Spécificités QoS en 5G (NR) : performance, faible latence, slicing et QoS par service

La 5G, ou NR (New Radio), représente une évolution majeure dans la manière de concevoir, mesurer et piloter la qualité de service dans les réseaux mobiles. Après la 2G centrée sur la voix, la 3G orientée voix + data, et la 4G fondée sur le tout IP, la 5G introduit une logique plus avancée : celle d’un réseau multi-services, plus flexible, plus programmable et capable de fournir des niveaux de QoS différenciés selon les usages.

Avec la 5G, il ne s’agit plus seulement d’offrir plus de débit. L’enjeu est de supporter des services aux exigences radicalement opposées : très haut débit mobile, objets connectés massifs, applications industrielles en temps réel ou services critiques. La QoS en 5G doit donc répondre à une question plus exigeante : le réseau peut-il fournir la performance adaptée au bon service, au bon endroit, au bon moment, avec le niveau de fiabilité attendu ?

1) La 5G NR : une QoS segmentée par profils d'usages (3GPP)

La rupture majeure de la 5G NR réside dans l'abandon d'une QoS uniforme au profit d'une segmentation native du réseau en trois profils technologiques distincts. Définis par le 3GPP, ces profils imposent des contraintes de performance spécialisées :

· Le profil eMBB (enhanced Mobile Broadband) : Axé sur le très haut débit et l'efficacité spectrale, la QoS y est dictée par le débit crête par utilisateur et la gestion de la capacité. Il s'appuie sur le Massive MIMO et le Beamforming pour saturer les besoins en bande passante des services gourmands (vidéo 4K/8K, Cloud, Réalité Augmentée).

· Le profil URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications) : Ce profil bascule la QoS dans une logique de temps réel strict et de criticité. L'enjeu n'est plus le débit, mais la garantie d'une latence radio ultra-faible (≤ 1 ms) couplée à une fiabilité de transfert quasi absolue (99,999 %). Il introduit des mécanismes d'ordonnancement prioritaires (Pre-emption, Mini-slots) pour les usages industriels ou la sécurité routière.

· Le profil mMTC (massive Machine Type Communications) : Dédié à l'Internet des Objets (IoT) de masse, la QoS s'y évalue en capacité d'accueil face à des densités extrêmes (jusqu'à 1 million de terminaux au km²). Les contraintes de latence et de débit y sont secondaires, la priorité étant donnée à l'efficacité énergétique des terminaux et à la robustesse de la signalisation.

Cette classification démontre qu'en 5G NR, la QoS n'est plus un paramètre global, mais une ressource dynamique. C’est cette spécialisation par profil qui dicte la création du Network Slicing (découpage du réseau en tranches logiques indépendantes), permettant de faire cohabiter des flux aux exigences contradictoires sur une même infrastructure physique.

2) 5G NSA et 5G SA : deux réalités QoS différentes

Le mode de déploiement du réseau détermine la nature même de l'ingénierie de la QoS. La transition du mode non-autonome (NSA) au mode autonome (SA) marque le passage d'une gestion par tunnel rigide à un routage dynamique par flux.

a) 5G NSA (Non-Standalone) : une QoS bridée par l'héritage 4G

En mode NSA (architecture option 3x), la 5G NR ne gère que le plan de l'utilisateur (les données utiles), tandis que le plan de contrôle (la signalisation) reste ancré sur le cœur de réseau 4G (EPC).

Sur le plan de la QoS, cette configuration impose des limites strictes :

· Persistance du modèle de Bearer : Le réseau applique la logique 4G LTE. Les flux de données sont encapsulés dans des EPS Bearers rigides associés aux classiques indices QCI.

· Dépendance de l'ancrage : L'établissement de la session, la rétention et les performances les plus critiques dépendent de la cellule 4G maîtresse (Master eNodeB). Un canal radio LTE saturé dégrade la signalisation, impactant directement le débit global du terminal, même si la liaison 5G secondaire (Secondary gNodeB) dispose de ressources libres.

b) 5G SA (Standalone) : La révolution des QoS Flows, du 5QI et de la couche SDAP

En mode SA (architecture option 2), la 5G s'affranchit totalement de la 4G en se connectant nativement au cœur de réseau 5G (5GC). Le standard 3GPP y introduit un paradigme de QoS radicalement plus granulaire, éliminant le concept d'EPS Bearer au profit du QoS Flow.

Ce modèle repose sur trois piliers techniques majeurs :

1. Le QoS Flow (Flux QoS) : Il devient la plus petite unité de traitement de la QoS en 5G. Au lieu de faire passer tout le trafic d'un smartphone (Web, vidéo, jeu) dans un seul tunnel générique, le réseau isole chaque flux applicatif individuellement. Un même utilisateur peut posséder simultanément plusieurs QoS Flows traités avec des priorités différentes.

2. Les indices 5QI (5G QoS Identifier) : En remplacement des QCI, le 3GPP introduit le 5QI. Ce code qualifie chaque QoS Flow de bout en bout selon des tables de performances normalisées (priorité, délai, taux d'erreur). Les indices 5QI 1 à 4 gèrent le débit garanti (GBR), les indices 5 à 9 gèrent le Best Effort, tandis que les indices 82 à 86 sont optimisés spécifiquement pour le profil URLLC (latence ≤ 10 ms et taux de perte infimes à 10⁻⁶).

3. La couche SDAP (Service Data Adaptation Protocol) : Pour faire le pont entre le cœur de réseau IP et l'interface radio, la 5G SA intègre une nouvelle couche de protocole dans l'infrastructure radio. Le SDAP intercepte les paquets IP, lit leur marquage 5QI, et les mappe dynamiquement sur les canaux radio physiques (DRB - Data Radio Bearers) appropriés, garantissant l'étanchéité des flux .

3) Les KPI radio spécifiques en 5G NR : la bascule vers la gestion par faisceaux

En 5G NR, l’introduction du Massive MIMO (matrices d'antennes 32T32R ou 64T64R) et du Beamforming 3D métamorphose la couche physique radio. L'antenne n'arrose plus une zone fixe ; elle génère des faisceaux directifs (Beams) qui suivent le terminal. Par conséquent, les KPI radio se mesurent au niveau du faisceau précis qui pointe vers l'utilisateur.

a) SS-RSRP vs CSI-RSRP : la couverture réinventée

Le calcul de la puissance reçue se divise en deux niveaux :

· SS-RSRP (Synchronization Signal RSRP) : Mesure la puissance des blocs de signaux de synchronisation (SSB) balayés périodiquement par l'antenne. Il sert à la détection initiale du réseau et au choix du meilleur faisceau global d'ancrage.

· CSI-RSRP (Channel State Information RSRP) : KPI de trafic réel. Il mesure la puissance du faisceau de données, spécifiquement créé pour l'utilisateur lorsque sa session est active.

Seuils de performance (RSRP) : Excellent : ≥ -80 dBm | Moyen (Limite indoor) : -95 à -105 dBm | Critique : ≤ -115 dBm.

b) SS-RSRQ et CSI-RSRQ : la pureté du signal

Le RSRQ indique la qualité du signal en intégrant le niveau de bruit et la charge. En 5G, un excellent niveau de signal (RSRP) peut cacher un mauvais RSRQ si la densité de faisceaux actifs crée de la pollution interne entre voisins (Beam overlap). Une valeur supérieure à -10 dB traduit un canal propre. En dessous de -17 dB, la dégradation est sévère.

c) SS-SINR : le moteur du débit et des modulations de pointe

Le SS-SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) mesure la qualité absolue du canal. C’est le KPI qui conditionne le choix automatique du schéma de modulation (MCS) :

·SINR Élevé (≥ 20 dB) : L'antenne active les modulations d'ordre supérieur comme le 256 QAM, permettant d'injecter un maximum de bits par symbole radio.

·SINR Faible (≤ 5 dB) : Le réseau bascule sur des modulations robustes mais lentes (QPSK), faisant chuter le débit utile et augmentant la latence.

d) Le BLER par faisceau (Beam BLER)

Le BLER (Block Error Rate) prend une dimension critique. Un BLER qui s'envole sur un faisceau spécifique (au-delà du seuil cible de 10 % avant correction) traduit un échec de suivi de faisceau (Beam tracking failure) ou un blocage physique soudain, rompant l'alignement du faisceau.

4) Débit 5G : performance élevée, mais dépendante du spectre et du multiplexage

Le débit en 5G NR est le produit direct de la bande de fréquences exploitée, de la largeur de canal et de la configuration des antennes.

a) L'impact de la segmentation spectrale

· Les bandes basses (700 - 800 MHz) : Dédiées à la couverture globale et indoor, les débits y sont similaires à ceux de la 4G en raison de la faible largeur de bande disponible (10 à 20 MHz).

· La bande cœur (3,5 GHz) : Le véritable moteur de l'eMBB. Avec des largeurs de canaux de 50 à 100 MHz, elle permet d'atteindre des débits réels de plusieurs centaines de Mbit/s à plus de 1 Gbit/s.

·       Les ondes millimétriques (26 - 28 GHz) : Conçues pour des débits extrêmes (plusieurs Gbit/s) sur de très courtes distances, mais hautement sensibles aux obstacles.

b) Les leviers physiques du débit utile

· Le profil de multiplexage TDD (Time Division Duplex) : La 5G à 3,5 GHz utilise la même fréquence en alternant des créneaux temporels (slots) pour le téléchargement (DL) et le téléversement (UL). Si une cellule favorise massivement le DL (ex: profil 4:1), le débit montant (UL) sera structurellement limité, impactant la QoS des applications professionnelles (vidéosurveillance, envois de fichiers lourds).

· La limitation du Backhaul : Si la liaison de transmission (la fibre qui relie l'antenne au réseau) est saturée ou partagée de manière inéquitable, le transport devient le goulot d'étranglement de la QoS, bridant les capacités radio du gNodeB.

5) Latence et fiabilité : les piliers de l'URLLC et l'apport du MEC

Pour passer des 20-30 ms de la 4G à des valeurs cibles inférieures à 5 ms, la 5G agit simultanément sur l'interface radio et la distance physique vers les données.

a) L'optimisation de l'interface radio (Air Interface)

La 5G NR introduit la numérologie flexible : elle permet de diviser la durée d'un slot radio en augmentant l'espacement entre les sous-porteuses (SCS). En bande 3,5 GHz, le SCS passe à 30 kHz, ce qui réduit le slot à 0,5 ms (contre 1 ms en 4G). De plus, pour le profil URLLC, le mécanisme de Pre-emption (Mini-slots) permet d'interrompre instantanément la transmission d'un flux eMBB pour laisser passer une donnée critique prioritaire.

b) Le rôle indispensable du MEC (Multi-access Edge Computing)

Même avec une interface radio rapide, la latence globale explosera si les paquets doivent traverser des centaines de kilomètres de routeurs IP pour atteindre un Cloud centralisé. La QoS en ultra-faible latence impose l'implémentation du MEC : rapprocher la puissance de calcul et les serveurs applicatifs au plus près de l'antenne (au niveau du premier nœud d'agrégation télécom). En évitant le transit par le cœur de réseau central (Core Network), le temps de trajet aller-retour (RTT) s'effondre sous la barre des 5 ms.

c) La Fiabilité (Reliability) en URLLC

Pour atteindre 99,999 % de réussite de transfert dans le délai imparti, la 5G utilise le mécanisme PDCP Duplication : le terminal envoie simultanément les mêmes paquets de données sur deux faisceaux ou deux fréquences différentes. Si l'un des faisceaux subit un blocage soudain, l'autre garantit la réception du paquet, éliminant les pics de latence imprévisibles liés aux retransmissions.

6) Beamforming et Massive MIMO : des gains capacitaires et de nouvelles contraintes QoS

Si le multiplexage spatial (MU-MIMO) démultiplie la capacité de la cellule en générant simultanément plusieurs dizaines de faisceaux pour des utilisateurs distincts, cette technologie dynamique tridimensionnelle crée des anomalies de QoS spécifiques :

· Les échecs de suivi de faisceau (Beam Tracking Failures) : En forte mobilité, la latence des algorithmes de suivi de faisceau (Beam Tracking) peut être supérieure à la vitesse de déplacement du terminal. Le faisceau se décale, le SINR s'effondre brutalement, provoquant des pertes de paquets massives et des hausses de BLER.

· La sensibilité accrue au blocage physique (Body Loss) : Plus la fréquence est élevée, plus la propagation subit l'atténuation des matériaux. Un faisceau ultra-directif peut être bloqué par un véhicule, un mur ou simplement si l'utilisateur tourne le dos à l'antenne (Body Loss), générant des débits en "dents de scie" alors que la couverture globale de la cellule (SS-RSRP) reste excellente.

· La pollution de faisceaux (Beam Overlap) : En environnement urbain dense, la prolifération de faisceaux dynamiques génère une interférence mouvante. Si deux antennes distinctes dirigent au même moment des faisceaux vers deux utilisateurs proches, le SS-RSRQ s'effondre lors des pics de trafic.

7) Mobilité en 5G : continuité NR, inter-RAT et DAPS

La mobilité en 5G NR doit maintenir la continuité de service sur des bandes de fréquences aux propriétés physiques très disparates.

· L'innovation du DAPS (Dual Active Protocol Stack) : Pour les flux critiques, la 5G introduit le mécanisme DAPS. Contrairement au handover classique ("couper avant de reconnecter"), le DAPS permet au smartphone de recevoir et d'émettre des données simultanément avec la cellule source et la cellule cible pendant la phase de transition. Le temps d'interruption de session chute à 0 ms, éliminant la gigue lors des déplacements.

· La double connectivité (EN-DC) : En mode NSA, la stabilité de la session dépend de la robustesse de l'ancrage 4G (liaison Master). Une rupture de la couverture LTE entraîne mécaniquement la perte de la session 5G associée.

8) Le marquage QFI : la concrétisation de la QoS par flux

Comme établi précédemment, le cœur 5G (5GC) balaie la rigidité des anciens tunnels. L'élément central de cette architecture est le QFI (QoS Flow Identifier).

·   Ce marqueur est encapsulé dans l'en-tête de chaque paquet de données circulant sur l'interface utilisateur (protocole GTP-U).

·  Grâce au QFI, les routeurs et l'antenne gNodeB identifient instantanément le profil d'exigence (débit garanti GBR, délai maximal, taux d'erreur) associé au flux, permettant un ordonnancement dynamique ultra-précis au niveau de la couche MAC de l'interface radio.

9) Network Slicing : le vrai changement stratégique de la 5G

Le Network Slicing transforme l'infrastructure physique unique en une multitude de réseaux logiques dédiés et étanches (Slices).

· Le mécanisme S-NSSAI : Lorsqu'un terminal ou une application métier demande à se connecter, il transmet un identifiant appelé S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information). Ce code indique au réseau à quel slice (ex : eMBB public ou URLLC industriel) le flux doit être rattaché.

·Un levier économique majeur : Ce découpage permet à l'opérateur de s'engager sur des contrats de niveau de service (SLA) stricts et monétisables. Un slice "sécurité/critique" garantira constitutionnellement une latence et une priorité absolue, totalement isolée du trafic des utilisateurs grand public visionnant de la vidéo 4K sur le même site radio.

10) Transport, edge computing et cœur 5G : la QoS de bout en bout

La promesse d'une latence inférieure à 5 ms ou d'un débit multi-gigabit s'effondre si l'architecture de transport ne suit pas la topologie de la 5G NR.

· La segmentation du transport : Le réseau de transport est désormais divisé en trois segments critiques : le Fronthaul (entre l'antenne et l'unité distribuée DU), le Midhaul (entre la DU et l'unité centralisée CU) et le Backhaul (vers le cœur de réseau). Chacun de ces segments doit être dimensionné en fibre optique et configuré avec des politiques de file d'attente strictes.

· Symptôme de goulot d'étranglement : Un SS-SINR supérieur à 22 dB combiné à un RTT (ping) instable ou à un plafonnement du débit indique une saturation du Backhaul ou un éloignement des serveurs applicatifs, justificatif du déploiement de serveurs MEC.

Conclusion

La QoS en 5G (NR) impose une rupture doctrinale définitive avec les générations précédentes. Elle fait basculer les télécoms de l'ère de la connectivité brute à l'ère de la performance chirurgicale garantie par service. Le succès d'un déploiement ne se mesure plus à la simple présence d'un signal radio, mais à l'étanchéité et à la flexibilité de l'architecture Tout-IP (gérée par le couple 5QI / S-NSSAI) capable d'allouer la juste ressource réseau au juste usage.