【5G/4G/LTEの基本技術】第２回　インターフェース

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。

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。