QoS Flow / QFI / 5QI — 5GのQoSは何に紐付くのか¶

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。

• 5GのQoSが PDU Session でも TEID でもなく QoS Flow に紐付く ことを、TS 23.501 §5.7.1 の言葉で説明できる
• TEID / QFI / 5QI の3つを「何を識別するか」「どこに載るか」で区別できる
• 5QI が指す QoS characteristics（Resource Type / Priority Level / PDB / PER 等）と、GBR / Non-GBR / Delay-critical GBR の違いを説明できる
• 1つのQoS決定が UE（QoS rule）・gNB（QoS profile）・UPF（PDR / QER） の3か所へ別の形で配られ、N3上ではQFIだけ が共通のタグになることを説明できる
• QFI mismatch を N1 / N2 / N4 / N3 の値を並べて切り分け、Wireshark で QFI の値を 5QI と読み違えない

前提知識¶

• QoS — 5G QoSモデルの基礎（本章はその深掘りで、用語・構造は同じものを使います）
• PFCP と PDR / FAR / QER / URR — UPFでの QER の位置づけ
• PDU Session Establishment 深掘り — N1 SM / N2 SM / N4 の受け渡し
• 補助: N3 / QoS辞典 / SMF / PDR / PDI / F-TEID / SDF Filter / Precedence

Why — 「Bearer単位」をやめたのはなぜか¶

1台のUEの中には、性質の違うTrafficが同時に流れます。

UE
├─ Voice              低遅延・低ロスが最優先
├─ Video              一定のThroughputが欲しい
├─ Web                ベストエフォートで十分
└─ Background update  遅れてもよい

4G EPC では、QoSを変えたいTrafficごとに EPS Bearer を張り、Bearerごとに別の GTP-U Tunnel（TEID）を用意しました。QoSの単位と転送路の単位が一致していたのです。

5GSでは、これを分離しました。転送路は PDU Session単位の1本のN3 Tunnel にまとめ、その中を流れるPacketに QFI というタグを付けて、タグごとにQoSを変えます（TS 23.501 §5.7.1.1 / §5.7.1.6、枝番は要確認）。QoSを追加・変更するたびにTunnelを作り直す必要がなくなり、無線側もQoS FlowをDRBへ柔軟に束ねられるようになりました。

例え話: 4Gは「荷物の等級ごとに別のトラックを走らせる」方式、5Gは「1台のトラック（N3 Tunnel）に、等級シール（QFI）を貼った荷物を混載する」方式です。シールの番号は「何番の荷物グループか」を示すだけで、等級の中身（速達か普通か）は別の台帳（5QI → QoS characteristics）に書いてあります。

What — QoS Flow モデル（TS 23.501 §5.7.1）¶

QoS Flow は QoS 差別化の最小単位¶

TS 23.501 §5.7.1.1 は、次のように定義しています（要旨。枝番は要確認）。

• 5G QoSモデルは QoS Flow に基づく。QoS Flow は PDU Session 内のQoS差別化の最小粒度
• QoS Flow は QFI（QoS Flow ID） で識別される。同じQFIを持つUser Plane Trafficは同じ転送扱いを受ける
• QFI は PDU Session 内で一意。N3（およびN9）ではカプセル化ヘッダに載る
• QFI は動的に割り当ててもよいし、5QI と同じ値にしてもよい

最後の1点が、後で「QFIと5QIの混同」を生む原因になります。

QoS Flow は3つの部品で表現される¶

同じ節は、1つのQoS Flowが次の3つで特徴付けられるとしています。

flowchart TD
    SMF["SMF
QoS Flow を決定し QFI を割り当て"] -- "N1: QoS rules +
QoS flow descriptions" --> UE["UE
UL分類"]
    SMF -- "N2: QoS Flow Setup Request List
(QFI + QoS Flow Level QoS Parameters)" --> GNB["gNB
QoS Flow → DRB"]
    SMF -- "N4: PDR (PDIのQFI) /
QER (DLに付けるQFI)" --> UPF["UPF
検出・適用・マーキング"]
    UE == "無線: DRB (SDAP)" ==> GNB
    GNB == "N3: GTP-U + QFI" ==> UPF

SMFが下した1つの決定が3か所へ別の形で配られ、User Plane上で3者をつなぐ共通のキーは QFI だけです。だからQFIが食い違うと、どこか1か所だけが別のQoS Flowだと思い込んだ状態になります。

1つのPDU Session と QoS Flow の関係¶

UE
└─ PDU Session ID = 1（DNN = ims）
    ├─ N3 Tunnel: UL TEID = 0x00000101（UPF側） / DL TEID = 0x12345678（gNB側）
    │
    ├─ QoS Flow  QFI = 1  → 5QI = 5   （IMS Signalling, Non-GBR）  ← default QoS rule が指すFlow
    └─ QoS Flow  QFI = 2  → 5QI = 1   （Conversational Voice, GBR）

UE
└─ PDU Session ID = 2（DNN = internet）
    ├─ N3 Tunnel: 別の TEID
    └─ QoS Flow  QFI = 1  → 5QI = 9   （Non-GBR）  ← 別Sessionなので QFI=1 が再び使える

（値は架空例。5QIの意味は後述の Table 5.7.4-1 による）

• QFI は PDU Session の中でだけ一意 です。PDU Session ID = 1 の QFI=1 と、PDU Session ID = 2 の QFI=1 は無関係です。
• QFI の値が 5QI の値と一致する必要はありません（上の例では QFI=2 が 5QI=1）。

What — TEID と QFI と 5QI を区別する¶

Outer IP (gNB ⇔ UPF)
UDP (dst 2152)
GTP-U  TEID = 0x12345678          ← どの PDU Session の Tunnel か
 └─ Extension Header: PDU Session Container
      ├─ PDU Type = DL PDU SESSION INFORMATION
      └─ QFI = 2                  ← その Session 内のどの QoS Flow か
Inner IP (UE の Packet)

5QI はこの Packet のどこにも無い  ← QFI=2 の 5QI は、N2/N1 のシグナリングを見て初めて分かる

What — 5QI と QoS characteristics（TS 23.501 §5.7.3 / §5.7.4）¶

5QI は「QoS characteristics への参照」¶

5QI は、QoS characteristics の組を指すスカラー値です（TS 23.501 §5.7.2.1）。標準化5QIは Table 5.7.4-1 の値と1対1で対応するため、値だけを送ればよく、特性値そのものはシグナリングしません。5QIには標準化5QIのほか、ANに事前設定された（pre-configured）5QIと、動的に割り当てる（dynamically assigned）5QIがあります。標準化5QIとpre-configured 5QIは値だけを送り、動的に割り当てた5QIだけは特性値をQoS profileの一部として明示的に送ります（TS 23.501 §5.7.2.1 / §5.7.3.1。NGAPでは Non-Dynamic 5QI Descriptor / Dynamic 5QI Descriptor の CHOICE。TS 38.413 §9.3.1.12、要確認）。

（枝番は版により移動し得るため要確認）

Resource Type — GBR / Non-GBR / Delay-critical GBR¶

標準化5QI の代表例（TS 23.501 Table 5.7.4-1）¶

ごく一部の抜粋です。表はReleaseごとに行・注記・値が追加・改訂されているため、実際の設計では対象Releaseの Table 5.7.4-1 を必ず参照してください（値は要確認）。

• Priority Level は5QIの既定値を上書きできる: QoS profileで Priority Level を明示すれば、標準化5QIの既定値と異なる優先度を使えます（TS 23.501 §5.7.3.3、要確認）。
• 5QIは「品質の約束の種類」であって「帯域値」ではない: 何Mbpsを保証するか（GFBR）、どこまで出すか（MFBR）は5QIとは別のパラメータです（次章）。

What — Default QoS Flow と QoS Rule（UE側）¶

「Default QoS Flow」は default QoS rule が指すFlow¶

3GPPの本文で中心になる概念は default QoS rule です。TS 23.501 §5.7.1.4 は次を定めています（要旨、要確認）。

• PDU Session ごとに default QoS rule が必ず1つ ある。PDU Session確立時にUEへ送られる
• default QoS rule は、全ULパケットを許可する Packet Filter Set を持てる唯一のQoS ruleで、その場合は最も低い優先度（最大の precedence 値）を使う
• default QoS rule が紐付くQoS Flowは、PDU Sessionの存続中ずっと確立されたままになる

現場で「Default QoS Flow」と呼ぶのは、この default QoS rule に紐付くQoS Flow のことです。4Gの Default Bearer に近い役割ですが、「PDU Session = Default Flow」ではありません。

QoS rule の中身（TS 24.501 §9.11.4.13）¶

NASの QoS rules IE では、1つのQoS ruleは概ね次の要素で構成されます。

QoS rule
├─ QoS rule identifier (QRI)        ← PDU Session 内で QoS rule を識別
├─ Rule operation code              ← create / delete / modify ...
├─ DQR bit                          ← 1 = default QoS rule
├─ Number of packet filters
├─ Packet filter list
│   └─ Packet filter
│       ├─ Packet filter direction  ← UL only / DL only / bidirectional
│       ├─ Packet filter identifier
│       └─ Components               ← remote address, protocol, remote port 等
├─ QoS rule precedence              ← 小さいほど先に評価
├─ Segregation bit
└─ QFI                              ← この rule に Match したULパケットを載せる QoS Flow

（主要フィールドの抜粋。符号化の詳細は TS 24.501 §9.11.4.13 を参照）

• QRI と QFI は別物 です。複数のQoS ruleが同じQFIを指すことができます（1つのQoS Flowに複数のPacket Filter群を紐付ける）。
• QoS Flow 側のパラメータ（5QI、GBR Flow なら GFBR / MFBR 等）は、別IEの QoS flow descriptions（TS 24.501 §9.11.4.12）でQFIごとにUEへ渡されます。PDU SESSION ESTABLISHMENT ACCEPT では Authorized QoS rules / Authorized QoS flow descriptions として運ばれます（TS 24.501 §8.3.2）。

UL traffic classification¶

UEは、ULパケットを QoS rule の precedence 値の小さい順 に Packet Filter と照合し、最初にMatchしたruleのQFIを付けて送ります。どのruleにもMatchしなければ、そのULパケットは破棄されます（TS 23.501 §5.7.1.7、要確認）。

UL packet: TCP dst port 443
  ├─ QoS rule QRI=2  precedence=10   filter: UDP remote port 5004  → no match
  ├─ QoS rule QRI=3  precedence=20   filter: TCP remote port 443   → MATCH → QFI = 3
  └─ QoS rule QRI=1  precedence=255  DQR=1 (match-all)              （評価されない）

match-all の default QoS rule が最後の受け皿になるため、通常は「どれにもMatchせず破棄」は起きません。default QoS rule に match-all を入れない設計にすると、どのruleにもMatchしないULパケットはUEで捨てられます。

How — QoS Flow はどう作られ、どこへ配られるか¶

Call Flow（PDU Session Establishment に埋め込まれる部分）¶

QoS Flowは単独の手続きでは作られず、PDU Session Establishment（TS 23.502 §4.3.2.2.1）や PDU Session Modification（TS 23.502 §4.3.3.2）の中で確立・追加・変更されます。

sequenceDiagram
    participant UE
    participant gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant PCF
    participant UPF
    UE->>AMF: PDU Session Establishment Request (UL NAS Transport)
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext
    opt 動的PCC
        SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create
        PCF-->>SMF: SM Policy Decision (PCC Rules, Session Rules)
    end
    Note over SMF: PCC Rule を QoS Flow へ束ねる (QoS Flow binding)
QFI を割り当て、QoS rule / QoS profile / QER を作る
    SMF->>UPF: PFCP Session Establishment (Create PDR / QER)
    UPF-->>SMF: PFCP Session Establishment Response
    SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer
(N1: Accept + QoS rules / N2: QoS Flow Setup Request List)
    AMF->>gNB: NGAP PDU Session Resource Setup Request
    Note over gNB: QoS Flow → DRB を決定 (RAN実装)
    gNB->>UE: RRC Reconfiguration (SDAP設定 + NAS Accept)
    gNB-->>AMF: PDU Session Resource Setup Response
(DL QoS Flow per TNL Information / QoS Flow Failed to Setup List)
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext
    SMF->>UPF: PFCP Session Modification (DL FAR に gNB F-TEID)
    Note over UE,UPF: 以降 UL は UE が QoS rule で分類、DL は UPF が QER の QFI を付与

Signal Flow — QoS Flow 情報の載り物¶

既存のPDU SessionにQoS Flowを追加・変更する場合は、N2 は PDU Session Resource Modify Request（TS 38.413 §8.2.3）の QoS Flow Add or Modify Request List、N1 は PDU SESSION MODIFICATION COMMAND が使われます（TS 24.501 §8.3.9、要確認）。

SMF の default QoS はどこから来るか¶

default QoS rule が指すQoS Flowの 5QI / ARP は、UDMの加入者データ（subscribed default QoS）を出発点に、PCFが使われる場合はPCFの判断（Session Rule の authorized default QoS）で決まります（TS 23.501 §5.7.2.7、要確認）。PCFを使わない構成では、UDMの値をそのまま使うか、SMFのローカル設定で変更します（変更方針は実装依存）。PCFとSMの関係、PCC Ruleの詳細は PCF / SM Policy Association / PCC Rule で扱います。

How — RAN側: QoS Flow → DRB（SDAP）¶

gNBは、受け取ったQoS profileを基に、QoS FlowをDRB（Data Radio Bearer）へマッピングします。このマッピングを担うのが無線側の SDAP（Service Data Adaptation Protocol） レイヤです（TS 37.324 §4.4 / §5.3、TS 38.300 §12、要確認）。

flowchart LR
    subgraph N3["N3 Tunnel (1 TEID)"]
        Q1["QFI 1
5QI 5"]
        Q2["QFI 2
5QI 1"]
        Q3["QFI 3
5QI 9"]
    end
    subgraph RAN["gNB (SDAP)"]
        D1["DRB 1"]
        D2["DRB 2"]
    end
    Q1 --> D1
    Q3 --> D1
    Q2 --> D2
    D1 --> UE["UE"]
    D2 --> UE

• どのQoS FlowをどのDRBに載せるか、DRBを何本作るかはgNBが決める（RAN実装依存）。複数QoS Flowを1つのDRBに束ねる（N:1）こともできます。4Gの「E-RAB = DRB」の1:1とは異なります。
• マッピングは RRC の SDAP設定（mapped QoS Flows、default DRB 等）でUEへ通知されます（TS 38.331 の SDAP-Config、節番号は要確認）。ULで、マッピングが設定されていないQFIのパケットは default DRB へ載せます（TS 37.324 §5.2.1、要確認）。
• SDAPヘッダ（設定されている場合）にもQFIが入ります（TS 37.324 §6.2.2、要確認）。つまりQFIは 無線（SDAPヘッダ）→ N3（PDU Session Container） と2つの異なるヘッダで運ばれます。

How — UPF側: PDR / QER と QFI マーキング¶

UL:  gNB ──GTP-U (TEID=0x00000101, QFI=2)──► UPF
       PDR #11  PDI: Source=Access, F-TEID=0x00000101, QFI=2   → MATCH
         └─ QER #21: Gate UL=OPEN, MBR/GBR ...

DL:  DN ──IP (dst=UE IP, UDP 5004)──► UPF
       PDR #12  PDI: Source=Core, UE IP, SDF Filter (UDP 5004)  → MATCH
         ├─ FAR #12: Outer Header Creation (gNB F-TEID)
         └─ QER #22: Gate DL=OPEN, MBR/GBR ..., QFI = 2       ← DL GTP-U に付ける QFI

（値は架空例）

• 5QI そのものは PFCP の QER には入りません。UPFが知る必要があるのは「どのPacketを（PDR）」「どの帯域・ゲートで（QER）」「どのQFIで（QER）」扱うかです。
• 5QI / ARP から DSCP 値への対応表、Rate制御のQueue / Algorithm は 運用者設定・Vendor実装 です。
• PDR / QER そのものの読み方は PFCP と PDR / FAR / QER / URR、PDIの照合条件は PDR / PDI / F-TEID / SDF Filter / Precedence を参照してください。

End-to-End で一本につなぐ¶

flowchart LR
    A["UE App"] --> B["QoS rule
precedence順に照合"]
    B --> C["QFI 決定"]
    C --> D["SDAP
QFI → DRB"]
    D --> E["gNB"]
    E --> F["N3 GTP-U
TEID + QFI"]
    F --> G["UPF UL PDR
F-TEID + QFI"]
    G --> H["QER"]
    H --> I["N6 / DN"]

Packet Analysis (Wireshark)¶

Display Filter¶

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
 └─ PDUSessionResourceSetupListSUReq
     └─ PDUSessionResourceSetupItemSUReq
         ├─ pDUSessionID: 1
         ├─ pDUSessionNAS-PDU          ← 中に PDU SESSION ESTABLISHMENT ACCEPT（暗号化され得る）
         └─ PDUSessionResourceSetupRequestTransfer
             ├─ PDUSessionAggregateMaximumBitRate
             ├─ UL-NGU-UP-TNLInformation: 198.51.100.20 / TEID 0x00000101
             └─ QosFlowSetupRequestList
                 ├─ QosFlowSetupRequestItem
                 │   ├─ qosFlowIdentifier: 1
                 │   └─ qosFlowLevelQosParameters
                 │       ├─ qosCharacteristics: nonDynamic5QI → fiveQI: 5
                 │       └─ allocationAndRetentionPriority
                 └─ QosFlowSetupRequestItem
                     ├─ qosFlowIdentifier: 2
                     └─ qosFlowLevelQosParameters
                         ├─ qosCharacteristics: nonDynamic5QI → fiveQI: 1
                         ├─ allocationAndRetentionPriority
                         └─ gBR-QosInformation (MFBR / GFBR)

GTP-U (N3, DL)
 ├─ TEID: 0x12345678
 └─ PDU Session Container
     ├─ PDU Type: DL PDU SESSION INFORMATION (0)
     └─ QoS Flow Identifier: 2          ← 「5QI 2」ではない。NGAPで見ると 5QI = 1

見る順番¶

flowchart LR
    A["① NGAP
QFI と 5QI の対応表を作る"] --> B["② NAS
QoS rule の QFI と
Packet Filter (読める場合)"]
    B --> C["③ PFCP
PDI の QFI / QER の QFI"]
    C --> D["④ GTP-U
実パケットの TEID + QFI"]

最初に ① で 「このPDU Sessionでは QFI x = 5QI y」という対応表 を作ってから、② 〜 ④ の値を当てはめていきます。

Trouble Shooting¶

QFI mismatch の切り分け¶

QFIは4か所（N1 / N2 / N4 / N3）に現れるため、同じ PDU Session について4つの値を横に並べる のが最も速い方法です。

flowchart TD
    S["期待QFI と N3 のQFI が違う"] --> D{"方向は?"}
    D -- "DL" --> Q["PFCP QER の QFI と
NGAP の QFI を比較"]
    Q -- "QER が違う" --> F1["SMF の QER 生成を修正"]
    Q -- "QER は正しい" --> P["DL PDR の Match を確認
(Precedence / SDF Filter)"]
    D -- "UL" --> R["NAS QoS rule の QFI と
Packet Filter を確認"]
    R -- "rule は正しい" --> G["gNB の DRB→QFI 扱いと
UL PDR の QFI を確認"]
    R -- "rule が違う" --> F2["SMF の QoS rule 生成を修正"]

逆に N3のQFIは期待どおりなのに品質だけおかしい なら、QFIの問題ではなく、QERのGate / MBR / GBR、gNBのDRBマッピングとスケジューリング、輸送網のDSCP扱いを疑います。

3GPP仕様とVendor実装の境界¶

「QERで指定したRateをUPFのどのQueue / Algorithmで守るか」「gNBがどのスケジューラでPDBを守るか」は3GPPの規定範囲外です。

EPC（4G）との比較¶

• 5QI=1 と QCI=1、5QI=5 と QCI=5 は対応します（TS 23.501 §5.7.4）。その他の値の対応、および Priority Level の付け方の差（例: 5QI 1 は 20、QCI 1 は 2）の詳細は要確認です。
• EPC との相互接続（N26）では、QoS flow description に EPS bearer identity を含めて、QoS FlowとEPS Bearerの対応をUEへ知らせます（TS 24.501 §9.11.4.12、要確認）。詳しくは Interworking を参照してください。

3GPP Specification¶

Summary¶

• 5GのQoSは QoS Flow に紐付く。QoS Flowは QFI で識別され、QFIはPDU Session内でだけ一意
• TEID = Tunnel、QFI = Session内のQoS Flow、5QI = QoS characteristicsの種類。User Packetに載るのは TEID と QFI だけで、5QIはシグナリングにしか無い
• 1つのPDU Sessionは通常 1本のN3 Tunnel を使い、その中を複数QFIが流れる（1 TEID : 複数 QFI）
• 5QI は Resource Type（GBR / Delay-critical GBR / Non-GBR）、Priority Level、PDB、PER 等を指す。帯域値は5QIとは別
• 「Default QoS Flow」は default QoS rule（DQR=1） が指すFlow。UEはQoS ruleを precedence順に照合してULのQFIを決める
• SMFの1つの決定が UE（QoS rule）/ gNB（QoS Flow Setup Request List）/ UPF（PDR・QER） に配られ、gNBはSDAPで QoS Flow → DRB を決める
• QFI mismatch は N2 → N1 → N4 → N3 の値を並べて切り分ける。Wiresharkの QFI = 7 を 5QI 7 と読まない

理解度チェック¶

Next Step¶

• 帯域値と優先度（GFBR / MFBR / Session-AMBR / UE-AMBR / ARP） → GFBR / MFBR / AMBR / ARP
• QoSの出発点となるポリシー → PCF / SM Policy Association / PCC Rule
• UPFでQoS Flowを検出する条件 → PDR / PDI / F-TEID / SDF Filter / Precedence / PFCP と PDR / FAR / QER / URR
• QoS Flow 情報が運ばれる手続き → PDU Session Establishment 深掘り / PDU Session Modification / Release
• 基礎の振り返り → QoS / N3 / QoS辞典 / VoNR