Wi-Fi
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Le Wi-Fi, aussi orthographié wifi, est un ensemble de protocoles de communication sans fil régi par les normes du groupe IEEE 802.11 (ISO/CEI 8802–11). Un réseau Wi-Fi permet de relier par ondes radio plusieurs appareils informatiques (ordinateur, routeur, smartphone, modem Internet, etc.) au sein d’un réseau informatique afin de permettre la transmission de données entre eux.
1. Technique
1.1 Structure (couches de protocoles)
Les normes 802.11 s’attachent à définir les couches basses du modèle OSI pour une liaison sans fil utilisant des ondes électromagnétiques, c’est-à -dire :
- la couche physique (notée parfois couche PHY), proposant quatre types de codage de l’information ;
- la couche liaison de données, constituée de deux sous-couches :
- le contrôle de la liaison logique (Logical Link Control, ou LLC) ;
- le contrôle d’accès au support (Media Access Control, ou MAC).
Il est possible d’utiliser n’importe quel protocole de transport basé sur IP sur un réseau 802.11 au même titre que sur un réseau Ethernet.
1.2 Modes de mise en réseau
Mode “Infrastructure”
Mode qui permet de connecter les ordinateurs équipés d’une carte Wi-Fi entre eux via un ou plusieurs points d’accès (PA) qui agissent comme des concentrateurs (exemple : répéteur ou commutateur en réseau Ethernet). Autrefois ce mode était essentiellement utilisé en entreprise. Dans ce cas, la mise en place d’un tel réseau oblige de poser à intervalles réguliers des bornes « Point d’accès » (PA) dans la zone qui doit être couverte par le réseau. Les bornes, ainsi que les machines, doivent être configurées avec le même nom de réseau (SSID = Service Set IDentifier) afin de pouvoir communiquer. L’avantage de ce mode, en entreprise, est de garantir un passage obligé par le Point d’accès: il est donc possible de vérifier qui accède au réseau. Actuellement les FAI, les boutiques spécialisées et les grandes surfaces fournissent aux particuliers des routeurs sans fil qui fonctionnent en mode « Infrastructure », tout en étant très faciles à configurer.
Mode “Ad hoc”
Mode qui permet de connecter directement les ordinateurs équipés d’une carte Wi-Fi, sans utiliser un matériel tiers tel qu’un point d’accès (en anglais : Access Point, ou AP). Ce mode est idéal pour interconnecter rapidement des machines entre elles sans matériel supplémentaire (exemple : échange de fichiers entre portables dans un train, dans la rue, au café…). La mise en place d’un tel réseau consiste à configurer les machines en mode « Ad hoc » (au lieu du mode « Infrastructure »), la sélection d’un canal (fréquence), d’un nom de réseau (SSID) communs à tous et si nécessaire d’une clé de chiffrement. L’avantage de ce mode est de s’affranchir de matériels tiers, c’est-à -dire de pouvoir fonctionner en l’absence de point d’accès. Des protocoles de routage dynamique (exemples : OLSR, AODV…) rendent envisageable l’utilisation de réseaux maillés autonomes dans lesquels la portée ne se limite pas à ses voisins (tous les participants jouent le rôle du routeur).
Mode “Bridge”
Le mode “Bridge” est souvent dit mode “Pont” en français. Un point d’accès en mode « Pont » sert à connecter un ou plusieurs points d’accès entre eux pour étendre un réseau filaire, par exemple entre deux bâtiments. La connexion se fait au niveau de la couche 2 OSI. Un point d’accès doit fonctionner en mode « Racine » (« Root Bridge », généralement celui qui distribue l’accès Internet) et les autres s’y connectent en mode « Bridge » pour ensuite retransmettre la connexion sur leur interface Ethernet. Chacun de ces points d’accès peut éventuellement être configuré en mode « Pont » avec connexion de clients. Ce mode permet de faire un pont tout en accueillant des clients comme le mode « Infrastructure ».
Mode “Range Extender”
Le mode “Range Extender” est souvent dit mode “Répéteur” en français. Un point d’accès en mode « Répéteur » permet de répéter un signal Wi-Fi plus loin (par exemple pour atteindre un fond de couloir en « L »). Contrairement au mode « Pont », l’interface Ethernet reste inactive. Chaque « saut » supplémentaire augmente cependant le temps de latence de la connexion. Un répéteur a également une tendance à diminuer le débit de la connexion. En effet, son antenne doit recevoir un signal et le retransmettre par la même interface ce qui en théorie divise le débit par deux.
1.3 Les différentes normes Wi-Fi
Le standard IEEE 802.11 est initialement publié en 1997, et offre des débits de 1 ou 2 Mbit/s (Wi-Fi est un nom commercial, et c’est par abus de langage que l’on parle de « normes » Wi-Fi). Des révisions ont ensuite été apportées à ce standard afin d’augmenter le débit, par le biais d’amendements (c’est le cas des amendements 802.11a, 802.11b, 802,11 g, 802.11n et 802.11ac) ou de spécifier des fonctions de sécurité ou d’interopérabilité. Régulièrement, les changements cumulés apportés par les amendements 802.11 sont regroupés en nouvelles versions du standard 802.11, qui sont identifiées par leur année de parution.
| Année de parution | Nom du standard | Statut | Principaux standards et amendements |
|---|---|---|---|
| 1997 | 802.11–1997 | Remplacé | - |
| 1999 | 802.11–1999 | Remplacé | - |
| 2007 | 802.11–2007 | Remplacé | 802.11–1999, 802.11a, 802.11b, 802.11e, 802,11 g |
| 2012 | 802.11–2012 | Remplacé | 802.11–2007, 802.11n, 802.11p, 802.11s |
| 2016 | 802.11–2016 | Publié | 802.11–2012, 802.11ac, 802.11ad |
| Amendement | Nom | Decription |
|---|---|---|
| 802.11a | “Wi-Fi 2” | L’amendement 802.11a est publié en 1999 ; il permet d’obtenir un haut débit (dans un rayon d’environ 10 mètres : 54 Mbit/s théoriques, 27 Mbit/s réels) dans la bande de fréquence radio SHF des 5 GHz (bande U-NII = Unlicensed - National Information Infrastructure). L’amendement 802.11a spécifie 8 canaux de 20 MHz, non superposés, occupant la bande de 5,150 à 5,350 GHz ; chaque canal est subdivisé en 52 sous-porteuses (codage OFDM). La modulation utilisable est adaptative, en fonction des conditions radio : 16QAM, 64QAM, QPSK ou BPSK. |
| 802.11b | “Wi-Fi 1” | L’amendement 802.11b était l’amendement Wi-Fi le plus répandu en base installée au début des années 2000. Elle propose un débit théorique crête de 11 Mbit/s (6 Mbit/s réels) avec une portée pouvant aller jusqu’à 300 mètres (en théorie) dans un environnement dégagé. La plage de fréquences utilisée est la bande des 2,4 GHz (bande ISM = Industrial Scientific Medical) avec, en France, 13 canaux radio disponibles dont 3 au maximum non superposés (1 - 6 - 11, 2 - 7 - 12…). La modulation utilisable est, au choix : CCK, DBPSK ou QPSK. |
| 802.11c | Pontage 802.11 vers 802.1d | L’amendement 802.11c n’a pas d’intérêt pour le grand public. Il s’agit uniquement d’une modification de l’amendement 802.1d afin de pouvoir établir un pont avec les trames 802.11 (niveau liaison de données). |
| 802.11d | Internationalisation | L’amendement 802.11d est un complément au standard 802.11 dont le but est de permettre une utilisation internationale des réseaux locaux 802.11. Elle consiste à permettre aux différents équipements d’échanger des informations sur les plages de fréquences et les puissances autorisées dans le pays d’origine du matériel. |
| 802.11e | Amélioration de la qualité de service | L’amendement 802.11e vise à garantir une qualité de service (QoS) au niveau de la couche « liaison de données ». Cet amendement a pour but de prendre en compte les besoins des différents flux en termes de bande passante et de délai de transmission de manière à permettre, une meilleure transmission de la voix et de la vidéo. Une variante, dite WMM (WiFi Multimédia), qui inclut un sous ensemble de l’amendement 802.11e a été définie notamment pour la VoIP. |
| 802.11f | Itinérance (roaming) | L’amendement 802.11f est une recommandation destinée aux vendeurs de points d’accès pour une meilleure interopérabilité des produits de fabricants différents.
Elle propose le protocole Inter-Access point roaming protocol permettant à un utilisateur itinérant de changer de point d’accès de façon transparente lors d’un déplacement, quelles que soient les marques des points d’accès présents dans l’infrastructure réseau. Cette possibilité est appelée itinérance ((en) roaming). |
| 802.11g | “Wi-Fi 3” Amélioration du débit | L’amendement 802,11 g, publié en 2003, offre un débit plus élevé (54 Mbit/s théoriques, 25 Mbit/s réels) dans la bande de fréquence des 2,4 GHz. L’amendement 802.11g offre une compatibilité ascendante avec l’amendement802.11b[16]. Cette aptitude permet aux équipements de proposer le 802,11 g tout en restant compatibles avec les réseaux existants 802.11b. Le principe est le même que celui de l’amendement 802.11a (bande des 5 GHz), mais en utilisant 13 canaux composés chacun de 48 sous-porteuses radio et partiellement superposés, dans la bande de fréquences des 2,4 GHz. Le 802,11 g utilise un codage OFDM autorisant de plus hauts débits ; chaque sous-porteuse utilise les modulations classiques BPSK, QPSK ou QAM comme dans l’amendement 802.11a.
Le codage OFDM étant interne à chacun des treize canaux de 22 MHz possibles (quatorze au Japon), il est donc possible d’utiliser au maximum, à plein débit, trois de ces canaux non superposés (1 - 6 - 11, 2 - 7 - 12, etc.) |
| 802.11h | L’amendement 802.11h vise à rapprocher le standard 802.11 du standard européen (Hiperlan 2, d’où le « h » de 802.11h) et à être en conformité avec la réglementation européenne en matière de fréquences et d’économie d’énergie. | |
| 802.11i | L’amendement 802.11i a pour objectif d’améliorer la sécurité des transmissions (gestion et distribution des clés, chiffrement et authentification). Cet amendement s’appuie sur l’AES (Advanced Encryption Standard) et propose l’authentification (WPA2) et un chiffrement des communications pour les transmissions utilisant les amendements 802.11a, 802.11b, 802,11 g et plus. | |
| 802.11IR | L’amendement 802.11IR a été élaboré de manière à utiliser des signaux infra-rouges. Cet amendement est désormais dépassé techniquement. | |
| 802.11j | L’amendement 802.11j est à la réglementation japonaise ce que le 802.11h est à la réglementation européenne. | |
| 802.11n | “Wi-Fi 4” WWiSE (World-Wide Spectrum Efficiency) ou TGn Sync | Ajoute le MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) et l’agrégation de porteuses qui augmentent le débit. Des équipements propriétaires, qualifiés de « pré-N » étaient disponibles depuis 2006.
Le 802.11n a été conçu pour pouvoir utiliser les bandes de fréquences de 2,4 GHz et/ou 5 GHz. Les premiers adaptateurs 802.11n disponibles étaient souvent simple-bande à 2,4 GHz, mais des adaptateurs double-bande (2,4 GHz ou 5 GHz, au choix) ou double-radio (2,4 GHz et 5 GHz simultanément) sont également disponibles. Le 802.11n sait combiner jusqu’à deux canaux de 20 MHz non superposés, ce qui permet, en théorie d’atteindre une capacité totale théorique de 600 Mbit/s dans la bande des 5 GHz. |
| 802.11r | Handover | L’amendement 802.11r, publié en 2008, vise à améliorer la mobilité entre les cellules d’un réseau Wi-Fi et notamment de réduire le temps d’interruption d’une communication en cas de handover : Il permet à un appareil connecté de basculer plus rapidement (moins d’une seconde) et de façon plus fluide d’un point d’accès au suivant. |
| 802.11s | Réseau Mesh | L’amendement 802.11s vise à implémenter la mobilité sur les réseaux de type Ad-Hoc. Le débit théorique atteint 10 à 20 Mbit/s. Tout point qui reçoit le signal est capable de le retransmettre. Elle constitue ainsi une toile au-dessus du réseau existant. Un des protocoles utilisé pour mettre en Å“uvre son routage est OLSR. |
| 802.11u | L’amendement 802.11u a été adopté le 25 février 2011. Elle vise à faciliter la reconnaissance et la sélection de réseaux, le transfert d’informations en provenance de réseaux externes, en vue de permettre l’interopérabilité entre différents fournisseurs de services payants ou avec des hot-spots 2.0. Elle définit aussi des normes en termes d’accès à des services d’urgence. À terme, elle doit entre autres faciliter le délestage des réseaux 3G ou 4G de téléphonie mobile. | |
| 802.11v | L’amendement 802.11v a été adopté le 2 février 2011. Elle décrit des règles de gestion des terminaux en réseau : reportings, gestion des canaux, gestion des conflits et interférence, service de filtrage du trafic… | |
| 802.11ac | “Wi-Fi 5” Amélioration du débit | IEEE 802.11ac est l’avant dernière évolution « grand public » du standard de transmission sans fil 802.11 ; elle permet une connexion Wi-Fi haut débit dans une bande de fréquences inférieure à 6 GHz (communément appelée « bande des 5 GHz »). Le 802.11ac offre jusqu’à 1 300 Mbit/s de débit théorique, en utilisant des canaux de 80 MHz, soit jusqu’à 7 Gbit/s de débit global dans la bande des 5 GHz (de 5 170 MHz à 5 835 MHz). Cet amendement a été ratifié en janvier 2014. |
| 802.11ad | “WiGig” Amélioration du débit | Cet amendement utilise la bande de fréquences des 60 GHz. Elle est donc non compatible avec les normes 802.11 précédentes et les équipements compatibles ont rencontré une faible diffusion. |
| 802.11ah | Consommation d’énergie réduite | Cet amendement, publié en mai 2017, utilise la bande ISM des 900 MHz. |
| 802.11ax | “Wi-Fi 6/6E” Amélioration du débit et de la portée | IEEE 802.11ax est la dernière évolution « grand public » du standard de transmission sans fil 802.11. La publication de la version approuvée de ce futur amendement par le comité IEEE 802 était originellement prévue pour novembre 2020 mais celle ci a finalement été repoussée à janvier 2021. La norme a été ratifiée en février 2021 et la publication de la version finale a eu lieu le 19 mai 2021. |
| 802.11ay | Évolution de l’amendement WiGig (802.11ad), avec la gestion de quatre flux sur la bande des 60 GHz, du MIMO et des débits pouvant atteindre jusqu’à 100 Gb/s en théorie.
Publication de l’amendement prévue en 2020. | |
| 802.11be | “Wi-Fi 7” |
1.4 Portée
En intérieur, la portée peut atteindre plusieurs dizaines de mètres (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres) s’il n’y a aucun obstacle gênant (mur en béton par exemple) entre l’émetteur et l’utilisateur. Ainsi, des fournisseurs d’accès à Internet peuvent établir un réseau Wi-Fi connecté à Internet dans une zone à forte concentration d’utilisateurs (gare, aéroport, hôtel, train, etc.). Ces zones ou points d’accès sont appelés bornes ou points d’accès Wi-Fi ou « hot spots ».
En extérieur, l’actuel record est détenu par Ermanno Pietrosemoli, président de la Fondation de l’école Latino-américaine de Redes, avec une distance de 382 km.
2. Antennes Wi-Fi
2.1 Antennes omnidirectionnelles
Les antennes Wi-Fi à couverture omnidirectionnelles ou hémisphériques sont quantitativement les plus répandues ; elles sont notamment utilisées dans les hotspots Wi-Fi et dans les smartphones. Dans ce groupe d’antennes plusieurs types existent :
- le dipôle ressemblant à un stylo est l’antenne tige basique (¼ d’onde) la plus rencontrée. Il est omnidirectionnel, et est destiné à la desserte de proximité. Il équipe aussi certains modèles de caméras sans fil numériques Wi-Fi à 2,4 GHz (conformes CE) permettant une PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente) maximale autorisée de 100 mW, 20 dBm (D standard indicatif = 500 m à vue).
- L’antenne colinéaire souvent installée sur les toits. Elle est omnidirectionnelle, son gain, 7 à 15 dBi, est lié à sa dimension verticale pouvant atteindre 2 m.
- Les antennes patch (plates) notamment utilisées dans les smartphones et les tablettes tactiles.
Les deux premiers types fonctionnent en polarisation V ; elles peuvent être considérées comme des antennes de stations d’accueil ou de base puisque compatibles avec un environnement 360°.
2.2 Antennes directionnelles
- L’antenne panneau peut être intérieurement un réseau d’antenne quad ou d’antenne patch, ou un réseau de dipôles. Le gain commence vers 8 dBi (8 × 8 cm) pour atteindre 21 dBi (45 × 45 × 4,5 cm). C’est l’antenne qui présente le meilleur rapport gain/encombrement et aussi le meilleur rendement, qui se situe autour de 85 à 90 %. Au-delà de ce gain maximum, elle est difficile à fabriquer, car surgissent des problèmes de couplage (pertes) entre étages des dipôles et il faudrait en plus envisager le doublement de la surface.
Le volume d’une antenne panneau est minimal.
- L’antenne type parabole pleine ou ajourée (grille). Son intérêt d’emploi se situe dans la recherche du gain obtenu à partir d’un diamètre théorique d’approche suivant :
| 18 dBi | 46 cm | 25 dBi | 103 cm | |
| 19 dBi | 52 cm | 26 dBi | 115 cm | |
| 20 dBi | 58 cm | 27 dBi | 130 cm | |
| 21 dBi | 65 cm | 28 dBi | 145 cm | |
| 22 dBi | 73 cm | 29 dBi | 163 cm | |
| 23 dBi | 82 cm | 30 dBi | 183 cm | |
| 24 dBi | 92 cm |
Le rendement de la parabole est moyen, 45~55 %. Le volume de l’antenne, qui tient compte de la longueur du bracon (bras qui éloigne la tête de réception du réflecteur parabolique), donc de la focale, est significatif. Une parabole satellite (exemple TPS/CS sans tête 11–12 GHz) est exploitable en Wi-Fi, à condition de prévoir une source adaptée : cornet, patch ou quad mono ou double, etc.
- L’antenne à fentes fournit un diagramme sectoriel.
3. Choix d’une antenne
Les antennes à gain directionnelles ou omnidirectionnelles sont destinées à la « plus longue portée », possible, quelques kilomètres.
Les antennes panneaux et paraboliques sont uniquement directionnelles, c’est-à -dire qu’elles favorisent une direction privilégiée (plus ou moins ouverte) au détriment d’autres non souhaitées.
Les antennes panneaux sont souvent préférées (voire préférables) lorsque le bilan de liaison est favorable, mais, dès que le système doit être plus performant, les paraboles deviennent nécessaires. Le point d’équilibre, à 21 dBi, se fait avec d’un côté un panneau carré de 45 cm et de l’autre une parabole d = 65 cm.
En conclusion, en directionnel, ou point à point, il est plus intéressant de s’équiper d’abord d’un panneau, puis, si les circonstances l’exigent, d’une parabole.
Les antennes Wi-Fi sont généralement dotées de connecteurs SMA, RP-SMA (reverse polarity SMA), ou N selon le constructeur. Cependant, les antennes à gain (exprimé en dBi ou en dBd) employées à l’émission (réception libre) doivent respecter la réglementation PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente).
4. Autres antennes
Il existe d’autres antennes, moins connues, et celles conçues par les wifistes, comme l’antenne cornet, les antennes 2,5 GHz de réalisation amateur, les Yagi, les cornières, les dièdres, les « discones », etc. mais seules les tiges, les panneaux et les paraboles sont significativement utilisées.
Pour améliorer les échanges, il peut être monté au plus près de l’antenne un préamplificateur d’antenne (RX) avec ou sans ampli de puissance mais toujours de type bidirectionnel.
