GFBR / MFBR / Session-AMBR / UE-AMBR / ARP — 帯域と優先度の「どのPriorityか」問題¶

学習目標¶

この章を読み終えると、次のことができるようになります。

• GFBR / MFBR が GBR QoS Flow だけのパラメータ であり、Non-GBR の帯域は Session-AMBR / UE-AMBR で制御されることを説明できる
• Session-AMBR と UE-AMBR の 適用範囲（PDU Session / UE） と enforcement 位置（UE / NG-RAN / UPF） の違いを説明できる
• 5QI は帯域値ではない こと、帯域は GFBR / MFBR / AMBR が別に持つことを説明できる
• ARP の3要素（Priority Level / Pre-emption Capability / Pre-emption Vulnerability）が admission / pre-emption 用 であり、3GPP上はパケットのスケジューリング優先度を表すものではないこと（伝送網DSCPやRAN実装での扱いは別）を説明できる
• Trace やログで「Priority」を見たとき、ARP / 5QI / Precedence / Paging / Vendor内部 のどれかを特定できる
• 「速度が出ない」「GBR Flow が作れない」「ARPが高いのに遅い」を、パラメータとInterface単位で切り分けられる

前提知識¶

• QoS Flow / QFI / 5QI — QoS Flow・QFI・5QI の基礎（本章では最小限の説明にとどめます）
• QoS — 5G QoSモデルの全体像（GBR / Non-GBR、QoS profile / QoS rules / QER）
• PFCP と PDR / FAR / QER / URR — UPF側の QER
• 補助: PCF / N7 / N10 / N2 / QoS辞典

Why — 「5QIを決めればQoSが決まる」わけではない¶

QoS設計の打ち合わせで「音声は5QI=1」とだけ決めても、次の問いには答えられません。

• その音声Flowには 何 kbps を保証 するのか
• 保証を超えて どこまで流してよい のか
• 無線が混んでいて新しい音声Flowを受け入れられないとき、既存の誰かを追い出してよい のか
• Internet用のNon-GBR Trafficは、PDU Session全体で、UE全体で どこまで流してよいのか

5QIは「どんな品質特性か」を表す番号で、帯域値も、受け入れ・追い出しの優先度も持っていません。それぞれ別のパラメータ（GFBR / MFBR / Session-AMBR / UE-AMBR / ARP）が担当します（TS 23.501 §5.7.2）。

例え話: 5QIは「座席の等級（指定席・自由席）」、GFBR は「確保済みの座席数」、MFBR は「その団体が使ってよい最大座席数」、Session-AMBR / UE-AMBR は「自由席に座れる人数の上限（グループ単位 / 家族単位）」、ARP は「満席時に後から来た団体を乗せるため、誰かに降りてもらってよいか（その団体は降ろされる側か）」のルールです。ARPの規格上の役割は「列車の速さ」を決めることではありません。

What — パラメータの全体像¶

Resource Type とパラメータの対応¶

QoS Flow の Resource Type は GBR / Delay-critical GBR / Non-GBR の3種類です（TS 23.501 §5.7.3.2）。帯域パラメータは、この分類で持つものが変わります。

階層で見る¶

flowchart TD
    UE["UE
UE-AMBR（Non-GBR合計の上限）"] --> S1["PDU Session A
Session-AMBR"]
    UE --> S2["PDU Session B
Session-AMBR"]
    S1 --> F1["QoS Flow（Non-GBR）
5QI / ARP"]
    S1 --> F2["QoS Flow（Non-GBR）
5QI / ARP"]
    S1 --> F3["QoS Flow（GBR）
5QI / ARP / GFBR / MFBR"]
    S2 --> F4["QoS Flow（Non-GBR）
5QI / ARP"]

• F1 + F2 の合計が Session A の Session-AMBR に、F1 + F2 + F4 の合計が UE-AMBR に制約されます。
• F3（GBR）はどちらのAMBRにも算入されず、自身の GFBR / MFBR で扱われます。

What — GFBR / MFBR（GBR QoS Flow 専用）¶

TS 23.501 §5.7.2.5 は、GBR QoS Flow だけが持つ追加パラメータとして GFBR（UL / DL）と MFBR（UL / DL）を定めています。

Bit Rate
  ▲
  │  ─────────────  MFBR  … これを超える分はレート制御の対象
  │       ↑
  │       │  GFBR〜MFBR: 余裕があれば流れる
  │       │  （QoS Flow間の配分は 5QI の Priority Level で決まる）
  │  ─────────────  GFBR  … NWが保証する
  │       ↑ 保証範囲
  └───────────────────────────►

• 「GFBR = 5 Mbps」は「5 Mbpsまでしか出ない」という意味ではありません。上限は MFBR です。
• 逆に「GFBR = 5 Mbps なら利用者が常に5 Mbps を実測できる」という意味でもありません。保証は Averaging Window 上の平均値で、アプリが送らなければ当然流れません。また、無線状況の悪化などで GFBR を維持できなくなった場合の通知の仕組み（Notification Control、TS 23.501 §5.7.2.4）が別に用意されています。
• UL と DL は独立に設定できます。

What — Session-AMBR と UE-AMBR（Non-GBR 群の上限）¶

Session-AMBR¶

Session-AMBR は、ある PDU Session の 全 Non-GBR QoS Flow の合計 に期待できる Bit Rate の上限です（TS 23.501 §5.7.2.6）。

PDU Session 10（Session-AMBR DL = 100 Mbps）
├─ QFI 1  Non-GBR   40 Mbps ┐
├─ QFI 2  Non-GBR   30 Mbps ├─ 合計 100 Mbps で上限に到達
├─ QFI 3  Non-GBR   30 Mbps ┘
└─ QFI 4  GBR       GFBR/MFBR で別管理（Session-AMBR に算入しない）

• 各QFIが100 Mbpsずつ使えるわけではありません。合計（Aggregate）への上限です。
• 値の出どころ: SMF は UDM の subscribed Session-AMBR（N10、Nudm_SDM の SM加入データ）を、そのまま使うか、ローカルポリシーで変更するか、PCF から認可された Session-AMBR（N7）を使って決定します（TS 23.501 §5.7.2.6）。
• SMF は決定した Session-AMBR を UPF・UE・(R)AN へ通知します。(R)AN へ通知するのは、後述の UE-AMBR の算出に使うためです（同節）。

UE-AMBR¶

UE-AMBR は、ある UE の 全 PDU Session の全 Non-GBR QoS Flow の合計 に期待できる Bit Rate の上限です（TS 23.501 §5.7.2.6）。

• 値の出どころ: AMF が、UDM の subscribed UE-AMBR（N8、Access and Mobility Subscription data）か、PCF から得た serving network 向けの UE-AMBR（ローミング加入者向け等。導入Releaseは要確認）に基づいて (R)AN へ渡します。UE-AMBR は AMF が (R)AN へ提供するもので、SMF は UE-AMBR を扱いません（TS 23.501 §5.7.2.6）。
• (R)AN は、自分の UE-AMBR を 「その(R)ANで User Plane がアクティブな全 PDU Session の Session-AMBR の合計」と「受信した UE-AMBR」の小さい方 に設定します（TS 23.501 §5.7.2.6）。

例: 受信した UE-AMBR = 300 Mbps
    アクティブな PDU Session: Session-AMBR 100 Mbps + 50 Mbps = 150 Mbps
    → (R)AN が実際に使う UE-AMBR = min(150, 300) = 150 Mbps

What — enforcement 位置の違い（UE / RAN / UPF）¶

「誰が実際にレートを抑えるか」はパラメータごとに違います。TS 23.501 §5.7.1.8（AMBR / MFBR enforcement and rate limitation、枝番は要確認）と §5.7.2.6 の整理です。

flowchart LR
    UE["UE
UL: Session-AMBR で
レート制限"] -- "Uu" --> RAN["NG-RAN
UL/DL: UE-AMBR
GBR Flow の GFBR 確保と MFBR"]
    RAN -- "N3" --> UPF["UPF
Session-AMBR（QER）
MFBR / SDF単位MBR（QER）"]
    UPF -- "N6" --> DN["DN"]

図中の MFBR の enforcement 位置は、下表のとおり要確認です。

What — 5QI は帯域値ではない¶

5QI が指すのは、Resource Type / Priority Level / Packet Delay Budget / Packet Error Rate / Averaging Window / Maximum Data Burst Volume などの QoS特性 です（TS 23.501 §5.7.3、標準化5QIは §5.7.4 の表）。Bit Rate の値はどこにも含まれていません。

5QI = X
 ├─ Resource Type        … GBR / Delay-critical GBR / Non-GBR
 ├─ Priority Level       … スケジューリングの相対優先度（ARPではない）
 ├─ Packet Delay Budget
 ├─ Packet Error Rate
 └─ Averaging Window 等  … GBR系のみ
      ✕ 帯域値は含まない → GFBR / MFBR / AMBR が別に持つ

5QI の各値の具体的な特性値は TS 23.501 §5.7.4 の表を参照してください（本章では値を列挙しません）。5QI・QFI の基礎は QoS Flow / QFI / 5QI にまとめています。

What — ARP（Allocation and Retention Priority）¶

ARP の3要素（TS 23.501 §5.7.2.2）¶

同節は、Priority Level 1〜8 を 在圏網（serving network）内で優先扱いを認可されたサービス にのみ割り当てるべきもの、9〜15 を ホーム網が認可し、ローミング時にも適用し得るもの としています。

flowchart TD
    N["新しい QoS Flow の要求
（ARP Priority Level = 2、Capability = enabled）"] --> A{"(R)AN に
リソースの余裕がある?"}
    A -- "Yes" --> OK["受け入れ（ARPの出番はほぼ無い）"]
    A -- "No" --> B{"Priority Level が低く
Vulnerability = enabled の
既存 Flow がある?"}
    B -- "Yes" --> P["既存 Flow を pre-empt して受け入れ"]
    B -- "No" --> R["新しい Flow を拒否
（admission 失敗）"]

選択アルゴリズム（どの既存Flowを選ぶか、何をもって「リソース不足」とするか）は (R)AN の実装依存 です。

ARP はスケジューリング優先度ではない（規格上の目的）¶

3GPP上、ARP の目的は Flow を「受け入れる / 維持する / 追い出す」判断（admission / pre-emption）です（TS 23.501 §5.7.2.2）。QoS Flow 間のスケジューリング優先度は 5QI の Priority Level が担い（§5.7.3.3）、受け入れ後のパケットの扱いは主に 5QI の QoS特性（Priority Level、Packet Delay Budget 等）と GFBR / MFBR、および (R)AN のスケジューラで決まります。

ただし次の2点には留保が付きます。

• N3 伝送網の DSCP マーキングは 5QI と ARP に基づき得るため（TS 23.501 §5.7.1.6 / §5.7.1.7、要確認）、ARP→DSCP マッピングを使う運用では伝送網での扱いが ARP で変わり得ます。UPF は ARP 自体を受け取らず、DL の DSCP 値は SMF が決めて PFCP の FAR（Forwarding Parameters の Transport Level Marking）で UPF に渡します（TS 29.244 §8.2.12、要確認）。
• (R)AN スケジューラが ARP を参照するかどうかは 実装依存 です。

ARP は UE へは送られない¶

ARP は主に (R)AN の admission / pre-emption と、SMF が PCC Rule を QoS Flow に束ねる際の binding parameter として使われます（TS 23.501 §5.7.1.5 / TS 23.503 §6.1.3.2.4、要確認）。NGAP の QoS Flow Level QoS Parameters には含まれますが、NAS の QoS flow description（UE向け）にも、PFCP の QER（UPF向け）にも含まれません（TS 24.501 §9.11.4.12 / TS 29.244 §7.5.2.5、要確認）。「UEのログにARPが無い」のは正常です。

How — 「Priority」を見たら何のPriorityか¶

「Priority = 1」だけでは情報不足です。少なくとも次のどれかを特定してから議論します。

例え話: ARP は「満員の店に入れるか、誰かに席を譲ってもらうか」を決める会員ランク、5QI の Priority Level は「入店後に料理を出す順番」、Precedence は「どの受付窓口の規則を先に当てはめるか」です。会員ランクが高くても、料理が早く出るとは限りません。

How — PCF → SMF → RAN / UPF / UE への流れ¶

Call Flow（PDU Session Establishment 中の QoS 決定と配布）¶

sequenceDiagram
    participant UDM
    participant AMF
    participant SMF
    participant PCF
    participant UPF
    participant gNB
    participant UE
    Note over AMF,UDM: Registration時: AMF は subscribed UE-AMBR を取得（N8）
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get（SM加入データ）
    UDM-->>SMF: subscribed Session-AMBR、既定5QI / ARP
    opt 動的PCC
        SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create
        PCF-->>SMF: SM Policy Decision
（認可Session-AMBR、既定QoS、PCC Rule、QoSデータ）
    end
    Note over SMF: QoS Flow ごとに 5QI / ARP / GFBR / MFBR を確定
Session-AMBR を確定
    SMF->>UPF: PFCP Session Establishment
Create QER（Session-AMBR / MFBR / GFBR / QFI）
    UPF-->>SMF: Response
    SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer
N2 SM（PDU Session AMBR、QoS Flow Level QoS Parameters）
N1 SM（Session-AMBR、QoS rules、QoS flow descriptions）
    AMF->>gNB: PDU Session Resource Setup Request
（必要に応じ UE Aggregate Maximum Bit Rate）
    Note over gNB: ARP で admission 判定
UE-AMBR を算出
    gNB->>UE: RRC で DRB 設定 + NAS（PDU Session Establishment Accept）
    gNB-->>AMF: PDU Session Resource Setup Response

手続きの全体は TS 23.502 §4.3.2.2.1（UE-requested PDU Session Establishment、non-roaming）です。N1 / N2 / N4 のつながり方は PDU Session Establishment 深掘り を参照してください。GBR Flow は、多くの場合 PDU Session確立後に PDU Session Modification（TS 23.502 §4.3.3.2）で追加されます（例: VoNR の音声Flow）。PCFが何をどう決めるかの詳細は次章 PCF / SM Policy Association / PCC Rule で扱います。

Signal Flow — パラメータはどの区間のどのIEに載るか¶

IE名・属性名は概念的な対応で、正確な名称・構造は各TSの版で要確認です。N7 の QoS データ型は TS 29.512 §5.6.2 配下、共通データ型（ARP、BitRate 等）は TS 29.571 §5 配下で定義されています（枝番は要確認）。

UPF では QER がAMBRもMFBRも表す¶

PFCP と PDR / FAR / QER / URR で見たとおり、1つの PDR から複数の QER を参照できます。SMFはこれを使って、QoS Flow単位の QER と PDU Session単位の QER を重ねてかけるのが典型です。QER の MBR が Session-AMBR / QoS Flow の MBR / SDF の MBR を表し得ることは TS 23.501 §5.8.2.11.4（QoS Enforcement Rule、要確認）に示されています。

DL PDR（QFI 1 の Non-GBR Traffic）
 ├─ QER #10  QFI=1                   ← DL の QFI マーキング
 └─ QER #1   MBR = Session-AMBR      ← Session内の全 Non-GBR PDR が同じ QER を共有

DL PDR（QFI 4 の GBR Traffic）
 └─ QER #20  QFI=4, MBR=MFBR, GBR=GFBR   ← Session-AMBR の QER は参照しない

QER をどう割り振るか（共有QERの作り方、SDF単位MBRとの重ね方）は SMF実装依存 です。

値の表現は区間ごとに違う¶

同じ 100 Mbps が、N4 では 100000、N2 では 100000000 と表示されます。比較するときは単位をそろえる のが基本です。

Packet Analysis (Wireshark)¶

Display Filter¶

N7 / N2 / N1 / N4 のどれを見ても「QoSが決まった1回」の断面にすぎません。同じ PDU Session の同じ時刻帯で、4区間を並べる のがコツです。

Decode例（概念表現）¶

以下は表示構造の概念表現で、値は架空例です（要キャプチャ）。

NGAP PDUSessionResourceSetupRequest
 └─ PDUSessionResourceSetupRequestTransfer
     ├─ PDUSessionAggregateMaximumBitRate
     │   ├─ DL: 100000000 bits/s
     │   └─ UL:  50000000 bits/s
     └─ QosFlowSetupRequestList
         ├─ QosFlowSetupRequestItem
         │   ├─ qosFlowIdentifier: 1
         │   └─ qosFlowLevelQosParameters
         │       ├─ qosCharacteristics: nonDynamic5QI (5QI=9)
         │       └─ allocationAndRetentionPriority
         │           ├─ priorityLevelARP: 8
         │           ├─ pre-emptionCapability: shall-not-trigger-pre-emption
         │           └─ pre-emptionVulnerability: pre-emptable
         └─ QosFlowSetupRequestItem
             ├─ qosFlowIdentifier: 4
             └─ qosFlowLevelQosParameters
                 ├─ qosCharacteristics: nonDynamic5QI (5QI=1)
                 ├─ allocationAndRetentionPriority ...
                 └─ gBR-QosInformation
                     ├─ maximumFlowBitRateDL / UL
                     └─ guaranteedFlowBitRateDL / UL

PFCP Session Establishment Request
 ├─ Create QER
 │   ├─ QER ID: 1
 │   ├─ Gate Status: UL=OPEN, DL=OPEN
 │   └─ MBR: UL=50000 kbps, DL=100000 kbps     ← Session-AMBR
 └─ Create QER
     ├─ QER ID: 20
     ├─ Gate Status: UL=OPEN, DL=OPEN
     ├─ MBR: UL=…, DL=…                        ← MFBR
     ├─ GBR: UL=…, DL=…                        ← GFBR
     └─ QFI: 4

見る順番¶

flowchart LR
    A["① N7
PCFが認可した値"] --> B["② N4
QER の MBR / GBR"]
    A --> C["③ N2
AMBR / ARP / GFBR / MFBR"]
    C --> D["④ N2 Response
Failed to Setup の有無"]
    A --> E["⑤ N1
UEへの Session-AMBR / QoS flow description"]

PCFが決めた値（①）が、UPF（②）・RAN（③）・UE（⑤）へ 同じ意味で 届いているかを突き合わせます。③で送ったFlowが④で QoS Flow Failed to Setup List に入っていれば、RAN側で受け入れられていません。

Trouble Shooting¶

「速度が出ない」の切り分け順¶

flowchart TD
    S["速度が期待より低い"] --> T{"Traffic は GBR Flow?
Non-GBR Flow?"}
    T -- "GBR" --> G["MFBR / SDF単位MBR
（N2 と QER）"]
    T -- "Non-GBR" --> U["UE-AMBR
（N2・RANの実効値）"]
    U --> SA["Session-AMBR
（N1 / N2 / QER）"]
    G --> Q["QER の Gate Status / MBR"]
    SA --> Q
    Q --> R["RAN QoS・無線品質"]
    R --> D["Transport・DN 側の制限"]

最初に 「そのTrafficはどのQoS Flowに載っているか（GBRかNon-GBRか）」 を確定させるのが要点です。GBR Flowの Traffic に Session-AMBR を探しても答えは出ません。PDR の Match と QFI の確認は PDR / PDI / F-TEID / SDF Filter / Precedence を参照してください。

3GPP仕様とVendor実装の境界¶

たとえば「MFBR を UPF のどの Hardware Queue でどう Policing するか」は3GPPの規定外です。

EPC（4G）との比較¶

最大の違いは APN-AMBR → Session-AMBR で、4Gは「APN単位（同じAPNなら複数PDN接続をまとめて）」、5Gは「PDU Session単位」です（4Gの規定は TS 23.401 §4.7.3、要確認）。

3GPP Specification¶

Summary¶

• GFBR / MFBR は GBR（Delay-critical GBR を含む）QoS Flow だけ のパラメータ。GFBR は保証、MFBR は上限で、その間の配分は 5QI の Priority Level が決める
• Non-GBR の帯域は Session-AMBR（PDU Session単位） と UE-AMBR（UE単位） で抑える。GBR Flow の Traffic は AMBR に算入されない
• enforcement は Session-AMBR = UE（UL）と UPF、UE-AMBR = (R)AN。UE-AMBR は AMF が (R)AN へ渡し、PFCPには現れない
• 5QI は帯域値ではない。帯域は GFBR / MFBR / AMBR が別に持つ
• ARP は Priority Level（1〜15）・Pre-emption Capability・Pre-emption Vulnerability の3要素で、規格上の目的は admission / pre-emption。QoS Flow 間のスケジューリング優先度は 5QI の Priority Level が担う。ARP は UE や UPF へは送られない（N3 の DSCP マーキングに使われ得る点と RAN 実装での扱いには留保あり）
• 「Priority」を見たら ARP / 5QI / Precedence / Paging / Vendor内部 のどれかを特定する。値の単位（kbps / bps）も区間ごとに違う

理解度チェック¶

Next Step¶

• 前章: QoS Flow・QFI・5QI の基礎 → QoS Flow / QFI / 5QI
• 次章: PCF がこれらの値をどう決めて SMF へ渡すか → PCF / SM Policy Association / PCC Rule
• UPF で値を実行する QER → PFCP と PDR / FAR / QER / URR / PDR / PDI / F-TEID / SDF Filter / Precedence
• 値の出どころ（加入データ） → N10 / N8 / UDM
• GBR Flow を追加・変更する手続き → PDU Session Modification / VoNR
• 全体像と用語 → QoS / QoS辞典 / PCF / N2 / N4 / N7