QoS — 5G QoSモデル¶

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 QoS が必要か）を、全トラフィックを平等に扱うと音声・緊急・動画・ベストエフォートが競合して体感が破綻する、という差別化の観点で説明できる。
• QoS Flow が 5G QoS の最小粒度であり、QFI（QoS Flow Identifier） で識別されること、PDU Session が1つ以上の QoS Flow を内包することを説明できる。
• 5QI（5G QoS Identifier） が品質特性（優先度・遅延・パケット誤り率等）の標準化された識別子であることを説明できる。
• GBR / Non-GBR の違いと、Session-AMBR / UE-AMBR の役割（保証と上限）を区別して説明できる。
• QoS Flow ↔ DRB（Data Radio Bearer）マッピングを NG-RAN が担うこと、QFI が N3(GTP-U) でマーキングされることを説明できる。
• 制御（PCF→SMF が決定） と 適用（UPF がレート制御・NG-RAN がスケジューリング） の分離を、N7/N4/N2/N1/N3 の各Interfaceに対応づけて説明できる。
• Wireshark で GTP-U(QFI) / NGAP(QoS profile) / PFCP(QER) を解析する着眼点を挙げられる。
• 4G(EPC) の QoS（EPSベアラ単位 / QCI / APN-AMBR）と 5G の QoS（QoS Flow単位 / 5QI / Session-AMBR）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。

• PDU Session の理解（QoS は PDU Session の内側で適用される。QoS Flow は PDU Session に内包される） → PDU Session Establishment
• N4 / PFCP の基礎（SMF が UPF に PDR/FAR/QER 等の転送・QoS 規則を設定する） → N4
• PCF の役割（ポリシー・QoS を PCC Rule として提供する） → PCF
• SMF / UPF の役割（SMF が QoS を決定、UPF が転送・QoS を適用する） → SMF / UPF

この章で学べること¶

本章は 5G の QoS モデル に焦点を絞ります。QoS Flow（最小粒度）・5QI・GBR/Non-GBR・AMBR という QoS の骨格と、その 制御（決定） と 適用（実施） がどのNF・Interfaceで行われるかを主題化します。

• QoS Flow の確立自体は PDU Session Establishment の一部として起こります。本章は QoS モデルの構造を主題とし、PDU Session 確立手順そのものは pdu-session へ誘導します。
• PFCP のルール詳細（PDR/FAR/QER/URR の細目）は N4 へ誘導します。本章では QER（QoS Enforcement Rule）の位置づけを概念として扱います。
• 無線側の詳細（DRB の無線リソース割当・スケジューリングアルゴリズム）は概念にとどめ、詳細は範囲外（無線側・実装依存）とします。
• ネットワークスライス（Network Slicing） は Network Slicing 章 の主題であり、本章では関連する範囲で言及するにとどめます（S-NSSAI とスライス選択の詳細はそちら）。

Why — なぜ QoS が必要なのか¶

Why（なぜ必要か）から始めます。 モバイルネットワークには、性質のまったく異なるトラフィックが同時に流れます。音声通話は遅延に敏感で少しの遅れやパケット欠落でも通話が途切れます。緊急通報は最優先で確実に通す必要があります。動画ストリーミングは一定の帯域が要りますが多少の遅延は許容できます。メール・バックグラウンド更新は遅くても構いません（ベストエフォート）。

もしこれらをすべて平等に扱うと、混雑時に大量の動画やダウンロードが帯域を食い尽くし、音声が途切れ、緊急通報が届かないといった体感の破綻が起きます。そこでネットワークは、トラフィックを性質ごとに区別（差別化） し、優先すべきものを優先し、必要なものには帯域を保証する仕組みが要ります。これが QoS（Quality of Service、品質制御） です。

Overview — 概要¶

5G の QoS モデルは、QoS Flow を最小粒度とします。1つの PDU Session（UEからDNへ抜けるパイプ）の中に、1つ以上の QoS Flow が存在し、各 QoS Flow は QFI（QoS Flow Identifier） で識別されます。同じ QoS Flow に属するパケットは、同じ QoS 扱い（優先度・遅延・レート等）を受けます。

各 QoS Flow の品質は、次の要素で規定されます。

5G QoS の要点は、「決める人」と「実施する人」が分離していることです。PCF/SMF が QoS を決定（制御プレーン） し、UPF がレート制御・マーキングを、NG-RAN が無線スケジューリングを実施（ユーザプレーン） します。

flowchart LR
    PCF["PCF
(ポリシー/PCC Rule)"] -- "N7" --> SMF["SMF
(QoS 決定)"]
    SMF -- "N4: QER/PDR" --> UPF["UPF
(レート制御/マーキング)"]
    SMF -- "N2(AMF経由): QoS profile" --> RAN["NG-RAN
(QoS Flow→DRB)"]
    SMF -- "N1(NAS): QoS rules" --> UE["UE
(UL分類)"]
    RAN == "N3: QFI マーキング" ==> UPF

    classDef ctrl fill:#eef,stroke:#66a,stroke-width:1px;
    classDef data fill:#efe,stroke:#3a3,stroke-width:2px;
    class PCF,SMF ctrl;
    class UPF,RAN data;

Basic Concept — 初心者向け説明¶

5G の QoS を理解するには、3つのキーワードを押さえます。

1. QoS Flow とは（品質を揃える「まとまり」）¶

QoS Flow は、PDU Session の中で同じ品質（QoS）を適用するトラフィックのまとまりです。5G では QoS の最小粒度がこの QoS Flow で、QFI（QoS Flow Identifier） という番号で識別されます。

例えば1本の PDU Session（インターネット接続）の中に、「音声用の QoS Flow（低遅延・優先）」と「一般データ用の QoS Flow（ベストエフォート）」を同居させられます。高速道路の例えでは、1本の道路（PDU Session）の中に用途別のレーン（QoS Flow）を引くイメージです。

2. 5QI とは（品質の「メニュー番号」）¶

5QI（5G QoS Identifier） は、遅延（Packet Delay Budget）・パケット誤り率（Packet Error Rate）・優先度（Priority Level）といった品質特性のセットを、1つの標準化された番号で表したものです。レストランのメニュー番号のように、「5QI=◯番」と言えば、その品質特性の組み合わせが決まります。

標準化された 5QI 値とその特性は 3GPP TS 23.501 §5.7（章番号要確認）の標準化 5QI テーブルに定義されています。音声向け・会話型映像向け・ベストエフォート向けなど代表的な値が規定されていますが、本ページでは個々の 5QI 値・遅延値・誤り率の具体値を断定しません（値は TS 23.501 §5.7 を要確認。架空値は記載しない方針）。4G の QCI に相当する概念です。

3. GBR・Non-GBR と AMBR（保証と上限）¶

QoS Flow は、帯域を保証するか否かで2種類に分かれます。

• GBR（Guaranteed Bit Rate、保証ビットレート） — 一定の帯域を保証する QoS Flow。音声や会話型映像など、帯域が足りないと成立しないトラフィック向け。保証レート GFBR（Guaranteed Flow Bit Rate） と最大レート MFBR（Maximum Flow Bit Rate） を持ちます。
• Non-GBR — 帯域を保証しない QoS Flow。ベストエフォートのデータ向けで、品質は主に 5QI ベースで扱われ、混雑時は共有されます。

そして、帯域の総量の上限を定めるのが AMBR（Aggregate Maximum Bit Rate） です。

• Session-AMBR — 1つの PDU Session 単位の、Non-GBR トラフィック合計の帯域上限。
• UE-AMBR — 1つの UE 全体の、Non-GBR トラフィック合計の帯域上限。

Architecture¶

5G QoS モデルに関わる要素と、それらを結ぶInterfaceです。制御プレーン（QoS を決定：PCF→SMF） と ユーザプレーン（QoS を適用：UPF / NG-RAN） が分離している点がこの章の主役です。

flowchart LR
    subgraph CP["制御プレーン (QoS 決定)"]
      PCF["PCF
(PCC Rule)"]
      SMF["SMF
(QoS 決定)"]
      AMF["AMF
(N2 搬送仲介)"]
    end
    subgraph UP["ユーザプレーン (QoS 適用)"]
      UPF["UPF
(QER: レート/マーキング)"]
      RAN["NG-RAN / gNB
(QoS Flow→DRB)"]
    end

    PCF -- "N7 (Npcf_SMPolicyControl): PCC Rule" --> SMF
    SMF -- "N4 (PFCP): QER/PDR" --> UPF
    SMF -- "N1 (NAS): QoS rules" --> UE(("UE
(UL 分類)"))
    SMF -- "N2 SM情報: QoS profile" --> AMF
    AMF -- "N2 (NGAP): QoS profile" --> RAN
    RAN == "N3 (GTP-U): QFI マーキング" ==> UPF
    UPF == "N6" ==> DN[(Data Network)]

    classDef core fill:#efe,stroke:#3a3,stroke-width:2px;
    class PCF,SMF,UPF core;

各要素の役割は次の通りです。

• PCF — ポリシーの源泉。加入者・アプリに応じた PCC Rule（Policy and Charging Control Rule） を作り、QoS パラメータ（5QI、GBR/Non-GBR、AMBR 等）を N7 で SMF に渡す（動的 PCC 構成時）。
• SMF — QoS の決定者。PCF のポリシー（または既定値）を基に各 QoS Flow の QoS を決め、QER/PDR を N4 で UPF へ、QoS profile を N2（AMF 経由）で NG-RAN へ、QoS rules を N1（NAS）で UE へ配布する。
• UPF — ユーザプレーンでの QoS 適用者。SMF が設定した QER（QoS Enforcement Rule） に従い、レート制御（Session-AMBR 等の上限適用）と DL 側の QFI マーキングを行う。
• AMF — N2 の搬送仲介。SMF が生成した QoS profile を含む N2 SM 情報を NG-RAN へ中継する（QoS の中身は決めない）。
• NG-RAN / gNB — 無線側での QoS 適用者。コア側の（QoS Flow, QFI）を無線側の DRB（Data Radio Bearer） へマッピングし、無線スケジューリングを行う。コアNFではありません（無線アクセス側）。

Interfaceの詳細は Interface辞典 を参照してください。

Network Function（登場NF）¶

5G QoS に関わる主なNFの役割です。NG-RAN は無線アクセス側であり、コアNFではありません（本表はコア観点で、NG-RAN は QoS Flow↔DRB マッピングの担い手として併記）。

Interface / Protocol¶

この文脈で使う主なInterfaceとProtocolです。QoS 情報がどの区間をどの形で流れるかを整理します。

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。 QoS Flow の確立・変更に伴う制御の流れを Mermaid の sequenceDiagram で示します。根拠は TS 23.502（PDU Session 確立/変更手順の中での QoS 設定）、TS 23.501 §5.7（QoS モデル、章番号要確認）、TS 29.512（Npcf_SMPolicyControl）、TS 29.244（PFCP QER）、TS 38.413（NGAP QoS profile）です。QoS Flow は多くの場合 PDU Session Establishment の一部として確立されるため、ここでは QoS 設定の配布に焦点を当てます（PDU Session 確立の全体手順は pdu-session を参照）。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant RAN as NG-RAN / gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant PCF
    participant UPF

    Note over SMF,PCF: PDU Session 確立/変更の契機で QoS 決定が必要に
    opt 動的 PCC（PCF 連携・条件付き）
        SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl (PCC Rule 要求)
        PCF-->>SMF: PCC Rule（5QI, GBR/Non-GBR, AMBR 等）
        Note right of PCF: N7 / TS 29.512
    end
    Note over SMF: QoS Flow ごとの QoS を決定
(QFI 割当, 5QI, GBR/AMBR)

    SMF->>UPF: PFCP Session Establishment/Modification（QER/PDR）
    Note right of SMF: N4 / TS 29.244。レート制御・DL QFI マーキング指示
    UPF-->>SMF: PFCP Response

    SMF->>AMF: N2 SM情報（QoS profile）+ N1（QoS rules）
    Note right of SMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer
    AMF->>RAN: NGAP に QoS profile を載せて配送
    Note right of AMF: N2 / TS 38.413
    RAN->>RAN: QoS Flow(QFI) ↔ DRB マッピング決定
    RAN->>UE: RRC で DRB 設定 + N1(QoS rules) を配送
    Note over RAN,UE: 無線側 DRB 設定（概略/範囲外）

    Note over UE,UPF: 以降のデータ: N3 上で QFI マーキング
UL は UE が QoS rules で分類、DL は UPF がマーキング

ステップ解説（番号は上図に対応）¶

1-2. （条件付き）SMF↔PCF: 動的 PCC 構成では、SMF が Npcf_SMPolicyControl（N7）で PCC Rule を取得します。PCC Rule には 5QI・GBR/Non-GBR 区分・AMBR 等の QoS パラメータが含まれます（TS 29.512）。PCF 無し（静的 PCC）構成では SMF 既定 QoS を使います（構成依存）。 3. （SMF 内）QoS 決定: SMF が QoS Flow ごとに QFI を割り当て、5QI・GBR/AMBR を確定します。 4-5. SMF→UPF: PFCP Session Establishment/Modification（N4）で UPF に QER（QoS Enforcement Rule） と PDR を設定します。QER によりレート制御（Session-AMBR 等の上限）と DL 側の QFI マーキングが指示されます（TS 29.244）。PFCP ルール詳細は N4 参照。 6-7. SMF→AMF→NG-RAN: SMF は QoS profile を含む N2 SM 情報と、UE 向けの QoS rules（N1）を AMF 経由で配布します。AMF は NGAP に QoS profile を載せて NG-RAN へ運びます（N2 の搬送仲介、TS 38.413）。 8. NG-RAN の DRB マッピング: NG-RAN が （QoS Flow, QFI）↔ DRB の対応を決めます。1つの DRB に複数 QoS Flow を束ねることもあります（無線側・実装依存）。 9. NG-RAN⇔UE（無線側・概略/範囲外）: NG-RAN が RRC で DRB を設定し、同梱の QoS rules を UE へ届けます。 10. データ転送時の QFI マーキング: 以降の実データでは、DL は UPF が QoS Flow に応じて N3(GTP-U) 上で QFI をマーキングし、NG-RAN が対応 DRB へ載せます。UL は UE が QoS rules に基づきトラフィックを QoS Flow に分類して送ります。

参照: TS 23.501 §5.7（QoS モデル、章番号要確認）、TS 23.502（QoS 設定を伴う PDU Session 手順）、TS 29.512（Npcf_SMPolicyControl）、TS 29.244（PFCP QER）、TS 38.413（NGAP QoS profile）。

Signal Flow¶

QoS 情報を運ぶ主要な「情報の器」を、方向ごとに整理します。IE 名・オペレーション名の一部は版・実装依存のため要確認です。

State Machine¶

QoS Flow のライフサイクル（概念）です。QoS Flow は PDU Session に従属し、独立した重い状態機械は持ちません（PDU Session の状態に連動します）。根拠は TS 23.501 §5.7（QoS モデル、章番号要確認）。

stateDiagram-v2
    [*] --> NonExistent: PDU Session 内に未確立
    NonExistent --> Established: QoS Flow 確立（QFI 割当・QoS profile/QER/QoS rules 配布）
    Established --> Established: QoS Modification（5QI/GBR/AMBR 変更・QFI 維持）
    Established --> Released: QoS Flow 解放 / PDU Session 解放
    Released --> [*]

• NonExistent — その PDU Session 内に当該 QoS Flow がまだ無い状態。
• Established — QFI が割り当てられ、QoS profile（NG-RAN）・QER（UPF）・QoS rules（UE）が配布され、対応 DRB にマッピングされてデータが流れる状態。
• Released — QoS Flow が解放された、または所属 PDU Session が解放された状態。

Packet Analysis (Wireshark)¶

5G QoS を Wireshark で解析するときの要点です。QoS 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）¶

• GTP-U（N3）の QFI — GTP-U 拡張ヘッダ（PDU Session Container、IE 名要確認）内に QFI が入り、そのパケットがどの QoS Flow かを示す。DL は UPF が、UL は UE/NG-RAN 側がマーキングする。
• NGAP（N2）の QoS profile — PDU Session Resource 設定メッセージ内で、各 QoS Flow の 5QI・ARP・GBR パラメータ（GFBR/MFBR） 等が運ばれる（IE 名要確認）。
• PFCP（N4）の Create QER — Session Establishment/Modification 内の QER に、レート上限（Session-AMBR 等）と DL 側 QFI マーキング指示が入る（フィールド名要確認）。

QFI はどこに現れるか¶

QoS の「タグ」である QFI は、区間ごとに異なる器に現れます。

N3 (GTP-U): GTP-U ヘッダ拡張（PDU Session Container）内の QFI
N2 (NGAP) : QoS profile 内（QoS Flow ごとに QFI と 5QI/GBR 等）
N1 (NAS)  : QoS rules 内（UL 分類の対応表として QFI を参照）

Configuration¶

5G QoS 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。

QoS の設定観点（SMF/PCF 側）¶

• 既定 5QI / QFI — PCF 無し（静的 PCC）構成で、DNN ごとに割り当てる既定の 5QI と対応 QFI。標準化 5QI 値は TS 23.501 §5.7（章番号要確認）の代表値を参照し、架空値は使わない。
• GBR / Non-GBR の指定 — QoS Flow ごとに保証（GBR: GFBR/MFBR）か共有（Non-GBR）かを設定。
• AMBR — Session-AMBR（PDU Session 単位）と UE-AMBR（UE 単位、加入者データ由来が典型）の上限値。
• PCC Rule（動的 PCC） — PCF を使う場合、アプリ/加入者に応じた PCC Rule（5QI・GBR・AMBR・フロー記述子）を PCF 側に定義（N7、TS 29.512）。

QoS 適用の設定観点（UPF/NG-RAN 側）¶

• UPF — SMF から N4(PFCP) で受ける QER を適用できる構成であること（レート制御・DL QFI マーキング）。PFCP アソシエーション確立が前提。
• NG-RAN — QoS profile を受けて QoS Flow↔DRB マッピングとスケジューリングを行える構成であること（無線側・実装依存）。

Trouble Shooting¶

代表的な QoS 関連トラブルの切り分けです（一般論）。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) 経験者が 5G へ橋渡しできるよう対比します。「トラフィックを差別化して品質を保証/上限する」という基本思想は4Gと5Gで共通ですが、粒度が大きく異なります。4G は EPSベアラ単位（ベアラ＝QoS）で QoS を扱い、5G は QoS Flow 単位（セッションと QoS を分離）で扱います。

Release差分¶

QoS 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 — 5G QoS モデルの基礎（QoS Flow / QFI / 5QI / GBR・Non-GBR / Session-AMBR・UE-AMBR / QoS Flow↔DRB マッピング）が確立（TS 23.501 §5.7 の基礎）。
• Reflective QoS — DL パケットに付与された情報から UE が UL の QoS を導出する仕組み（明示的な QoS rules を UE に配らずに UL 分類を成立させる）。概念としては Rel-15 の QoS モデルに含まれるが、適用条件・詳細動作は要確認（本章では概念どまり）。
• Alternative QoS Profile（Rel-16） — GBR フローで、要求 QoS を満たせない場合の代替 QoS のセットを事前に用意する拡張（無線状況に応じて代替品質へフォールバック）。概念のみ・詳細は要確認。
• Rel-17 / Rel-18（5G-Advanced） — QoS 監視・XR/メディア向け拡張等が継続（QoS モデル本体への具体差分は要確認）。

3GPP Specification¶

FAQ¶

Summary¶

• 5G QoS の最小粒度は QoS Flow。1つの PDU Session が 1つ以上の QoS Flow を内包し、各 Flow は QFI で識別される。
• 各 QoS Flow の品質は 5QI（品質のメニュー番号）で規定され、GBR / Non-GBR で帯域保証の有無を、Session-AMBR / UE-AMBR で総量の上限を定める。
• 制御（決定）と適用（実施）が分離。PCF（PCC Rule, N7）→ SMF（QoS 決定） が決め、UPF（QER, N4） がレート制御・マーキングを、NG-RAN（QoS profile, N2） が QoS Flow↔DRB マッピングとスケジューリングを、UE（QoS rules, N1） が UL 分類を実施する。
• データ面では QFI が共通タグ。N3(GTP-U) 上で DL は UPF が、UL は UE がマーキングする。
• 4G の QoS（EPSベアラ単位 / QCI / APN-AMBR）に対し、5G は QoS Flow 単位 / 5QI / Session-AMBR で、セッションと QoS を分離した点が最大の進化（EPSベアラ↔QoS Flow, QCI↔5QI, APN-AMBR↔Session-AMBR）。
• 根拠は TS 23.501 §5.7 / TS 23.502 / TS 24.501 / TS 29.244（QER）/ TS 29.512（Npcf）/ TS 38.413（QoS profile）（章番号・5QI 値・QCI↔5QI 対応の一部は要確認）。

Practice — 理解度チェック・演習¶

理解度チェック¶

演習¶

問: 次の QoS 設定配布の主要ステップを正しい順に並べ替えてください。

A. SMF → UPF: PFCP で QER/PDR 設定（N4）
B. SMF → PCF: Npcf_SMPolicyControl で PCC Rule 取得（N7、条件付き）
C. NG-RAN: QoS Flow(QFI) ↔ DRB マッピング決定
D. SMF: QoS Flow ごとに QFI 割当・5QI・GBR/AMBR を決定
E. SMF → AMF → NG-RAN: QoS profile 配送（N2）／UE へ QoS rules（N1）
F. データ転送時: N3(GTP-U) で QFI マーキング（DL=UPF, UL=UE 分類）

Next Step¶

理解を深めるための次の一歩です。

• 直接の上流: PDU Session Establishment（QoS Flow はこの手続きの中で確立される）
• PDU Session Modification / Release 章（QoS Flow の追加・変更・削除＝QoS 変更の実手続き）
• Network Slicing 章（S-NSSAI・スライス選択と QoS の関係）
• 関連手順: Service Request（CM-IDLE からの U-Plane 再アクティブ化。QoS Flow も連動）
• QoS 適用の詳細: N4（PFCP の QER/PDR/URR 詳細）／ N7（Npcf_SMPolicyControl / PCC）／ N3（GTP-U / QFI マーキング）
• 関連NF: PCF / SMF / UPF / AMF
• 関連Interface: N1 / N2 / N3 / N4 / N7
• 辞典: Message辞典 / Timer辞典 / Cause辞典 / Protocol辞典 / NF辞典 / Interface辞典