Pile de protocoles 5G : architecture, rôles et différences

Pile de protocoles 5G : architecture, rôles et différences

La pile de protocoles en 5G définit l’ensemble des couches logicielles assurant l’échange d’informations entre les terminaux utilisateurs (UE) et le réseau. Elle est structurée en plans de contrôle et utilisateur, et organisée selon un modèle OSI adapté aux spécificités radio et réseau de la 5G. Chaque protocole a une fonction spécifique, contribuant à la fiabilité, la sécurité et la performance du système global. Cette pile évolue par rapport aux générations précédentes pour répondre aux exigences de débit élevé, latence réduite et gestion massive des connexions.

Architecture générale de la pile de protocoles 5G

La pile de protocoles est répartie entre le terminal (UE), la station de base (gNodeB) et le cœur du réseau (5GC). Elle est divisée en trois couches principales :

• Couche 3 – Couche réseau : inclut le RRC (Radio Resource Control) et le SDAP (Service Data Adaptation Protocol).
• Couche 2 – Couche liaison : composée de PDCP, RLC et MAC.
• Couche 1 – Couche physique : implémente les aspects radiofréquence (modulation, codage, etc.).

Fonctions détaillées des protocoles 5G

Chaque protocole assure un rôle bien précis dans le traitement, la transmission et la fiabilité des données entre les équipements et le réseau.

Plan utilisateur vs plan de contrôle : comparaison

La 5G différencie clairement les fonctions liées au transport de données utilisateurs (User Plane) de celles liées à la gestion des connexions et de la mobilité (Control Plane). Cette séparation améliore l’efficacité et permet une flexibilité accrue via le découplage du plan de contrôle.

Différences clés avec la pile LTE

La pile de protocoles 5G hérite en partie de celle de la LTE, mais présente plusieurs évolutions notables :

• SDAP : ce protocole est nouveau en 5G et assure la gestion des QoS par flux.
• Séparation stricte du plan : la 5G isole mieux les fonctions de signalisation et de données.
• Architecture en tranches : prise en charge native du slicing avec SDAP et 5GC.
• Support du NR Dual Connectivity : permet l’agrégation NR-NR ou NR-LTE au niveau RLC/MAC.

Focus sur le protocole SDAP

Le SDAP (Service Data Adaptation Protocol) est propre à la 5G. Il fonctionne au-dessus de PDCP et assure le mappage entre les flux de données et les QoS Flows définis dans le 5GC. Chaque QoS Flow est associé à un QoS Identifier (QFI), qui est intégré dans les en-têtes SDAP. Ce mécanisme permet un traitement différencié des paquets selon leurs exigences de latence, de fiabilité et de priorité.

Exemple d’un échange de données dans la pile 5G

Lorsqu’un utilisateur lance un streaming vidéo :

1. Le terminal UE reçoit le flux IP de l’application.
2. Ce flux est adapté par SDAP selon le QFI attribué.
3. PDCP chiffre et compresse les paquets, en supprime les doublons.
4. RLC segmente les paquets et gère les retransmissions.
5. MAC les programme en fonction des ressources radio disponibles.
6. La couche PHY les transmet sur l’interface radio.

Côté réseau, le gNB effectue le traitement inverse et transmet les données vers le 5GC, puis vers l’internet.

Adaptabilité de la pile selon le type de service

La 5G introduit trois grands types de services (eMBB, URLLC, mMTC), chacun nécessitant un ajustement spécifique de la pile :

• eMBB : flux massifs optimisés via SDAP/QoS + retransmission RLC.
• URLLC : délais minimaux assurés par un pipeline optimisé, moins de retransmissions.
• mMTC : faible bande passante, traitement léger côté RLC/PDCP.

Interaction avec le cœur de réseau 5GC

Une fois les données reçues par le gNodeB, elles sont routées via UPF (User Plane Function) dans le 5GC. Le découplage entre fonctions de contrôle (AMF, SMF) et utilisateur (UPF) permet une modularité accrue et l’application de politiques QoS dynamiques. Le cœur de réseau gère également le slicing, la mobilité et la sécurité, en coordination avec les protocoles de la pile côté radio.

Pour mieux comprendre l’articulation avec la gestion de la mobilité, explorez notre prochain article sur le protocole RRC en environnement multi-gNB.