Dans un réseau 5G, la QoS n’est pas seulement une étiquette technique attachée aux paquets. C’est le mécanisme qui détermine quel trafic reçoit un traitement classique en mode meilleur effort, quel service mérite des ressources garanties et comment le réseau doit réagir lorsque les conditions radio ou la congestion commencent à affecter l’expérience utilisateur. Pour les opérateurs, la QoS est étroitement liée au coût de la bande passante et à l’allocation des ressources réseau. Pour les utilisateurs et les partenaires de service, elle se manifeste souvent sous la forme de qualité de service, de niveau d’abonnement, de priorité métier ou d’expérience garantie.

Un téléphone mobile peut générer simultanément de nombreux types de trafic : messagerie, vidéos courtes, classe en ligne, jeux, signalisation IMS, audio VoNR, vidéo en direct, interactions AR/VR et mises à jour d’applications en arrière-plan. Ces flux n’ont pas les mêmes exigences. Une vidéo mise en mémoire tampon peut tolérer davantage de délai que la voix. La signalisation IMS nécessite un traitement fiable, mais pas la même bande passante que la vidéo. Un service industriel critique en matière de latence peut exiger un contrôle du délai et des pertes de paquets bien plus strict qu’une application sociale ordinaire.

Le rôle de la QoS du 5GC est de classifier ces flux de données de service, de les mapper vers des QoS Flows adaptés, de leur attribuer un traitement de transfert et de coordonner l’UE, le gNB, l’UPF, le SMF et les règles de politique afin que le plan utilisateur se comporte conformément à l’intention du service.

Valeur du service et coût des ressources

La QoS part d’une réalité simple : tous les services ne bénéficient pas de la même garantie réseau. La plupart des applications Internet publiques, comme la messagerie sociale, les vidéos courtes, la navigation classique, les applications musicales ou le trafic d’apprentissage en ligne, relèvent généralement du meilleur effort. Elles sont le plus souvent gérées comme des services Non-GBR, ce qui signifie que le réseau ne promet pas un débit garanti pour chaque flux.

Certains services peuvent bénéficier d’une protection QoS plus forte parce qu’un utilisateur, un client d’entreprise ou un partenaire de service paie pour un traitement différencié. La coopération dans les jeux en ligne, les applications d’entreprise premium, les services AR/VR ou les services sectoriels à faible latence peuvent être gérés avec une QoS plus contrôlée. Ces services peuvent utiliser le GBR, ou débit binaire garanti, lorsque le réseau doit réserver ou protéger un débit minimal.

Il existe également des services appartenant à l’opérateur qui peuvent recevoir une protection QoS même sans paiement séparé de l’utilisateur. Les services vocaux en sont un exemple typique. En 4G, cela était souvent abordé avec la VoLTE, tandis qu’en 5G la même logique peut apparaître dans le trafic lié à la VoNR. La voix doit rester stable, à faible latence et intelligible ; elle ne peut donc pas toujours être traitée comme une application ordinaire en meilleur effort.

Du bearer au flux

L’une des différences les plus importantes entre la QoS 4G et 5G réside dans le passage d’une logique centrée sur les bearers à une logique centrée sur les flux. En 4G, la QoS était construite autour de l’EPS Bearer. Une relation de bearer était associée au bearer radio, au tunnel S1-U et aux ressources de tunnel S5/S8. Un plus grand nombre de bearers impliquait généralement davantage de structures de tunnels et de bearers radio correspondantes.

En 5G, l’unité QoS essentielle est le QoS Flow. Une session PDU peut transporter un ou plusieurs QoS Flows. Chaque QoS Flow est identifié par un QFI, ou identifiant de flux QoS, dont la valeur va de 0 à 63. Les paquets ayant le même QFI reçoivent le même traitement de transfert. La 5G dispose ainsi d’un modèle de classification des services plus fin et plus souple que l’ancienne approche EPS Bearer.

Une seule session PDU peut transporter plusieurs QoS Flows, tandis que le tunnel N3 de cette session PDU reste unique. Un DRB peut transporter un ou plusieurs QoS Flows, et le mappage réel entre QoS Flows et DRB est contrôlé par le gNB. Le nombre de DRB n’a donc pas besoin d’être égal au nombre de QFI. Par exemple, un flux d’application Non-GBR et un flux de jeu GBR peuvent partager un même DRB dans une architecture, ou être mappés séparément selon la stratégie radio.

Les paramètres clés définissent le traitement

Les paramètres QoS du 5GC décrivent la manière dont chaque flux doit être traité. Au niveau du QoS Flow, les paramètres courants comprennent le 5QI et l’ARP. Le 5QI est l’identifiant QoS 5G et dérive du concept QCI de la 4G. Il représente des caractéristiques de service telles que le niveau de priorité, le budget de délai des paquets, le taux d’erreur des paquets, la fenêtre de moyennage et le volume maximal de rafale de données pour les services GBR critiques en latence.

ARP signifie priorité d’allocation et de rétention. Ce paramètre aide à déterminer si un QoS Flow peut être établi ou conservé lorsque les ressources sont limitées. En situation de congestion, l’ARP peut influencer les flux admis et ceux qui risquent davantage d’être libérés ou rejetés.

Les flux GBR possèdent des paramètres liés au débit. Le GFBR définit le débit garanti du flux, c’est-à-dire le débit minimal que le réseau cherche à protéger. Le MFBR définit le débit maximal du flux ; le trafic dépassant cette valeur peut être rejeté. Le contrôle de notification peut être utilisé lorsque le côté RAN ne peut pas satisfaire le GFBR, par exemple lorsque les conditions radio sont mauvaises. Le taux maximal de perte de paquets définit le niveau de perte tolérable pour le trafic montant ou descendant.

Le trafic Non-GBR est contrôlé différemment. Le UE-AMBR limite le débit agrégé de tous les QoS Flows Non-GBR de l’UE, tandis que le Session-AMBR limite l’ensemble des QoS Flows Non-GBR au sein d’une session PDU. Le RQA, ou attribut de QoS réflexive, indique si la Reflective QoS peut être appliquée à un flux.

Comment le trafic est mappé

La QoS n’est utile que si les paquets peuvent être correctement classifiés et mappés. En 5G, la classification montante et descendante est gérée différemment. Pour le trafic montant, l’UE effectue la classification et le mappage selon les règles QoS fournies par le réseau ou dérivées par l’UE lui-même. Pour le trafic descendant, l’UPF effectue la classification selon la PDR, c’est-à-dire la règle de détection de paquets transmise par le SMF.

Une règle QoS ou un PDR contient des informations de filtrage des paquets. Il peut s’agir de l’adresse IP source ou destination, du préfixe IPv6, du port source ou destination, du numéro de protocole IP, du type IPv6 Next Header, de l’IPv4 ToS, de l’IPv6 Traffic Class, de l’IPv6 Flow Label, de l’IPsec SPI et du sens du trafic. Ces filtres indiquent à l’UE ou à l’UPF quels paquets appartiennent à quel QoS Flow.

Si l’UPF ne peut pas faire correspondre un paquet descendant à un PDR valide, le paquet peut être rejeté. Ce point est important, car le traitement QoS descendant dépend des règles installées par le SMF dans l’UPF. Dans le sens montant, l’UE marque les paquets selon la règle QoS applicable afin qu’ils soient placés dans le QoS Flow correct, puis pris en charge par le réseau d’accès radio.

La Reflective QoS réduit la surcharge de signalisation dans certains cas. Lorsque le réseau active la Reflective QoS, l’UPF peut envoyer des données descendantes avec une indication RQI. Par le tunnel N3 et l’interface radio, l’UE reçoit le paquet descendant et en dérive une règle QoS montante. Cette règle QoS dérivée par l’UE contient un filtre de paquets montant, un QFI et une priorité. L’UE peut ensuite classifier les futurs paquets montants sans attendre une règle distincte transmise par le réseau.

FAQ

Pourquoi la 5G utilise-t-elle le QoS Flow au lieu de s’appuyer uniquement sur le DRB ?

Le QoS Flow appartient au modèle de traitement des services du réseau cœur, tandis que le DRB relève de la gestion des bearers radio. Leur séparation offre davantage de souplesse pour mapper les règles de service sur les ressources radio.

Deux applications ayant des besoins de trafic similaires peuvent-elles utiliser des QoS Flows différents ?

Oui. L’opérateur peut également tenir compte de la propriété du service, des accords commerciaux, de la politique d’abonnement et du modèle de facturation, et pas seulement des exigences de bande passante ou de délai.

Que se passe-t-il lorsque le trafic dépasse le MFBR ?

Le trafic dépassant le débit maximal du flux peut être rejeté, car le MFBR définit la limite supérieure autorisée pour ce QoS Flow GBR.

Pourquoi le 5QI est-il important pour la planification des services ?

Le 5QI fournit une méthode normalisée pour associer les catégories de service aux attentes en matière de priorité, de délai, d’erreur de paquets et de type de ressource, ce qui facilite la conception et la comparaison du comportement QoS.

La Reflective QoS fonctionne-t-elle sur tous les terminaux ?

Non. Elle exige la prise en charge par l’UE et une activation correcte par le réseau. Sans prise en charge du terminal, l’UE ne peut pas dériver la règle QoS montante à partir des données descendantes du plan utilisateur.