PDU Session Establishment — PDUセッション確立¶

学習目標¶

このページを読み終えると、次のことができるようになります。

• PDU Session とは何か（UPFを通ってDN(Data Network)へ抜けるユーザプレーンの論理パイプ）を説明できる。
• Why（登録・認証が済んでも、なぜPDUセッションを張らないとデータ通信できないか）を説明できる。
• UE-requested PDU Session Establishment の大きな手順（要求 → SMF選択 → 加入者データ/ポリシー → N4でUPF設定 → 受諾＋N2リソース設定 → ユーザプレーン疎通）を順に説明できる。
• SMF / UPF / N4(PFCP) / N3(GTP-U) それぞれの役割を説明できる。
• CUPS（制御プレーンSMFと転送プレーンUPFの分離）を図で説明できる。
• QoS Flow の基礎（QFI, 5QI, QoS Flow ↔ DRB マッピング）を理解できる。
• DNN / S-NSSAI / PDU Session Type / SSC mode の役割を説明できる。
• Wireshark で SM NAS / N4(PFCP) / N3(GTP-U) / NGAP のパケットを解析する着眼点を挙げられる。

前提知識¶

先に以下を理解しておくとスムーズです。まだの人は カリキュラム から始めてください。

• Registration の完了（UEが登録済み＝5GMM-REGISTERED であること） → Initial Registration
• Authentication の完了（一次認証・NASセキュリティ確立済み） → Authentication
• NAS / N1（UE⇔AMF の制御メッセージを運ぶ層。SM NASもここを通る） → N1
• AMF の役割・SBA / NF の考え方 → AMF / NF辞典

この章で学べること¶

本章は UE-requested PDU Session Establishment（UE要求のPDUセッション確立） に焦点を絞ります（TS 23.502 §4.3.2.2）。登録・認証が済んだUEが、実際にデータ通信するための「土管(PDUセッション)」を張る手続きです。

• Network-requested PDU Session Modification / Release（変更・解放）は本章の範囲外です（Next Step 参照）。
• 二次認証（Secondary Authentication、外部DN-AAAとのPDUセッション単位認証。TS 33.501 §11）は概要のみ扱い、詳細は範囲外とします。
• ハンドオーバや Service Request 経由のユーザプレーン再確立（CM-IDLE→CM-CONNECTED）も範囲外です。

Why — なぜPDUセッションが必要か¶

Why（なぜ必要か）から始めます。 UEが登録(Registration)し認証(Authentication)を済ませても、それだけではユーザデータは1バイトも流れません。登録・認証で確立したのは「ネットワークへのチェックインと本人確認・制御用の鍵」であって、データを通す経路(パイプ)そのものではないからです。

データ通信をするには、UEから UPF(User Plane Function) を経由して DN(Data Network、インターネットや社内網等) へ抜ける論理的なパイプを1本張る必要があります。これが PDU Session です。

Overview — 概要¶

PDU Session Establishment では、大きく次の流れが起きます。

登録済みのUEが AMF 経由で SMF(Session Management Function) にセッション確立を要求し → SMFが UDM から加入者データを、（任意で）PCF からポリシー(QoS)を取得し → N4(PFCP) で UPF にパケット転送ルールを設定し → AMF経由でUEへ PDU Session Establishment Accept を返し、同時に N2 で gNB にユーザプレーンリソースを設定します。最後に gNB のトンネル情報(TEID)をUPFに反映して、N3(GTP-U) のユーザプレーンが疎通します。

flowchart LR
    UE([UE]) -->|"1.Establishment Request (N1/SM NAS)"| AMF[AMF]
    AMF -->|"2.Nsmf_PDUSession (N11相当)"| SMF[SMF]
    SMF -->|"3.加入者/ポリシー"| POL{UDM / PCF}
    SMF -->|"4.N4 (PFCP)"| UPF[UPF]
    SMF -->|"5.Accept + N2情報"| AMF
    AMF -->|"6.N2 Resource Setup"| gNB["(R)AN / gNB"]
    gNB -.->|"7.N3 (GTP-U) 疎通"| UPF
    UPF -->|"N6"| DN[(Data Network)]

ここで重要なのが CUPS(Control and User Plane Separation、制御プレーンとユーザプレーンの分離) です。SMF が「頭脳(制御)」、UPF が「土管(転送)」として分離され、SMFはN4(PFCP)でUPFに「こう転送しろ」と指示します。

Basic Concept — 初心者向け説明¶

PDUセッションを理解するには、いくつかのキーワードを押さえます。

1. PDU Session と PDU Session ID¶

• PDU Session — UEとDNの間の、ユーザデータを運ぶ論理的な接続(パイプ)。1つのUEが複数のPDUセッションを同時に持てます（例: インターネット用と社内網用）。
• PDU Session ID — その複数のセッションを区別する番号。UEが割り当て、確立要求に入れます。

2. DNN（どのネットワークへつなぐか）¶

• DNN (Data Network Name) — 接続先のデータネットワークの名前。4Gの APN(Access Point Name) に相当します。「インターネット」「IMS(音声)」「社内網」などをDNNで指定します。

3. S-NSSAI（どのスライスを使うか）¶

• S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information) — 使用するネットワークスライスを示す識別子。スライスとは、同じ物理網を用途別（例: モバイルブロードバンド/IoT/超低遅延）に論理分割したものです。PDUセッションは (DNN, S-NSSAI) の組でどの網・どのスライスを使うかが決まります。

4. PDU Session Type（何を運ぶパイプか）¶

（根拠: TS 23.501 §5.6.1 付近。列挙値の網羅性は要確認。）

5. SSC mode（セッション継続性）¶

• SSC mode (Session and Service Continuity mode) — 移動時にIPアドレス(アンカーUPF)を維持するか変えるかの方針。SSC mode 1（アンカー維持）、mode 2/3（再確立を伴う）などがあります（TS 23.501 §5.6.9 付近。詳細は要確認）。

6. QoS Flow（品質の単位）¶

• QoS Flow — PDUセッション内で同じ品質(QoS)を適用するトラフィックのまとまり。5Gでは QoS の最小粒度がこの QoS Flow です。
• QFI (QoS Flow Identifier) — QoS Flow を識別する番号。
• 5QI (5G QoS Identifier) — 遅延・パケットロス率・優先度などの品質特性を表す標準化された番号（4Gの QCI に相当）。
• QoS Flow ↔ DRB マッピング — 無線区間では QoS Flow が DRB(Data Radio Bearer) に対応づけられます（gNBが担当）。1つのDRBに複数QoS Flowを載せることもあります。

Architecture¶

PDU Session Establishment に関わる要素と、それらを結ぶInterfaceです。制御プレーン(SMF) と ユーザプレーン(UPF) が分離(CUPS)している点がこの章の主役です。

flowchart LR
    subgraph CP["制御プレーン (Control Plane)"]
      AMF[AMF]
      SMF[SMF]
      PCF[PCF]
      UDM[UDM]
    end
    subgraph UP["ユーザプレーン (User Plane)"]
      UPF[UPF]
    end

    UE([UE]) -- "N1 (SM NAS)" --> AMF
    UE -. "Uu (RRC)" .- RAN["(R)AN / gNB"]
    RAN -- "N2 (NGAP)" --> AMF
    AMF -- "N11相当 (Namf/Nsmf, SBI)" --> SMF
    SMF -- "N7 (Npcf)" --> PCF
    SMF -- "N10 (Nudm)" --> UDM
    SMF -- "N4 (PFCP)" --> UPF
    RAN == "N3 (GTP-U)" ==> UPF
    UPF == "N6" ==> DN[(Data Network)]

各要素の役割は次の通りです。

• UE — PDUセッションを要求する端末。SM NAS(PDU Session Establishment Request)を生成し、割り当てられたUE IPを使う。
• (R)AN / gNB — 無線アクセス。SM NASを中継し、N2でユーザプレーンリソース(DRB, N3トンネル)を設定する。QoS Flow ↔ DRB マッピングを担う。
• AMF — NASの窓口。SM NAS の中身は解釈せず、SMFへ中継する（N1/N2 の終端と Namf/Nsmf の橋渡し）。
• SMF（Session Management Function）— セッション管理の司令塔。UE IP割当、UPF選択、N4でのUPF制御、QoSの決定を行う。
• UPF（User Plane Function）— ユーザプレーンの転送実体。N3(gNB側)とN6(DN側)を終端し、SMFの指示(N4)通りにパケットを転送・QoS適用・課金計測する。
• PCF（Policy Control Function、条件付き）— QoS/課金ポリシー(PCC rule)を提供（N7）。
• UDM — セッション管理加入データ(許可DNN/S-NSSAI等)の提供元（N10）。

Interfaceの詳細は Interface辞典 を参照してください。

Network Function（登場NF）¶

Interface / Protocol¶

この手順で使うInterfaceとProtocolです。

Protocolの詳細は Protocol辞典、Interface一覧は Interface辞典 を参照してください。関連する個別ページは SMF / UPF、N3 / N4 を参照。

Procedure — Call Flow¶

このページの心臓部です。 3GPP TS 23.502 §4.3.2.2.1（UE-requested PDU Session Establishment） に準拠した主要手順を、Mermaid の sequenceDiagram で示します。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant RAN as (R)AN / gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant UDM
    participant PCF
    participant UPF

    UE->>AMF: PDU Session Establishment Request
(SM NAS: PDU Session ID, DNN, S-NSSAI, PDU Session Type)
    Note right of UE: NASにネストされたSMメッセージ
TS 24.501 §6.4.1
    Note right of AMF: AMFはSM NASを解釈せずSMF選択(SMF selection)
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext
(SUPI, PDU Session ID, DNN, S-NSSAI, SM NAS)
    Note right of AMF: TS 23.502 §4.3.2.2.1
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get（Session Management 加入データ取得）
    UDM-->>SMF: 許可DNN/S-NSSAI, 既定QoS 等
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Response

    opt SM Policy Association（PCF連携・任意/条件付き）
        SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create
        PCF-->>SMF: PCC rule / 認可QoS
    end

    Note over SMF: UE IPアドレス割当 / UPF選択(UPF selection)
    SMF->>UPF: N4 Session Establishment Request (PFCP)
(PDR/FAR/QER, UPF側N3 TEID割当指示)
    UPF-->>SMF: N4 Session Establishment Response
(UPF側 N3 TEID / UPF IP)
    Note right of UPF: TS 29.244（PFCP）

    SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer
(N1: PDU Session Establishment Accept + N2 SM情報)
    Note right of SMF: N2 SM情報にQoS Flow(QFI/5QI)とUPF側N3情報
    AMF->>RAN: N2 PDU Session Resource Setup Request (NGAP)
(N1 Accept を同梱)
    RAN->>UE: RRC Reconfiguration（AN固有リソース: DRB設定）
    UE-->>RAN: RRC Reconfiguration Complete
    Note over RAN,UE: N1 Accept をUEへ配送 / QoS Flow↔DRBマッピング
    RAN->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response
(gNB側 N3 TEID / gNB IP)
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext (gNB側N3情報)
    SMF->>UPF: N4 Session Modification Request (PFCP)
(gNB側 N3 TEID をFARに反映)
    UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
    Note over UE,UPF: N3(GTP-U)ユーザプレーン疎通 → データ通信可能

ステップ解説（番号は上図に対応）¶

1. UE→AMF: PDU Session Establishment Request(SM NAS)。PDU Session ID・DNN・S-NSSAI・PDU Session Type を含む。SM NAS は 5GSM(Session Management) メッセージで、MM NAS(5GMM) の中にネストして運ばれる。
2. AMF→SMF: AMFはSM NASの中身を解釈せず、SMF selection で適切なSMFを選び、Nsmf_PDUSession_CreateSMContext でSM NASごと引き渡す。 3-4. SMF→UDM: Nudm_SDM_Get でセッション管理加入データ（許可DNN/S-NSSAI、既定QoS 等）を取得。
3. SMF→AMF: CreateSMContext の応答（コンテキスト生成を確認）。
4. （任意/条件付き）SMF↔PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create で SM Policy Association を確立し、PCC rule / 認可QoS を取得（動的PCC構成時。無ければSMF既定QoSで継続＝構成依存）。
5. （SMF内） UE IPアドレス割当 と UPF selection（どのUPFを使うか）。
6. SMF→UPF: N4 Session Establishment(PFCP) で UPF に転送規則(PDR=Packet Detection Rule / FAR=Forwarding Action Rule / QER=QoS Enforcement Rule 等)を設定。この時点でUPF側のN3 TEIDが割り当てられる。
7. SMF→AMF→gNB: SMF は Namf_Communication_N1N2MessageTransfer（AMF提供・SMF消費）で、N1(PDU Session Establishment Accept) と N2 SM情報（QoS Flow=QFI/5QI、UPF側N3情報）をまとめて AMF へ渡す。AMFは N2 PDU Session Resource Setup Request(NGAP) としてgNBへ。
8. gNB↔UE: gNBが RRC Reconfiguration で AN固有リソース(DRB)を設定し、QoS Flow↔DRBマッピングを行い、同梱の N1 Accept をUEへ配送。
9. gNB→AMF→SMF: N2 Resource Setup Response で gNB側のN3 TEID をSMFへ返す（Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext 経由）。
10. SMF→UPF: N4 Session Modification(PFCP) で gNB側N3 TEID をFARに反映（下り方向の宛先確定）。
11. ユーザプレーン疎通: これで N3(GTP-U) の上下トンネルが揃い、UE↔gNB↔UPF↔DN のデータ通信が可能になる。

参照: TS 23.502 §4.3.2.2.1（UE-requested PDU Session Establishment）、TS 24.501 §6.4.1（NAS側 PDU session establishment）。

Signal Flow¶

主要Message／サービスオペレーションを表で整理します。

各Messageの詳細IE・参照Specは Message辞典 を参照してください。

State Machine¶

PDUセッションのユーザプレーン状態遷移(概念)です。UEの 5GSM 側にも「PDU SESSION ACTIVE」等の状態があります（根拠: TS 23.501 §5.6 / TS 24.501 §6.1.3。状態名の一部は実装表現差があり要確認）。

stateDiagram-v2
    [*] --> INACTIVE
    INACTIVE --> ACTIVATING: Establishment Request → SMF/UPF設定中
    ACTIVATING --> ACTIVE: N3トンネル確立（U-Plane疎通）
    ACTIVATING --> INACTIVE: 確立失敗 / Establishment Reject
    ACTIVE --> INACTIVE: PDU Session Release
    ACTIVE --> ACTIVE: Modification（QoS変更等・状態維持）
    ACTIVE --> [*]

• INACTIVE — PDUセッション未確立、またはU-Plane非アクティブ。
• ACTIVATING — 確立処理中の過渡状態（SMF/UPF/N4/N2設定中）。確立失敗や Reject で INACTIVE へ戻る。
• ACTIVE — U-Plane疎通済み。データ通信可能。QoS変更(Modification)は ACTIVE を維持したまま行われる。

Packet Analysis (Wireshark)¶

PDU Session Establishment は複数区間にまたがるため、区間ごとにフィルタを使い分けます。

主要 Display Filter¶

Decode の見どころ（主要IE）¶

• PDU Session ID / DNN / S-NSSAI（SM NAS Request内）— どのセッション・どの網・どのスライスか。
• PDU Session Type / UE IP address（SM NAS Accept内）— 割り当てられたIPと種別。
• QoS Flow（QFI / 5QI）（Accept / N2 SM情報内）— 品質の割当。
• TEID（N3 GTP-U / PFCP内）— トンネル識別子。UPF側とgNB側の2つが交換される。

SM NAS は MM NAS にネストされる¶

SM NAS(5GSM) は単独では飛ばず、MM NAS(5GMM) の中にネストされて N1 を通ります。さらに N2 区間では NGAP にネストされるため、階層は次のようになります。

NGAP-PDU
 └─ (Uplink/Downlink)NASTransport など
     └─ NAS-PDU
         └─ 5GS NAS (5GMM: 例 UL NAS TRANSPORT)
             └─ 5GS NAS (5GSM: PDU Session Establishment Request)

Configuration¶

PDU Session Establishment を成立させるための設定の構造レベルの要点です。具体値・ベンダー固有(Cisco 等)は実装依存であり、ここでは架空の値を書きません。

SMF 側（例: Open5GS / free5GC の SMF 設定）¶

• DNN（接続先データネットワーク名、4GのAPN相当）と、それに紐づく UE IP pool（割り当てるIPアドレス範囲）。
• S-NSSAI（サポートするスライス）と DNN の対応。
• UPF の指定（どのUPFを使うか、UPF選択の基礎）と N4(PFCP) の接続先。
• 既定QoS（5QI/QFI の既定値、ARP等）— PCF無し(静的PCC)構成での品質。

UPF 側¶

• N3 / N6 のインターフェース（gNB側・DN側）の設定。
• N4(PFCP) で SMF から受けるルール適用の準備（PFCPアソシエーション）。
• N6 から先のルーティング（DN/インターネットへの経路、NAT等は構成依存）。

加入者データ（UDM/UDR）¶

• 加入者(SUPI/IMSI)に対する 許可DNN / 許可S-NSSAI の登録。
• 既定QoS・（必要なら）静的UE IP等のセッション管理加入データ。

Trouble Shooting¶

代表的なPDUセッション確立失敗の切り分けです。Cause値の詳細は Cause辞典 を参照してください。

EPCとの比較¶

4G(EPC) の経験者が 5G へ橋渡しできるよう対比します。

Release差分¶

不確かなものは要確認とし、断定しません。

• Rel-15 — PDU Session / QoS Flow モデル、SMF/UPF分離(CUPS)、N4(PFCP)、DNN/S-NSSAI、UE-requested PDU Session Establishment の基礎が確立（TS 23.501/23.502/24.501 の基礎）。
• Rel-16 — スライス・URLLC・TSC(時間高精度通信)・Ethernet PDU 等の拡張が進んだ世代（PDUセッション確立手順本体への織り込み範囲は要確認）。
• Rel-17 / Rel-18(5G-Advanced) — 機能拡張が継続（確立手順への具体差分は要確認）。

3GPP Specification¶

FAQ¶

Summary¶

• PDU Session は、UEから UPF を通って DN へ抜ける、ユーザデータを運ぶ論理的なパイプ。登録・認証だけでは通信できず、これを張って初めてデータが流れる。
• 大きな流れは 確立要求 → SMF選択 → 加入者/ポリシー取得 → N4でUPF設定 → Accept＋N2リソース設定 → N3トンネル確立。
• SMF が制御(頭脳)、UPF が転送(土管) で分離(CUPS)、両者を N4(PFCP) がつなぐ。ユーザデータは N3(GTP-U) で運ばれる。
• DNN(どの網)・S-NSSAI(どのスライス)・PDU Session Type・QoS Flow(QFI/5QI) が主要パラメータ。
• ユーザプレーンは N4 の Establishment→Modification の2段で、UPF側とgNB側の TEID を揃えて疎通する。
• 二次認証は概要のみ（外部DN-AAAとのPDUセッション単位認証。任意）。
• 根拠は TS 23.502 §4.3.2.2 / TS 24.501 §6.4 / TS 23.501 §5.6・§5.7 / TS 29.244。

Practice — 理解度チェック・演習¶

理解度チェック¶

演習¶

問: 次の UE-requested PDU Session Establishment 主要ステップを正しい順に並べ替えてください。

A. SMF → UPF: N4 Session Establishment(PFCP, PDR/FAR/QER設定)
B. UE → AMF: PDU Session Establishment Request(SM NAS)
C. AMF → gNB: N2 PDU Session Resource Setup(N1 Accept同梱)
D. AMF → SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext
E. SMF → UPF: N4 Session Modification(gNB側N3 TEID反映)
F. SMF → UDM: Nudm_SDM_Get(加入データ取得)
G. gNB → AMF → SMF: N2応答(gNB側N3 TEID)

Next Step¶

理解を深めるための次の一歩です。

• QoS 章（QoS Flow・QFI・5QI・GBR/Non-GBR・AMBR・DRBマッピングの詳細）／ Network Slicing 章（スライス選択・S-NSSAI）
• Security 章（二次認証 Secondary Authentication を含む詳細）
• PDU Session Modification / Release 章（本章範囲外のセッション変更・解放）
• 手順の前提: Initial Registration / Authentication
• 関連NF: AMF ／ SMF ／ UPF ／ PCF
• 関連Interface: N1 / N2 / N3 / N4 / N6 / N7
• 辞典: Message辞典 / Timer辞典 / Cause辞典 / Protocol辞典 / NF辞典 / Interface辞典