【5G/4G/LTEの基本技術】第3回　プロトコル（前編）

5G/4G/LTEを担当することになった知財担当者は、標準化および標準必須特許 (Standard Essential Patent: SEP) という特殊性を考慮すること以上に、5G/4G/LTEの発明を理解することに苦労するでしょう。

なぜならば、5G/4G/LTE の発明を理解するためには、その発明の前提となっている多数の技術を理解しておく必要があり、また多くの専門用語を知っておく必要があるからです。

私自身も、１０年以上にわたって移動体通信特許の権利化や係争の支援に携わってきましたが、やはり最初のうちは発明を理解するのにかなり苦労をしました。

そこで、 本サイトでは、5G/4G/LTEを担当することになった知財担当者にとって発明の理解がより容易になるように、5G/4G/LTE の基本技術を説明します。

特にこの記事では、第3回として、5G/4G/LTEなどの移動体通信システムのプロトコル（前編）を説明します。とりわけ前編では、ユーザ機器 (User Equipment: UE) と 無線アクセスネットワーク（Radio Access Network：RAN）に関するプロトコルを説明します。

なお、UEとRANのプロトコルを理解する前提として、UEとRANのインターフェースを知っておく必要がありますので、ご存知でない方や忘れしまった方は、以下の第2回の記事をまず読んでみてください。

プロトコルとは

UEとRANのプロトコルを説明する前に、そもそも「プロトコル」とは何なのかを簡単に説明します。

プロトコルとは、簡単に言うと、ノード間で通信を行うための「決まりごと」です。具体的には、この「決まりごと」には、通信のための処理や送受信される情報のフォーマットなどが含まれます。

ノード間の通信は、単一のプロトコルではなく、階層化されたプロトコルのセットによって実現されます。

例えば、このような階層化されたプロトコルのセットを用いて２つのノードが通信する場合に、送信側のノードと受信側のノードのそれぞれにおいて、各階層の処理が行われます。具体的には、送信側のノードでは、各階層の送信処理が行われ、受信側のノードでは、各階層の受信処理が行われます。つまり、同じ階層同士での通信が行われます。

例えば、送信側のノードでプロトコル④の送信処理が行われ、受信側のノードでもプロトコル④の受信処理が行われます。同様に、送信側のノードでプロトコル③の送信処理が行われ、受信側のノードでもプロトコル③の受信処理が行われます。プロトコル①②についても同様です。

単純化して説明すると、送信側のノードの各階層では、上層からデータを受け取り、当該データにヘッダを付与し、ヘッダ付きのデータを下層に渡します。ここで、上層から受け取るデータは SDU (Service Data Unit) と呼ばれ 、下層へ渡すヘッダ付きデータは PDU (Packet Data Unit) と呼ばれます。

反対に、受信側のノードの各階層では、下層からデータを受け取り、当該データからヘッダを除去し、ヘッダなしのデータを上層に渡します。 ここでは、下層から受け取るデータがPDU であり、上層へ渡すデータが SDUとなります。

なお、送信側で、SDUに対する処理（例えば、変換、分割、統合など）が行われることもあります。そのため、PDUには、受け取ったSDUそのものではなく処理後のデータが含まれていることもあります。このような場合には、受信側でも、SDUを復元するための対応する処理が行われます。

OSI参照モデルとTCP/IP

UEとRANのプロトコルを説明する前に、 前提となるOSI参照モデルとTCP/IPの階層モデルも簡単に説明します。

OSI参照モデルとは、ISO (International Organization for Standardization)により策定されたプロトコル階層のモデルです。OSI参照モデルでは、「アプリケーション層 (第7層)」「プレゼンテーション層 (第6層)」「セッション層(第5層)」「トランスポート層(第4層)」「ネットワーク層(第3層)」「データリンク層(第2層)」「物理層 (第1層)」という７つの階層が定義されています。

一方、TCP/IPの階層モデルとは、コンピュータネットワークにおいて標準的に利用されているプロトコルの階層のモデルです。TCP/IPの階層モデルでは、「アプリケーション層」「トランスポート層」「インターネット層」「ネットワークインターフェース層」という４つの階層が定義されています。

上述の図のとおり、TCP/IPの階層モデルの「ネットワークインターフェース層」「インターネット層」「トランスポート層」「アプリケーション層」は、それぞれ、OSI参照モデルの「第1層＋第2層」「第3層」「第4層」「第5層+第6層+第7層」に相当します。

とりわけ、OSI参照モデル (第３層) の「ネットワーク層」およびTCP/IPの階層モデルの「インターネット層」で用いられる主要なプロトコルとして、IP (Internet Protocol)があります。IPでは、IPヘッダにアドレスが埋め込まれ、IPパケット (=IPのPDU) の転送が実現されます。

また、 OSI参照モデル (第4層)およびTCP/IPの階層モデルの「トランスポート層」で用いられる主要なプロトコルとして、TCP (Transmission Control Protocol)とUDP (User Datagram Protocol) があります。TCPは、コネクション型のプロトコルであり、順序制御や再送制御などを行います。これにより、 信頼性の高い通信が実現されます。UDPは、コネクションレス型プロトコルであり、順序制御や再送制御などを行いません。これにより、信頼性は低いものの低遅延の通信が実現されます。

TCP/IPの名前は、トランスポート層 (第4層) のTCPとインターネット層 (第3層) のIPに由来します。

なお、OSI参照モデルの第Ｘ層は、「レイヤＸ」と呼ばれます。例えば、第1層、第2層、第3層は、それぞれレイヤ1、レイヤ2、レイヤ3と呼ばれます。

UEと基地局との間の通信のプロトコル

それでは、UEと基地局との間の通信（すなわち、Uuインターフェースの通信）にどのようなプロトコルが用いられるかを説明します。

4G/LTEおよび5Gにおいて、 UEと基地局との間の通信には以下のようなプロトコルが用いられます。

レイヤ1 & レイヤ2

レイヤ1では、物理層 (Physical layer : PHY)のプロトコルが用いられます。

レイヤ2では、MAC (Medium Access Control)、RLC (Radio Link Control)、PDCP (Packet Data Convergence Protocol)という3つのプロトコルが用いられます。

PHY 、 MAC 、 RLC および PDCP は、 各種制御のための制御プレーン (Control Plane: C-Plane) と データ転送のためのユーザプレーン (User Plane: U-Plane)の両方に共通しています。なお、プロトコルはC-PlaneとU-Planeで共通ですが、各プロトコルにおけるC-Planeの制御情報の取扱いとU-Planeのユーザデータの取扱いは異なります。

なお、5Gのレイヤ2 では、U-Planeに限りSDAP (Service Data Application Protocol)というプロトコルがさらに用いられます。

最初から各プロトコルの処理を覚えておく必要はありません。まずは、レイヤ1およびレイヤ2では、 PHY、MAC、 RLC 、PDCP が用いられ、とりわけ5Gのレイヤ2では、 U-Planeに限りSDAPがさらに用いられるということだけを覚えておきましょう。

レイヤ3 (C-Plane)

C-Planeのレイヤ3では、RRC (Radio Resource Control)というプロトコルが用いられます。 RRCは、UEと基地局が通信するための様々な制御（UEによる基地局への接続の制御、UEのパラメータの構成、等）を行います。

RRCでは、UEと基地局との間でRRCメッセージが送受信されますが、このRRCメッセージは、レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

レイヤ3 (U-Plane)

U-Planeについては、UEと基地局との間の通信においてレイヤ3 のプロトコルは用いられず、 レイヤ2とレイヤ1のプロトコルのみが用いられます。

すなわち、 U-Planeについては、ユーザデータであるレイヤ３のPDUが レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。典型的には、当該PDUは、IPのPDU (= IPパケット) です。

4G/LTEの場合には、 ユーザデータは、 PHY、MAC、 RLC 、PDCP を用いて無線で送受信されます。

5Gの場合には、ユーザデータは、PHY、MAC、 RLC 、PDCP、SDAPを用いて無線で送受信されます。

アップリンクでは、UEが、ユーザデータ (例えばIPパケット) を基地局へ無線で送信します。そして、当該基地局は、当該ユーザデータを受信し、当該ユーザデータをコアネットワークへ中継します。

ダウンリンクでは、基地局が、UE宛のユーザデータ (例えばIPパケット) をコアネットワークから受信し、当該ユーザデータを当該UEへ無線で送信します。そして、当該UEは、当該ユーザデータを受信します。

UE間の通信のプロトコル

次に、UE間の通信（すなわち、PC5インターフェースの通信） にどのようなプロトコルが用いられるかを説明します。

4G/LTEおよび5Gにおいて、UE間の通信には以下のようなプロトコルが用いられます。

レイヤ1 & レイヤ2

UEと基地局との間の通信と同様に、UE間の通信でも、レイヤ1ではPHYが用いられ、レイヤ2ではMAC、RLC、PDCPが用いられ、とりわけ5Gのレイヤ2 ではU-Planeに限りSDAPがさらに用いられます。

ただし、 各レイヤには、UE間の通信のための特別な処理（すなわちサイドリンク（Sidelink：SL）用の処理）が定められていますので、UE間の通信のために、UEと基地局との間の通信と全く同じ処理が行われるわけではありません。

細かいことは気にせずに、まずは、 UEと基地局との間の通信と同様にUE間の通信でもレイヤ1およびレイヤ2では PHY、MAC、 RLC 、PDCP、SDAPが用いられるということだけを覚えておきましょう。

レイヤ3 (C-Plane)

C-Planeのレイヤ3では、PC5 Signalling Protocolが用いられます。PC5 Signalling Protocolは、UE同士が通信するための様々な制御（ダイレクトリンクのセットアップ、等）を行います。

PC5 Signalling Protocolでは、UE間でシグナリングメッセージが送受信されますが、このシグナリングメッセージは、レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

なお、正確には、PC5のC-Planeには、 PC5 Signalling Protocolだけではなく、近隣UEを発見する技術であるDiscoveryのprotocolもありますが、説明が複雑になるのでここでは省略します。

レイヤ3 以上(U-Plane)

U-Plane のレイヤ3以上では、移動体通信 (5G/4G/LTE) に特有のプロトコルではなく、一般的なプロトコルが用いられます。例えば、 レイヤ3ではIPが用いられ 、その上位のレイヤでは、アプリケーションプロトコルが用いられます。

ユーザデータであるレイヤ３のPDU (例えばIPパケット) は、レイヤ2とレイヤ1のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

4G/LTEの場合には、 ユーザデータは、PHY、MAC、 RLC 、PDCP を用いて無線で送受信されます。

5Gの場合には、ユーザデータは、PHY、MAC、 RLC 、PDCP、SDAPを用いて無線で送受信されます。

基地局間の通信のプロトコル

最後に、基地局間の通信（すなわち、X2/Xnインターフェースの通信） にどのようなプロトコルが用いられるかを説明します。

4G/LTEおよび5Gにおいて、基地局間の通信には以下のようなプロトコルが用いられます。

レイヤ1 & レイヤ2 & レイヤ3

レイヤ１およびレイヤ２のプロトコルとして、基地局間の通信方式に応じたプロトコルが用いられます。典型的には、基地局間の通信は光ファイバー網を用いた有線通信であり、レイヤ2のプロトコルとして、イーサネットが用いられます。

レイヤ3のプロトコルとして、IPが用いられます。

このように、レイヤ1～3では、移動体通信 (5G/4G/LTE) に特有のプロトコルがあるわけではなく、一般的なプロトコルが用いられます。

レイヤ4以上 (C-Plane)

C-Planeのレイヤ4では、SCTP (Stream Control Transmission Protocol) が用いられます。SCTPは、TCPと同様にコネクション型のプロトコルであり、順序制御や再送制御などを行います。これにより、 C-Planeにおいて信頼性の高い通信が実現されます。

さらに、C-Planeでは、4G/LTEの場合にはX2AP (X2 Application Protocol) が用いられ、5Gの場合にはXnAP (Xn Application Protocol) が用いられます。 X2AP および XnAP は、基地局間で様々な制御情報を送受信するためのプロトコルです。

4G/LTEのX2APでは、基地局間でX2APメッセージが送受信されますが、このX2APメッセージは、レイヤ1～4のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

5GのXnAPでは、基地局間でXnAPメッセージが送受信されますが、このXnAPメッセージも、レイヤ1～4のプロトコルを用いて無線で送受信されます。

このようなX2APとXnAPは、移動体通信 (5G/4G/LTE) のための特別なプロトコルです。
一方、SCTPは、移動体通信 (5G/4G/LTE) に特有のプロトコルではなく、一般的なプロトコルです。

レイヤ4以上 (U-Plane)

U-Planeのレイヤ4では、UDPが用いられます。 UDPは、コネクションレス型プロトコルであり、順序制御や再送制御などを行いません。これにより、U-Planeにおいて低遅延の通信が実現されます。

さらに、U-Planeでは GTP-U (GPRS Tunneling Protocol for User Plane) が用いられます。 GTP-Uは、ノード間の仮想的なトンネルでユーザデータを送受信するためのプロトコルです。

4G/LTEの場合も、5Gの場合も、ユーザデータは、GTP-Uおよびレイヤ1～4のプロトコルを用いて送受信されます。

プロトコルを定める3GPP TS

上述したように UEとRANのインターフェースでは様々なプロトコルが用いられますが、これらのプロトコルのうち4G/LTEや5Gに特有のプロトコルは、3GPP TS (Technical Specification)に定められています。

UEと基地局との間の通信（すなわち、Uuインターフェースの通信）に用いられる各プロトコルは、以下のような3GPP TSに定められています。

UE間の通信（すなわち、PC5インターフェースの通信） に用いられる各プロトコルは、以下のような3GPP TSに定められています。

基地局間の通信（すなわち、X2/Xnインターフェースの通信） に用いられる各プロトコルは、以下のような3GPP TSに定められています。

なお、5G/4G/LTE の知財担当者は、 5G/4G/LTEの標準必須特許 (SEP)に関わる以上、3GPP TSを読まないといけないこともありますので、上述したように各プロトコルは対応する3GPP TSに定められているということを頭の片隅に覚えておきましょう。

発明の理解にあたっての留意点

発明がUEおよびRANに関する技術である場合には、発明がどのプロトコルの技術であるかを把握しましょう。

発明が単一のプロトコルの中の技術であれば、そのプロトコルの中で発明の特徴に関わる部分を深掘りして理解していけばよいでしょう。

発明が複数のプロトコルにわたる技術であれば、まずは当該複数のプロトコルのセット（例えば、PHYとMAC、PHYとRRC等）を正確に認識しましょう。そして、各プロトコルの中で発明の特徴に関わる部分を理解していきましょう。

標準必須性 (SEP) の観点から、必要に応じて、プロトコルを定める3GPP TSを特定し、その3GPP TSのうち発明に関わる部分を確認していきましょう。

これにより、必要十分な範囲の技術を確認してくことになりますので、発明を効率的かつ効果的に理解することができます。

まとめ

UEと基地局との間の通信（すなわち、Uuインターフェースの通信）には、以下のプロトコルが用いられます。
　・レイヤ1 ：PHY
　・レイヤ2 ：MAC、RLC、PDCP、SADP (5GのU-Planeのみ)
　・レイヤ3 ：RRC (C-Plane)