Les Wi-Fi

06/10/2016
Publication REE REE 2016-4
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Les Wi-Fi

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REE N°4/2016 117 RETOUR SUR ❱❱❱❱❱❱❱❱❱ Thierry Letertre Professeur adjoint à Centrale Supelec Introduction Le terme de Wi-Fi est utilisé pour décrire non pas une norme de système de communication, mais un ensemble de versions pouvant exister simultanément sur le marché, la version la plus récente restant, dans certaines limites, compatible avec la version de base. Cet article n’a pas la prétention de décrire de façon complète et exhaustive les différentes versions suc- cessives de la norme, mais d’en expliquer le fonction- nement et de présenter les principales évolutions et avancées techniques introduites depuis la genèse de la version de base jusqu’aux toutes dernières versions actuellement utilisées ou en cours de normalisation (fu- tures évolutions). Les explications seront abordées de la façon la plus simple possible en respectant, autant que faire se peut, l’ordre chronologique de leur apparition. Les origines du Wi-Fi Wi-Fi, Wireless Fidelity ou IEEE802.11 [1], est une norme créée par le comité 802 de l’IEEE1 qui gère les spécifications des systèmes de communication à 1 Institute of Electrical and Electronic Engineers courte et moyenne portée (LAN2 , MAN3 …). L’idée de départ date du milieu des années 1980 lorsque l’orga- nisme de régulation des fréquences américain la FCC4 , équivalente américaine de l’ARCEP en France, a libéré l’accès aux bandes de fréquences dites libres ou aux Etats-Unis, ISM5 (figure 1) pour des systèmes de com- munication sans fil et sans licence. La première version de la norme a été officiellement publiée en 1997 ; à la suite de l’intérêt qu’elle a soulevé dans le déploiement d’Internet et compte-tenu de la diversité des fabricants industriels, le consortium “Wi-Fi Alliance” a été créé en 1999 pour vérifier la conformité et l’interopérabilité des matériels sortant sur le marché. La norme évolue au cours du temps, il y a eu environ 30 modifications (amendments en anglais) depuis l’origine jusqu’à aujourd’hui, elles sont estampillées par une lettre et maintenant deux lettres (comme pour les colonnes d’un tableur) : on les appellera versions dans la suite de l’article. Chaque version apporte une correction [2] ou une évolution de la norme de référence (legacy en anglais) qu’on appellera « édition » dans la suite, par exemple pour intégrer des contraintes liées à un pays 2 Local Area Network 3 Metropolitan Area Network 4 US Federal Communication Commission 5 Industrial Scientific et Medical Les Wi-Fi The term Wi-Fi is not used to describe a standard, but a set of different versions or amendments which can exist simultaneously on the market, the latest version being compatible to a certain extent with the legacy version. This paper does not aim to describe comprehensively and exhaustively the various successive versions of the standard, but how they work and what are their fields of application and to present the main modifications and advanced techniques introduced since the genesis of the basic version up to the latest versions currently used or being standardized. ABSTRACT Figure 1 : Les bandes libres intéressant le Wi-Fi en France en 2016 – Nota : la bande des 868 MHz a fait l’objet d’une consultation en vue de son extension en juillet 2016. 118 REE N°4/2016 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR particulier, pour améliorer la sécurité des transmissions, pour réduire la consommation électrique ou intégrer une avancée technologique. Le nom d’une édition de la norme ne comporte pas de lettre, mais une date : 802.11-1997 pour la première édition, puis 802.11-2007 pour celle intégrant les versions de “a” à “j” et 802.11-2012 intégrant les versions de “k” à “z”. En plus de l’évolution de la norme, il existe aussi des mo- difications apportées par les constructeurs pour augmenter le débit ou la portée par une amélioration logicielle ou par ajout d’antennes supplémentaires. Ces matériels sont com- patibles avec tous les autres matériels certifiés par “Wi-Fi alliance” (portant le logo : “Wi-Fi certified”), à l’exception des fonctionnalités supplémentaires qui restent propriétaires. Les bandes de fréquences dites « libres » sont soumises à certaines conditions d’utilisation qui permettent le partage de la ressource avec d’autres systèmes de communication (Bluetooth, ZigBee,...), mais aussi avec des systèmes domes- tiques ou industriels (four micro-onde, soudeuse…) ou des systèmes médicaux (scanner, bistouris, appareils de chauf- fage...) ayant chacun des contraintes de fonctionnement très différentes (problèmes de compatibilité) par exemple : pas d’usage exclusif ou limitation des brouillages. Les objectifs de la version de base étaient de modifier/ adapter la norme Ethernet 802.3 existant pour des liaisons filaires (sur câble électrique) afin d’utiliser les ondes élec- tromagnétiques, infrarouges ou radiofréquences comme support physique et donner ainsi plus de mobilité aux équi- pements [3]. Les modifications apportées devaient être les plus réduites possibles pour garder la compatibilité avec les couches hautes de la version filaire et assurer les mêmes performances que cette dernière sans entraîner de surcoût trop important pour les matériels : ceci a été obtenu, en ne modifiant que les deux couches les plus basses du protocole. Rappels sur les techniques utilisées L’utilisation des bandes dites « libres » impose des con- traintes importantes en termes de partage des fréquences et de compatibilité ou brouillages. Trois principales techniques sont mises en œuvre : qui sert à assurer le transport de l’infor- mation autour de la fréquence porteuse en respectant la qualité de service (QoS: Quality of Service) en termes de débit, d’intégrité des données et de portée. Des deux types de modulations, analogiques et numériques, seules les der- nières sont utilisées. Les modulations numériques d’ampli- tude (ASK6 ), de fréquence (FSK7 ), de phase (PSK8 ) et en quadrature (QAM9 ) sont appliquées à l’information échantil- lonnée et quantifiée. Wi-Fi fait appel aux modulations xPSK pour les trames de contrôle ou lorsque la transmission n’est pas de bonne qualité et aux modulations xxQAM pour les débits importants (cf. description des couches physiques des différentes versions). qui permet à plusieurs utilisateurs de partager de façon équitable la bande de fréquences sans interférence entre eux. Les plus connues sont : - le TDMA10 qui répartit le temps d’usage d’une même res- source entre plusieurs utilisateurs ; - le FDMA11 qui alloue des ressources en fréquences diffé- rentes à chaque utilisateur ; - le CDMA12 qui donne un code différent à chaque utilisateur ; - le CSMA13 utilisé, dans la version CD (Collision Detection), par la norme Ethernet filaire qui impose à chaque utilisateur de s’assurer qu’aucun signal n’est présent avant d’émettre. sert à se protéger des brouillages à « bande étroite » (les plus courants dans les bandes ISM) en utilisant une bande de fréquences apparente plus large que 6 Amplitude shift Keying 7 Frequency shift Keying 8 Phase shift Keying 9 Quadrature Amplitude Modulation 10 Time Division Multiple Access 11 Frequency Division Multiple Access 12 Code Division Multiple Access 13 Carrier Sense Multiple Access Figure 2 : L’étalement de spectre par séquence directe et code de Barker. REE N°4/2016 119 Les Wi-Fi celle qui serait utilisée par la modulation de base. Les trois techniques les plus connues sont : - l’étalement de spectre à séquence directe ou DSSS14 qui multiplie le signal numérique par un code plus rapide ayant des propriétés statistiques particulières ; - l’étalement de spectre par saut de fréquence ou FHSS15 qui change de fréquence porteuse ou de canal très rapi- dement (figure 2) ; - l’étalement par multiplexage orthogonal de fréquences (OFDM16 ) qui permet de répartir le signal entre un nombre élevé de sous-porteuses rapprochées chacune l’une de l’autre grâce à l’orthogonalité des formes d’onde (voir plus loin). Les différentes évolutions du Wi-Fi L’édition de base: 802.11-1997 Les principales caractéristiques visées par la version de base hertzienne sont comparables à la version filaire de l’In- ternet de l’époque malgré les modifications imposées par le changement de support soit : 14 Direct Sequence Spread Spectrum 15 Frequency Hopping Spread Spectrum 16 Orthogonal Frequency Division Multiplexing à multipoint ; Cette édition prévoit deux types d’utilisateurs : la station (STA17 ) qui intègre les fonctions de base de la norme et le point d’accès (AP18 ) qui dispose en plus des capacités de gestion de deux modes de fonctionnement [4] possibles (figure 3) : le Wi-Fi direct) permet à deux stations de communiquer directement une fois les paramètres réseau partagés (choix manuel du canal, débit...). C’est aussi le mode le plus per- formant en termes de débit. Il permet à plusieurs stations de correspondre point à point entre elles, sans infrastruc- ture particulière mais sans routage ; plusieurs STAs. C’est l’AP qui choisit les paramètres et gère le réseau, toutes les communications passent par lui et sont répétées. Les stations s’associent en écoutant les informations diffusées en clair par le point d’accès (trame “Beacon”) puis font une demande de connexion, les para- mètres réseaux étant réglés automatiquement. C’est au- jourd’hui le mode le plus utilisé. La norme prévoit aussi deux modes de gestion liés à ces modes de fonctionnement : 17 Station 18 Access Point Figure 3 : Les différents modes de fonctionnement. 120 REE N°4/2016 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR 19 où toutes les stations sont équivalentes et en compétition pour l’accès à la parole. Il est applicable aux modes de fonctionnement « ad hoc » ou « infrastruc- ture » ; 20 qui implique un point d’accès gérant les demandes de parole des stations en fonction de la qualité de service demandée. La priorité est généralement donnée à des demandes de services en temps réel par rapport au streaming ou aux transferts de données. Ce mode n’occupe jamais 100 % du temps, il y a toujours une partie réservée au DCF pour que de nouvelles stations puissent s’associer. Il ne fonctionne pas avec le mode « ad hoc ». La figure 4 montre les différentes modifications apportées à la pile de protocole Internet filaire pour utiliser le support hertzien. Seules les deux couches basses du protocole de communication OSI21 ont été modifiées par l’IEEE : - lisation des fréquences pour le transport des données (modulation, codage et étalement de spectre) et définit donc l’aspect fréquentiel/spectral. Elle est composée de deux sous-couches : PLCP22 qui est en charge d’écouter le support grâce au PCS23 et de délivrer le CCA24 à la couche liaison de données pour l’encodage et l’envoi des données ; ressource (technique d’accès) et définit donc la forme temporelle du signal. Elle est aussi composée de deux sous-couches : LLC (Logical Link Control) identique à celle de 802.2 qui gère les associations, la synchroni- sation et la sécurité (entre autres choses) et MAC25 très 19 Distributed Coordination Function 20 Point Coordination Function 21 System Interconnection 22 Physical Layer Convergence Protocol 23 Physical Carrier Sense 24 Clear Channel Assessment 25 Medium access Control proche du 802.3 de l’Ethernet filaire qui s’occupe de l’accès au canal. La partie gauche de la figure 4 montre la position du pro- tocole 802.11, par rapport au modèle de référence OSI. Dans cette première version de la norme, trois types de support physique avaient été définis (zoom partie de droite), l’infra- rouge, et les radiofréquences à 2,4 GHz avec étalement de spectre FHSS et DSSS. Mais rapidement les deux premiers modes de fonctionnement ont été abandonnés pour ne laisser subsister que le mode RF DSSS proche de la tech- nique utilisée par les systèmes de télécommunication mobile CDMA : ce sera le seul mode de fonctionnement que nous décrirons dans la suite. Description de la couche physique retenue La bande de fréquences retenue dans la version initiale du Wi-Fi est la bande ISM à 2,4 GHz soit de 2,402 à 2,4835 GHz où 14 canaux de 5 MHz ont été définis. Deux types de mo- dulation de phase sont utilisés: le B-PSK26 utilisant deux états de phase et le Q-PSK27 utilisant quatre états de phase per- mettent d’atteindre des débits maximaux théoriques de 1 et 2 Mbit/s pour une portée maximale de l’ordre de la centaine de mètres. L’étalement de spectre de type DSSS utilise un code d’éta- lement unique aléatoire (code PN) constitué d’une séquence binaire de Barker de longueur 11 (le temps d’un bit de don- nées est égal à un temps équivalent à 11 chips du code) utilisant une bande de signal utile d’environ 22 MHz (au lieu de 1 MHz pour la modulation seule). Il faut noter que la bande de fréquences occupée par un équipement Wi-Fi ne dépend pas du débit qui est utilisé et est d’environ 22 MHz (taille du masque d’émission de la norme) soit plus de quatre fois la largeur d’un canal. On ne peut donc utiliser simultanément tous les canaux si l’on veut éviter les interférences. Aux États-Unis, où les canaux 11 à 26 Binary-Phase Shift Keying 27 Quaternary-Phase Shift Keying Figure 4 : Pile de protocole 802.11. REE N°4/2016 121 Les Wi-Fi 14 ne sont pas ouverts, seuls les canaux 1, 6 et 11 peuvent être utilisés simultanément. En Europe, où seul le canal 14 n’est pas ouvert, il est possible, avec les dispositifs actuels, d’utiliser quatre canaux : 1, 5, 9, 13 (figure 5). La puissance d’émission est règlementée dans chaque pays ou région en étant limitée, selon les conditions d’uti- lisation à 10 ou 100 mW28 , soit 10 ou 20 dBm de PIRE29 . La PIRE est égale au produit de la valeur de la puissance de l’amplificateur de sortie par le gain de l’antenne d’émis- sion. Elle est souvent de l’ordre de 50 mW pour la plupart des systèmes. Les systèmes non professionnels n’intègrent pas de régulation de puissance et émettent à puissance constante quelle que soit la distance entre l’émetteur et le récepteur. 28 Pour la France la puissance maximale est définie par la décision de l’ARCEP 2014-1263 fixant les conditions d’utilisation des fréquences radioélectriques par des dispositifs à courte portée. 29 Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente Description de la couche MAC L’envoi des informations en Wi-Fi utilise un système fondé sur des trames de données ou de contrôle/gestion séparées par des temps ou espaces dits “inter-trames” : les IFS30 qui lui donnent un aspect temporel en rafales ou “bursté” (figure 6). L’unité de temps principale du système Wi-Fi est le time slot (TS) qui est égal à 20 s ; il intervient dans les calculs des différents IFS. Il existe trois types d’IFS qui contrôlent l’accès au canal : s séparant deux trames appartenant à une même transmission (données et accusé de réception ACK) ; s (1 SIFS + 1 TS), il est utilisé par un point d’accès pour accéder avec priorité au média radio et est inférieur au DIFS ; au média et est égal à 50 s (1 SIFS + 2 TS). 30 Inter Frame Spacing Figure 5 : Les 14 canaux Wi-Fi de la bande 2,4 GHz avec indication des quatre canaux utilisables simultanément en Europe. Figure 6 : Aspect temporel d’émission de données avec Wi-Fi. 122 REE N°4/2016 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR Les valeurs de ces IFS sont constantes, mais varient selon les versions : plus les IFS sont courts, plus le système est per- formant. On peut aussi faire varier la valeur de DIFS (tout en la gardant supérieure à PIFS), par exemple en fonction du type d’utilisation, et donner ainsi des priorités différentes (figure 7). Le Wi-Fi utilise quatre techniques élémentaires (CSMA- CA, RTS/CTS, ACK et NAV) pour accéder à la ressource : Le CSMA-CA31 est proche du CSMA-CD32 utilisé par le sys- tème filaire. Cette technique d’accès est de la famille des LBT33 : les nœuds du système écoutent leur environnement radio et estiment s’ils peuvent prendre la parole ou doivent attendre la fin d’une transmission. Comme il n’est pas possible de détecter les collisions car l’émission masque une éventuelle réception et que les ondes EM ne sont pas confinées dans un câble, Wi-Fi va chercher à les éviter. Le principe d’accès du CSMA-CA est un processus aléatoire temporel : dans un premier temps la station écoute la bande de fréquences ou le canal radio et compare le niveau mesuré avec une consigne. Si le niveau est supérieur, elle estime que le canal est utilisé par un autre équipement (Wi- Fi ou non), dans le cas contraire, elle considère que le canal est libre et va lancer la procédure d’accès (figure 7). 31 Carrier Sense Multiple Access-Carrier Avoidance 32 Carrier Detection 33 Listen Before Talk Dans le cas où une station a des données à transmettre et a détecté que le canal est libre, après avoir attendu un temps DIFS, elle lance un algorithme de back-off en tirant une valeur aléatoire comprise entre 1 et une valeur CW34 qui multipliée par le temps TS représente le temps que la station devra attendre avant de pouvoir accéder à la ressource. Pen- dant ce temps, elle poursuit l’écoute du canal : s’il apparaît qu’une autre station est passée en émission, elle interrompt le décompte du temps de back-off. La valeur résiduelle de ce temps sera utilisée pour tenter de transmettre les données que l’indisponibilité du canal n’a pas permis d’émettre : ainsi cette station se trouve favorisée pour l’accès à la ressource radio. La valeur de CW est très importante (ou stratégique), car plus elle est grande, moins il y a de risques de collision entre les émissions des stations (moins de pertes de trames), mais plus les stations attendent longtemps en moyenne avant d’émettre, ce qui entraîne une réduction importante du débit utilisable. La norme prévoit donc une variation de CW en fonction de la charge du réseau Wi-Fi : le back-off est dit exponentiel (BEB35 ) car il est réduit d’un facteur 2 chaque fois que la station ne perçoit pas de collision et multiplié par 34 Contention Window 35 Binary Exponential Back-Off Figure 7 : Les temps inter-trames : les IFS. Figure 8 : Algorithme du back-off. REE N°4/2016 123 Les Wi-Fi 2 (tout en restant toujours inférieur ou égal à une limite CW max) si la station perd trop souvent des trames. La performance d’un matériel Wi-Fi dépend très forte- ment de la qualité d’implémentation de cet algorithme, elle n’est pas précisée dans la norme et varie d’un constructeur à l’autre. Un et de retransmission permet de s’assurer de la bonne réception des données par la station destinataire. Pour chaque trame ou groupe de trames correctement reçus, le récepteur valide la bonne réception par une trame prioritaire spécifique d’accusé de réception, ACK. Lorsque l’ACK d’une trame ou d’un groupe de trames n’est pas correctement reçu par la station émettrice, celle-ci retransmet la trame ou le groupe de trames en cause. Lorsque le Wi-Fi est utilisé en mode « Infrastructure » il est possible de faire apparaître des situations où certaines stations ne sont pas visibles de toutes les autres stations. On appelle nœuds cachés, des stations (ou points d’accès) qui ne sont vues que par une partie des autres stations, la figure 9 en montre un exemple typique. Quatre équipements sont présents dans une zone (A, B, C, D), A veut dialoguer avec B et C avec D. Les cercles, vert autour de A et rouge autour de C, représentent leur zone d’influence et de détection. La station A détecte B, mais pas C ni D tandis que la station C détecte B et D, mais pas A. 36 indique la durée probable de la transmission et le RTS/CTS37 sert à évi- ter les collisions dans les cas des nœuds cachés (figure 10). Si la procédure RTS/CTS n’existait pas, il pourrait y avoir col- lision au niveau de la station B car A et C pourraient émettre en même temps. Mais avec ce mécanisme, A avant de trans- mettre indique par un RTS sa volonté de dialoguer avec B et la durée de cette transmission, il sera reçu par B seul (zone verte), qui répond par un CTS qui valide la demande de A, lequel sera reçu dans sa zone d’influence (en bleu) et donc par A et C. La station C sera donc avertie que A va émettre et attendra la fin du NAV pour relancer la procédure d’accès. La version 802.11b Cette version date de la fin de 1999 et apporte essentielle- ment une augmentation du débit de transmission pour rester compatible avec les évolutions des matériels et suivre l’amé- lioration de l’Ethernet sur câble et des normes concurrentes. Seule la couche physique est modifiée pour faire évoluer les débits maximaux théoriques de 1 à 5,5 Mbit/s et de 2 à 11 Mbit/s, tout en restant compatible avec la norme de 1997. La bande de fréquences et les canaux utilisés sont inchangés. L’augmentation du débit ne se fait pas par un changement de modulation, mais par l’utilisation d’un “sur code” le CCK38 qui va réarranger et optimiser le résultat de la modulation BPSK ou QPSK précédente, d’où ce gain net de 5,5. Cette amélio- ration n’est efficace qu’à courte portée, comme chaque fois que l’on optimise la modulation sans toucher à la puissance (figure 11 a). Une autre limite vient du fait que l’amélioration de la vitesse de transmission des bits dans une trame voit 36 Network Allocation Vector 37 Request To Send / Clear To Send 38 Complementary Code Keying Figure 9 : Problème des nœuds cachés. Figure 10 : La procédure RTS/CTS +NAV. 124 REE N°4/2016 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR son effet limité par l’absence d’une diminution proportionnée des durées des IFS (figure 11 b). La version 802.11g Cette version normalisée en 2003 apporte une amélio- ration importante du débit maximal théorique qui passe de 11 Mbit/s à 54 Mbit/s avec une modification importante des couches physique et MAC. En 1999, une version 802.11a a été normalisée et plutôt utilisée par le monde professionnel que par le grand public et plutôt aux États-Unis qu’en Europe. La norme « a » n’utilise pas la bande ISM à 2,4 GHz, mais la bande dite à 5 GHz (figure 12), qui est une bande libre, à l’époque sous-utilisée et donc moins brouillée ou polluée. Dans cette bande, 12 canaux de 20 MHz ont été définis sans problème de recouvrement comme c’est le cas avec la bande à 2,4 GHz. La technique d’étalement choisie est l’OFDM39 qui utilise un nombre éle- vé de sous-porteuses (SP) modulées indépendamment les unes des autres. Le principe en est apparu dans le milieu des années 1960, mais sa mise en œuvre nécessitait des proces- seurs de signaux (DSP) très rapides qui ne sont apparus que récemment (figure 13). L’OFDM permet de réduire la vitesse de modulation sur chaque sous-porteuse, mais augmente le débit final du fait de la mise en parallèle des données. Cette version appelée aussi Wi-Fi5 n’est pas compatible avec les autres versions Wi-Fi, mais a apporté aux profes- sionnels plus de QoS en termes de débit et de sécurité. Ses inconvénients sont sa portée moindre que celle de 802.11 b, liée à la fréquence d’utilisation plus haute, et un coût des équipements plus important. 39 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (a) (b) Figure 11 : Portée et rendement du protocole suivant la modulation utilisée. Figure 12 : Définition des canaux dans la bande 5 GHz. REE N°4/2016 125 Les Wi-Fi La version “g” utilise les techniques de la version “a” en changeant la bande de fréquences qui passe de 5 à 2,4 GHz de façon à assurer la compatibilité ascendante avec la version « b ». Pour ce faire, la couche physique comprend donc deux parties : la couche physique DSSS compatible avec la version « b » et la couche physique OFDM dérivée de celle de la version « a ». Description de la couche physique La couche DSSS est identique à celle de la version « b ». Pour la partie OFDM, la bande utile utilisée est équivalente à celle de la version DSSS soit 20 MHz. 52 sous-porteuses sont utilisées sur 64 possibles (six porteuses, de chaque côté, sont mises à zéro pour introduire un intervalle de garde) : 48 pour les données et quatre “dites pilotes” pour l’estimation du canal de transmission. Elles sont espacées de 312,5 kHz. Une modulation plus performante, utilisant un nombre d’états plus important, est utilisée : la QAM 16 apportant un gain de modulation de 2 par rapport à la QPSK. Description de la couche MAC Pour fonctionner de façon optimale, trois modes de fonc- tionnement de la couche MAC ont été implantés : version “b”. Seule la couche physique DSSS est utilisée pour les trames de contrôle, de gestion et de données. version “a”, avec la même technique d’accès et un algo- rithme de back-off identique, mais avec des IFS plus courts et un time slot de 9 s (au lieu de 20 s pour les modes “b only” ou “mixte”). Les trames aussi sont modifiées, elles utilisent un en-tête plus court. La couche physique OFDM est utilisée pour les trames de contrôle, de gestion et de données. - tanément avec des stations version « b » et version « g ». Cette compatibilité descendante réduit la capacité de ce mode par rapport à la version “a”. Les deux couches phy- siques peuvent être utilisées. Généralement les trames de contrôle et de gestion utilisent le DSSS. La couche physique OFDM est utilisée pour les trames de contrôle, de gestion ainsi que les données si les conditions de propagation le permettent et que la distance est courte. En pratique le mode « g » permet d’atteindre des débits instantanés de l’ordre de la cinquantaine de Mbit/s (54 Mbit/s soit environ 20 Mbit/s utiles pour un utilisateur) pour une por- tée de quelques dizaines de mètres en fonction de la configu- ration du canal de transmission. La présence d’une station « b » dans un réseau « g » ralentit l’ensemble du réseau. Il existe aussi un mode “super a/g” qui est une modifica- tion de la norme par les constructeurs qui réduit la valeur de DIFS à la valeur des IFS et permet de doubler, en théorie, le débit maximal qui passe de 54 à 108 Mbit/s, mais il dégrade fortement le fonctionnement si le canal choisi est très occupé. La version 802.11n Cette version a été normalisée en 2009 et repose sur une nouvelle édition de la norme 802.11-2007 où la couche MAC n’est plus compatible avec les anciennes versions de DSSS. Elle intègre cinq améliorations de la couche physique OFDM permettant de faire passer la valeur du débit maximal théo- rique de 54 à 600 Mbit/s. La principale évolution est l’utilisation de la technique MIMO (Multiple Input Multiple Output) [5] qui fait appel à plusieurs antennes à l’émission comme à la réception en as- sociant celles-ci en flux spatiaux parallèles (figure 14). Ainsi, un système 2x3 : 2 dispose de deux antennes à l’émission, trois à la réception et peut supporter, en diversité spatiale, deux flux différents fonctionnant en parallèle. Pour faire efficacement du MIMO, les antennes d’un équi- pement doivent être suffisamment éloignées (une demi-lon- gueur d’onde au moins) pour être découplées. Sur la station, Figure 13 : Schéma de principe de l’OFDM. 126 REE N°4/2016 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR le nombre d’antennes est limité, le plus souvent, par la taille du récepteur. Cela explique l’obligation faite aux équipements de fonctionner a minima en mode MIMO 2x2 pour être cer- tifiés « n » par la Wi-Fi Alliance. Cependant le Wi-Fi 802.11n a été standardisé en 4x4 : 4, c’est-à-dire qu’il peut théorique- ment supporter quatre flux. Dans la pratique, les systèmes 802.11n disponibles sur le marché supportent généralement trois flux avec un débit maximal de 450 Mbit/s. Le débit de 600 Mbit/s annoncé n’est valable que si l’on utilise MIMO 4x4, sinon on ne dispose que de 150 Mbit/s par flux. Description de la couche physique Cette nouvelle couche est capable d’utiliser les bandes de fréquences 2,4 et/ou 5 GHz. La bande à 2,4 GHz est utilisée pour des échanges avec des versions plus anciennes ou à grande distance, tandis que la bande 5 GHz est utilisée pour les modes très haut débit et à courte distance. Une modulation encore plus performante peut être uti- lisée: la QAM 64 qui comporte 64 états différents. L’étale- ment de spectre est toujours assuré par l’OFDM, mais avec la possibilité d’avoir quatre sous-porteuses de plus, toujours espacées de 312,5 kHz. La largeur des canaux est variable : 20, 2x20 ou 40 MHz. Pour assurer la compatibilité avec l’édition 802.11-2007, la couche physique comporte plusieurs modes de fonction- nement : « a » et « g » (compatible avec les versions « a » et « g » pures) avec des canaux de 20 MHz et 52 sous-porteuses (48 data + 4 pilotes ; FFT 64) sans MIMO ; jusqu’à quatre flux en parallèle (4x4) et des canaux de 20 MHz avec 56 sous-porteuses, (52 data + 4 pilotes, FFT 64) ou de 40 MHz de large comportant 114 sous- porteuses (108 pour les données + 6 pour des pilotes ; FFT 128) ; adjacents de 20 MHz au format de la version “a” ; transmettre un paquet “Legacy” soit dans les 20 MHz de spectre supérieurs ou inférieurs d’un canal de 40 MHz (figure 15). Figure 14 : Principes de fonctionnement du MIMO. Figure 15 : Débit versus modulation et codage pour la version n en fonction de l’intervalle de garde temporel (GI: Guard interval). REE N°4/2016 127 Les Wi-Fi Les couches MAC et LLC ont été modifiées pour augmen- ter l’efficacité du système : - ferts temps réels, - mation électrique. La version 802.11ac Cette nouvelle version est sortie en fin d’année 2013 et évolue encore aujourd’hui. Elle prolonge l’édition 802.11- 2012 de la norme qui a intégré toutes les modifications et corrections apportées jusqu’à l’amendement “z”. L’évolution des techniques MIMO, l’augmentation de la vitesse des DSP et l’augmentation de la taille des mémoires ont permis d’optimiser encore davantage les systèmes Wi-Fi. Le 802.11ac offre une meilleure QoS et un débit théorique maximal qui pourrait passer de 600 Mbit/s à plus de 1 Gbit/s. Pour obtenir ces valeurs, la couche physique a été forte- ment “dopée” par rapport à la version “n” : et aller jusqu’à 160 MHz au lieu de 40 MHz en “n” ; un utilisateur. Mais l’emploi d’un nombre d’antennes plus important permet au point d’accès de faire du “beam for- ming”, c’est-à-dire de pouvoir modifier son diagramme d’émission et notamment de créer plusieurs lobes dans des directions différentes pour cibler plusieurs utilisateurs en même temps ; 40 ) alors que dans la version “n” il n’était que mono-utilisateur (SU-MIMO41 ). La modulation évolue vers l'emploi de la QAM 256. Le ta- bleau 1 indique les performances en débit théoriques atten- dues de 802.11ac dans un certain nombre de configurations d’usage avec des équipements au nombre d’antennes varié (d’après des sources IEEE) et en utilisant ce type de modula- tion. Parmi ces résultats on peut noter que : et une à la réception) sur un canal de 80 MHz, le débit attendu est de 433 Mbit/s ; l’émission et deux à la réception) sur un canal de 160 MHz, le débit attendu est de 1 690 Mbit/s par utilisateur pour un débit agrégé de 6,77 Gbit/s. Aujourd’hui, toutes les avancées prévues par cette version ne sont pas implémentées dans les matériels “ac” dispo- nibles dans le commerce et nous ne disposons pas d’assez de recul pour savoir ce qui est vraiment mis en œuvre par les industriels. Malgré tout, pour certains matériels disponibles sur le marché, le nombre de flux maximal par utilisateur serait de 3 et sur de courtes distances avec l’utilisation de la QAM 256 dans une bande de 80MHz, le débit pourrait atteindre 40 Multi User-MIMO 41 Single User-MIMO Configurations types AP = Access point - STA = Station Clients typiques Débit de chaque liaison physique Capacité agrégée AP Une antenne, une STA Une antenne, 80 MHz Handheld 433 Mbit/s 433 Mbit/s AP Deux antennes, deux STA Une antenne 80 MHz Tablet, laptop 867 Mbit/s 867 Mbit/s AP Une antenne, une STA Une antenne, 160 MHz Handheld 867 Mbit/s 867 Mbit/s AP Trois antennes, trois STA Une antenne, 80 MHz Laptop, PC 1.27 Gbit/s 1,27 Gbit/s AP Deux antennes, deux STA Une antenne, 160 MHz Tablet, laptop 1.69 Gbit/s 1,69 Gbit/s AP Quatre antennes, quatre STAs Une antenne, 160 MHz (MU-MIMO) Handheld 867 Mbit/s pour chaque STA 3,39 Gbit/s AP Huit-antennes, 160 MHz (MU-MIMO) Digital TV, Set-top Box, Tablet, Laptop, PC, Handheld 6,77 Gbit/s AP Huit antennes, quatre STAs Deux antennes, 160 MHz (MU-MIMO) Digital TV, tablet, laptop, PC 1.69 Gbit/s pour chaque STA 6,77 Gbit/s Tableau 1 : Débits maximaux théoriques en fonction de la configuration choisie (tous les débits supposent une modulation en 256-QAM) – Source IEEE. 128 REE N°4/2016 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR 1,2 ou 1,3 Gbit/s. Le reste des fonctionnalités possibles sera implanté progressivement dans les prochaines années lors des futures évolutions de cette version. La version 802.11ad Une première version de 802.11ad a été publiée en 2012 sous la dénomination de WiGig [6]. Celle-ci apporte des mo- difications aux couches physique et MAC pour pouvoir utiliser la bande libre à 60GHz (57 à 66 GHz) en complément des bandes à 2,4 et 5 GHz42 . Le transfert de données devrait se faire à très haut débit (> 6 Gbit/s) sur un canal de 2,16 GHz. La portée maximale serait la dizaine de mètres et le “beam forming” permettrait d’augmenter la portée du 60 GHz, qui se propage moins bien que les fréquences basses. Le beam forming à 60 GHz peut être facilité en utilisant les fréquences basses pour coordonner les stations « ad » ou faire plus faci- lement du MU-MIMO : les stations seront localisées par le calcul des matrices de passage MIMO en 2,4 GHz (figure 16). A ce jour, il n’y a pas encore de matériels 802.11ad dispo- nibles en France. La version 802.11af La première version de la norme a été publiée en 2014 et est prévue pour être utilisée aux États-Unis (pour l’ins- tant). C’est la première version utilisant une technologie de radio cognitive [7] en utilisateur secondaire dans des bandes dédiées normalement aux systèmes de télédiffusion VHF et UHF (dit primaires), soit entre 54 et 790 MHz. Elle utilise dans ces bandes des espaces dits “blancs” (TV White Space), 42 Voir la rubrique « Actualités » dans ce même numéro. c’est-à-dire où la ressource est localement inutilisée du fait que la réception ne fonctionne pas (trou de couverture) ou correspond à des canaux non utilisés localement. Ce type de systèmes doit pouvoir fonctionner sans jamais interférer avec les systèmes primaires, ils doivent donc intégrer des techniques de mesure et de reconfiguration rapides. La plu- part de ces techniques ont été développées pour la “radio (Cognitive Radio). Cet amendement introduit des techniques très similaires à celles utilisées dans la norme IEEE 802.22 spécifique [8] pour les applications utilisant la radio cognitive en espace blanc (Cognitive Radio in White Space). Le système utilise sa position géographique, obtenue à l’aide d’un récepteur GPS, puis recherche dans une banque de données la liste des canaux disponibles à un moment donné. Il peut utiliser un ou plusieurs canaux dont la bande utile ne devra pas excéder la largeur d’un canal de télévi- sion soit entre 6 et 8 MHz (suivant les normes TV) ainsi que toutes les techniques modernes de modulation et de codage, notamment l’OFDM, la modulation QAM 256 et le MU-MIMO. Le débit maximal visé serait de l’ordre de 160 Mbit/s par canal de 8 MHz en utilisant le MIMO 4x4. En France, on est encore en attente d’une autorisation d’émettre par les autorités de régulation et il n’y a pas encore de matériel disponible sur le marché. Autres versions 802.11 Pour être vraiment exhaustif sur Wi-Fi, il aurait fallu aussi parler des versions de la norme, moins connues mais non moins importantes. A la différence des versions décrites pré- Figure 16 : Principe de fonctionnement de 802.11ad - Source IEEE. REE N°4/2016 129 Les Wi-Fi cédemment qui étaient autosuffisantes, celles-ci ont été inté- grées et font partie des éditions (“Legacy”) de Wi-Fi suivant leur normalisation. Parmi ces amendements, on peut citer ceux qui ont eu un impact significatif sur les versions des normes Wi-Fi : et des modifications pour rendre la norme Wi-Fi compa- tible avec des règlementations ou contraintes particulières à certains pays. Par exemple elles peuvent restreindre ou sélectionner le nombre de canaux utilisables ou adapter la puissance maximale ; norme des mécanismes de chiffrement et d’authentifica- tion plus performants. A leurs débuts, les systèmes Wi-Fi utilisaient le WEP (Wired Equivalent Privacy) qui comme son nom l’indique vient du monde filaire et était devenu inefficace pour les transmissions sans fil : il suffisait d’écou- ter le canal un certain temps pour pouvoir récupérer les informations de décodage des trames. WEP a été rempla- cé par WPA (Wi-Fi Protected Access) puis rapidement par WPA2, plus adapté et performant pour les communications sans fil. Ce nouveau système de protection complique l’ac- tion des “pirates” mais ne saurait être parfait. Cependant la version « entreprise » du WPA2, dans laquelle l’identifica- tion est confiée à un serveur utilisant un protocole du type RADIUS, offre un niveau de sécurité jugé convenable. Nota : le mode « Personal » utilise une clé partagée qui peut être interceptée lorsque l’on utilise la fonctionnalité WPS (Wi-Fi Protected Setup) lancée par la Wi-Fi Alliance mais qui ne fait pas partie du standard ; gestion de la QoS en privilégiant certaines stations ou ap- plications, par exemple celles travaillant en temps réel. La version de base utilisait le même mécanisme d’accès à la ressource (CSMA-CA) pour toutes les demandes d’accès. Les mécanismes supplémentaires permettent de donner priorité à des applications ne supportant pas de retard par rapport à d’autres qui sont seulement sensibles aux erreurs de transmission. C’est par l’utilisation accrue du mode PCF dans lequel le point d’accès choisit la station qui parle et par l’ajustement des temps inter-trames (IFS) — plus ils sont courts plus la station est prioritaire — que des stations peuvent être rendues prioritaires ; à la bande réservée pour les véhicules c’est-à-dire la bande 5,7 - 5,8 GHz et être utilisé dans les projets de véhicules connectés ; des réseaux maillés avec Wi-Fi (“réseaux Mesh”). Cet amendement permet de basculer d’un point d’accès à un autre sans perdre la connexion et sans faire les démarches de recherche et d’association avec un nouvel AP. Ainsi, en théorie, une certaine mobilité devient possible : un piéton peut marcher en restant connecté, mais cet amendement ne permet pas d’offrir un service équivalent à celui d’un réseau mobile cellulaire. Avec 802.11r, la fréquence basse (2,4 GHz) est utilisée pour les transferts de données et la fréquence haute (5 GHz) est en principe réservée pour la synchronisation entre points d’accès. “Futures” versions 802.11 ah, …, ax, ay” devrait être approuvée fin 201643 . Elle a été annoncée début 2016 par la Wi-Fi Alliance sous contraintes qui sont celles de l’Internet des objets (IoT). Il s’agit en particulier de réduire la consommation des sta- tions qui dans le contexte de l’IoT sont des capteurs ne dis- posant que de très peu de puissance et d’améliorer la portée qui pourrait atteindre le kilomètre. Il utilise des bandes libres dans la bande de fréquences de 900 MHz. Il peut offrir des échanges à bas débit, au minimum 150 kbit/s. Les modes de fonctionnement s’éloignent de ceux du LAN traditionnel : par exemple, des mécanismes de mise en veille des stations et de réveil programmés peuvent être mis en œuvre avec l’objectif de réduire la consommation ainsi que la contention dans l’accès à la ressource radio, dans l’optique de réseaux à très grand nombre de stations. De même une fonction de relais peut être assurée par une station donnée pour étendre la zone de couverture d’un point d’accès et aussi réduire le temps pendant lequel d’autres stations restent en veille. Enfin des stations peuvent être groupées logiquement et il est pos- sible, à un instant donné, de limiter l’accès à un groupe de stations. est prévue pour 2019 : son objectif essentiel est d’améliorer le fonctionnement du Wi-Fi dans les zones possédant une très forte densité de stations où les mécanismes actuels d’accès au canal radio ont tendance à réduire fortement les débits utiles. L’objectif est pour l’heure de multiplier par quatre les débits moyens par utilisateur dans les zones denses. Les débits et largeurs de canaux restent ceux de 802.11ac mais on prévoit de faire appel aux nouveautés suivantes : mais avec la possibilité de constituer huit transmissions MU-MIMO ; 43 On peut se reporter à REE 2016-01 p. 21 pour des informations com- plémentaires 130 REE N°4/2016 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR dans lequel on assigne à chaque utilisateur un ensemble de sous-porteuses : cette technique est utilisée actuellement dans les systèmes mobiles de quatrième génération. Évidemment, nous sommes encore loin de la disponibi- lité des spécifications et des évolutions autres sont encore possibles. est en cours de définition. Son objectif est d’améliorer les débits et la portée de la version 802.11ad dans les bandes libres vers 60 GHz et d’atteindre des débits de 20 à 40 Gbit/s et une portée qui pourrait pas- ser de la dizaine à la centaine de mètres. La disponibilité des spécifications est planifiée pour 2017. Les futures versions de Wi-Fi ne sont pas encore sorties officiellement et sont en cours de développement. Elles apporteront encore d’autres améliorations en termes de consommation, de sécurité et de débit en intégrant de nou- velles techniques de modulation, de codage et de sécurité. Mais aussi du fait de la libération de nouvelles bandes de fré- quences libres, pour les communications radiofréquence, par l’UIT (Union internationale de télécommunications) et par les réglementations nationales, dans des bandes inférieures à 1 GHz et supérieures à 10 GHz. Les solutions Wi-Fi doivent aussi faire face à la concur- rence des télécommunications pour l’utilisation des bandes libres. Des industriels du monde des télécommunications testent en ce moment une nouvelle version de la 4G : le LTE-U ou LTE-LAA qui pourrait utiliser une partie de la bande 5 GHz (utilisée pour l’instant essentiellement par Wi-Fi) en association avec une fréquence de téléphonie mobile dédiée pour accroître les débits 4G qui viendrait donc fortement concurrencer les normes 802.11, mais aussi interférer avec elles. Mais on a vu également que les nouvelles versions du Wi-Fi s’appuient sur des techniques mises en œuvre dans les systèmes cellulaires de 4e génération. La définition des sys- tèmes cellulaires de 5e génération sera peut-être l’occasion d’un rapprochement des deux mondes. Bibliographie [1] “IEEE 802.11: The Group on Wireless Local Area Network (WLAN) Standards”, [En ligne]. Available: http://standards. ieee.org/about/get/802/802.11.html [2] “Wikipedia IEEE 802.11”, [En ligne]. Available: http:// en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11. [3] P. Mühlethaler, 802.11 et les réseaux sans fil, Paris : Editions Eyrolles, 2002. [4] K. Al Agha, G. Pujolle et G. Vivier, Réseaux de mobiles et réseaux sans fil, Paris: Editions Eyrolles, 2001. [5] D. Le Ruyet et B. Özbek, « Systèmes MIMO et codage spatio-temporel », REE, n°4, p. 69, Avril 2005. [6] Wireless Gigabit Alliance (WiGig), “Defining the Future of Multi-Gigabit Wireless Communication”, 2010. [7] C. Le Martret, « A propos des applications de la radio cognitive », REE, n°1, 2013. [8] D. Lekomtcev et R. Marsalek, “Comparison of 802.11af and 802.22 standards physical layer and cognitive functionality ” elektrorevue, vol. 3, n°2, June 2012. Thierry Letertre est enseignant-chercheur, professeur adjoint au laboratoire SONDRA, à CentraleSupélec (campus de Gif-sur-Yvette). Il est docteur en électromagnétisme (École su- périeure d’électricité - Supélec) et son domaine de recherche est la mesure et la caractérisation de l’impact des ondes électromagnétiques sur l’environnement. Il contribue aux travaux de l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation (ANSES), de l’Agence nationale des fréquences (ANFR) et du comité français d’accréditation COFRAC.