5G/4G/LTEを担当することになった知財担当者は、標準化および標準必須特許 (Standard Essential Patent: SEP) という特殊性を考慮すること以上に、5G/4G/LTEの発明を理解することに苦労するでしょう。

なぜならば、5G/4G/LTE の発明を理解するためには、その発明の前提となっている多数の技術を理解しておく必要があり、また多くの専門用語を知っておく必要があるからです。

私自身も、１０年以上にわたって移動体通信特許の権利化や係争の支援に携わってきましたが、やはり最初のうちは発明を理解するのにかなり苦労をしました。

そこで、 本サイトでは、5G/4G/LTEを担当することになった知財担当者にとって発明の理解がより容易になるように、5G/4G/LTE の基本技術を説明します。

特にこの記事では、第3回として、5G/4G/LTEなどの移動体通信システムのプロトコル（前編）を説明します。とりわけ前編では、ユーザ機器 (User Equipment: UE) と 無線アクセスネットワーク（Radio Access Network：RAN）に関するプロトコルを説明します。

なお、UEとRANのプロトコルを理解する前提として、UEとRANのインターフェースを知っておく必要がありますので、ご存知でない方や忘れしまった方は、以下の第2回の記事をまず読んでみてください。

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【5G/4G/LTEの基本技術】第２回　インターフェース 5G/4G/LTEの特許を担当することになったけど、5G/4G/LTEの技術を全然知らない。 5G/4G/LTEの技術には専門用語が多すぎて、技術を理解するのが難しい。 まずは5G/4G/LTE…

プロトコルとは

UEとRANのプロトコルを説明する前に、そもそも「プロトコル」とは何なのかを簡単に説明します。

プロトコルとは、簡単に言うと、ノード間で通信を行うための「決まりごと」です。具体的には、この「決まりごと」には、通信のための処理や送受信される情報のフォーマットなどが含まれます。

ノード間の通信は、単一のプロトコルではなく、階層化されたプロトコルのセットによって実現されます。

例えば、このような階層化されたプロトコルのセットを用いて２つのノードが通信する場合に、送信側のノードと受信側のノードのそれぞれにおいて、各階層の処理が行われます。具体的には、送信側のノードでは、各階層の送信処理が行われ、受信側のノードでは、各階層の受信処理が行われます。つまり、同じ階層同士での通信が行われます。

例えば、送信側のノードでプロトコル④の送信処理が行われ、受信側のノードでもプロトコル④の受信処理が行われます。同様に、送信側のノードでプロトコル③の送信処理が行われ、受信側のノードでもプロトコル③の受信処理が行われます。プロトコル①②についても同様です。

単純化して説明すると、送信側のノードの各階層では、上層からデータを受け取り、当該データにヘッダを付与し、ヘッダ付きのデータを下層に渡します。ここで、上層から受け取るデータは SDU (Service Data Unit) と呼ばれ 、下層へ渡すヘッダ付きデータは PDU (Packet Data Unit) と呼ばれます。

反対に、受信側のノードの各階層では、下層からデータを受け取り、当該データからヘッダを除去し、ヘッダなしのデータを上層に渡します。 ここでは、下層から受け取るデータがPDU であり、上層へ渡すデータが SDUとなります。

なお、送信側で、SDUに対する処理（例えば、変換、分割、統合など）が行われることもあります。そのため、PDUには、受け取ったSDUそのものではなく処理後のデータが含まれていることもあります。このような場合には、受信側でも、SDUを復元するための対応する処理が行われます。

OSI参照モデルとTCP/IP

UEとRANのプロトコルを説明する前に、 前提となるOSI参照モデルとTCP/IPの階層モデルも簡単に説明します。

OSI参照モデルとは、ISO (International Organization for Standardization)により策定されたプロトコル階層のモデルです。OSI参照モデルでは、「アプリケーション層 (第7層)」「プレゼンテーション層 (第6層)」「セッション層(第5層)」「トランスポート層(第4層)」「ネットワーク層(第3層)」「データリンク層(第2層)」「物理層 (第1層)」という７つの階層が定義されています。

一方、TCP/IPの階層モデルとは、コンピュータネットワークにおいて標準的に利用されているプロトコルの階層のモデルです。TCP/IPの階層モデルでは、「アプリケーション層」「トランスポート層」「インターネット層」「ネットワークインターフェース層」という４つの階層が定義されています。

上述の図のとおり、TCP/IPの階層モデルの「ネットワークインターフェース層」「インターネット層」「トランスポート層」「アプリケーション層」は、それぞれ、OSI参照モデルの「第1層＋第2層」「第3層」「第4層」「第5層+第6層+第7層」に相当します。

とりわけ、OSI参照モデル (第３層) の「ネットワーク層」およびTCP/IPの階層モデルの「インターネット層」で用いられる主要なプロトコルとして、IP (Internet Protocol)があります。IPでは、IPヘッダにアドレスが埋め込まれ、IPパケット (=IPのPDU) の転送が実現されます。

また、 OSI参照モデル (第4層)およびTCP/IPの階層モデルの「トランスポート層」で用いられる主要なプロトコルとして、TCP (Transmission Control Protocol)とUDP (User Datagram Protocol) があります。TCPは、コネクション型のプロトコルであり、順序制御や再送制御などを行います。これにより、 信頼性の高い通信が実現されます。UDPは、コネクションレス型プロトコルであり、順序制御や再送制御などを行いません。これにより、信頼性は低いものの低遅延の通信が実現されます。

TCP/IPの名前は、トランスポート層 (第4層) のTCPとインターネット層 (第3層) のIPに由来します。

なお、OSI参照モデルの第Ｘ層は、「レイヤＸ」と呼ばれます。例えば、第1層、第2層、第3層は、それぞれレイヤ1、レイヤ2、レイヤ3と呼ばれます。

UEと基地局との間の通信のプロトコル

それでは、UEと基地局との間の通信（すなわち、Uuインターフェースの通信）にどのようなプロトコルが用いられるかを説明します。

4G/LTEおよび5Gにおいて、 UEと基地局との間の通信には以下のようなプロトコルが用いられます。

レイヤ1 & レイヤ2

レイヤ1では、物理層 (Physical layer : PHY)のプロトコルが用いられます。

レイヤ2では、MAC (Medium Access Control)、RLC (Radio Link Control)、PDCP (Packet Data Convergence Protocol)という3つのプロトコルが用いられます。

PHY 、 MAC 、 RLC および PDCP は、 各種制御のための制御プレーン (Control Plane: C-Plane) と データ転送のためのユーザプレーン (User Plane: U-Plane)の両方に共通しています。なお、プロトコルはC-PlaneとU-Planeで共通ですが、各プロトコルにおけるC-Planeの制御情報の取扱いとU-Planeのユーザデータの取扱いは異なります。

なお、5Gのレイヤ2 では、U-Planeに限りSDAP (Service Data Application Protocol)というプロトコルがさらに用いられます。

最初から各プロトコルの処理を覚えておく必要はありません。まずは、レイヤ1およびレイヤ2では、 PHY、MAC、 RLC 、PDCP が用いられ、とりわけ5Gのレイヤ2では、 U-Planeに限りSDAPがさらに用いられるということだけを覚えておきましょう。

レイヤ3 (C-Plane)

C-Planeのレイヤ3では、RRC (Radio Resource Control)というプロトコルが用いられます。 RRCは、UEと基地局が通信するための様々な制御（UEによる基地局への接続の制御、UEのパラメータの構成、等）を行います。

RRCでは、UEと基地局との間でRRCメッセージが送受信されますが、このRRCメッセージは、レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

レイヤ3 (U-Plane)

U-Planeについては、UEと基地局との間の通信においてレイヤ3 のプロトコルは用いられず、 レイヤ2とレイヤ1のプロトコルのみが用いられます。

すなわち、 U-Planeについては、ユーザデータであるレイヤ３のPDUが レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。典型的には、当該PDUは、IPのPDU (= IPパケット) です。

4G/LTEの場合には、 ユーザデータは、 PHY、MAC、 RLC 、PDCP を用いて無線で送受信されます。

5Gの場合には、ユーザデータは、PHY、MAC、 RLC 、PDCP、SDAPを用いて無線で送受信されます。

アップリンクでは、UEが、ユーザデータ (例えばIPパケット) を基地局へ無線で送信します。そして、当該基地局は、当該ユーザデータを受信し、当該ユーザデータをコアネットワークへ中継します。

ダウンリンクでは、基地局が、UE宛のユーザデータ (例えばIPパケット) をコアネットワークから受信し、当該ユーザデータを当該UEへ無線で送信します。そして、当該UEは、当該ユーザデータを受信します。

UE間の通信のプロトコル

次に、UE間の通信（すなわち、PC5インターフェースの通信） にどのようなプロトコルが用いられるかを説明します。

4G/LTEおよび5Gにおいて、UE間の通信には以下のようなプロトコルが用いられます。

レイヤ1 & レイヤ2

UEと基地局との間の通信と同様に、UE間の通信でも、レイヤ1ではPHYが用いられ、レイヤ2ではMAC、RLC、PDCPが用いられ、とりわけ5Gのレイヤ2 ではU-Planeに限りSDAPがさらに用いられます。

ただし、 各レイヤには、UE間の通信のための特別な処理（すなわちサイドリンク（Sidelink：SL）用の処理）が定められていますので、UE間の通信のために、UEと基地局との間の通信と全く同じ処理が行われるわけではありません。

細かいことは気にせずに、まずは、 UEと基地局との間の通信と同様にUE間の通信でもレイヤ1およびレイヤ2では PHY、MAC、 RLC 、PDCP、SDAPが用いられるということだけを覚えておきましょう。

レイヤ3 (C-Plane)

C-Planeのレイヤ3では、PC5 Signalling Protocolが用いられます。PC5 Signalling Protocolは、UE同士が通信するための様々な制御（ダイレクトリンクのセットアップ、等）を行います。なお、5Gでは、PC5 Signalling Protocolは、PC5-Sとも呼ばれます。

PC5 Signalling Protocolでは、UE間でシグナリングメッセージが送受信されますが、このシグナリングメッセージは、レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

なお、正確には、PC5のC-Planeには、 PC5 Signalling ProtocolだけではなくRRCもあり、また、近隣UEを発見する技術であるDiscoveryのprotocolもありますが、説明が複雑になるのでここでは省略します。

レイヤ3 以上(U-Plane)

U-Plane のレイヤ3以上では、移動体通信 (5G/4G/LTE) に特有のプロトコルではなく、一般的なプロトコルが用いられます。例えば、 レイヤ3ではIPが用いられ 、その上位のレイヤでは、アプリケーションプロトコルが用いられます。

ユーザデータであるレイヤ３のPDU (例えばIPパケット) は、レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

4G/LTEの場合には、 ユーザデータは、PHY、MAC、 RLC 、PDCP を用いて無線で送受信されます。

5Gの場合には、ユーザデータは、PHY、MAC、 RLC 、PDCP、SDAPを用いて無線で送受信されます。

基地局間の通信のプロトコル

最後に、基地局間の通信（すなわち、X2/Xnインターフェースの通信） にどのようなプロトコルが用いられるかを説明します。

4G/LTEおよび5Gにおいて、基地局間の通信には以下のようなプロトコルが用いられます。

レイヤ1 & レイヤ2 & レイヤ3

レイヤ１およびレイヤ２のプロトコルとして、基地局間の通信方式に応じたプロトコルが用いられます。典型的には、基地局間の通信は光ファイバー網を用いた有線通信であり、レイヤ2のプロトコルとして、イーサネットが用いられます。

レイヤ3のプロトコルとして、IPが用いられます。

このように、レイヤ1～3では、移動体通信 (5G/4G/LTE) に特有のプロトコルがあるわけではなく、一般的なプロトコルが用いられます。

レイヤ4以上 (C-Plane)

C-Planeのレイヤ4では、SCTP (Stream Control Transmission Protocol) が用いられます。SCTPは、TCPと同様にコネクション型のプロトコルであり、順序制御や再送制御などを行います。これにより、 C-Planeにおいて信頼性の高い通信が実現されます。

さらに、C-Planeでは、4G/LTEの場合にはX2AP (X2 Application Protocol) が用いられ、5Gの場合にはXnAP (Xn Application Protocol) が用いられます。 X2AP および XnAP は、基地局間で様々な制御情報を送受信するためのプロトコルです。

4G/LTEのX2APでは、基地局間でX2APメッセージが送受信されますが、このX2APメッセージは、レイヤ1～4のプロトコルを用いて送受信されます。

5GのXnAPでは、基地局間でXnAPメッセージが送受信されますが、このXnAPメッセージも、レイヤ1～4のプロトコルを用いて送受信されます。

このようなX2APとXnAPは、移動体通信 (5G/4G/LTE) のための特別なプロトコルです。
一方、SCTPは、移動体通信 (5G/4G/LTE) に特有のプロトコルではなく、一般的なプロトコルです。

レイヤ4以上 (U-Plane)

U-Planeのレイヤ4では、UDPが用いられます。 UDPは、コネクションレス型プロトコルであり、順序制御や再送制御などを行いません。これにより、U-Planeにおいて低遅延の通信が実現されます。

さらに、U-Planeでは GTP-U (GPRS Tunneling Protocol for User Plane) が用いられます。 GTP-Uは、ノード間の仮想的なトンネルでユーザデータを送受信するためのプロトコルです。

4G/LTEの場合も、5Gの場合も、ユーザデータは、GTP-Uおよびレイヤ1～4のプロトコルを用いて送受信されます。

プロトコルを定める3GPP TS

上述したように UEとRANのインターフェースでは様々なプロトコルが用いられますが、これらのプロトコルのうち4G/LTEや5Gに特有のプロトコルは、3GPP TS (Technical Specification)に定められています。

UEと基地局との間の通信（すなわち、Uuインターフェースの通信）に用いられる各プロトコルは、以下のような3GPP TSに定められています。

UE間の通信（すなわち、PC5インターフェースの通信） に用いられる各プロトコルは、以下のような3GPP TSに定められています。

基地局間の通信（すなわち、X2/Xnインターフェースの通信） に用いられる各プロトコルは、以下のような3GPP TSに定められています。

なお、5G/4G/LTE の知財担当者は、 5G/4G/LTEの標準必須特許 (SEP)に関わる以上、3GPP TSを読まないといけないこともありますので、上述したように各プロトコルは対応する3GPP TSに定められているということを頭の片隅に覚えておきましょう。

以下の記事では、3GPP TSの全体像や入手方法を詳細に説明しておりますので、ご興味があれば是非読んでみてください。

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発明の理解にあたっての留意点

発明がUEおよびRANに関する技術である場合には、発明がどのプロトコルの技術であるかを把握しましょう。

発明が単一のプロトコルの中の技術であれば、そのプロトコルの中で発明の特徴に関わる部分を深掘りして理解していけばよいでしょう。

発明が複数のプロトコルにわたる技術であれば、まずは当該複数のプロトコルのセット（例えば、PHYとMAC、PHYとRRC等）を正確に認識しましょう。そして、各プロトコルの中で発明の特徴に関わる部分を理解していきましょう。

標準必須性 (SEP) の観点から、必要に応じて、プロトコルを定める3GPP TSを特定し、その3GPP TSのうち発明に関わる部分を確認していきましょう。

これにより、必要十分な範囲の技術を確認してくことになりますので、発明を効率的かつ効果的に理解することができます。

まとめ

UEと基地局との間の通信（すなわち、Uuインターフェースの通信）には、以下のプロトコルが用いられます。
　・レイヤ1 ：PHY
　・レイヤ2 ：MAC、RLC、PDCP、SADP (5GのU-Planeのみ)
　・レイヤ3 ：RRC (C-Plane)

5G/4G/LTEを担当することになった知財担当者は、標準化および標準必須特許 (Standard Essential Patent: SEP) という特殊性を考慮すること以上に、5G/4G/LTEの発明を理解することに苦労するでしょう。

なぜならば、5G/4G/LTE の発明を理解するためには、その発明の前提となっている多数の技術を理解しておく必要があり、また多くの専門用語を知っておく必要があるからです。

私自身も、１０年以上にわたって移動体通信特許の権利化や係争の支援に携わってきましたが、やはり最初のうちは発明を理解するのにかなり苦労をしました。

そこで、 本サイトでは、5G/4G/LTEを担当することになった知財担当者にとって発明の理解がより容易になるように、5G/4G/LTE の基本技術を説明します。

特にこの記事では、第2回として、 5G/4G/LTEなどの移動体通信システムにおけるノード間のインターフェースを説明します。

なお、インターフェースを理解する前提として、移動体通信システム内にどのようなノードが存在するかを知っておく必要がありますので、ご存知でない方や忘れしまった方は、以下の第1回の記事をまず読んでみてください。

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UEとRANのインターフェース

移動体通信システムの無線アクセスネットワーク (Radio Access Network: RAN) は、主に基地局を含みます。RANは他のノードも含みますが、とりえあえずは基地局だけを考えておけば十分です。

ユーザ機器 (User Equipment: UE) とRANのインターフェースとしては、主に以下の３つがあります。

1. UEと基地局の間のインターフェース
2. 基地局間のインターフェース
3. UE間のインターフェース

UEと基地局の間のインターフェース（①）は、UEと基地局の間でデータや制御情報を送受信するためのインターフェースであり、4G/LTEおよび5Gの両方で『Uu』と呼ばれます。

基地局間のインターフェース （②） は、基地局間でデータや制御情報を送受信するためのインターフェースです。
4G/LTEでは、基地局はeNodeB (eNB) と呼ばれ、eNB間のインターフェースは『X2』と呼ばれます。
5Gでは、基地局はgNodeB (gNB) と呼ばれ、gNB間のインターフェースは『Xn』と呼ばれます。

UE間のインターフェース（③）は、UE間でデータや制御情報をダイレクトに送受信するためのインターフェース（いわゆるD2D通信のインターフェース）であり、4G/LTEおよび5Gの両方で『PC5』と呼ばれます。

なお、Uu（①） において、基地局からUEへの方向のリンクは『ダウンリンク (Downlink: DL)』と呼ばれ、UEから基地局への方向のリンクは『アップリンク (Uplink: UL)』と呼ばれます。
また、 PC5（③） におけるUE間のリンクは『サイドリンク (Sidelink: SL)』と呼ばれます。

RANとCNの間のインターフェース

コアネットワーク（Core Network：CN）には、各種制御の処理を行う制御プレーン (Control Plane: C-Plane)のCNノードと、データ転送の処理を行うユーザプレーン (User Plane: U-Plane)のCNノードがあります。

RANとCNとの間のインターフェースとしては、以下の２つがあります。

1. C-PlaneのCNノードと基地局の間のインターフェース
2. U-PlaneのCNノードと基地局の間のインターフェース

4G/LTEのインターフェース

4G/LTEでは、基地局はeNBであり、コアネットワークはEPC (Evolved Packet Core)です。eNBとEPCとの間のインターフェースは、総称として『S1』と呼ばれます。

EPCの中でもeNBとのインターフェースを有するCNノードは、 C-PlaneのMME (Mobility Management Entity) とU-PlaneのS-GW (Serving Gateway) です。

MMEとeNBの間のインターフェース （①） は、 MMEとeNBの間で制御情報を送受信するためのインターフェースであり、 『S1-MME』と呼ばれます。

S-GWとeNBの間のインターフェース （②） は、 S-GWとeNBの間でデータを送受信するためのインターフェースであり、 『S1-U』と呼ばれます。

5Gのインターフェース

5Gでは、基地局はgNBであり、コアネットワークは5GC (5G Core Network)です。gNBと5GCとの間のインターフェースは、総称として『NG』と呼ばれます。

5GCの中でもgNBとのインターフェースを有するCNノードは、 C-PlaneのAMF (Access and Mobility Management Function) とU-PlaneのUPF (User Plane Function) です。

AMFとgNBの間のインターフェース （①） は、 AMFとgNBの間で制御情報を送受信するためのインターフェースであり、 『NG-C』と呼ばれます。このインターフェースは『N2』とも呼ばれます。

UPFとgNBの間のインターフェース （②） は、 UPFとgNBの間でデータを送受信するためのインターフェースであり、 『NG-U』と呼ばれます。 このインターフェースは『N3』とも呼ばれます。

CN内のインターフェース

CN内には様々なコアネットワークノードが存在し、これらのノード間のインターフェースが存在しています。

ここでは、これらのインターフェースのうちの比較的よく出てくるものだけを簡単に紹介します。

なお、CN内のインターフェースの名称を全て覚えておく必要はありません。まずは「CN内には様々なノード間のインターフェースがあり、それぞれのインターフェースに名称がある」ということだけを認識しておきましょう。

4G/LTEのインターフェース

EPCには、C-PlaneのノードとしてMMEに加えてHSS (Home Subscriber Server) があり、U-PlaneのノードとしてS-GWに加えてP-GW (Packet Data Network Gateway)があります。

上述のようなCNノードを含むEPCには、以下のようなインターフェースがあります。

1. MMEとHSSの間のインターフェース (『S6a』)
2. S-GWとP-GWの間のインターフェース（『S5』）
3. MMEとS-GWの間のインターフェース（『S11』）

5Gのインターフェース

5GCには、C-PlaneのノードとしてAMFに加えてSMF (Session Management Function) や UDM (Unified Data Management) があり、U-PlaneのノードとしてUPFがあります。

上述のようなCNノードを含む5GCには、以下のようなインターフェースがあります。

1. AMFとUDMの間のインターフェース (『N8』)
2. SMFとUDMの間のインターフェース (『N10』)
3. AMFとSMFの間のインターフェース (『N11』)
4. UPF間のインターフェース（『N9』）
5. SMFとUPFの間のインターフェース（『N4』）

発明の理解にあたっての留意点

第１回でも言及しましたが、 発明を理解しようとするときには、まず発明がシステム全体の中のどの部分の技術なのかを把握しましょう。

さらに、発明の特徴がノード間のインターフェースにある場合には、そのインターフェースに着目しましょう。もちろん、発明の特徴が２つ以上のインターフェースに関わっている場合には、その２つ以上のインターフェースに着目しましょう。

特定のインターフェースに着目したら、そのインターフェースの中で発明の特徴に関わる部分を深掘りして理解していくのがよいでしょう。例えば、発明の特徴が特定の手続き（procedure）に関わる場合には、その特定の手続きを深掘りして理解していきます。

これにより、システム全体における発明の位置づけを理解しながら、発明の特徴に関わる細かい部分を理解していくことができます。

標準必須性特許 (SEP) の観点からも、発明がどのインターフェースに関連しているのかを把握できれば、確認すべき3GPP TS (Technical Specification)の範囲を大幅に絞り込むことができます。

まとめ

UEとRANのインターフェースとしては、主に以下の３つがあります。
・ UEと基地局の間のインターフェース（『Uu』）
・基地局間のインターフェース （『X2』 『Xn』 ）
・UE間のインターフェース （『PC5』 ）

以上、第2回として、5G/4G/LTEなどの移動体通信システムにおけるノード間のインターフェースを説明しました。

第3回では、5G/4G/LTEなどの移動体通信システムのプロトコル（前編） を説明しておりますので、こちらも是非ご覧ください。

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そこで、 本サイトでは、5G/4G/LTEを担当することになった知財担当者にとって発明の理解がより容易になるように、5G/4G/LTE の基本技術を説明します。

特にこの記事では、第1回として、5G/4G/LTEなどの移動体通信システムの全体像を説明します。

移動体通信システムを構成する３つの要素

5G/4G/LTEの発明を理解するための最初の一歩は、発明がシステム内のどの部分の技術なのかを把握することです。

しかし、5G/4G/LTE などの移動体通信システムは様々なノードを含んでおり、さらに4G/LTE から5Gといった世代の移り変わりに応じてノードの名称の変更やノードの統合／分割があるため、慣れていない人にとっては複雑に見えてしまいます。

そこで、まずは移動体通信システムの全体像を非常にシンプルに捉えることが重要です。詳細は、シンプルな全体像を捉えた後で少しずつ知っていけばいいのです。

まず、移動体通信システムは、『ユーザ機器 (User Equipment: UE)』 と『ネットワーク』で構成されています。

さらに、『ネットワーク』は、『無線アクセスネットワーク (Radio Access Network: RAN)』と 『コアネットワーク (Core Network: CN)』で構成されています。

すなわち、 移動体通信システムは、『UE』『RAN』『CN』という3つの要素で構成されています。

まず最初は、移動体通信システムがこれらの３つの要素に分われることを頭に入れておきましょう。

なお、4G/LTEのシステムは、EPS (Evolved Packet System) と呼ばれ、5Gのシステムは、5GS (5G System) と呼ばれます。

以下では、『UE』『RAN』『CN』をそれぞれ説明していきます。

要素①：ユーザ機器 (UE)

『ユーザ装置 (User Equipment: UE)』は、移動体通信システムのユーザが使用する通信装置です。

UEの典型的な例は、皆さんが使用しているスマートフォンです。UEの他の例としては、移動体通信を行う車載装置やIoT (Internet of Things) 機器などもあります。もちろんUEはこれらの例に限られません。

UEは、『ME (Mobile Equipment)』と『UICC (Universal Integrated Circuit Card)』で構成されています。

スマートフォンの例を挙げると、MEは、スマートフォンの本体で、UICCは、スマートフォンの本体に差し込むSIMカードです。

要素②：無線アクセスネットワーク (RAN)

『無線アクセスネットワーク (Radio Access Network: RAN)』は、ネットワークのうち、UEとの無線通信を行う部分です。

RANは『基地局』を含みます。『RAN』＝『基地局』と大雑把に認識しておけば問題ありません。厳密には、RANは他のノード（例えば、リレーノードなど）も含み得るのですが、RANの主役は圧倒的に基地局です。

4G/LTEのシステムでは、RANは、E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)と呼ばれ、基地局は、eNodeB (eNB) と呼ばれます。

5Gのシステムでは、RANは、NG-RAN (Next Generation‐Radio Access Network)と呼ばれ、基地局は、gNodeB (gNB)と呼ばれます。

RANにおいて、基地局は、セルと呼ばれる自らのカバレッジエリア内に位置するUEと無線で通信します。 RANでは、多数の基地局のカバレッジエリアが、ネットワークの通信エリアを形成します。

要素③：コアネットワーク (CN)

『コアネットワーク (Core Network: CN)』 は、ネットワークのうち、UEとの無線通信以外の様々な機能を提供する部分です。

RANの基地局は、バックホールと呼ばれる回線でCNに接続され、CNは、外部ネットワークに接続されています。基地局に無線接続されるUEの視点から見ると、CNはRANの後方にあるイメージです。

CNは、様々な『コアネットワーク(CN)ノード』を含んでいます。これらのCNノードは、各種制御の処理を行う制御プレーン (Control Plane: C-Plane)のノードと、データ転送の処理を行うユーザプレーン (User Plane: U-Plane)のノードに分かれます。

まずは、このように単純化された形のCNを頭に入れておきましょう。

4G/LTEのコアネットワーク (CN)

例えば、4G/LTEのCNは、EPC (Evolved Packet Core)と呼ばれ、C-PlaneのノードとしてMME (Mobility Management Entity) およびHSS (Home Subscriber Server)などを含み、U-PlaneのノードとしてS-GW (Serving Gateway) および P-GW (Packet data network Gateway) を含みます。

C-Plane

MMEは、様々な制御を行います。この様々な制御には、EPCでのUEの登録、UEの移動管理、U-PlaneのS-GWに関連する制御などが含まれますが、まずは細かいことは気にせずに、MMEが様々な制御を行っているらしいと覚えておけば十分です。

HSSは、様々な情報を保持し、提供します。この様々な情報には、加入者情報などが含まれますが、まずは細かいことを気にせずに、HSSが様々な情報を保持し、提供しているらしいと覚えておけば十分です。

C-Planeには、MMEとHSSの他にもCNノード（例えば、PCRF、ePDG、ANDSFなど）がありますが、MMEが最も頻繁に出てきますし、その次にはHSSがよく出てきます。そのため、まずは、EPCのC-Planeには、MMEとHSSがあり、その他にもいくつかCNノードがあるらしい、と覚えておきましょう。

U-Plane

S-GWとP-GW がデータ転送を行います。

P-GWは、外部ネットワークに接続され、外部ネットワークとEPCとの間のデータ転送を行います。

S-GWは、基地局に接続され、P-GWと基地局との間のデータ転送や、基地局間のデータ転送などを行います。

5Gのコアネットワーク (CN)

5GのCNは、5GC (5G Core Network)と呼ばれ、C-planeのノードとしてAMF (Access and Mobility Management Function) 、SMF (Session Management Function) および UDM (Unified Data Management) などを含み、U-planeのノードとしてUPF (User Plane Function)を含みます。

C-Plane

AMFとSMFは、様々な制御を行います。4G/LTEのMMEが5GではAMFとSMFに分割されたと大雑把に理解しておきましょう。AMFは、 UEの登録、UEの移動管理などの様々な制御を行い、SMFは、U-PlaneのUPFに関連する制御を行いますが、 まずは細かいことは気にせずに、AMFとSMFが様々な制御を行っているらしいと覚えておけば十分です。

UDMは、様々な情報を保持し、提供します。 4G/LTEのHSSが5GのUDMにあたると大雑把に理解しておきましょう。 UDMが保持する様々な情報には、加入者情報などが含まれますが、まずは細かいことを気にせずに、UDMが様々な情報を保持しているらしいと覚えておけば十分です。 なお、一応細かいことに少し触れておくと、UDMは、様々な情報を自ら保持せずに、UDR (Unified Data Repository) に保持することもできます。

C-Planeには、AMF、SMFおよびUDMの他にもCNノード（例えば、PCF、AUSF、NSSF、NEF、NRF、AFなど）がありますが、AMFが最も頻繁に出てきますし、その次にはSMFとUDMがよく出てきます。そのため、まずは、5GCのC-Planeには、AMF、SMFおよびUDMがあり、その他にもCNノードがあるらしい、と覚えておきましょう。

U-Plane

U-Plane では、UPFが データ転送を行います。 4G/LTEのS-GWとP-GWが5GではUPFに統合されたと大雑把に理解しておきましょう。

なお、単一のUPFが外部ネットワークと基地局との間のデータ転送を行うこともできますし、（S-GWとP-GWのセットと同様に）直列に接続された２つ以上のUPFが外部ネットワークと基地局との間のデータ転送を行うこともできます。

発明の理解にあてっての留意事項

発明を理解しようとするときには、まず発明がシステム全体の中のどの部分の技術なのかを把握しましょう。

発明がシステム全体のどこにあるかを把握すれば、どこに着目して、どこをあまり考えなくてもよいかが明確になります。結果として、発明理解の負担は軽減されるでしょう。

例えば、発明が、基地局がUEへ新規の制御情報を送信するという技術であれば、基本的にはRANとUEに着目すればよく、CNのことはあまり考えなくてもよくなります。

例えば、発明が、UEが新規の内部処理を行うという技術であれば、基本的にはUEに着目すればよく、RANとCNのことはあまり考えなくてもよくなります。

標準必須性特許 (SEP) の観点からも、発明がシステム全体のどの部分の技術かを把握できれば、確認すべき3GPP TS (Technical Specification)の範囲を絞り込むことができます。

なお、システムの全体像だけではなく、『プロトコル』『インターフェース』『チャネル』などの全体像もさらに把握していけば、さらに着目するポイントを絞り込むことができるようになります。

まとめ

移動体通信システムは、『ユーザ機器 (UE)』『無線アクセスネットワーク (RAN)』 『コアネットワーク (CN)』 で構成されています。

以上、第1回として、5G/4G/LTEなどの移動体通信システムの全体像を説明しました。

第２回では、 5G/4G/LTEなどの移動体通信システムにおけるノード間のインターフェースを説明しておりますので、こちらも是非ご覧ください。

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