Introduction
Dans les réseaux mobiles classiques, une même fonction pourrait gérait deux choses : les données des utilisateurs (voix, video, sms, data et flux internet) et les informations de contrôle (comme l’accès, la mobilité, l’authentification ou la qualité de service).
Avec l’arrivée de nouveaux besoins et usages, cette approche est devenue moins efficace. Séparer le traitement des données (plan utilisateur) et le contrôle (plan de contrôle) est désormais essentiel. Cela permet d’optimiser le réseau, de le rendre plus flexible et adapté aux nouvelles technologies comme la virtualisation.
Cette séparation, appelée CUPS (Control and User Plane Separation), est apparue en 4G. Mais comme les réseaux 4G existants utilisaient déjà une architecture classique, la migration vers le CUPS 4G n’a pas toujours été prioritaire pour les opérateurs.
Avec la 5G, c’est différent. Le CUPS est au cœur de l’architecture 5G et fait partie des concepts clés pour offrir des performances optimales.
Alors, c’est quoi le plan utilisateur (UP) et le plan de contrôle (CP) ? Pourquoi utiliser une architecture CUPS ? Quelles fonctions, interfaces et protocoles sont nécessaires pour le mettre en place ? C’est ce que nous allons découvrir dans cet article.
L’Architecture CUPS dans les Réseaux 5G
Avant de parler du CUPS, il est essentiel de comprendre les deux plans principaux d’un réseau : le UP et le CP.
Le User Plane (UP) est chargé de l’acheminement des flux de données des utilisateurs, comme la voix et l’internet. En d’autres termes, il représente le chemin emprunté par les paquets de données. Le Control Plane (CP) gère les ressources réseau et les services fournis aux abonnés, comme l’authentification, l’accès au réseau, la qualité de service ou encore la gestion de la mobilité.
Le CUPS, ou Control and User Plane Separation, consiste à séparer ces deux plans dans les fonctions réseau. Cette séparation permet de rendre le réseau plus évolutif, plus flexible, tout en réduisant les coûts.
En 4G, un premier pas a été franchi avec la séparation du MME de la SGW et de la PGW. Avant cela, le SGSN gérait à la fois le UP et le CP. Par la suite, la SGW et la PGW ont été découpées en deux entités distinctes : SGW-U et PGW-U pour le User Plane, et SGW-C et PGW-C pour le Control Plane. De nouvelles interfaces, comme Sxa et Sxb, ont alors été introduites pour permettre la communication entre ces éléments.
En 5G, le CUPS devient un élément clé de l’architecture. La séparation UP et CP dans le cœur du réseau est réalisé en séparant la SMF de l’UPF.
La SMF (Session Management Function), qui gère les sessions et représente l’évolution des fonctions SGW-C et PGW-C.
L’UPF (User Plane Function), qui traite les paquets de données des utilisateurs et est l’évolution des fonctions SGW-U et PGW-U.
Au niveau de l’interface NG entre le RAN et le 5GC, le CUPS est supporté en séparent l’interface N2 de la N3. La gNB aussi est divisé en une unité centrale gNB (gNB-CU) et une ou plusieurs unité(s) distribuée(s) gNB (gNB-DU), reliées par l’interface F1.
Ainsi, le CUPS s’impose comme une base incontournable pour garantir la performance, la modularité et la flexibilité du réseau 5G.
Interface N4 et le protocole PFCP
Lorsque l’utilisateur lance un appel ou démarre une session de données, le réseau établit un tunnel GTP entre la station de base gNB et l’entité UPF. Ce tunnel transporte plusieurs flux avec des niveaux de qualité de service différents.
Pour gérer ces tunnels, il faut fournir les bonnes informations, comme le DNN ou l’adresse IP utilisateur, aux antennes et aux appareils connectés. Il faut aussi un contrôle de la QoS des flux qui transitent à travers ces tunnels, calculer la quantité de données consommées pour pouvoir facturer correctement… Tous ces aspects sont pris en charge par la SMF. La SMF interagit avec d’autres entités comme le PCF, pour appliquer les politiques de QoS et les règles de gestion, et avec le CHF, pour calculer les données consommées et gérer la facturation, et avec d’autres fonctions.
Ensuite, la SMF transmet les informations nécessaires à l’UPF pour garantir le bon traitement de l’User Plane.
L’interface N4 est utilisée pour permettre à la SMF de contrôler l’UPF. Elle repose sur le protocole PFCP. Ce protocole permet à la SMF de gérer les sessions PDU, notamment l’établissement de la session, la modification des paramètres en cours de session et la terminaison de la session.
Le PFCP fonctionne avec un modèle de communication basé sur des requêtes et réponses, ainsi que des rapports d’événements. Les messages PFCP sont échangés via un tunnel entre la SMF et l’UPF, en passant par l’interface N4. Ces échanges utilisent un port UDP spécifique le 8805, réservé au PFCP.
Grâce à cette architecture et à ces protocoles, la gestion des flux utilisateur devient optimisée, modulable et adaptée aux besoins variés des réseaux 5G.