Architecture et rôle de la pile de protocoles 5G
Aujourd’hui, on va voir en détail la pile de protocoles utilisée dans les réseaux 5G, qui joue un rôle fondamental pour assurer la communication entre les équipements utilisateurs (UE) et le réseau. Cette pile est structurée pour optimiser la gestion des données, la sécurité, et la mobilité dans un environnement très dynamique et exigeant.
Vue générale de la pile de protocoles 5G
La pile de protocoles 5G est divisée principalement en deux parties : la couche utilisateur (User Plane, UP) et la couche de contrôle (Control Plane, CP). Chaque couche comprend plusieurs niveaux de protocoles responsables de fonctions spécifiques. Ces couches sont intégrées dans différents éléments du réseau, notamment le terminal utilisateur, la station de base (gNB) et le cœur réseau (5GC).
Couche physique (PHY) et accès radio
La couche physique assure la transmission des données via la radio. Elle utilise des technologies avancées comme l’OFDM pour moduler le signal, le MIMO pour améliorer la capacité, ainsi que des schémas de codage comme LDPC (Low-Density Parity Check) et Polar codes pour garantir la robustesse des transmissions. La gestion des ressources radio, la synchronisation, et la détection de signaux font également partie de cette couche.
Couche liaison : MAC, RLC et PDCP
- MAC (Medium Access Control) : Organise l’accès au canal radio, multiplexe/démultiplexe les données, gère les priorités et réalise le contrôle d’erreurs par HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request).
- RLC (Radio Link Control) : Assure la segmentation, le réassemblage des paquets et la correction d’erreurs via retransmissions ARQ. Trois modes existent selon le type de transmission : Transparent, Non-acknowledged, Acknowledged.
- PDCP (Packet Data Convergence Protocol) : Traite le chiffrement, l’intégrité, la compression des headers IP, et le réarrangement des paquets pour maintenir la cohérence des données.
Couche réseau et signalisation : RRC, SDAP et NAS
Cette couche est essentielle pour la gestion des sessions, la mobilité, et la qualité de service (QoS).
- RRC (Radio Resource Control) : Contrôle l’établissement, la maintenance, et la libération des connexions radio. Elle gère aussi la configuration des couches inférieures et la mobilité (handover, paging).
- SDAP (Service Data Adaptation Protocol) : Ce protocole permet la classification des flux selon la QoS définie par le réseau, garantissant ainsi que chaque type de service (voix, vidéo, données) obtienne la priorité et le traitement adéquat.
- NAS (Non-Access Stratum) : Fonctionne entre le terminal et le cœur réseau 5G. Il gère l’authentification, la mobilité inter-réseaux, la gestion des sessions IP, et les messages de contrôle.
Interaction entre CP et UP dans la 5G
Le découplage entre la couche contrôle et la couche utilisateur est une caractéristique majeure de la 5G. Le Control Plane s’occupe de la signalisation, de la gestion de la connexion et de la mobilité, tandis que le User Plane transporte les données utilisateurs. Cette séparation permet une plus grande flexibilité, notamment pour des architectures réseau virtualisées et découplées, comme dans le cas des réseaux slices.
Exemple d’une transmission dans la pile 5G
- Un terminal génère une donnée IP destinée à un serveur.
- Le protocole SDAP classe cette donnée selon la QoS.
- Le PDCP chiffre la donnée et la prépare pour la transmission.
- Le RLC segmente la donnée en unités compatibles avec la couche physique.
- Le MAC organise la transmission en ordonnant les paquets et en demandant les ressources radio.
- La couche PHY module et transmet la donnée par voie radio vers la station de base.
Adaptations spécifiques à la 5G
La pile 5G intègre des améliorations par rapport à la 4G pour répondre à la diversité des cas d’usage : IoT massif, communication ultra-fiable à faible latence, et très haut débit. Par exemple, les protocoles RLC et PDCP ont été optimisés pour supporter des latences plus faibles et une meilleure gestion de la mobilité. Le SDAP est une nouveauté spécifique à la 5G, introduite pour gérer efficacement la QoS multi-service.
Sécurité et fiabilité
La pile inclut des mécanismes robustes de chiffrement et d’intégrité, notamment au niveau PDCP pour garantir la confidentialité des données. Le NAS participe à la sécurisation des échanges d’authentification. Ces mécanismes sont essentiels pour protéger le réseau contre les attaques et assurer une expérience utilisateur fiable.
Interopérabilité et compatibilité
La conception modulaire de la pile facilite la coexistence avec les réseaux 4G et le support de la mobilité inter-réseaux. Le protocole NAS permet notamment de gérer les déplacements entre 4G et 5G sans interruption des services.
La maîtrise de cette pile de protocoles est indispensable pour comprendre les capacités avancées des réseaux 5G et leurs enjeux. Pour aller plus loin, il est intéressant d’explorer la gestion des ressources radio et les algorithmes d’ordonnancement spécifiques à la 5G.