5G EPS : Architecture et Fonctionnement du Evolved Packet System

5G EPS : Architecture et Fonctionnement du Evolved Packet System

Aujourd’hui on va voir comment fonctionne le système Evolved Packet System (EPS) dans le cadre de la 5G, en détaillant son architecture, ses composants et ses mécanismes de gestion du trafic et de la mobilité. L’EPS constitue le cœur du réseau 5G côté paquet et assure l’accès IP continu, la qualité de service et la sécurité.

1. Qu’est-ce que le 5G EPS ?

Le 5G EPS (Evolved Packet System) est l’architecture réseau responsable de la gestion des services de données en mode paquet dans les réseaux mobiles 4G et 5G. Il regroupe le cœur réseau appelé EPC (Evolved Packet Core) et la couche d’accès radio RAN (Radio Access Network), en l’occurrence le NG-RAN en 5G. Contrairement aux générations précédentes qui utilisaient un double cœur (circuit pour la voix, paquet pour les données), EPS repose sur un réseau tout-IP.

2. Architecture Générale de l’EPS

Le système EPS est composé de plusieurs éléments fonctionnels essentiels :

• UE (User Equipment) : terminal de l’utilisateur accédant au réseau.
• gNB (next-generation NodeB) : station de base 5G connectée au NG-RAN.
• AMF (Access and Mobility Management Function) : gestion de la mobilité et de l’authentification.
• SMF (Session Management Function) : gestion des sessions PDU et des tunnels IP.
• UPF (User Plane Function) : transport des données utilisateur, routage IP.
• PCF (Policy Control Function) : gestion des règles de QoS et de facturation.

L’interface entre ces composants est réalisée via des protocoles normalisés (NG, N1, N2, N3, etc.). L’EPS s’appuie également sur le réseau IP pour le transport, avec support natif du tunneling GTP-U.

3. Fonctionnement du Plan de Contrôle

Le plan de contrôle dans le 5G EPS gère l’établissement des sessions, la mobilité, l’authentification et l’allocation des ressources. Les fonctions AMF et SMF sont responsables de :

1. Authentifier l’utilisateur via l’interface N1 entre l’UE et l’AMF.
2. Allouer une session IP via le SMF qui configure les tunnels dans le UPF.
3. Gérer la mobilité inter-cellulaire et inter-gNB en coordination avec le RAN.
4. Appliquer les politiques définies par le PCF (priorité, débit, latence).

La séparation entre contrôle et utilisateur permet une architecture flexible, facilitant le slicing et l’orchestration dynamique.

4. Fonctionnement du Plan Utilisateur

Le plan utilisateur est pris en charge par les UPF. Ces fonctions assurent le routage des paquets IP depuis et vers l’UE. Les principales tâches du plan utilisateur incluent :

• La terminaison des tunnels GTP-U (interface N3 entre gNB et UPF).
• La classification du trafic par QoS Flow Identifier (QFI).
• L’application des politiques de marquage et de filtrage (QoS, sécurité).
• Le routage vers le réseau data ou Internet externe.

Chaque session utilisateur est associée à un ou plusieurs tunnels, avec des règles de QoS appliquées à chaque flux. Cela garantit des performances différenciées selon les types de services (voix, vidéo, IoT).

5. Qualité de Service (QoS) dans l’EPS

La gestion de la QoS est centrale dans le 5G EPS. Elle repose sur des classes de services prédéfinies (5QI) associées à des attributs comme la latence maximale, la fiabilité et la priorité. Le réseau applique ces règles via :

• La configuration des QoS profiles dans le SMF et PCF.
• La signalisation des QFI vers le gNB pour classification locale.
• La priorisation dynamique en cas de congestion.

La granularité offerte par les QoS Flows permet de répondre aux exigences hétérogènes des applications 5G (vehicular, AR/VR, industriel).

6. Sécurité et Authentification

Le 5G EPS utilise des mécanismes robustes pour sécuriser les communications :

• Authentification basée sur le SUPI (Subscription Permanent Identifier) et l’AUSF (Authentication Server Function).
• Chiffrement des données sur les interfaces N1, N2 et N3.
• Intégrité des messages de signalisation.

La sécurité est renforcée par l’usage du chiffrement mutualisé entre l’UE et le réseau, garantissant la confidentialité des sessions et la protection contre les attaques d’usurpation.

7. Mobilité dans l’EPS

Le système EPS prend en charge plusieurs types de mobilité :

• Intra-gNB : changement de cellule sous le même gNB, géré localement.
• Inter-gNB : changement de station de base, nécessite coordination via l’AMF.
• Inter-RAT : mobilité entre 5G et 4G avec continuité de session (via N26).

La mobilité est transparente pour l’utilisateur, grâce à la gestion des contextes de session et au transfert de tunnel entre UPF.

8. Exemple de Création de Session

1. L’UE envoie une requête d’enregistrement via le gNB.
2. L’AMF authentifie l’UE, puis sélectionne un SMF.
3. Le SMF crée la session PDU et configure les tunnels GTP-U dans l’UPF.
4. Les règles de QoS sont appliquées par le PCF, puis propagées aux nœuds concernés.
5. Le trafic IP peut alors circuler vers le réseau externe.

Conclusion

Le 5G EPS constitue l’épine dorsale du réseau paquet de la 5G, combinant flexibilité, performance et sécurité. Il repose sur une séparation claire des fonctions, une gestion fine de la QoS et une architecture IP native apte à supporter les services futurs. Pour aller plus loin, découvrez comment le slicing réseau s’intègre au sein du 5G Core pour fournir des services ultra personnalisés.