW（Packet Data Network Gateway），PCRF（Policy & Charging Rules Function）などにより構成．
＊ 5 IMS：音声通話を制御するコアネットワークの装置群．P-CSCF（Proxy-Call/Session
Control Function），S-CSCF（Serving-Call/S e s s i o n C o n t r o l F u n c t i o n ），A S（Application Server）などにより構成．音声通話を IP で実現するため，IP 以下の伝送路に極力依存しないよう設計されています．
＊6 C
 SFB：LTE 在圏中に音声などの回線交換サー
ビ スの発 着 信が あった場 合，W-CDMA/GSM などの CSドメインのある無線アクセス方式に切り替える手順．
＊7 C
 Sドメイン：3G ネットワークにおいて，回線交換（Circuit Switch）方式を採用した部
分．主に音声通話サービスを提供．

2023.1241

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5G SA方式におけるコアネットワーク技術概要と無線基地局装置の開発

く，コアネットワークと無線基地局からの指示で端末を4G へ遷移させる EPSFB という機能を使用します（2）．CSFB と EPSFB の2 つの機能は，音声通話の際に前世代の無線およびコアネットワークを利用する（フォールバックする）というコンセプトは同じですが動作は異なります（図 2 ）．
この EPSFB は，5GC/5G SA が成長期に入＊8り VoNR（Voice over New Radio）
が普及するまでの間，4G における CSFB のように広く長く使われる機能です．

音声通話関連技術■ EPSFB＊9EPSFB とは，5GS（5G System）で待受けもしくは通信中の端末を EPS に移動させ，LTE にて音声を提供する方式です．最図1

5GC と EPC，IMS との連携

新世代の5GC および NR を用いる5GS から前世代の EPC および LTE を用いる EPS に切り替える（フォールバックする）ため，EPSFB と 呼 び ま す．複 数 の3GPP（ThirdGeneration Partnership Project）標準（3）～（5）に基づいた EPSFB の処理シーケンスの概要を図 3 に示します．各手順での処理概要は以下のとおりです．まず，発信側の端末から発信要求を受信した発信側の＊10VGN（VoLTE Gateway Node）
は位置情 報 取 得 に よ り5GS 在 圏 を 確 認 し た 後，PCF（Policy Control Function）に QoS
制 御 を 要 求 し ま す． 同 時 に， 発 信 側 のCSN（Call Session control Node）＊11を通じて着信側の装置に通信確立を要求しま＊8 V
 oNR：前世代の4Gに依存せず，第5世代移動体通信の無線技術 NR および5GC 単独で音声通話を提供する方式．
＊ 9 5 GS：5GCおよび gNBを合わせた第5世代移動通信システム．5GS 在圏は，5GSを利用している状態．
＊10 V GN：VoLTEでの音声通話を制御する装置
で，3GPP 標準のP-CSCFおよび IMS-AGW相当の動作をするNTTドコモの装置．
＊11 C
 SN：CS-IP NWにおいて，セッション制御を実施するノード．IMSの標準アーキテクチャ上では，I/S-CSCF（Interrogating/ ServingCall/Session Control Function）に相当．
＊12 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．EPC におけるSGW-C/PGW-Cに相当．
＊13 A
 MF：5Gコアネットワークにおいて，基地局（gNB）を収容し，モビリティ制御などを提供する論理ノード．
＊14 B
 earer：用途ごとに生成される仮想伝送路．
Bearer のうち，Default でなく，用途が限定されるものをDedicated Bearerと呼びます．

422023.12

図2

CSFB と EPSFB の比較

す．PCF か ら の 指 示 で，SMF（Session（QoS Flow/Dedicated Bearer ＊14）生成＊12Management Function），UPF（Userを完了します．着信側も5GS に在圏していPlane Function），gNB（next genera-る場合は，上記処理を並行実施します．

tion NodeB）において，音声通話用 QoS

上記のとおり，VoLTE と比較し5GS か制御のための仮想伝送路（QoS Flow）をら EPS にフォールバックする手順が追加で生成します．ここで音声通話と判断した必要となるため，EPSFB の接続処理時間はgNB が，AMF（Access and Mobility

VoLTE の接続処理時間より大きくなりまに対してす． そ こ で NTT ド コ モ で は， 発 信 側 のEPSFB を要求し，端末が EPS へのハンド

EPSFB 後に着側で EPSFB するという動作オーバを行います．その後，端末からの位を変更し発信側と着信側の並列処理を実現

置登録（TAU：Tracking Area Update）することで，EPSFB の接続処理時間短縮をを契機に，音声通話のための仮想伝送路実現しています．

management Function）

＊13

特 集

5G Standalone

図3■ QoS 制御
サービスを特定の品質で届ける際に必要となる機能の総称が QoS 制御です．4G とEPSFB 処理シーケンス

重要通信の確保と緊急通報■重要通信の考え方

判定に用いる要素は主に 2 種類あり，契約
情 報 と SIM（Subscriber Identity Module）に含まれるパラメータをそれぞれ使比較し，5GC/5G SA では大きな変更点と標準仕様において，ミッションクリティ用します．緊急通報は発端末の属性に依存して flow based と呼ばれる方式に変わっ

カル＊15通信や警察消防などへの緊急通報なせず発呼されるため，発呼時の情報から都たことが挙げられます．4G では，必要とどを判定し，一般通信と異なる制御が可能度判定を行います．

なる QoS 特性を eNB も含めたネットワーな機能が規定されています．この規定では，gNB と AMF は端末の送信した要求信号ク全体で実現する際に，Bearer・セッショ

特殊な通信について各国地域の規定や通信に基づき重要通信対象か判定を行います．

ン 単 位 で 単 一 の QCI（Quality Class

事業者ポリシーおよびベンダの製品仕様に端末は SIM に設定された AccessClass とIdentifier）を付与していました．そのため，応じて，優先的に処理することや発信規制呼ばれる指標に基づき，無線伝送路確立要同一のアクセスポイント（APN）に対してなどの対象外とすることが可能となってい求信号に “highPriorityAccess” などのパラ

複数の QoS 特性のパケットを転送する際ます．

メータを設定することで，gNB に対して自には，別な Bearer・セッションを生成す

日本では，電気通信事業法において重要身の通信が重要通信対象であることを伝える必要がありました．5GC/5G SA では，通信の確保について規定されています．例

ます（6）．一方，緊急通報の場合は重要通信

QCI は5QI（5G network Quality of ser-

えば，災害時における防災機関などの連絡の指標とは異なる値である “emergency”

vice class Identifier）という名称に代わり，や連携を想定して，これらの通信を確保すを設定することで gNB に緊急通報である

Bearer・ セ ッ シ ョ ン 単 位 で は な く QoSることについて言及しています．これに基ことを伝えます．gNB はこれらのパラメー

Flow 単位での付与となりました（図 4 ）．

づき，各通信事業者は災害時優先通信といタを参照することで，重要通信もしくは緊これにより同一の DNN（Data Networkう名称で重要通信の確保に努めています．

急通報として優先制御します．

Name）に対して複数の QoS 特性のパケッ

また NTT ドコモは，人命救助や公共の安発呼に伴い無線伝送路確立処理が行われトを転送する際に別なセッションを作成せ全・治安維持にかかわる警察や救急消防なた場合，gNB は重要通信・緊急通報であず，同一セッション内で複数の QoS を付どの機関に対する緊急通報も扱っており，ることを把握できているためその情報を与することが可能となりました．

これに必要な機能を有することが電気通信

AMF に通知することで，AMF は重要通信事業法 事業用電気通信設備規則により義もしくは緊急通報であると認識します（7）．

仕様として規定されている 1 ～127，オペ務化されています．

直前に無線伝送路確立処理が行われていなレータに裁量が任されている128～254の 2■重要通信・緊急通報を判断する技術

い場合は，端末が AMF に対して送信した

5QI は，QCI と同様に特性が3GPP 標準つのグループから構成されます．前者にはモバイルネットワークでは gNB と各コ

音声パケット用として割り当てられているアネットワーク装置が連携して通信を提供

1 ，ベストエフォートパケット通信に割りすることから，各装置で重要通信であるこ当てられている 9 など含まれます．とを把握する必要があります．重要通信の＊15 ミ
 ッションクリティカル：サービスを継続的に提供できることが極めて重要であり，障害などによる中断が許されない，あるいは非常に大きな損害になり得るシステム．

2023.1243

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5G SA方式におけるコアネットワーク技術概要と無線基地局装置の開発

図4

QoS Flow および5QI による QoS 制御

位置登録信号などに設定された各種パラます．端末は，ネットワーク接続中は通知メータを参照して判断します．

された方式を保持し，緊急通報時にそれぞAMF から先の5GC の各 NF は AMF かられの方式に応じた動作を実行します（8）．の通知もしくは契約情報から重要通信もし

NTT ドコモでは、緊急通報発信までのくは緊急通報であることを認識します．

動作時間が短いことから端末の自律 EPS 遷■緊急通報の提供方式

移方式を採用しています．

VoNR 導入以前の EPSFB 方式時期における5G SAでの緊急呼の提供方式としては，主に下記の 2 つ挙げられます．
・ネ ッ ト ワ ー ク が EPS 遷 移 を 促 す ES

おわりに
本稿では，5G SA において，緊急通報を（Emergency Service）-FB含めた音声通話サービスの提供，および・端 末 の 自 律 EPS 遷 移（N1mode-dis-

4G LTE/5G NSA エリアの利用による5GSA のエリア拡充までの利便性向上を実現able）
どちらの方式も緊急通報自体の提供はする技術について，4G/LTE のコアネット

EPS 在圏で行われます．両者の違いは5GSワーク装置である EPC や4G/5G での音声に在圏している場合に，ネットワークが提供装置群である IMS との連携を含め，解EPS へ遷移を促すのか，端末が自律的に遷説しました．

移するのかという点です．ES-FB は、緊急通報の提供が EPS 在圏のみでありかつ5GSに在圏している場合にネットワーク側からEPS への遷移を促す方式です（3）．一方，緊急通報の提供が EPS 在圏のみであり5GCが ES-FB に対応していない場合は端末の自律 EPS 遷 移（N1mode-disable）と な り，端末は緊急通報を開始時に自律的に EPS に遷移します．その際，ネットワークに向けては一時的に端末能力がSA 能力なしとなっ（8）．
た旨を通知します（N1mode-disable）

位置登録（Registration）の際にネットワークが対応している方式を端末に通知し

44

Control Service；Stage 3,” June 2021.
（6） 3GPP TS38.331 V15.18.0：“NR;RadioResource Control (RRC) protocol
specification,” June 2022.
（7） 3GPP TS38.413 V16.10.0：“NG-RAN；NGApplication Protocol (NGAP),” June2022.
（8） 3GPP TS24.501 V15.7.0：“Non-AccessStratum (NAS) protocol for 5G System(5GS),” June 2022.

2023.12■参考文献（1） 田中・輿水・西田：“LTE と3G 回線交換サー
ビ ス の 連 携 を 実 現 す る CS Fallback 機能，” NTT DOCOMO テクニカル・ジャーナ
ル，Vol.17，No.3，pp.15-20，Oct. 2009.
（2） 青柳・巳之口・原田・閔・髙橋・吉岡：“ 産業創出・ソリューション協創に向けた5G 高度 化 技 術，” NTT DOCOMO テ ク ニ カ ル・
ジャーナル，Vol.28，No.3，pp.65-81，Oct.
2020.
（3） 3GPP TS23.502 V15.16.0：“Proceduresfor the 5G System (5GS),” June 2022.
（4） 3GPP TS23.228 V15.5.0：“IP Multimedia
Subsystem (IMS)；Stage 2,” Dec. 2021.
（5） 3 G P P T S 2 9 . 5 1 2 V 1 5 . 1 1 . 0 ： “ 5 GSystem;Session Management Policy（左から） 清 水  和人 / 阿部  元洋/宮﨑  祐哉 / 小原  啓希
NTTドコモにおける5G SA 方式での音声通話を実現する取り組みについて紹介しました．今後は，NR単独で音声通話を実現するVoNR など5G 時代に期待される音声通話実現に向けて，さらなる深化をめざします．

◆問い合わせ先NTTドコモR&D 戦略部
E-mail dtj

nttdocomo.com