VoNR — Voice over NR（5Gネイティブ音声）¶

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。

• VoNR が「5GネイティブでNR無線上を音声を運ぶ方式」であることを説明できる
• VoNR が IMS（IP Multimedia Subsystem） を前提とする理由を説明できる
• 音声呼が 専用のIMS用PDU Session と 音声用QoS Flow の上で成立する流れを図示できる
• 5QI=5（IMSシグナリング） と 5QI=1（会話音声, GBR） の役割の違いを説明できる
• VoNR が使えないエリアで音声を成立させる仕組み（EPS Fallback）へ橋渡しできる

前提知識¶

• PDU Session（PDUセッション確立） — VoNRはまずIMS用のPDU Sessionを張るところから始まる
• QoS（5G QoSモデル） — QoS Flow / QFI / 5QI / GBR・Non-GBR の理解が必須
• Registration（初回登録） — 音声を使う前にUEは5GCへ登録済みであることが前提
• 補助: PCF / SMF / UPF / AF

この章で学べること¶

• Why — なぜ5Gで音声に特別な仕組みが要るのか
• Basic Concept — 「音声もただのIPパケット、ただし専用レーンで運ぶ」という考え方
• IMSとは（コラム） — 音声呼を制御する別サブシステムの最小限の理解
• Architecture — VoNRに関わる5GC・IMS・NG-RANの登場人物
• Procedure — Call Flow — IMS用PDU Session確立 → SIP登録 → 音声呼のQoS Flow確立
• 5QIの使い分け — シグナリング（5QI=5）と会話音声（5QI=1）
• EPCとの比較 / Release差分 / Trouble Shooting / FAQ / Practice

Why — なぜ5Gで音声に特別な仕組みが要るのか¶

5Gの無線（NR）とコア（5GC）は、そもそも すべてをIPパケットとして運ぶ パケット交換の仕組みです。ならば音声も「ただのIPパケット」として流せばよさそうですが、そう単純ではありません。

音声通話には、Webの閲覧やファイルダウンロードと決定的に違う要求があります。

• 遅延に厳しい — 相手の声が1秒遅れて届いたら会話は成立しない
• 途切れてはいけない — パケットが数個落ちるだけで音が飛ぶ
• 帯域を保証したい — 混雑時でも音声ぶんの帯域は確保したい

つまり音声には 「保証された専用レーン」 が要ります。5Gではこのレーンを QoS Flow（QoS章）として用意し、さらに 誰といつ通話を始める／終えるか を制御する仕組みとして IMS を使います。この2つ（QoSの土台＝5GC、呼制御＝IMS）の連携で成り立つ5Gネイティブ音声が VoNR（Voice over NR） です。

Overview — 概要¶

VoNR は、大きく次の3つの層が協調して成立します。

1. IMS（呼制御） — 「誰が誰に電話するか」をSIPというプロトコルで制御する別サブシステム。5GCの外側にある
2. 5GC（土台の提供） — IMSと通信するための IMS用PDU Session を張り、音声に見合う QoS Flow を用意する
3. NG-RAN（無線） — QoS Flowを無線ベアラ（DRB）へ対応づけ、NR無線区間で音声パケットを運ぶ

音声呼は「まずIMSにつながる道（PDU Session）を作り、SIPでIMSに登録し、実際に電話をかけるとき音声専用レーン（QoS Flow）を追加する」という順で確立します。

Basic Concept — 初心者向け説明¶

VoNR は 「専用レーンつきの宅配便」 にたとえられます。

• ふだんのデータ通信（Web・動画）は、混んだ一般道を流れる普通の荷物
• 音声は「割れ物・時間指定・最優先」の荷物。専用レーン（QoS Flow） を用意して、遅れず・落とさず運ぶ
• ただし「いつ・誰に届けるか」を決める配車センターが要る。それが IMS

電話をかける前に、まず配車センター（IMS）と連絡が取れる道を用意します（IMS用PDU Session）。そして「今から通話します」となった瞬間に、最優先の専用レーン（音声用QoS Flow, 5QI=1）が敷かれます。通話が終わればレーンは撤去されます。

Architecture¶

graph LR
    UE["UE"] -- "音声(SIP/RTP)" --> IMS["IMS
(P-CSCF=AF)"]
    UE -- "N1(NAS)" --> AMF["AMF"]
    AMF -- "N11" --> SMF["SMF"]
    SMF -- "N4" --> UPF["UPF"]
    IMS -- "N5" --> PCF["PCF"]
    PCF -- "N7" --> SMF
    SMF -- "N2(via AMF)" --> RAN["NG-RAN"]
    UPF -- "N6" --> IMS

図の読み方: UEの音声（SIP/RTP）は、まず IMS用PDU Session（UE⇔UPF⇔N6⇔IMS）の上を流れます。通話を始めると、IMSの P-CSCF が AF として N5 で PCF に QoS を要求 し、PCF→N7→SMF がポリシーを受け取り、SMF→N4→UPF と SMF→N2(AMF経由)→NG-RAN に音声用 QoS Flow を設定します。制御（呼のオン・オフ＝IMS）と土台（QoSレーン＝5GC）が分かれている点がポイントです。

Network Function¶

Interface¶

Procedure — Call Flow¶

VoNRの音声呼は、(A) IMS用PDU Session確立 → (B) SIP登録 → (C) 発信時の音声用QoS Flow確立 の3段階で理解します。

sequenceDiagram
    participant UE
    participant RAN as NG-RAN
    participant SMF
    participant UPF
    participant PCF
    participant IMS as IMS(P-CSCF=AF)

    Note over UE,IMS: (A) IMS用 PDU Session 確立（DNN=ims）
    UE->>SMF: PDU Session Establishment Request (DNN=ims)
    SMF->>UPF: N4 Session Establishment
    SMF-->>UE: PDU Session確立 (5QI=5 のシグナリング用フロー)

    Note over UE,IMS: (B) SIP登録（IMSへ）
    UE->>IMS: SIP REGISTER (IMSシグナリング, 5QI=5フロー上)
    IMS-->>UE: 200 OK

    Note over UE,IMS: (C) 発信 → 音声用 QoS Flow 確立
    UE->>IMS: SIP INVITE (発信)
    IMS->>PCF: N5 Npcf_PolicyAuthorization (音声QoS要求)
    PCF->>SMF: N7 SM Policy 更新 (5QI=1 GBR)
    SMF->>UPF: N4 QoS Flow 追加 (QER)
    SMF->>RAN: N2 QoS profile 通知
    RAN-->>UE: 音声用 DRB 設定
    UE->>IMS: 通話確立 (RTP音声, 5QI=1フロー上)

手順の説明:

1. (A) IMS用PDU Session確立 — UEは通常のインターネット用とは別に、DNN=ims（IMS専用のデータnetwork名。値は実装/事業者依存）でPDU Sessionを確立する。この時点ではまだ音声レーンはなく、IMSシグナリング用（5QI=5, Non-GBR） のQoS Flowが用意される。
2. (B) SIP登録 — UEはこのPDU Sessionを通じてIMSへ SIP REGISTER を送り、IMSに「この番号でここにいます」と登録する。以後、着信も可能になる。
3. (C) 発信と音声用QoS Flow確立 — UEが電話をかける（SIP INVITE）と、IMSの P-CSCF が AF として N5 で PCF に音声QoSを要求。PCF は 5QI=1（会話音声, GBR） のポリシーを N7→SMF へ渡し、SMF が N4→UPF と N2→NG-RAN に音声用QoS Flowを追加する。ここで初めて保証つき音声レーンが敷かれ、RTP音声 がその上を流れる。

Signal Flow¶

5QIの使い分け（シグナリングと音声）¶

VoNRでは、同じIMS用PDU Sessionの上に2種類のQoS Flow が存在します。

1本の道（PDU Session）の中に「常時開いているシグナリング用レーン」と「通話中だけ敷かれる音声用レーン」が並走するイメージです。

flowchart LR
    UE["UE"]
    subgraph PDU["1つの IMS 用 PDU Session（DNN=ims）"]
        direction TB
        SIG["QoS Flow: 5QI=5（Non-GBR）
IMSシグナリング（SIP等）
【(A)確立時からずっと】"]
        VOICE["QoS Flow: 5QI=1（GBR）
会話音声（RTP）
【(C)通話中のみ・保証帯域】"]
    end
    IMS["IMS
(P-CSCF=AF)"]

    UE === SIG
    UE === VOICE
    SIG === IMS
    VOICE === IMS

    classDef sig fill:#eef,stroke:#66a;
    classDef voice fill:#fee,stroke:#c33,stroke-width:2px;
    class SIG sig;
    class VOICE voice;

EPCとの比較¶

• 4Gでは: LTE上の音声は VoLTE（Voice over LTE） と呼ばれ、やはり IMS を前提とし、専用ベアラ（QCI=1が会話音声, QCI=5がIMSシグナリング） を使いました。呼制御はIMS、土台はEPS（EPCの専用ベアラ）という構図です。
• 5Gでは: 呼制御が IMS である点は同じですが、土台が EPSベアラ → QoS Flow、識別子が QCI → 5QI に変わりました（QCI=1↔5QI=1, QCI=5↔5QI=5 と概ね対応）。思想（IMS＋保証レーン）はVoLTEを引き継ぎつつ、5GのQoSモデル上に再実装したものがVoNRです。

Release差分¶

• Rel-15: 5GシステムとしてのVoNR（IMS音声 over NR）の枠組みが規定。ただし初期展開ではVoNR未提供エリアが多く、EPS Fallback が実運用上ほぼ必須だった。
• Rel-16以降: VoNR対応の拡充。詳細な機能追加は各TSを 要確認（本章では断定しない）。

Trouble Shooting¶

3GPP Specification¶

• 3GPP TS 23.501 §5.7.4 — 標準化5QI表（5QI=1 会話音声/GBR, 5QI=5 IMSシグナリング/Non-GBR 等）
• 3GPP TS 23.501 §5.16.3 — IMS音声のサポートに関する規定（章番号は要確認）
• 3GPP TS 23.502 §4.13.6.1 — EPS Fallback 手続き（EPS Fallback章で扱う）
• 3GPP TS 23.228 — IMS（IP Multimedia Subsystem）アーキテクチャ（本章では概要のみ・要参照）

FAQ¶

Q. VoNRとVoLTEの違いは何ですか？ A. どちらもIMSを使う音声ですが、無線と土台が異なります。VoLTEは4G(LTE)無線とEPS専用ベアラ、VoNRは5G(NR)無線とQoS Flowを使います。呼制御にIMSを使う思想は共通です。

Q. IMSは5GCの一部ですか？ A. いいえ。IMSは音声等を制御する 別サブシステム で、5GCの外側にあります。ただし接点として、IMSのP-CSCFが5GCに対しては AF として振る舞い、N5経由でPCFにQoSを要求します。

Q. なぜ音声用とシグナリング用でQoS Flowを分けるのですか？ A. 役割が違うためです。SIP等の呼制御（5QI=5, Non-GBR）は常時必要ですが帯域保証は不要。実際の音声（5QI=1, GBR）は通話中だけ、遅延に厳しく帯域保証が必要です。分けることで無駄なく品質を確保できます。

Q. VoNRが使えないエリアではどうなりますか？ A. EPS Fallback により、音声呼の確立時にUEを一時的に4G(EPS)へ移し、VoLTEとして音声を成立させます。詳細は EPS Fallback を参照してください。

Summary¶

• VoNR は5GネイティブでNR無線上を音声を運ぶ方式で、IMS による呼制御と 5GCのQoS Flow による保証レーンの連携で成立する
• 音声呼は (A)IMS用PDU Session確立 → (B)SIP登録 → (C)発信時の音声用QoS Flow確立 の順で確立する
• IMSの P-CSCFはAFとして N5 で PCF にQoSを要求 し、PCF→N7→SMF→(N4 UPF / N2 NG-RAN) が音声レーンを敷く
• 1つのIMS用PDU Session上に 5QI=5（IMSシグナリング, Non-GBR） と 5QI=1（会話音声, GBR） の2種のQoS Flowが共存する
• VoNR未提供エリアでは EPS Fallback が音声を成立させる

Practice — 理解度チェック・演習¶

理解度チェック¶

演習¶

• 発信（MO）と着信（MT）で、Call Flowのどこが対称でどこが違うかを図に描いてみましょう（ヒント: 着信はUEがCM-IDLEなら Paging が先行）。
• VoLTE（4G）とVoNR（5G）の対応関係を、QCI↔5QI・EPSベアラ↔QoS Flow の対で表にまとめてみましょう。

Next Step¶

• EPS Fallback — VoNR未提供エリアで音声を成立させる仕組み
• Emergency（緊急通報） — 緊急呼の特別な扱い（未登録UE・優先度）
• QoS（5G QoSモデル） — QoS Flow / 5QI / GBR の詳細に戻って深める