Initial Registration — 初回登録¶

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。

• Why（なぜUEはネットワークに登録しなければならないか）を、着信・発信・データ通信の前提として説明できる。
• Initial Registration の大きな手順（登録要求 → 本人確認 → セキュリティ確立 → 加入者情報取得 → 登録受諾）を順に説明できる。
• Initial Registration の Call Flow を、UE / (R)AN / AMF / AUSF / UDM の登場順に追える。
• Registration Request / Authentication / Security Mode / Registration Accept などの 主要Message と主要IE が何のためにあるか説明できる。
• 5GMM状態遷移（DEREGISTERED → REGISTERED-INITIATED → REGISTERED）を図で説明できる。
• Wireshark の Display Filter を使って、登録手順のパケット（NGAP に NAS がネストされた構造）を解析できる。
• 認証失敗・GUTI不一致・NG Setup未確立・加入者未プロビジョニング等、代表的な登録失敗を切り分けられる。
• 4G(EPC) の Attach 手続きと 5G の Initial Registration の違いを対比できる。

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。

• SBA / NF（Service Based Architecture、Network Function の考え方） → NF辞典
• N1 / N2（UE⇔AMF、gNB⇔AMF のInterface） → N1 / N2
• NAS / NGAP（N1で運ぶ制御プロトコルと、N2の無線ノード制御プロトコル） → Protocol辞典
• 主要NFの役割 → AMF / AUSF / UDM

この章で学べること¶

本章は Initial Registration（初回登録）に限定します。UEが電源ON後にはじめてネットワークへ登録する手続きです。

• Mobility Registration Update（在圏エリアをまたいだ登録更新）
• Periodic Registration Update（周期的な登録更新）

は本章の範囲外です。これらは別の Registration type であり、共通部分は多いものの分岐が異なります。今後の章で扱う予定です（Next Step 参照）。

Why — なぜ登録が必要なのか¶

Why（なぜ必要か）から始めます。 UEは電源を入れただけでは、まだネットワークにとって「存在しない端末」です。この状態では次のいずれもできません。

• 着信できない — ネットワークはUEがどのエリアにいるか知らないので、呼び出し（Paging）先が分からない。
• 発信できない — 制御シグナリングを送る土台（セキュリティ・コンテキスト）が無い。
• データ通信できない — PDU Session を張る前提が整っていない。

登録とは、UEが「私はここにいます。使わせてください」と申告し、ネットワーク側が以下を確立する手続きです。

1. 在圏の把握 — UEがどのエリア（TA: Tracking Area）にいるか。
2. 状態の把握 — 登録済みか、接続中か待機中か。
3. 能力の把握 — UEがどのセキュリティアルゴリズムやスライスを使えるか。
4. 本人確認（認証） — なりすましでないことを確認する。
5. セキュリティ確立 — 以降のシグナリングを暗号化・完全性保護する鍵を共有する。

これらが整って初めて、着信・発信・データ通信という以降の全手続きの土台ができます。

Overview — 概要¶

Initial Registration では、大きく次の流れが起きます。

UEが電源ON後、gNB（基地局）経由で AMF に登録要求（Registration Request）を送り → AMFが AUSF/UDM と連携して本人確認（認証）を行い → NASセキュリティを確立し → UDMから加入者情報を取得し → 最後にAMFがUEへ登録受諾（Registration Accept）を返して 5G-GUTI を割り当てます。UEが Registration Complete を返して完了です。

flowchart LR
    UE([UE]) -->|1.Registration Request| AMF[AMF]
    AMF -->|2.認証| AUTH{AUSF / UDM}
    AMF -->|3.Security確立| UE
    AMF -->|4.加入者情報取得| UDM[UDM]
    AMF -->|5.Registration Accept| UE

Basic Concept — 初心者向け説明¶

初回登録を理解するには、3つのキーワードを押さえます。

1. 5GMM状態（登録の状態）¶

5GMM = 5G Mobility Management（5G のモビリティ管理）。UEは登録に関して主に2つの状態を持ちます。

• 5GMM-DEREGISTERED（未登録）— ネットワークから見て「いない」状態。
• 5GMM-REGISTERED（登録済み）— 在圏・状態・鍵が確立され、サービスを使える状態。

Initial Registration は、この DEREGISTERED → REGISTERED へ遷移させる手続きです（詳細は State Machine）。

2. 識別子（UEを表す名前）¶

3. NAS と NGAP（登録を運ぶ2つのプロトコル）¶

• NAS（Non-Access Stratum） — UEとAMFが直接やり取りする制御メッセージ（Registration Request 等）。gNBは中身を見ず、そのまま運びます。 → N1
• NGAP（NG Application Protocol） — gNBとAMFの間の制御プロトコル。NASメッセージをNGAPのメッセージに入れて運びます。 → N2

つまり登録要求は「NAS（本文）を NGAP（封筒）に入れて gNB が AMF へ届ける」構造です。この入れ子構造は Packet Analysis で重要になります。

Architecture¶

Initial Registration に関わる要素と、それらを結ぶInterfaceです。

flowchart LR
    UE([UE]) ---|"N1 (NAS)"| AMF
    UE -.RRC.- RAN["(R)AN / gNB"]
    RAN ---|"N2 (NGAP)"| AMF[AMF]
    AMF ---|"N12"| AUSF[AUSF]
    AMF ---|"N8"| UDM[UDM]
    AUSF ---|"N13"| UDM
    AMF ---|"N15"| PCF[PCF]

各要素の役割は次の通りです。

• UE — 登録を要求する端末。NAS を生成し、認証に応答する。
• (R)AN / gNB — 無線アクセス。UEのNASを NGAP に載せて AMF へ中継し、AMF選択（AMF selection）を行う。
• AMF — 登録の司令塔。N1(NAS)/N2(NGAP)を終端し、認証・セキュリティ・加入者情報取得・登録受諾を取りまとめる。
• AUSF — 認証サーバ。5G-AKA の認証処理を実行する（N12 経由でAMFと、N13 経由でUDMと）。UDMから受けた HE AV をもとに HXRES* / KSEAF を導出する（AV そのものの生成主体ではない。TS 33.501 §6.1.3.2）。
• UDM — 加入者データ管理。UDM/ARPF が認証ベクトル(AV)を生成し（TS 33.501 §6.1.3.2）、加入者データの提供元でもある（N8/N13）。
• PCF（Policy Control Function、条件付き）— AMアクセス＆モビリティのポリシーを提供（N15）。本章では任意ステップ。

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。

Procedure — Call Flow¶

このページの心臓部です。 3GPP TS 23.502 §4.2.2.2.2（General Registration） に準拠した Initial Registration の主要手順を、Mermaid の sequenceDiagram で示します。

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

    Note over UE,RAN: RRC接続確立（無線側・概略）
    UE->>RAN: Registration Request (NAS) を運ぶ
    Note right of RAN: TS 24.501 §5.5.1
    RAN->>AMF: Initial UE Message (NGAP) に NAS を載せる
    Note right of RAN: AMF selection（AMF選択）を実施

    opt 新規登録 / 5G-GUTI 不明・無効
        AMF->>UE: Identity Request (NAS)
        UE->>AMF: Identity Response (SUCI)
    end

    AMF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate（認証開始）
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication_Get（AV要求）
    UDM-->>AUSF: HE AV 生成(UDM/ARPF): RAND, AUTN, XRES*, KAUSF
    Note right of AUSF: AUSFは HXRES*/KSEAF を導出 (TS 33.501 §6.1.3.2)
    AUSF-->>AMF: 認証チャレンジ(RAND, AUTN)
    AMF->>UE: Authentication Request (RAND, AUTN)
    UE->>AMF: Authentication Response (RES*)
    AMF->>AUSF: RES* 検証依頼
    AUSF-->>AMF: 認証成功 + KSEAF
    Note over UE,AUSF: 5G-AKA / TS 33.501 §6.1

    AMF->>UE: Security Mode Command (NAS)
    UE->>AMF: Security Mode Complete (NAS)
    Note over UE,AMF: NASセキュリティ確立 / TS 24.501 §5.4.2

    AMF->>UDM: Nudm_UECM_Registration（AMF登録）
    AMF->>UDM: Nudm_SDM_Get（加入者データ取得）
    UDM-->>AMF: Access & Mobility Subscription Data
    AMF->>UDM: Nudm_SDM_Subscribe（変更通知購読）

    opt 条件付き（構成・状況依存）
        AMF->>PCF: Npcf_AMPolicyControl_Create（AMポリシー）
        PCF-->>AMF: AM Policy
    end

    AMF->>RAN: Initial Context Setup Request (NGAP)
    AMF->>UE: Registration Accept (NAS: 5G-GUTI, allowed NSSAI)
    UE->>AMF: Registration Complete (NAS)
    Note over UE,AMF: 登録完了 / 5GMM-REGISTERED

ステップ解説（番号は上図に対応）¶

1. UE→(R)AN: RRC接続を確立し（無線側の概略）、Registration Request(NAS) を運ぶ。
2. (R)AN→AMF: gNBは Initial UE Message(NGAP) に NAS を載せて送る。同時に AMF selection（適切なAMFを選ぶ）を行う。
3. （新規登録/GUTI不明・無効時のみ） AMF→UE Identity Request / UE→AMF Identity Response(SUCI)。5G-GUTIが有効な場合はこの識別要求は省略され得る（条件により変化＝状況依存）。
4. 認証（5G-AKA）: AMF→AUSF Nausf_UEAuthentication_Authenticate、AUSF→UDM Nudm_UEAuthentication_Get で認証ベクトルを取得。AMF→UE Authentication Request(RAND, AUTN)、UE→AMF Authentication Response(RES*) で challenge/response を行う。5G-GUTIが有効でセキュリティコンテキストが再利用できる場合、認証を省略できることがある（条件により省略＝状況依存）。
5. セキュリティ確立: AMF→UE Security Mode Command / UE→AMF Security Mode Complete。以降のNASを暗号化・完全性保護する。
6. UDM連携: AMF→UDM Nudm_UECM_Registration（このUEがどのAMFに登録されたかをUDMに記録）、Nudm_SDM_Get（加入者データ取得）、Nudm_SDM_Subscribe（データ変更の通知購読）。
7. （任意/条件付き） AMF→PCF Npcf_AMPolicyControl_Create で AMポリシーを取得（構成・状況依存）。
8. 受諾: AMF→(R)AN Initial Context Setup Request(NGAP) でUEコンテキストを確立し、AMF→UE Registration Accept(NAS) で 5G-GUTI割当 と allowed NSSAI を通知。
9. 完了: UE→AMF Registration Complete(NAS)。これは手続きの完了確認であり、UEの 5GMM-REGISTERED への遷移は Registration Accept 受信時点で発生する（TS 24.501 §5.5.1.2.4）。

参照: TS 23.502 §4.2.2.2.2（General Registration の全体手順）、TS 24.501 §5.5.1（NAS側 Registration procedure）。

Signal Flow¶

主要Messageを表で整理します。IEは Message辞典 と整合させています。

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

State Machine¶

UE側の 5GMM 状態遷移です（根拠: TS 24.501 §5.1.3）。

stateDiagram-v2
    [*] --> DEREGISTERED
    DEREGISTERED --> REGISTERED_INITIATED: Registration Request 送信
    REGISTERED_INITIATED --> REGISTERED: Registration Accept 受信
    REGISTERED_INITIATED --> DEREGISTERED: Registration Reject 受信 / T3510満了
    REGISTERED --> DEREGISTERED: De-registration / 登録失効
    REGISTERED --> [*]

• 5GMM-DEREGISTERED — 未登録。ここから Registration Request を送ると遷移開始。
• 5GMM-REGISTERED-INITIATED — 登録要求を送って応答待ちの過渡状態。Registration Accept で成功、Registration Reject／タイマ満了（例: T3510）で DEREGISTERED へ戻る。
• 5GMM-REGISTERED — 登録完了。サービス利用可能。

タイマの詳細は Timer辞典 を参照してください。

Packet Analysis (Wireshark)¶

Initial Registration を Wireshark で解析するときの要点です。

主要 Display Filter¶

Decode の見どころ（主要IE）¶

• 5GS registration type — initial / mobility updating などの種別。Initial Registration では initial registration。
• 5GS mobile identity — SUCI か 5G-GUTI か。初回は SUCI が入る。
• UE security capability — UEが対応する暗号/完全性アルゴリズム。
• RAND / AUTN（Authentication Request 内）— 認証チャレンジのランダム値と認証トークン。
• 5G-GUTI（Registration Accept 内）— AMFが割り当てた一時ID。

NGAP に NAS がネストする構造¶

NGAP メッセージ（例: Initial UE Message）の中に NAS-PDU が入り、その中に 5GS NAS（Registration Request）があります。パケット詳細ペインでは次のように階層表示されます。

NGAP-PDU
 └─ InitialUEMessage
     └─ NAS-PDU
         └─ 5GS NAS Message
             └─ Registration Request

Configuration¶

Initial Registration 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。

AMF 側（例: Open5GS / free5GC の AMF 設定）¶

• PLMN ID（MCC/MNC）— どの事業者網かを識別。
• GUAMI（Globally Unique AMF Identifier）— AMFを一意に識別し、5G-GUTI割当の基礎になる。
• TAI / TAC（Tracking Area）— サービスするエリア。gNB の TA と一致している必要がある。
• PLMN Support / S-NSSAI（サポートするスライス）— allowed NSSAI 決定の基礎。

加入者情報のプロビジョニング（UDM/UDR）¶

• 加入者（SUPI/IMSI）の登録が UDM/UDR 側に必要。
• 認証情報（K, OPc など長期鍵）のプロビジョニングが必要。これが無いと認証（5G-AKA）が成立しません。
• 加入データ（Access & Mobility Subscription Data、許可スライス等）の登録。

Trouble Shooting¶

代表的な登録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¶

登録関連の主なトピックです。不確かなものは要確認とし、断定しません。

• Rel-15 — 5GC の基本手順が確立。Initial Registration / 5G-AKA / SUCI / SBA の基礎が規定。
• Rel-16 — ネットワークスライス関連の登録・選択の拡張やセキュリティ強化が進んだ世代（具体的な機能の登録手順への織り込み範囲は要確認）。
• Rel-17 — 機能拡張が継続（登録手続きへの影響の具体は要確認）。
• Rel-18（5G-Advanced）— さらなる拡張（登録関連の具体差分は要確認）。

3GPP Specification¶

FAQ¶

Summary¶

• Initial Registration は、UEを 5GMM-DEREGISTERED → REGISTERED へ遷移させ、着信・発信・データ通信の土台を作る手続き。
• 大きな流れは 登録要求 → 認証(5G-AKA) → セキュリティ確立 → 加入者情報取得 → 登録受諾。
• 司令塔は AMF、認証は AUSF/UDM、加入者データは UDM。
• 登録要求は NAS を NGAP に載せて gNB が AMF へ運ぶ（入れ子構造）。
• 本名 SUPI は電波上 SUCI で秘匿、登録後は 5G-GUTI を使う（プライバシー保護）。
• 根拠は TS 23.502 §4.2.2.2.2 / TS 24.501 §5.5.1・§5.1.3 / TS 33.501 §6。

Practice — 理解度チェック・演習¶

理解度チェック¶

演習¶

問: 次の Initial Registration 主要9ステップを正しい順に並べ替えてください。

A. Security Mode Command / Complete
B. Registration Request（Initial UE Message で運ぶ）
C. Registration Complete
D. Authentication Request / Response（5G-AKA）
E. Registration Accept（5G-GUTI 割当）
F. Identity Request / Response（GUTI不明時）
G. Nudm_UECM_Registration / Nudm_SDM_Get
H. Initial Context Setup Request
I. Npcf_AMPolicyControl_Create（条件付き）

Next Step¶

理解を深めるための次の一歩です。

• Authentication 章（5G-AKA / EAP-AKA' の詳細）
• Security 章（NASセキュリティ・鍵階層 KSEAF/KAMF）
• PDU Session 章（データ通信の土管確立）
• Mobility Registration Update 章（本章範囲外の登録更新＝4GのTAU相当）／ Periodic Registration Update 章（周期登録更新＝生存確認）
• 関連NF: AMF / AUSF / UDM
• 関連Interface: N1 / N2
• 辞典: Message辞典 / Timer辞典 / Cause辞典 / Protocol辞典 / NF辞典 / Interface辞典