QCI (QoS Class Identifier) : principe et rôle

Dans l'architecture de transport Tout-IP des réseaux cellulaires LTE (Evolved Packet System - EPS), la cohabitation de flux applicatifs aux exigences hétérogènes impose une ségrégation stricte des flux au niveau des couches de liaison (L2) et physique (L1). Pour orchestrer cet arbitrage et garantir l'étanchéité des performances, le standard 3GPP utilise l'indice QCI (QoS Class Identifier).

Ce code numérique standardisé permet d'associer chaque paquet IP à un profil de performance micro-temporel immuable, dictant ainsi le comportement des algorithmes d'ordonnancement radio face aux contraintes de congestion. Parler de qualité réseau de manière globale sans distinguer la nature du service transporté conduit à des diagnostics incomplets : un réseau peut présenter d'excellents débits crêtes tout en offrant une qualité vocale hachée ou une instabilité vidéo sous forte charge.

1) Architecture fonctionnelle : l'attribution du QCI via le plan de contrôle PCC

La détermination et l'application du QCI ne s'effectuent pas de manière isolée au niveau du smartphone ; elles dépendent d'un mécanisme de bout en bout régi par l'architecture PCC (Policy and Charging Control) :

1. L'initialisation de la règle (PCRF) : Lors de l'ouverture d'une session applicative (ex: un appel VoLTE initié via le sous-système IMS), l'entité PCRF (Policy and Charging Rules Function) valide les droits de l'abonné et transmet une règle de QoS à la passerelle de paquets.
2. Le marquage du flux (P-GW) : La passerelle P-GW (PDCP Gateway) intercepte les paquets IP, examine leur en-tête et encapsule le trafic au sein d'un tunnel GTP-U (GPRS Tunneling Protocol User Plane) associé à un identifiant QCI spécifique.
3. L'ordonnancement radio (eNodeB) : À l'entrée de la station de base (eNodeB), le QCI est traduit au niveau de la couche MAC. L'ordonnanceur (Scheduler) utilise cet indice pour prioriser l'allocation des blocs de ressources physiques (PRB) sur l'interface Air toutes les millisecondes.

2) Le couple indissociable : EPS Bearer, QCI et paramètre ARP

Le support physique du trafic s'organise en tunnels logiques appelés EPS Bearers. Un terminal possède toujours un Default Bearer (établi dès l'attachement au réseau) et peut ouvrir plusieurs Dedicated Bearers pour les flux prioritaires. La QoS de ces tunnels repose sur deux paramètres fondamentaux transmis par le cœur de réseau (MME) :

• Le QCI (Qualité du Flux) : Il qualifie les exigences intrinsèques du trafic une fois le tunnel établi (Priorité, Délai, Pertes de paquets).
• L'ARP (Allocation and Retention Priority) : Ce paramètre arbitre le plan de contrôle lors de la création ou de la modification du bearer. L'ARP définit si le réseau a le droit d'activer le tunnel en période de saturation extrême de la cellule. Si les PRB sont saturés, un ARP élevé permet de préempter (éjecter du réseau) une session de données standard (Non-GBR) pour libérer instantanément les ressources nécessaires à un appel d'urgence ou à un flux de signalisation critique.

3) Modélisation des types de ressources : GBR vs Non-GBR

Le 3GPP segmente la matrice des QCI en deux typologies de ressources logiques, adaptées à la nature de la transmission :

a) Les flux GBR (Guaranteed Bit Rate)

Les bearers associés à un QCI GBR bénéficient d'une allocation permanente et sanctuarisée de bande passante. Le réseau calcule en continu le GBR (débit minimal garanti) et le MBR (Maximum Bit Rate). Ces profils sont réservés aux services interactifs en temps réel dont la dégradation du débit détruit instantanément l'utilisabilité (ex: la voix VoLTE, la visiophonie ou la télémédecine).

b) Les flux Non-GBR

Les bearers Non-GBR n'ont aucune réservation de ressources et fonctionnent selon le principe du Best Effort. En cas de forte charge de la cellule radio, leur débit utile s'effondre de manière élastique pour laisser passer les flux GBR. Pour éviter qu'un utilisateur n'accapare les ressources résiduelles, le P-GW applique le paramètre AMBR (Aggregate Maximum Bit Rate), qui plafonne statiquement la bande passante cumulée non-GBR d'un abonné (ex: navigation web, réseaux sociaux, téléchargements).

4) Les métriques de performance micro-temporelles du QCI

Chaque indice QCI est une promesse de performance définie par trois indicateurs techniques stricts imposés à l'eNodeB :

• Le niveau de priorité (Priority Level) : Va de 1 (priorité absolue, ex: signalisation IMS) à 9 (Best Effort le plus bas). Il dicte l'ordre d'évacuation des files d'attente du Scheduler MAC lors de chaque intervalle de transmission (TTI de 1 ms).
• Le budget de délai de paquet (PDB - Packet Delay Budget) : Exprime la latence maximale tolérée entre l'eNodeB et le P-GW. Pour le QCI 1 (Voix), le PDB est de 100 ms. L'antenne ajuste ses algorithmes de retransmission rapide HARQ au niveau L2 pour ne pas dépasser cette limite temporelle.
• Le taux d'erreur de perte de paquets (PELR - Packet Error Loss Rate) : Définit le taux maximum de paquets IP détruits après correction d'erreur de la couche physique. Il oscille entre 10⁻² (pour la voix, tolérante aux micro-pertes grâce aux mécanismes de dissimulation des décodeurs) et 10⁻⁶ (pour la data, où l'intégrité du fichier exige un protocole RLC sans faille).

5) L'arbitrage de la congestion et la conformité aux exigences réglementaires

Le rôle de l'indice QCI devient discriminant lorsque le taux d'occupation des blocs de ressources physiques (PRB) de la cellule radio approche de la saturation (heures de forte charge). L'eNodeB utilise la valeur de priorité du QCI pour arbitrer le partage des ressources temporelles et fréquentielles.

• Le levier commercial et les SLA : Les opérateurs s'appuient sur le QCI pour structurer des profils de services différenciés, notamment pour garantir des contrats de niveau de service (SLA) aux flux d'entreprises, à la sécurité publique ou aux communications industrielles (IoT/M2M).
• La contrainte de la Neutralité du Net : Cet arbitrage technique est strictement encadré par les autorités de régulation. Conformément aux directives sur la neutralité du net, l'activation de QCI haut de gamme est interdite pour privilégier une application Internet grand public plutôt qu'une autre. Elle est réservée de manière transparente aux « services optimisés » exigeant des garanties physiques de bout en bout que le protocole Best Effort ne peut assurer.

6) Diagnostic métrologique : l'analyse du QCI lors des audits terrain

Lors des campagnes de Drive Testing ou d'analyse de traces protocolaires (XDR), l'examen des indicateurs QoS ne peut se limiter à l'observation des débits applicatifs (L7). L'ingénieur doit corréler les performances avec la signalisation des bearers :

• La vérification de l'activation des Dedicated Bearers : Un symptôme terrain classique est l'observation d'un score MOS vocal dégradé (POLQA < 3.5 selon 3GPP) malgré un niveau de signal radio (RSRP) excellent. L'analyse des messages de signalisation RRC Connection Reconfiguration permet de vérifier si le réseau a correctement ouvert un bearer dédié associé au QCI 1 pour le flux de parole RTP, ou s'il fait transiter la voix par le bearer par défaut (QCI 9), l'exposant ainsi aux pertes de paquets de la data générale.
• L'isolation des goulots d'étranglement par couches : Si les compteurs radio de l'eNodeB confirment un ordonnancement conforme aux priorités QCI, mais que l'utilisateur constate une gigue instable ou un plafonnement du débit, le diagnostic doit s'orienter vers les couches de transport supérieures ou vers les interfaces du cœur de réseau (S-GW/P-GW).

7) La rupture de continuité QoS : la problématique du mappage L2 / L3

Une erreur fréquente d'ingénierie consiste à croire que la configuration du QCI au niveau de l'interface radio (couche 2) suffit à sécuriser la liaison. Le QCI est une métrique purement cellulaire. Dès que le paquet IP quitte l'eNodeB pour transiter sur le réseau de collecte (Backhaul), il doit faire l'objet d'une encapsulation et d'une translation de priorité :

• La translation QCI vers DSCP (Couche 3) : Le tunnel GTP-U transportant le flux doit voir ses en-têtes IP marqués avec des codes DSCP (Differentiated Services Code Point). Par exemple, un flux VoLTE associé au QCI 1 doit être rigoureusement mappé en classe Expedited Forwarding (DSCP EF / 46) sur les routeurs IP de collecte.
• Le risque de rupture de file d'attente : Si cette correspondance de bout en bout est absente ou mal configurée par l'opérateur, les paquets de parole prioritaires au niveau radio se trouvent banalisés en Best Effort sur les liens de transmission terrestres (faisceaux hertziens, liaisons de collecte). En cas de congestion du transport, les paquets subissent des délais d'attente excessifs qui détruisent la QoS globale, rendant stérile l'ingénierie radio de l'eNodeB.

8) Évolution technologique : de la rigidité du QCI 4G à la flexibilité du 5QI 5G

La transition vers l'architecture 5G Standalone (5G SA) transforme radicalement le paradigme de gestion de la qualité de service en remplaçant le QCI par le 5QI (5G QoS Identifier).

Cette évolution apporte trois ruptures majeures :

1. L'abandon du modèle de Bearer au profit du QoS Flow : En 4G, la QoS est limitée par la rigidité des EPS Bearers (un tunnel par profil de performance, restreignant le nombre de flux simultanés). La 5G introduit le QoS Flow, l'unité de traitement la plus fine du réseau, permettant d'isoler des dizaines de flux applicatifs au sein d'une même session utilisateur.
2. L'introduction de la couche SDAP : Pour faire le pont entre les flux IP dynamiques du cœur de réseau (5GC) et la couche physique, la 5G intègre le protocole SDAP (Service Data Adaptation Protocol). Cette couche logicielle prend en charge le mappage en temps réel des flux 5QI sur les canaux radio physiques (DRB), offrant une flexibilité indispensable au Network Slicing.
3. L'extension de la matrice des indices : Là où la 4G se limitait historiquement à 9 classes standards, le 5QI étend la table à des dizaines de profils standardisés (notamment les indices 82 à 86 dédiés à l'ultra-faible latence URLLC) et autorise la création dynamique de profils non standardisés pour s'adaptant aux exigences chirurgicales de l'industrie 4.0.

Conclusion générale

L'indice QCI représente le fondement historique de l'ingénierie du trafic dans les réseaux mobiles Tout-IP. En convertissant des exigences applicatives abstraites en contraintes micro-temporelles strictes (priorité, budget de délai PDB, taux de perte PELR) imposées à l'ordonnanceur radio, il garantit la viabilité et la cohabitation des services critiques comme la VoLTE au sein d'une infrastructure partagée.

Toutefois, l'efficacité de cette étiquette de QoS reste tributaire d'une cohérence systémique de bout en bout, exigeant une étanchéité parfaite de la chaîne de transport (mappage QCI-DSCP) et une stabilité des couches physiques (SINR/PRB). En structurant la gestion de la priorité par classe, le QCI a pavé la voie aux architectures programmables de la 5G NR, déplaçant définitivement les télécommunications de l'ère de la connectivité brute vers l'ère de la performance chirurgicale garantie par flux

Chez Delcom Group, nous accompagnons les opérateurs, institutions et entreprises dans l’analyse de la QoS LTE, en intégrant les dimensions radio, transport et cœur réseau afin d’identifier les causes de dégrada