Handover — ハンドオーバー¶

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（なぜハンドオーバが必要か）を、移動中の通信継続・セッション/IP維持の観点で説明できる。
• Xn-based Handover と N2-based Handover の違い（適用条件・コアの関与度）を対比して説明できる。
• Path Switch（Xn HO 完了後に N3 の下りパスを新gNBへ張り替える手続き）が何をするか説明できる。
• ハンドオーバにおける N3 パス切替（gNB側 TEID の更新、AMF→SMF→UPF の連携）の流れを追える。
• ハンドオーバの主役が AMF（N2制御） と SMF/UPF（N3パス切替） であることを、コア観点で説明できる。
• Wireshark の Display Filter を使って、NGAP の Handover 系 / Path Switch のパケットを解析する着眼点を挙げられる。
• 4G(EPC) の X2-based HO / S1-based HO と 5G の Xn-based / N2-based HO 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。

• Registration の完了（UEが登録済み＝5GMM-REGISTERED であること） → Initial Registration
• PDU Session の確立（切り替える対象となるユーザプレーンが張られていること） → PDU Session Establishment
• N2 / N3（gNB⇔AMF の制御路、gNB⇔UPF のユーザプレーン路） → N2 / N3
• 主要NFの役割 → AMF / SMF / UPF

この章で学べること¶

本章は Inter-gNB Handover（基地局間ハンドオーバー） に焦点を絞り、そのうち Xn-based と N2-based の2種を扱います。移動する UE の接続を、現在の基地局（Source gNB）から次の基地局（Target gNB）へ切り替え、通信を途切れさせない手続きです。

本章はコア（5GC）の関与に焦点を当てます。 すなわち、

• AMF がどう N2 制御でハンドオーバを仲介・制御するか
• SMF/UPF がどう N3 のユーザプレーンパスを新gNBへ切り替えるか

を中心に解説します。次のものは本章の範囲外です（触れますが詳細には立ち入りません）。

• 無線(RRC)側の詳細手続き（RRC Reconfiguration によるハンドオーバ実行、無線リソース割当の詳細）
• Measurement Report（測定報告）の詳細（UEがどう隣接セルを測定し、いつHOを起動するかの無線判定ロジック）
• Intra-gNB Handover（同一gNB内のセル間切替）、Inter-System Handover（5G⇔4G間）などは範囲外です。Inter-System Handover は 4G-5G Interworking で扱います。

これらは無線アクセス側（gNB内部）の話題であり、コア観点の本章では概要にとどめます。

Why — なぜハンドオーバが必要か¶

Why（なぜ必要か）から始めます。 UE（スマートフォン等）は移動します。歩きながら、電車に乗りながら通信を続けるうちに、いま接続している基地局（Source gNB）の電波はどんどん弱くなり、逆に進行方向にある別の基地局（Target gNB）の電波が強くなります。

もしここで何もしなければ、電波の弱い基地局に固執したまま通話が切れ、動画が止まり、ダウンロードが中断します。これを防ぐには、通信を続けたまま接続先を「電波の良い基地局」へ乗り換える必要があります。この乗り換えが Handover（ハンドオーバー） です。

ハンドオーバで維持したいものは2つあります。

1. セッションの継続 — 確立済みの PDU Session（データ通信の土管）を張り直さずに引き継ぐ。
2. IPアドレスの維持 — アプリから見えるUEのIPアドレスが変わらない（TCP接続やアプリのセッションが切れない）。

これらを保ったまま、無線区間とコアのユーザプレーン経路だけをできるだけ無瞬断で切り替えるのがハンドオーバの目的です。

Overview — 概要¶

ハンドオーバのトリガは基本的に無線品質の劣化です。UEの Measurement Report（測定報告、無線側の詳細は範囲外）をもとに Source gNB が「Target gNB へ移すべき」と判断してハンドオーバを起動します。目的はセッション/IPを維持したままの無瞬断パス切替です。

Inter-gNB Handover には、隣接gNB間の Xn インターフェースの有無・コア再配置の要否に応じて2種類あります。

（適用条件・メッセージ名は TS 23.502 の Handover 手続きに基づく。個別メッセージ名/順序の細部は Procedure で扱い、一部は要確認とする。）

flowchart LR
    UE([UE]) -.移動.-> UE2([UE])
    S["Source gNB"] -->|"Xn 直接調整
(Xn-based)"| T["Target gNB"]
    S -->|"N2 経由調整
(N2-based)"| AMF[AMF]
    AMF --> T
    T -->|"Path Switch / N3切替"| CORE{AMF→SMF→UPF}

Basic Concept — 初心者向け説明¶

ハンドオーバを理解するには、3つのキーワードを押さえます。

1. ハンドオーバとは何か（What）¶

Handover は、通信を続けたまま UE の無線接続を Source gNB → Target gNB へ移す手続きです。移すのは主に次の2つです。

• UEコンテキスト — そのUEが誰で、どんなセキュリティ・どんな PDU Session/QoS Flow を持つか、という情報。これを Target gNB が引き継ぎます。
• ユーザプレーンパス — 実データが流れる経路。無線区間（UE⇔gNB）と、コア側の N3（gNB⇔UPF）の両方を新gNB向けに切り替えます。

無線区間の切替（RRC Reconfiguration）は gNB とUEが担い、その詳細は本章の範囲外です。本章はコア側（N3）の切替に集中します。

2. Xn-based か N2-based かの選び方¶

• Xn-based — Source と Target の gNB の間に Xn インターフェース（gNB同士を直接つなぐ線）がある場合。gNB同士が XnAP で直接「これから受け入れて」「準備OK」と調整します。コア（AMF）は準備には関与せず、実行後の Path Switch だけ担当します。軽くて速いのが利点です。
• N2-based — Xn が無い、または AMF/UPF の再配置が必要な場合。gNB同士が直接話せないので、AMF が N2 経由で仲介します。Source gNB → AMF → Target gNB という三者調整になり、コアが準備段階から関与します。

3. Path Switch と N3 パス切替¶

ハンドオーバで無線区間が Target gNB へ移っても、コア（UPF）から見た下りデータの届け先はまだ Source gNB のままです。これを新gNBへ向け直さないと、下りパケットが古い基地局に届いてしまいます。

• Path Switch（パス切替） — Xn-based HO の完了後、Target gNB が NGAP Path Switch Request を AMF に送り、「このUEの下りパスを私（新gNB）に向けてください」と要求する手続きです。
• N3 パス切替 — AMF がこれを受けて SMF に伝え、SMF が N4(PFCP) で UPF の転送ルール（下り FAR の宛先）を 新gNBの N3 TEID/アドレスへ更新します。これで下り N3(GTP-U) が新gNBへ流れるようになります。

つまり Path Switch = 「新gNBがコアに引っ越し先を届け出る」、N3パス切替 = 「UPFが下り配送先を新住所に書き換える」イメージです。N2-based HO でも同等の N3 切替が Handover 手続きの中で行われます。

Architecture¶

Inter-gNB Handover に関わる要素と、それらを結ぶInterfaceです。Xn経路（gNB間直接） と N2経路（AMF仲介） を描き分けています。

flowchart LR
    UE([UE])
    S["Source gNB"]
    T["Target gNB"]
    AMF[AMF]
    SMF[SMF]
    UPF[UPF]
    DN[(Data Network)]

    UE -. "移動" .-> T
    UE -- "無線(RRC)" --> S
    S == "Xn (XnAP): HO準備/実行 (Xn-based)" ==> T
    S -- "N2 (NGAP): Handover Required 等 (N2-based)" --> AMF
    AMF -- "N2 (NGAP): Handover Request/Command" --> T
    T -- "N2 (NGAP): Path Switch Request" --> AMF
    AMF -- "Nsmf (N11相当)" --> SMF
    SMF -- "N4 (PFCP)" --> UPF
    S -. "N3 (旧パス)" .-> UPF
    T == "N3 (GTP-U 新パス)" ==> UPF
    UPF == "N6" ==> DN

各要素の役割は次の通りです。

• UE — 移動する端末。無線側で Target gNB へ切り替わる（RRC手続きは無線側・範囲外）。セッション/IPは維持される。
• Source gNB（旧基地局） — 現在の接続元。HOを起動し、Xn-based ではXnで、N2-based ではN2(AMF)経由で Target gNB と調整する。切替後は旧N3パス上の残データを転送し得る（データフォワーディング）。
• Target gNB（新基地局） — 移動先。UEコンテキストを受け入れ、Xn-based では完了後に Path Switch Request を AMF へ送る。
• AMF — N2の司令塔。N2-based では Handover の準備/実行を制御し、Xn-based では Path Switch を受けて SMF へ橋渡しする。
• SMF — セッション管理。AMFからの通知を受け、N4(PFCP)で UPF の N3 下りパスを新gNBへ更新する。必要ならUPF再配置を判断する。
• UPF — ユーザプレーンの転送実体。SMFの指示で下り N3 の宛先（gNB側TEID/アドレス）を書き換える。アンカーUPF維持ならIPは不変。
• Xn — 隣接 gNB 同士を直接結ぶインターフェース（プロトコルは XnAP）。

Interfaceの詳細は Interface辞典 を参照してください。

Network Function（登場NF）¶

ハンドオーバに登場するコア側NFの役割です。gNB は無線アクセス側であり、コアNFではありません（本章の主役はコア観点のため、gNBは無線側として扱います）。

（gNB間の HO 準備・実行そのものは無線アクセス側の役割であり、本表はコアNFに限定しています。）

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 §4.9.1（Handover procedures） に準拠した Inter-gNB Handover の主要手順を、Xn-based と N2-based に分けて Mermaid の sequenceDiagram で示します。

Xn-based Handover¶

Source-Target gNB 間に Xn があり、gNB同士が直接調整するケースです。コアの関与は実行後の Path Switch（N3下りパス切替）が中心です。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant S as Source gNB
    participant T as Target gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant UPF

    Note over UE,S: 無線品質劣化 → HO判定（Measurement Report 等・無線側/範囲外）
    S->>T: Handover Request (XnAP)
    Note right of S: TS 38.423（XnAP）
    T-->>S: Handover Request Acknowledge (XnAP)
    Note over S,T: Target がUEコンテキスト/リソースを準備
    S->>UE: HO実行指示（RRC Reconfiguration・概略/範囲外）
    Note over UE,T: UEが Target gNB へ無線同期・切替
    UE->>T: HO完了（RRC Reconfiguration Complete・概略/範囲外）
    opt データフォワーディング（任意）
        S-->>T: 未送達データを Xn 経由で転送
    end

    Note over T,AMF: ここからコアの Path Switch（N3下りパス切替）
    T->>AMF: Path Switch Request (NGAP)
    Note right of T: 新gNBの N3 TEID/アドレスを通知
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext（新gNB N3情報）
    SMF->>UPF: N4 Session Modification Request (PFCP)
(下りFARを新gNB N3 TEIDへ更新)
    UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
    Note over T,UPF: 下り N3(GTP-U) が新gNBへ切替
    opt End Marker（旧パス終端の目印）
        UPF-->>S: End Marker（旧N3パスの最後を示す）
    end
    SMF-->>AMF: UpdateSMContext Response
    AMF-->>T: Path Switch Request Acknowledge (NGAP)
    T->>S: UE Context Release (XnAP)
    Note over UE,UPF: 切替完了・通信継続

N2-based Handover¶

Xn が無い、または AMF/UPF 再配置が必要なケースです。AMF が N2 経由で準備/実行を仲介します。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant S as Source gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant UPF
    participant T as Target gNB

    Note over UE,S: 無線品質劣化 → HO判定（無線側/範囲外）
    S->>AMF: Handover Required (NGAP)
    Note right of S: Target gNB を指定 / TS 23.502 §4.9.1.3

    Note over AMF,SMF: 準備フェーズ（必要ならUPF再配置をSMFが判断）
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext（HO準備）
    SMF->>UPF: N4 Session Modification（必要なリソース準備）
    UPF-->>SMF: N4 Response
    SMF-->>AMF: UpdateSMContext Response

    AMF->>T: Handover Request (NGAP)
    T-->>AMF: Handover Request Acknowledge (NGAP)
    Note over AMF,T: Target が受入リソース/N3 TEID を準備

    AMF->>S: Handover Command (NGAP)
    S->>UE: HO実行指示（RRC Reconfiguration・概略/範囲外）
    Note over UE,T: UEが Target gNB へ切替
    UE->>T: HO完了（無線側/範囲外）
    T->>AMF: Handover Notify (NGAP)

    Note over AMF,UPF: 実行フェーズ（N3下りパスを新gNBへ確定）
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext（HO完了通知）
    SMF->>UPF: N4 Session Modification Request (PFCP)
(下りFARを新gNB N3 TEIDへ更新)
    UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
    opt End Marker
        UPF-->>S: End Marker（旧N3パス終端）
    end
    SMF-->>AMF: UpdateSMContext Response
    Note over AMF,S: 旧リソース解放
    AMF->>S: UE Context Release Command (NGAP)
    Note over UE,UPF: 切替完了・通信継続

ステップ解説（番号は各図に対応）¶

Xn-based（上図）

1. S→T: Handover Request(XnAP)。Source gNB が Target gNB に「このUEを受け入れて」と直接依頼（TS 38.423）。
2. T→S: Handover Request Acknowledge(XnAP)。Target がUEコンテキスト/無線リソースを準備し承諾。 3-5. 無線側HO実行（概略/範囲外）: Source が UE に RRC で実行を指示し、UEが Target gNB へ同期・切替、完了。（データフォワーディングは任意で S→T へ未送達データを転送。）
3. T→AMF: Path Switch Request(NGAP)。Target gNB が「下りパスを私に向けて」と AMF へ要求。新gNBの N3 TEID/アドレスを通知。
4. AMF→SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext で新gNBのN3情報を伝達。
5. SMF→UPF: N4 Session Modification(PFCP) で下り FAR の宛先を新gNBの N3 TEIDへ更新。→ 下り N3(GTP-U) が新gNBへ切替（旧パス終端の目印として End Marker が送られ得る）。
6. AMF→T: Path Switch Request Acknowledge(NGAP)。
7. T→S: UE Context Release(XnAP)。旧gNBの当該UEリソースを解放。

N2-based（下図）

1. S→AMF: Handover Required(NGAP)。Xn が使えないため AMF に仲介を依頼。Target gNB を指定。
2. 準備フェーズ: AMF→SMF UpdateSMContext、SMF→UPF N4 Modification で必要なリソース（UPF再配置が要るなら新UPF準備）を整える。
3. AMF→T: Handover Request(NGAP) / T→AMF Handover Request Acknowledge(NGAP)。Target が受入リソースと N3 TEID を準備。
4. AMF→S: Handover Command(NGAP)。Source に「実行して良い」と指示。
5. 無線側HO実行（概略/範囲外） → UEが Target へ切替。
6. T→AMF: Handover Notify(NGAP)。Target 側で切替完了を通知。
7. 実行フェーズ: AMF→SMF UpdateSMContext（HO完了）→ SMF→UPF N4 Modification で下り FAR を新gNB N3 TEIDへ更新（End Marker が送られ得る）。
8. 旧リソース解放: AMF→S UE Context Release Command(NGAP)。

参照: TS 23.502 §4.9.1（Handover procedures。Xn-based は §4.9.1.2、N2-based は §4.9.1.3 付近。細目章番号は要確認）、TS 38.413（NGAP: Handover系 / Path Switch）、TS 38.423（XnAP: Handover系）。

Signal Flow¶

主要Message／サービスオペレーションを表で整理します。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（Handover系/Path Switch の個別IE名は版依存で一部要確認）。

State Machine¶

ハンドオーバ中の状態イメージを、UEの接続（CM: Connection Management）視点と、N2 HO 手続きの進行視点で概念化します（根拠: TS 23.501 §5.3（CM状態）／TS 23.502 §4.9.1（HO手続き）。状態名の一部は理解のための概念表現であり要確認）。

stateDiagram-v2
    [*] --> CONNECTED_SOURCE
    CONNECTED_SOURCE --> HO_PREPARATION: HO起動（無線品質劣化）
    HO_PREPARATION --> HO_EXECUTION: Target 準備完了（Ack / Command）
    HO_EXECUTION --> PATH_SWITCHING: UEがTargetへ切替完了
    PATH_SWITCHING --> CONNECTED_TARGET: N3下りパス切替完了（Path Switch Ack / N4更新）
    HO_PREPARATION --> CONNECTED_SOURCE: 準備失敗（HO中止）
    HO_EXECUTION --> CONNECTED_SOURCE: 実行失敗 / フォールバック
    CONNECTED_TARGET --> [*]

• CONNECTED_SOURCE — Source gNB に接続してデータ通信中（CM-CONNECTED）。
• HO_PREPARATION — HO準備中（Xn-based は Handover Request/Ack、N2-based は Handover Required→Request/Ack）。準備失敗なら Source へ戻る。
• HO_EXECUTION — 無線側HO実行中（RRC切替。概略/範囲外）。失敗時はフォールバックし得る。
• PATH_SWITCHING — コア側 N3 下りパス切替中（Path Switch / N4 Modification）。
• CONNECTED_TARGET — Target gNB へ切替完了。通信継続。

Packet Analysis (Wireshark)¶

Inter-gNB Handover は N2(NGAP) / Xn(XnAP) / N3(GTP-U) 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（主要ポイント）¶

• NGAP の Handover 系 procedureCode — Handover Required / Request / Command / Notify（N2-based）。procedureCode 名でメッセージ種別を識別。
• NGAP Path Switch Request / Acknowledge — Xn-based 完了後にコアへ届く、N3下りパス切替の要のメッセージ。
• XnAP の Handover 手続き — Xn-based の gNB間直接調整（Handover Request / Acknowledge）。Xn区間をキャプチャできる場合のみ観測可能。
• TEID の変化 — N3(GTP-U) の下りトンネルの宛先 TEID/アドレスがSource gNB→Target gNB へ切り替わる様子。切替直前直後で gtp.teid を比較すると、パス切替の効果が観察できる。End Marker で旧パスの終端も確認できる。

NGAP に情報がネストする構造¶

Handover 系の NGAP メッセージには、UEコンテキストや PDU Session/QoS Flow の情報が入れ子で運ばれます。Path Switch では新gNBの U-Plane（N3 TEID）情報が含まれます。

NGAP-PDU
 └─ HandoverRequired / PathSwitchRequest など
     └─ PDU Session Resource（QoS Flow / N3 TEID 情報）
         └─ （新旧 gNB の U-Plane トランスポート情報）

Configuration¶

ハンドオーバ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。ハンドオーバの準備・実行判定・Xnネイバー関係の多くは無線アクセス側（gNB）の設定であり、コア（5GC）側の設定は限定的です。

gNB 側（無線アクセス・範囲外だが要点のみ）¶

• Xn ネイバー関係 — どの隣接 gNB と Xn を張るか（Xn-based HO の前提）。Xn が無い相手へは N2-based にフォールバックする。
• Measurement / HO 判定パラメータ — 隣接セル測定のしきい値やヒステリシス等（無線側・詳細は範囲外）。

コア（AMF/SMF/UPF）側¶

• AMF — N2(NGAP) が確立され、Handover 系 / Path Switch 手続きを処理できること。複数 gNB を収容し、対象 UE のコンテキストを保持していること。
• SMF/UPF — PDU Session が確立済みで、N4(PFCP) アソシエーションが確立され、下り FAR の宛先（gNB側 N3 TEID）を更新できる構成であること。
• UPF 再配置（N2-based で必要な場合）— 新UPFへの切替を行うなら、SMFのUPF選択と新旧UPF間の扱いが構成に依存する。

Trouble Shooting¶

代表的なハンドオーバ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) 経験者が 5G のハンドオーバへ橋渡しできるよう対比します。4Gにも「基地局間直接」と「コア仲介」の2種があり、5Gはそれを Xn / N2 に対応させた設計です。

Release差分¶

ハンドオーバ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 の基本ハンドオーバ（Xn-based / N2-based Inter-gNB HO、Path Switch、N3パス切替）の基礎が確立。
• Rel-16 — Conditional Handover（CHO、条件付きハンドオーバ） 等のモビリティ強化が導入された世代とされる（HO手続き本体・コア関与への織り込み範囲は要確認）。CHO はあらかじめ複数のTarget候補を準備し、条件成立時にUEが自律的に実行することでHO失敗（呼断）を低減する仕組み。
• Rel-17 / Rel-18（5G-Advanced） — モビリティのさらなる拡張が継続（HO手続きへの具体差分は要確認）。

3GPP Specification¶

FAQ¶

Summary¶

• Handover は、移動する UE の接続を Source gNB → Target gNB へ、セッション/IPを維持したまま無瞬断に近い形で切り替える手続き。トリガは無線品質の劣化。
• Inter-gNB HO には、Xn の有無・コア再配置の要否で Xn-based（gNB間直接＋Path Switch）と N2-based（AMF仲介）の2種がある。
• コア観点の主役は AMF（N2制御） と SMF/UPF（N3パス切替）。無線(RRC)側の詳細と Measurement Report は本章の範囲外。
• Path Switch は Xn-based 完了後に Target gNB が AMF へ下りパス切替を要求する手続き。AMF→SMF→UPF が N4(PFCP) で下り FAR を新gNB N3 TEID へ更新（N3パス切替）。
• アンカーUPF維持ならIPは不変。データフォワーディング/End Marker でパケットロスを緩和。
• 4Gの X2-based / S1-based HO に対応し、5Gは Xn-based / N2-based。Path Switch Request の考え方は4Gから継続。
• 根拠は TS 23.502 §4.9.1 / TS 38.413(NGAP) / TS 38.423(XnAP) / TS 38.300 / TS 23.501（細目章番号・一部メッセージ順序は要確認）。

Practice — 理解度チェック・演習¶

理解度チェック¶

演習¶

問: 次の Xn-based Handover 主要ステップを正しい順に並べ替えてください。

A. Target gNB → AMF: Path Switch Request(NGAP)
B. Source gNB → Target gNB: Handover Request(XnAP)
C. SMF → UPF: N4 Session Modification（下りFARを新gNB N3 TEIDへ）
D. Target gNB → Source gNB: Handover Request Acknowledge(XnAP)
E. AMF → Target gNB: Path Switch Request Acknowledge(NGAP)
F. 無線側HO実行（UEがTarget gNBへ切替・概略/範囲外）
G. AMF → SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext

Next Step¶

理解を深めるための次の一歩です。

• Paging 章（CM-IDLE の UE を呼び出す、モビリティのもう一つの柱）
• Service Request 章（CM-IDLE→CM-CONNECTED のU-Plane再確立）
• 手順の前提: Initial Registration / PDU Session Establishment
• 関連NF: AMF / SMF / UPF
• 関連Interface: N2 / N3 / Xn
• 辞典: Message辞典 / Timer辞典 / Cause辞典 / Protocol辞典 / NF辞典 / Interface辞典